（通信与信息系统专业论文）脉冲压缩线性调频测距系统信号处理技术研究.pdf

abs tract l f msi gna l i s a 肠 由 d ofb igp rodu c t o f b and 幼d thand t 加e 俪d thbynoni i ll 。 趁p b ” e modulation. itisa袱delyus ed tec俪q 世 inr a 山 灯即p l i 。 对 1 0 ns. t 七 eb and 初d th and t 加e 幼dth l f msi gna l coul d beindelx沮 d e n t c b o o setoo b ta l n gooddi 劝 功 cere sol ul i onand 卿e d resof ution. 从 飞 掀 、 mo肥 ， lfmsi ，alis insensit i v e tod o p p ler丘 e q 能 n c y shift，w ll l c h 衅ans the si g la i p r o c e s s m g is 创 抬 y . the l inearf re q u e n c ym odu 】 a t i o n ( l f 峋 pul，c o m pr e s s i on s i gl 坦 l i s ana 】 y z ed， in combi “ at l on withen即 n e 州ng 叩p l l c a t i on 血 c t ， 面s thesis re se ar c h e s th eg e n e r at i o nof l f msi 邵 坦 】 asweu asth e eng l ne 已 n n g desi 笋 d d s】益 15诵cro一 h e 到 比加 m 加 gre so l u t io 从 。 m p l 比 di gi tal c o n 枉 d i ， 介 名 t “ hoppin g s pee dadd p h ” e -c o n t i n u o u 月 丘 叫u e n c y h 0 p s 耐v ad切 g e s . c o m p l exp ro g 刊 m m a b l e logi c 七 v l ce(cp l d ) h ass h o rt 声 滋 odofd es i gnand e xpfo itati o 残l ow costofd es i gnand p r odu c c ， 9 以 记q ual ityan dr e 目t 红 n e ，: c b ec k o utad v an tage s . m 触can n o t oulym ak e the desi gn 碑 。 d uct m i 苗 a 加 的 乙 时 1 叽 加 t c 邵 at i 叽 七 出 ， q 叹1 刁 时 i onan d 切 us t in e ss ， but ai soh w e 阮 abili ty ofp r o gr a lnd 知 邸 tr le ssonsy st 周 叮orc hi p withcpl d . li m ak e s 阮 e 】 ec 俪 c sy s t e mondesi gn， e x p i o l tati 叽 u 州 hate and n la in te 川 切 ceeasier. l a 蛇 l y，systemdesi gn is m p l i s h e d w hi chb as e d on the n e e dofe n 即 n ee nng ， the l in e arf r eq u en c y m o dul 而onpulsesi gl 坦 l ge ne r al 泊 r isd es i gne d w l l i c h b a s e d onc o m p lex 拼 。 