（信号与信息处理专业论文）基于多dsp的脉冲压缩和动目标检测.pdf

摘要 摘要 脉冲压缩与动目标检测作为雷达信号处理的主要技术，广泛应用在脉冲体制 雷达中。本文结合作者参与的科研工作对这两种技术进行具体的分析与讨论。文 中首先介绍了线性调频信号的脉冲压缩，并重点讨论了线性调频信号的多普勒频 率与脉压输出的关系以及线性调频脉冲信号的旁瓣抑制，同时也研究了非线性调 频信号波形设计的两种方法，以及非线性调频信号脉冲压缩。接着讨论了动目标 显示( m t i ) 的基本原理、权库法准自适应m 1 1 的滤波器组系数设计以及动目标检 i 贝i j ( m t d ) 滤波器组的设计，并讨论了滤波器组旁瓣的抑制，给出相应的仿真结果。 在工程实现部分，介绍了雷达信号处理机的硬件平台，信号处理机系统设计，重 点介绍了检测模块的程序设计，并分析了在调试中遇到的问题。 关键字：线性调频非线性调频脉冲压缩动目标检测d s p a b s t r a c t a b s t r a c t p u l s ec o m p r e s s i o na n dm o v i n gt a r g e td e t e c t i o n ，w h i c ha r ew i d e l yu s e di nt h ep d r a d a r s ，a r ei m p o r t a n tp a r t so fr a d a rd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g i nt h i sp a p e r , t h o s et w o t e c h n o l o g i e sa r ea n a l y z e dc o m b i n e d 、航t hr e s e a r c hw o r kt h ea u t h o ri si n v o l v e di n f i r s t ，l i n e a rf r e q u e n c y - m o d u l a t e d ( l f m ) s i g n a li si n t r o d u c e d ，a n di t ss i d e l o b e s u p p r e s s i o na n dt h ei m p a c to fd o p p l e rf r e q u e n c yf o ro u t p u to f t h ep u l s ec o m p r e s s i o n 谢t l li ta r ea n a l y z e d s e c o n d ，t w o t y p ed e s i g nm e t h o d sa n dp u l s ec o m p r e s s i o no f n o n l i n e a rf r e q u e n c y - m o d u l a t e ds i g n a la l eo b s e r v e d t h i r d ，m o v i n gt a r g e ti n d i c a t i o n ( m t i ) ，a d a p t i v ec l u t t e rr e j e c t i o nf i l t e rg r o u pd e s i g na n dm o v i n gt a r g e td e t e c t i o n ( m ad ) a r eo b s e r v e d ，h i g h l i g h t i n gt h ed e s i g nm e t h o do fm t d f i l t e rg r o u pa n di t s s i d e l o b es u p p r e s s i o n , g i v e nt h ec o r r e s p o n d i n gs i m u l a t i o nr e s u l t s i nt h ep r o j e c ti m p l e m e n t a t i o n ，t h ep a p e rd e s c r i b e st h er a d a rs i g n a lp r o c e s s o r h a r d w a r ep l a t f o r m ，s i g n a lp r o c e s s i n gs y s t e md e s i g n ，p u t se m p h a s i so no b j e c td e t e c t i o n m o d u l ep r o g r a md e s i g na n da n a l y z e st h ep r o b l e m se n c o u n t e r e di nt h et e s t i n g k e y w o r d ：l f mn l f mp u l s ec o m p r e s s i o n m t dd s p 西安电子科技大学 学位论文创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：邑日l 日期：二垒幽l 虹 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、 文在解密后遵守此规定) 本人签名：星咝 缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论 日期： 2 0 o 3 6 导师签名： 拯窆耄b 日期：丞丝纽! 