9 妙b lelogi cd 介( c p l d ) 阳 dd 讹c t d i g i ta l s 抑 lthe s i zer( d d s ) ， the di gi tal pul secompre ss i on si gda l p r o ces s o r isdesi gnedw hi chb 别 粥 d on q 崔 记 “ 由 皿 e d e m odul atio il we can compl e te触 r o ms 已 对 c h 助lean d the d d sm odu l e p r o gr 别 m 田 旧 刀 gby us ing is e 6. 2bso 介 w ar e ， 阴d c a r ryonthe s 如u 】 at i o n tothe pr o gr 别 盯 勿us in 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发射脉冲宽度和带宽都足够大的 信号， 雷达就能同时具有大的作用距离和高的距离分辨力， 还可以使单一脉冲具有较好的速 度分辨力。因为根据雷达模糊原理， 速度分辨力与发射脉冲时宽成正比。 随着现代飞行技术的发展，对雷达/ 引 信的作用距离、分辨力和精度等性能指标 均提出了越来越高的要求。 为了增加系统的检测能力， 要求增大发射平均功率， 在峰 值功率受限时， 要求发射脉冲尽量宽; 为了 提高雷达系统的距离分辨力， 又要求发射 脉冲尽量窄. 可见， 提高检测能力和距离分辨力是一对矛盾。 在不增加峰值功率的情 况下， 其解决办法可以通过展宽发射机端的信号， 并对其进行调制， 在接收端通过压 缩滤波器处理产生窄脉冲信号来解决， 这一过程称为脉冲压缩。 作为现代雷达的一项 重要技术， 脉冲压缩有效地解决了距离分辨力和发射平均功率之间的矛盾， 在现代雷 达中得到了广泛应用。 线性调频信号具有非线性相位谱， 能够获得较大的时宽带宽积; 与其它脉压信号 相比， 很容易用数字技术产生， 且技术上比较成熟; 所用的匹配滤波器对回波信号的 多卜 勒频移不敏感，因而可以 用一个匹配滤波器处理具有不同多卜 勒频移的回 波信 号。 这将大大简化信号处理系统， 因此它在工程中得到了 广泛的应用。 采用这种信号 的雷达可以同时获得远的作用距离和高的距离分辨率。 线性调频信号的产生可以采用模拟法和数字方法产生。 以前的线性调频信号产生 以 模拟法为主， 模拟法产生的线性调频信号， 波形不易改变， 否则就要增加硬件数量， 同时模拟法产生的信号频谱质量不易做得很好， 指标较难保证。 采用数字方式产生脉 压信号具有性能稳定， 可靠性高， 可进行脉间 波形捷变等好处而越来越受到关注。目 前用于产生线性调频信号的数字方法，主要有波形存储直读法和直接数字频率合成 法。 硕士论文脉冲压缩线性调频翻距系统信号处理技术研究 ， . 2脉压技术的发展概况 脉冲压缩概念出 现于上世纪四十年产代s ， 经过几十年的发展， 脉压技术无论在 信号形式还是在处理技术上都得到了 很大的发展。 脉冲压缩信号的发展概述 到目 前为止， 脉冲压缩信号形式已有很多。 但应用最广泛的是线性调频信号和相 位编码脉冲信号。线性调频信号是rr 珑c ke在1 9 45年提出的。线性调频信号是研究 最早、应用最广泛的一种脉冲压缩信号。在脉冲宽度内，信号的频率随时间( 或者说 沿着脉冲宽度) 作线性变化。线性调频信号的最大优点是匹配滤波器对回波信号的多 普勒频移不敏感。 这样将会大大简化信号处理系统。 它的缺点是会产生多普勒祸合时 移现象， 这不仅影响在多目 标时的分辨力， 而且影响单目 标时测距。 因此， 不能同时 独立提供距离和速度的测量值。 相位编码脉冲压缩信号是另一类脉冲压缩信号。 它是将宽度为t 的长脉冲， 分成n 个宽度为丁 的子脉冲，子脉冲的相位依据不同的规律取值.如果相位的取值仅限于0 和万两种，则为二相编码信号，否则为多相编码信号。二相编码信号具有图钉型模 糊函 数图 ， 因 而具有良 好的邻近目 标的 距离和速度分辨力及测距、 测速精度. 与线性 调频信号相比， 它不存在距离和多普勒祸合， 不存在测值的多值性问题。 