至，么 第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文产生背景与意义 随着作为对空警戒雷达目标的各种飞行器技术的发展，雷达的分辨能力、作 用距离和测量精度等性能指标必须得到相应提高。雷达的探测距离取决于雷达发 射信号的能量。可以通过提高峰值功率或增大脉冲宽度增加信号能量，但峰值功 率的提高受到发射管最大允许峰值功率和传输线功率容量等因素的限制。因此在 发射机最大允许平均功率的范围内，通过增大脉冲宽度f 来增加雷达的作用距离。 对恒定载频单脉冲信号，这尽管有利于测速精度和速度分辨率的提高，却使得距 离分辨率及测距精度变差。这一矛盾的通常解决方法是在发射机端对时域脉冲进 行调制，在接收端通过匹配滤波器处理而产生窄的时域脉冲，这一过程称为脉冲 压缩。脉冲压缩是雷达的重要技术之一，有效地解决了距离分辨率同平均功率间 的矛盾，并在现代雷达中广泛应用【1 j 。 根据调制信号的波形，可将脉冲压缩分为线性调频脉压、非线性调频脉压和 相位编码脉压三种。本文主要介绍了线性调频信号和非线性调频信号的脉冲压缩。 线性调频信号的主要优点有：线性调频信号产生容易，回波信号的多普勒频 移不会影响信号的脉冲压缩，也不会引起信噪比损失，对动目标检测有用，而且 其技术已相当成熟。其缺点是距离旁瓣较大，在多目标环境里，距离旁瓣将淹没 小的回波信号，造成目标丢失。可以通过加权处理降低距离旁瓣。对线性调频信 号，加权意味着不能采用严格的匹配滤波器，将产生信噪比损失，并使压缩后的 脉冲主瓣展宽【1 6 1 。 非线性调频信号( n l f m ) 的突出优点是不需要任何加权就可以有较好的副瓣 抑制性能。因为不需要加权，即失配处理，所以没有信噪比损失的问题。但n l f m 信号产生和处理比较困难，随着数字技术的发展才得以广泛应用。 动目标显示和动目标检测( 杂波抑制) 是雷达信号处理中的重要组成部分， 其原理是根据回波多普勒频移的不同来区分目标和杂波，通过设计合理的滤波器 ( 组) ，就可以把目标与杂波分开。一个完备的杂波抑制系统是m t i 、a m t i m t d 、 杂波图、c f a r 检测等技术的综合应用，实现从杂波和噪声背景环境中检测目标。 雷达要探测的目标通常是运动着的物体，加上背景、天气以及可能存在的人为因 素，因此如何消除杂波干扰，提高目标的回波分辨率就成为当代高性能雷达研制 的关键问题1 2 1 。 2 基于多d s p 的脉冲压缩和动目标检测 雷达信号处理的发展经历了从抑制杂波的时域滤波和抑制有源干扰的空域滤 波，到对变化环境的自适应滤波。数字技术推动了雷达信号处理的发展，信号处 理机研制的重点已从模拟器件性能的提高转移到数字信号处理算法的改进。目前 数字信号处理己经发展为一项成熟的技术。 现在，仿真已经在系统设计上占有很重要的作用。在雷达研制中，通过仿真 就可以确定信号处理机的功能、性能。系统仿真和硬件资源相结合大大缩短了雷 达系统设计周期。信号处理算法的设计与硬件平台有着很紧密的联系，由算法仿 真向系统实现的转变是一个自然的进程。当算法仿真完成后，信号处理机的架构 已经明确。雷达信号处理机的软硬件复杂度与雷达的性能要求和算法选择有关。 虽然数字信号处理器件的发展很快，使得常规信号处理的实现成为可能，但一些 特定算法在通用信号处理机上的执行效率不高。因此要根据算法的特点设计信号 处理系统。 结合作者参与的科研实践，本文讨论的内容包括雷达信号处理的几个主要部 分：线性调频信号和非线性调频信号脉冲压缩、动目标检测、雷达系统的工程实 现。 1 2 国内外研究发展状况 雷达是现代电子科学发展的成就之一。它已广泛地应用于地面、舰载、机载、 星载等领域，执行着各种军事和民用任务。 在二十世纪四十年代，专家学者在雷达信号处理方面建立了许多经典理论， 如最佳线性滤波和预测理论、匹配滤波器理论。这些理论推动了脉冲压缩技术的 发展和应用。五十年代实现了抑制杂波的时域滤波和对复杂信号的匹配滤波。随 着六十年代许多新技术和新器件相继开发成功，脉冲压缩体制雷达研制成功并投 入使用，使得雷达系统的性能和指标有了大幅度提高。1 9 6 5 年c o o l e y 和t u k e y 发现 了离散傅立叶变换的快速算法，为数字信号频域处理的实用化打下了坚实的基础。 信号处理出现了时域和频域两类技术并进的局面。随着超大规模和超高速数字器 件的出现，使雷达信号的产生和处理朝着数字化的方向迅速发展。 雷达的检测能力、测量精度和分辨能力要求雷达信号具有大的时宽带宽积。 对于单载频脉冲信号，大的时宽和带宽不可兼得。在匹配滤波器理论指导下，人 们提出了线性调频信号，即在宽脉冲内附加线性调频，扩展信号的频带。线性调 频信号具有大的时宽带宽积的特点，在增加作用距离的同时保证了距离分辨率。 w o o d w a r d 从理论上完善了脉冲压缩，使人们对线性调频信号进行匹配滤波就可获 得窄脉冲输出有了更加深刻的认识。具有大的时宽带宽乘积的信号除了l f m 外， 第一章绪论 3 还有非线性调频、二相编码和t a y l o r 四相码信号。早期使用的是分离元件构成的全 通移相网络，色散延迟线或压控振荡器( v c o ) 的方法寻找有效的大时带积信号。 七十年代研制成功的声表面波( s a w ) 器件是一种各项性能都有很大改进的时域抽 头延迟线，在脉压系统中获得了比较广泛的应用。八十年代后，数字器件的性能 得到了大幅度提高，数字产生与处理技术因其突出的优点成为新研制系统的首选 方案。 动目标显示( m t i ) 是根据杂波和目标的多普勒频移不同来检测目标抑制杂波 的。在五十年代，m t i 技术的应用改善了雷达检测动目标的能力。但由于当时元器 件上的限制，m t i 雷达的性能提高遇到障碍，改善因子只能达到2 0 3 0 分贝左右。 六十年代以来，伴随着大规模集成电路得到了快速发展，m t i 的性能得到了显著的 提高。数字集成电路大量应用于雷达系统中推动了数字m t i ( d m t i ) 的应用。d m t i 具有更高的稳定性、更好的暂态响应，和更高的杂波改善因子。r e e d ，b r e n n a n 和 m c a u l a y 等人运用似然比统计检测方法提出在高斯杂波背景下，最佳滤波器可以等 效为一组窄带多普勒滤波器的并联。当时的雷达设计人员意识到，采用一种相干 脉冲多普勒处理器较之用一个m t i 装置可能有更好的杂波抑制性能。在七十年代初 麻省理工学院林肯实验室研制出了用于机场监视雷达的第一代动目标检测器 ( m t d ) ，其采用了一种二脉冲对消器和八脉冲快速傅立叶变换级联的结构。为了 在不增加成本的情况下使性能得到更大的改善，主要是为了得到更低的旁瓣，林 肯实验室研制出第二代m t d 。美国西屋公司于八十年代研制的现代机场监视雷达 a s r 9 采用了第三代m t d 技术。与前两代相比，它的好处是通过采用独特的软件 算法大大改善了距离和方位分辨率和精度。这些算法包括改进的恒虚警算法、脉 冲波形匹配和波束形状匹配等【6 j 。 1 3 论文内容安排 本文源自某常规雷达信号处理机的研制。首先对信号处理机用到的脉冲压缩 和动目标检测等算法进行了仿真分析，接着对信号处理机的硬件平台进行了介绍， 并基于该硬件平台进行了信号处理软件模块的设计开发。本文的具体安排如下： 第二章首先介绍了在脉冲压缩雷达中应用的比较广泛的线性调频信号，通过 仿真对线性调频信号的脉冲压缩进行了理论分析，接着对非线性调频信号的产生 方法及其脉冲压缩进行了讨论，通过仿真分析对比了线性调频信号和非线性调频 信号的优劣。 第三章首先分析了基于杂波模型的动目标显示( m t i ) 系数优化设计方法，并和 对消器的幅频响应进行了比较，接着介绍了权库法准自适应m t i 实现原理以及滤 波器组系数设计，然后分析了动目标检狈q ( m t d ) 的基本算法。最后分析了m t d 4 基于多d s p 的脉冲压缩和动目标检测 滤滤波器组旁瓣的抑制方法，给出相应的仿真结果。 第四章，结合工程实践分析了雷达信号处理板结构以及信号处理机系统设计， 接着介绍了基于硬件平台的信号处理系统软件设计，以及动目标检测程序的工程 实现，重点介绍了权库法准自适应m t i 工程实现。 第二章脉冲压缩技术 第二章脉冲压缩技术 2 1引言 雷达最佳接收机就是使其输出信噪比最大的一种匹配滤波器，所以脉冲压缩 的设计实际上就是匹配滤波器的设计。脉压过程是接收信号与发射信号的复共轭 求相关函数的过程【引。 根据实现时器件不同，脉冲压缩系统实现通常被分为两类，一类是采用模拟 器件实现，另一类是采用数字器件实现。早期脉冲压缩经常用模拟电路来完成， 数字技术的发展推动了脉冲压缩的数字化设计。与模拟技术相比，数字脉冲压缩 技术有许多优点。数字化的脉冲压缩系统以其工作方式灵活、性能稳定和易于控 制等优点，取代了传统上的模拟脉压技术，所以数字脉压是现代脉压系统的发展 趋势。同一个数字脉压滤波器，改变其参数即可改变它的脉冲响应，因此同一个 数字脉压滤波器，不仅适用于各种线性调频信号，也适用于非线性调频信号和各 种编码信号。数字匹配滤波既可以用直接型的f i r 滤波器实现，也可以用f f t 方 法实现。根据信号的时宽带宽积和信号处理系统的硬件限制采用具体的实现方法。 线性调频信号和非线性调频信号是雷达信号的两种形式。线性调频信号的模 糊图具有倾斜的刀刃形，容易得到大的压缩比，压缩脉冲波形和信噪比损失对多 普勒频移不敏感，对动目标检测非常有用，其研究和应用已相当成熟。非线性调 频信号( n l f m ) 的突出优点是有较好的副瓣抑制性能。因为不需要加权，即不需要 失配处理，所以没有信噪比损失的问题。但n l f m 信号产生和处理比较困难，随 着数字技术的发展才得以广泛应用。 强信号的脉冲压缩旁瓣会掩盖或干扰附近的弱信号的反射回波，这种情况在 实际工作中是不允许，因此脉冲压缩处理时必须解决距离旁瓣问题。采用加权的 方法可以降低旁瓣，理论设计旁瓣可以达到小于4 0 d b 的量级。但用模拟技术实 现时实际结果与理论值相差很大。而用数字技术实现脉冲压缩时实际输出的距离 旁瓣与理论值非常接近。 2 2 线性调频脉冲压缩 线性调频信号l f m 是通过非线性相位调制或线性频率调制获得了大的时宽 带宽积。采用这种l f m 信号的雷达可以同时获得远的作用距离和分辨率，它具 有对目标回波信号多普勒频移不敏感，信号产生和处理容易，且技术较成熟等优 6 基于多d s p 的脉冲压缩和动目标检测 点。主要缺点是旁瓣较高，可用加窗函数的方法降低旁瓣，但这会降低信噪比【1 1 。 2 2 1 线性调频信号 线性调频信号的复数表达式可以写成： j c 。“地，( t e j 2 r ( 砷埘2 ) 在式( 2 - 1 ) 中，a 为信号幅度，旭，( 考) 为矩形函数 r p c f ( 善一) = 二 ( 2 1 ) ( 2 - 2 ) 信号瞬时频率n - - i 以导出为： y ( 0 = 爿2 刀f o ，+ 冽铂彬 ， 其中u 为f ( t ) 的变化斜率，它与脉冲宽度f 内的频率变化范围( 又称带宽) b 有如 下关系： u = b x ( 2 - 4 ) 在脉冲宽度f 内，信号角频率由( 2 万五一等 变化至f j ( 2 万f o + 务调频宽度为 b = 1 1 1 7 ，时宽带宽积d = b r = “f 2 图2 1 给出了中心频率为f o = 0 ，采样频率z = i m h z 和f = 2 5 6 p s ，带宽为 b = 0 5 m h z 的线性调频信号。 一2占 1 的情况下，式( 2 - 5 ) 积分可得： 吣) = p o s - 2 - ( ，一砒2 ，4 i ，i 一厶i 口2 其它 ( 2 - 6 ) 在b r l 的情况下，信号能量的9 5 以上集中在i 一五l 姜的范围内。图2 2 中 z 显示带宽b 为1 m h z ，时宽带宽积分别为3 2 、6 4 、1 2 8 和5 1 2 振幅谱。当时宽带 宽积d 不同时，l s f 厂) l 将随之变化，d 越大，则幅频特性在自身信号带宽b 内越 平坦，在这个频带以外的幅度变化下降很快，信号主要能量集中在信号频带以内。 通过以上分析得出关于l f m 脉冲信号频率特性的重要结论，即在满足大压 缩比的条件下，l f m 的振幅谱接近矩形函数，频谱的宽度近似为信号的带宽b ， 它是与时宽f 无直接联系的信号等效带宽。其是设计匹配滤波器进行脉冲压缩处 理的主要依据【4 】【1 2 1 。 基r 多d s p 的脉冲压缩和动日标检测 霉匪： 匪 ： 歪鼍6 0 匿 图2 2b t 不同时线性调频脉冲的振幅频谱 接下来我们探讨线性调频信号的匹配滤波。 线性调频信号的脉冲压缩是通过匹配滤波器得到的，若输入信号频率特性为 s ( ，) = i s ( ，) i e ( 2 - 7 ) 那么匹配滤波器的频率特性( ，) 应满足下式： h ( f ) = 足i s 1 8 “p 1 2 “。 ( 2 一s ) 其中k 为常数，若令k = 卢2 f a ，则结合式( 2 - 6 ) 和式( 2 8 ) 得： h ( ，) ：p 巾”一“脚4 4 “，l i - f o l _ n 2 ( 2 9 ) 从式( 2 9 ) 中，可得匹配滤波器的群延时特性( 群延时是指信号频谱成分能量的延 时) ： 似) _ - 去等一与盟巾叫蚓：( 2 - 1 0 ) t a 。为与压缩网络的固定延时，延时相当于信号的相位滞后。 因此，线性调频脉冲压缩滤波器的输出信号为 第二章脉冲压缩技术 u ( f ) = 寺e s ( ，归( ，) e ”矿 ：x ds i n z b ( i - t r i o ) d 2 * ( - 一。) ( 2 - 1 1 ) j r b ( t 一o ) 从式( 2 1 1 ) 可得匹配滤波器的输出信号包络为： 岍一历坐躲掣 仁1 2 ) 带宽b 为0 s m h z ，采样频率正= 1 0 m h z ，发射脉冲为2 5 6 , u s 的线性调频信号的 脉冲压缩图形如图23 所示。 o 锄 百郴 茸 l 瑚 o ”篇，”“” 图2 3 未加宙脉压输出信号 匹配滤波器输出信号为辛克( s i n e ) 函数，输出脉冲幅度降为蛐时，脉宽 f 0 = 20 1 a s ，d = bf = o5 m h z x 2 5 6 p s = 1 2 8 ，理论计算得到i i = ；= 云= 百2 5 6 p s 却s ( 2 - 1 3 ) 由式( 2 1 3 ) 看出经过匹配滤波器后，输出脉宽比输入脉宽缩d , t1 2 8 倍。从能量守 恒的角度来看，如果压缩网络是无源的，它本身不消耗能量也不产生能量，那么 得到 e = p f = 只l ( 2 - 1 4 ) 式( 2 1 4 ) e ? ，只和曩分别为输入脉冲的峰值功率和输出脉冲的峰值功率。 由式( 2 1 3 ) 可得到 d = = 鲁( 2 - 1 5 ) 从式( 2 1 5 ) 中看出，输出脉冲的功率增大1 2 8 倍。由于无源网络本身不会产生 噪声，而输入噪声具有随机特征，因此经过压缩网络之后输入噪声不会被压缩， 仍然保持在接收机原有噪声电平上。所以输出脉冲信号的功率信噪比( s ，_ ) 。与输 l o 基于多d s p 的脉冲压缩和动目标检测 入脉冲信号的功率信噪l l ( s 忉，之比也提高了1 2 8 倍，这就使脉冲压缩雷达有更 远的探测距离。 2 2 3 线性调频脉冲信号的旁瓣抑制 主副比是衡量一个脉冲压缩处理系统性能的指标之一。如图2 3 示，线性调 频信号的脉冲压缩输出有较高的旁瓣。旁瓣产生的原因是l f m 信号通过其匹配 滤波器后，在某一时间位置上被压缩成一个窄脉冲，输出波形具有辛克函数 s i n x x 的性质，取得了其最大信噪比。但是在窄脉冲( 主瓣) 的两侧存在着以辛 格函数为包络的逐渐递减旁瓣。靠近主瓣的第一旁瓣的值较主瓣值只低约 1 3 3 4 d b ，其它旁瓣随其离主瓣的间隔x 按1 x 的规律衰减，旁瓣零点间的间隔是 1 b 。旁瓣的存在将明显降低多目标分辨能力。如果不存在多目标，一个大目标的 距离旁瓣也可能超过检测门限造成虚警。所以必须采取专门的措施抑制旁瓣，提 高多目标的分辨能力，可以采取失配滤波器的方法来改善旁瓣性能，即在旁瓣抑 制达到要求的条件下，应使主瓣的展宽以及强度变化值最小。抑制旁瓣的有效手 段是加权技术。加权可以在发射端、接收端或收、发两端上进行，其方式可以是 时间域幅度或相位加权，也可以是频率域幅度或相位加权。此外，加权可在射频、 中频或视频中进行。为了使发射机工作在最佳工作状态，一般不在发射端进行时 域幅度加权。当脉压网络在中频实现时，一般在接收端中频级采用频域幅度加权。 目前采用较广的方式是在接收机中频级或视频级采用频域幅度加权。脉冲压 缩的加权网络在系统中的位置通常如图2 4 所示。 ( a ) ( b ) 图2 4 加权脉压系统框图 “加权处理就是将匹配滤波器的频率响应乘上某些适当的窗函数，例如汉 宁函数，海明函数等。加权处理有时域加权和频域加权。图2 4 ( a ) 是时域加权处 理的原理图，图2 4 ( b ) 是频域加权处理的原理图。在时域中，这相当于一系列加 第一章脉冲月：缩技术 权j 函数组成的滤波器和匹配滤波器相级联，这虽然增加了一些运算量，但却可 以把旁瓣压低到土瓣的一4 0 d b 以下。频域加权处理只需在只读存储器中存储加权 后的匹配滤波器的频谱函数就可以了。在发射多种雷达波形时，这种方法是很适 宜的。可事先在只读存储器中存储多组加权后的匹配滤波器的频谱函数，当需要 改变发射波形及加权函数时，在处理时，读出与雷达信号相应的一组频谱函数也 就行了嘲。 需要指出的是：加权处理实质上是一种失配处理它是以主瓣加宽与信噪比 降低为代价。图2 5 中给出带宽b 为05 m h z ，采样频率f ，= i o m h z ，发射脉冲为 2 5 6 j 的线性调频信号加窗后脉冲压缩输出的仿真图形。 h a m m i n g 口h e 镕* 力叫h ，糍；每 、i主瓣蛊度- 3 1 罗芦2 。1 ? ij lj l | i | ，绰龄 f主到比：3 1 制b1 f主瓣宽度 33 _ u ”信嗓t 扣一1 巾一口 图2 5 加宙后脉压输出 在图23 中未加窗脉压输出信号，它的主副比是1 33 6 d b ，主瓣宽度为2 0 f ： 在图2 5 中加h a m m i n g 窗后脉压输出信号，它的主副比为4 13 6 d b ，主瓣宽度为 3 0 , u s ，信号损失为- 1 3 4 d b ；加h a r m i n g 窗后脉压输出信号，它的主副比为3 15 d b ， 主瓣宽度为33 a t s ，信号损失为1 7 5 d b 。明显的看出，采用了加窗函数的方法后， 提高主副比，改善脉压效果。加宙脉冲压缩抑制旁瓣的副作用是输出信号的包络 主瓣降低、变宽。即旁瓣抑制是以信噪比损失和距离分辨率变坏作为代价的。 接下来我们探讨多普勒频移对目标检测的影响。 信号形式是b 为5 0 0 k h z ，采样频率f = 1 0 v l h z ，发射脉宽2 5 6 j ，回波信 号的多普勒频移分别为0 h z 和6 k h z ，设计匹配滤波器( h a n l m n g 窗加权) ，分别 对两种信号回波脉压，其仿真图形如图2 6 所示。= 0 时，主副比为4 13 6 d b ， 主瓣宽度是3 0 , u s 信号损失为- l3 4 d b ：疗= 6 k i & ，主副比为3 96 5 d b ，主瓣宽 度是3o _ 5 ，信噪比损失了一13 6 d b 。 o 钟 帅 柏 3 4 。一r； 基j 二多d s p 的脉冲压缩和动日标检测 日= 0 h d 【i h m 0 目r 镕*日= 6 k h 曲m i n g 口嗡* 镕m l i i i i 套 l 信惶“损$ 2 。1 中8 ”2 “ 图2 6 具有不同多普勒额移回波脉压输出 采用线性调频信号的雷达对i i 标回波信号的多普勒频移不敏感。对与具有多 普勒频移的回波信号，匹配滤波器仍能起到脉压的作用。 2 3 非线性调频信号脉冲压缩 线性调频信号的脉冲压缩输出有较高的副瓣电平，一般对信号进行失配处理， 即采用窗函数加权来降低副瓣。窗函数加权虽然抑制了副瓣，但会引起主瓣展宽 和信噪比损失，必须提高发射功率才能保持雷达的原作用距离。采用非线性调频 信号能够很好的避开失配引起的信噪比损失。 非线性调频信号是一种调频速率在脉冲边缘较快，而在脉冲中间稍慢的信号， 反映在信号的频谱中就是中心频率的分量少，频带边缘的分量多。对这种信号匹 配滤波处理，相当于对线性调频信号加权后的脉压输出。可获得较好的副瓣抑制 效果，但在脉压时不需要进行窗函数加权，所阻不会产生附加的信噪比损失。非 线性调频信号的产生方法主要有两种：采用s 型调频和采用宙函数反求法i 9 【l i l “。 2 3is 型非线性调频信号 s 型非线性调频信号是由一个线性调频信号和一个正弦调频信号组合成的矩 形脉冲信号，是综合性能较好和使用较多的一种脉冲信号，其表达式为： 悱知刊；+ 丢( 蒜h 掣 任，s ， 其中：b 为频率带宽，五为中心频率，t 为矩形调制脉冲的时宽，常数k 影响非 线性程度。 第二章脉冲压缩技术 lo 。1 1 lo 1 ， # 口 * 自* 国2 7s 型n l f m 信号的实都和虚部 图2 8s 型调频信号的时间频率特性 图2 7 示出了k - o0 时的s 型调频信号的实部和虚部的仿真图。 图2 8 显示了k 分别为0 0 ，0 4 5 和1 时的f ( ，) 一f 曲线。当k - 1 时，式( 2 1 6 ) 项中的正弦项为零，此时信号就变为线性调频信号。当k 值不等于1 时，t f ，1 一f 曲线呈s 形，因此把这种非线性调频信号称为s 型调频信号。 根据匹配滤波器的理论，若回波信号为s ( f ) ，其频谱是s ( f ) 则匹配滤波 器的频率特性h ( s ) = 群( f ) 。匹配滤波器的输出信号的频谱为： ( f ) = s ( ，) 1 = r ( ，) ( 2 - 1 7 ) 对式( 2 - ”) 进行反傅里叶变化得： ( f ) = 簋& ( ，) e j 2 # , 。d f = 篇s ( ，) h ( ，) e s 2 , , 。d f ( 2 _ 1 8 ) 根据相位逗留原理鸭从式( 2 1 8 ) 可求出匹配滤波器的输出为： 娟) = 篇h t 卅c o s l 吐等 _ 卜” ( 2 9 ) 2 1 ；。 g 一1 电 x10 5 b ；o5 m h z ，t _ 2 5 6 旧 i f 7 o 1 0 0 m 点数2 0 0 0 图2 , 9 ，( ，) = r ( f ) 的函数 。 锄 l 瑚 啪 o 锷嚣“ 图2 1 0s 型n l f m 脉压输出 摹r 多d s p 的脉冲压缩和动目标检测 b = 0 5 m h ；t = 1 2 8 u s 日= 0 b - 05 呲t - 1 2 8 u a f d - 6 k h z i n 鎏皇美譬恕i 渖嫡 图2l l 们= o k h z 脉压输出 o 1 黑 # 目m # 图21 2f d = 6 k h z 脉压输出 图2 9 给出了带宽为b = 05 m h z ，脉冲宽度为f = 2 5 印j 的群延时特性f ( ，) 的反函 数。可以看出n l f m 的频率在脉冲边缘变化较快，而在脉冲中间变化缓慢，信号 的频谱中心频率分量少些，而频带边缘的分量多些。囤2 1 0 给出了其脉压输出的 信号仿真图，主副比为3 1 3 1 d b ，主瓣宽度是2 9 , u s 。图2 1 1 显示了的是b - 05 m h z ， f = 1 2 8 s 的n l f i v l 的脉压输出结果图，主副比为2 63 7 d b ，主瓣宽度是29 p s 。 可得结论是：n l f m 信号的压缩比d ( d = b r ) 越大，主副比越高，但对主瓣宽度 影响不大。 图21 2 所示是在图21 1 的信号的基础上加了多普勒频移正= 6 k h z 后的脉压结 果，主副比降为1 82 6 d b ，主瓣宽度是35 i s 从图上可以看出多普勒频移对n l f m 信号脉冲压缩影响较大。 从式( 2 - l9 ) 中可以得出最( ，) 为： 疋( ，) = k + ( 球膏f 。f 上五 7 llb 川 ( 2 2 0 ) 当k = i 时，s o ( f ) 为矩形窗；当k = 05 时- 只( ，) 为汉宁唧a 衄m 曲窗- 汉宁窗比 矩形窗有更低的副瓣，因此非线性调频信号不需要加权就可比线性调频信号有较 低的副瓣，避免了信噪比损失i ”。 2 32 采用窗函数反求法设计的非线性调频信号 假设非线性调频信号的频谱为s ( 埘) ，对应的匹配滤波器( m ) = s + ( ) ，其 脉压输出信号，( f ) 的频谱是： f ) = e y ( f 炉4 d t = s ( m ) s ( m ) = l s ( m ) 1 2 ( 2 _ 2 1 ) 若选择某种窗函数矿f ，1 作为脉压输出信号的频谱， 乜就确定了脉压输出信 号，并且保证了脉压输出有足够的旁瓣电平【1 0 1 。 。 啪 书 啪 等一# 。 如 加 舶 8口l 第章脉冲压缩技术 根据逗留相位原理嘲- 波形设计足根据窗函数功率谱( ，) 或振幅谱p ( 州进 行的，它们之间有如下关系： ( ，) = i s ( 州2 ( 2 2 2 ) 群延时特性，( ，) 与( ，) 和旧( 州的关系如下： f ( ，) = 女e 陆圹d r = t e ( z 胁( 2 - 2 3 ) 其中k 为常数，应满足下式： f ( 口，2 ) = t e ：矿( x 胁= r ( 2 _ 2 4 ) 对式( 2 - 2 3 ) 求反函数，可得n l f m 信号的调频函数，( f ) 为： ，( ，) = f - 2 ( ，) ( 2 - 2 5 ) 窗函数的选择要主瓣宽度窄、第一副瓣小。这样进行脉冲压缩过程时，就不 需要失配来降低副瓣。比如b l a c k m a n 窗嘲的主副比最大，但其主瓣很宽，适用于 距离分辨率不高的雷达中。 根据上面介绍的方法结合海明( 1 1 a m m 曲曲窗函数进行波形设计。 海明窗的数学表达式为： w ( f ) = o5 4 + 0 4 6 c o s ( 2 r c f b ) 川b 2 ( 2 2 6 ) 结合式( 2 2 3 ) 与式( 2 2 6 ) 可得： 彤) 一o s 。妒+ ( 等鼍咖降s ； z ， 由式( 2 - 2 4 ) u q 得。2 百刍i ，代入式( 2 - 2 _ 7 ) 得： ，( ，) = ( r ，。) ，+ ；+ l ( 0 4 。2 6 t s i n l ( 2 。s i q - | d s p 0 ld s p 2 图4 5 检测模块的处理流程 4 3 3d s p 与f l a s h 连接及系统加载 加载储存器一般选用e p r o m 和f l a s h 。f l a s h 可以在线擦除和存储数据， e p r o m 需要强紫外线擦除器且不能在线存储。f l a s h 成本低，反复擦写的次数 比e p r o m 多，体积较e p r o m 小。鉴于f l a s h 以上优点，本系统选用f l a s h 作为加载芯片。 黛 通 基于多d s p 的脉冲压缩和动目标检测 a d s 浮3 $ 2 0 1 s 2 9 g l l 2 8 n a d d r 2 5 2 2匪垂一 a d d r 2 5 2 2 a d d r 2 1 枷 a d d r 2 1 田 d 龌艄墒d 觚柚曲 b m s 二 卜 c e m s l w r l舰 肋 o e 图4 6 d s p 与f l a s h 的连接图 引脚b m s 状态决定a d s pt s 2 0 x s 处理器的启动模式。在处理器复位时，如 果连续几个系统周期内引脚b m s 的状态为低电平，处理器选择e p r o m 方式程序 引导。经过一段时间b m s 变为输出引脚，作为程序引导过程中的f l a s h 片选信 号。引脚m s l 是地址译码后的存储器地址引脚，与a d d r 引脚同时变化。 a d d r 3 l ：2 7 = 0 b 0 0 11 0 ，m s o 有效；a d d r 3 1 ：2 7 = 0 b 0 0 11 1 ，m s l 有效。图4 6 显示 b m s 与m s l 相与后连接到f l a s h 的片选信号上，且部分地址线a d d r 2 5 ：0 与 f l a s h 连接，因此f l a s h 存储空间所对应的d s p l 地址空间是 0 x 3 8 0 0 0 0 0 0 0 x 3 b 箭暖。f l a s h 存储空间分配给四块信号处理板如表4 3 所示。 这种结构设计的优点是在d s p 复位后，与f l a s h 连接的d s p 通过e p r o m 方式 自动进行程序加载。加载成功的d s p 正常工作后可以使m s l 有效，对f l a s h 进 行读、写操作，然后进行其它d s p 程序进行加载。 表4 3 程序在f l a s h 中的首地址 处理板程序对应 一 l o a d c t l 3 - 2 信号处理板的f l a s h 地址分配 处理板1 0 00 x 3 8 0 0 0 0 m 旬x 3 8 f f l f f r 处理板2 0 10 ) ( 3 9 0 0 0 0 0 o x 3 9 f f f 盯 处理板31 00 x 3 a 0 0 0 0 f f , - o x 3 甜行行 处理板4 1 10 x 3 b 0 0 0 0 0 旬x 3 b 筒嘟 ( 1 ) 程序加载过程 当d s p 选择e p r o m 方式引导时，d s p 的d m a 通道0 的两个t c b 被初始 化：打开d m a 中断并初始化d m a 的中断向量为内部存储器地址0 x 0 0 。长度为 第四章雷达信号处理机实现 2 5 6 个3 2 位字的引导程序从8 位的f l a s h 通过d v i a 方式传输到d s p 内部存储 器地址0 x 0 0 - - o x i f * 在传输完成后自动产生相应的d m a 内部中断，然后d s p 从 地址0 x 0 开始执行内核引导程序。 当d s p 选择链路口方式进行程序加载时，4 个链路口都可以作为程序加载通 道。在处理器复位后，4 个链路口均被初始化成以d m a 方式接收2 5 6 个字的链 路口引导方式的内核引导程序状态，且d m a 的中断向量的地址是o x 0 0 。2 5 6 个 字的内核引导程序存放在内部存储器地址o x o o - - o x f f 中。2 5 6 个字传输完毕后产生 d m a 中断，处理器从地址0 x 0 0 开始执行内核引导程序( 初始化处理器) ，进行 用户程序代码的加载和运行。 多个处理器共同使用一个f l a s h 来进行加载。只有d s p i 与f l a s h 总线连接， d s p 之间通过链路口数据传输。因此程序加载成功的处理器往往担负着给尚未加 载程序的处理器进行程序加载的任务。这样需要使用相应的引导程序，而这个引 导程序v i s u a d s p + + 是没有的，需要用户自己编写。d s p i 采用e p r o m 方式进 行程序加载，d s p 0 ，d s p 2 和d s p 3 采用链路口引导方式进行程序加载。因此d s p l 处理器需要从f l a s h 中获取其它处理器程序代码，然后通过链路口通信的方式提 供给相应的处理器，进行程序引导加载。 接下来介绍d s p 程序在生成l o a d 文件时在v i s u a ld s p + + 界面所傲的设置。 i 匿琴善垂 | |i 器篙警! | | 面i 磊。汕 雌鐾；，骚蓄l f ，嚣! s t 。i t l “”6 “ 。+ ! = 兰型兰些 d s p 程序生成b a d 文件前，要在v i s u a ld s p - h - i 程环境下避行设置。首先选择 生成的文件类型为l o a d e r f i l e ，接着进行引导模式选择。在图4 7 中，引导模式列 举了3 种：p r o m 为e p r o m 引导方式：h o s t 为主机引导方式：l i n k 为链路口引 导方式。当用p r o m 方式时，要选中u s e d e f a u l t k e m c l 。当用链路口方式引导时 3 6 基于多d s p 的脉冲压缩和动目标检测 要在k e r n e lf i l e 中指定选用的是哪个链路口。l o a d e rf i l e 文件的数据格式为a s c i i 。 通过d s p 来对f l a s h 编程烧写程序来将这个l o a d e rf i l e 文件写入f l a s h 。另外， f l a s h 只连接了d s p 外部总线的低8 位，因此在向f l a s h 写数据时，需要事先 编程将所有数据搬移到低8 位，如图4 8 所示。而后程序加载时，d s p 内有函数 将从f l a s h 读出的8 位数据通过移位拼成3 2 位指令。f l a s h 属于慢速存储设 备，其擦除和读写的速度均比较慢，擦完后内部存储空间均为0 x f f f f ，然后才可 以对f l a s h 进行存储。写入的时间要比擦除的时间快。写入完毕后，可通过v i s u a l d s p + + 调试平台查看f l a s h 中数据的正确与否。 原始数据 a o a l a 2 a 3 b 0 b l b 2 b 3 图4 8 写8 位f l a s h 之前的数据格式变换 ( 2 ) c p l d 在程序加载中的应用 雷达信号处理的实现经常涉及大量的数据运算。信号处理机系统由硬件结构 相同的数块信号处理板组成。雷达信号处理的算法分别在不同信号处理板上实现。 在雷达信号处理机调试或工作的过程当中，处理板有时出现故障以至信号处理机 无法正常工作。为了保证雷达信号处理机出现故障后能通过跟换电路板很快实现 雷达的正常工作，需要通用信号处理板随所插的c p c i 槽位的不同引导相应的程 序，实现被替换处理板的信号处理功能。 d s p 程序的上电引导采用f l a s hs 2 9 g l l 2 8 n 芯片，d s p 与f l a s h 连接如图4 6 所示。其中d s p 和f l a s h 地址线2 5 - 2 4 分别和c p l d 连接。当将用户程序生成的 l d r 文件写入f l a s h 时，编写c p l d 的程序将a d s pt s 2 0 1 的a d d r 2 5 - 2 4 连接到 f l a s h 的a d d r 2 5 2 4 。d s p 程序可以在任意一个槽位将所有处理板的程序写入 f l a s h 。当应用程序写入完毕后，重新配置c p l d 切断d s p 与f l a s h 地址线2 5 2 4 的连接，并使f l a s h 的地址线2 5 - 2 4 连接到c p c i 的槽位上的l o a dc t l 3 - 2 信 号。在程序加载时，由l o a dc t l 3 - 2 决定的f l a s h 存储空间中进行程序加载。 在上电程序加载过程中，c p c i 槽位决定f l a s h 地址线2 5 - 2 4 的值，d s p 引导程序 对地址