这类信号的 主要缺点是对多普勒频移的敏感性， 当回波信号与匹配滤波器有多普勒失谐时， 匹配 滤波器将起不到脉冲压缩的作用。 此外， 这类信号的压缩旁瓣较高， 如果在观察信号 附近存在强干扰信号，基底仍然可以 掩盖弱信号回波。 二相编码信号和线性调频信号各有利弊， 但都存在着十分突出的问 题。 针对这些 问 题， 人们进行了 广泛的研究。 随着人们对脉压技术研究的不断深人， 除以上两种最 早发现的脉压信号外，出 现了非线性调频信号、 频率编码信号、 组合巴克码信号、 脉 间 码型跳变信号、 互补编码信号、 多 相编码信号、 脉冲串 信号以 及混合波形等多 种形 式的 脉冲 压缩信号11 图 ， ， 101 侧 网 。 本选 题 采用了比 较成熟的 线性调频信号做为 脉冲压 缩信号，并以此作为研究的理论基础。 脉冲压缩技术的发展概述 在研究脉冲压缩信号形式同时， 人们同样也致力于脉冲压缩信号产生和脉压处理 技术的 研究， 以 得到高速度， 高精度、 高 压缩比 和高灵活性的 脉压系统。 脉压处理技 术的发展从上世纪60年代初开始， 最初一般采用模拟器件来实现. 进人70年代， 出 现 了 数字脉冲压缩技术。 随 着超大规模集成电路技术和数字技术的 发展， 数字产生和数 字处理方法越来越显示出优越性。 近年来， 各种类型的 a s ic电 路， 特别是可编程逻辑器件或阵列( 如， 门阵列、 p ld， c p l d ，f pga 等) 得到了 迅猛发展. 这些器件的出现大大促进了 数字脉冲压缩的进步。 硕士论文脉冲压缩线性调频侧距系 统信号处理技术研究 数字脉冲压缩成为脉冲压缩系统的发展趋势。 直接数字频率合成 ( d i r e c td i g i t a lf r e q u e n c ys y n t h e s i s 简称d d s 或d d f s ) 是近年来随着微电子技术的迅速发展而得到了飞速发展的一种频率合成技术。 相对于 其它频率合成方法， 直接数字频率合成法具有频率转换时间短、 频率分辨率高、 相对 带宽宽、 输出相位连续、 可产生宽带正交信号及其他多种调制信号、 可编程、 全数字 化、控制灵活方便、极高的性价比等优越性能。 c p l d( c o m p l e x 讲o gr妙 b l e l o g i c o e v i c e ， 复杂可编程逻辑器件) 具有设计开 发周期短、 设计制造成本低、开发工具先进、 标准产品无需测试、 质量稳定以及实时 检验等优点， 广泛应用于产品的原理设计和生产之中。 c p ld 已 在通信、 d sp中有着非 常广泛的应用， 它不仅可使设计的产品小型化、 集成化和稳定可靠， 而且还具有在系 统或在芯片直接编程的能力， 从而使电子系统的设计、 开发、 更新与维护变得更为方 便。因此， 利用c p ld可大大缩短设计周期，减少设计费用，降低设计风险。 随着数字信号处理技术的发展以及现代雷达系统的要求， 数字脉冲压缩的发展方 向出现了新的趋势， 即全数字化的脉压系统和多功能的脉压系统。 数字化的脉冲压缩 系统具有性能稳定、 受干扰小、 工作方式灵活多样等优点。可见，多功能、高性能的 数字脉冲压缩系统是今后脉冲压缩技术的发展方向。 本文首先在理论上分析了雷达脉冲压缩的基本原理， 随后对线性调频脉冲压缩信 号的性能特性进行分析和仿真。 接着对线性调频脉冲信号的产生方法进行研究， 选定 了数字方法来产生系统所需要的线性调频脉冲信号， 其后对调频脉冲信号的压缩系统 进行研究， 对各种加权函数进行了分析和和仿真。 最后结合一个实际工程的需要， 设 计了 一个脉冲压缩线性调频测距系统， 详细论述了 各功能 模块的实现过程， 编写了 r 伽 波形查找表和d d s 的源程序，并进行相应的时序仿真。 ， . 3论文结构和主要工作 论文第二章主要介绍了 雷达脉冲压缩的基本原理， 分析了大时宽带宽积信号的 特 性，以 及采用大时宽带宽信号具有的 优点和缺点。 第三章主要对线性调频脉冲信号的性能进行分析， 分析和仿真了线性调频脉冲信 号频谱特性和模糊函数。 第四章介绍了两种线性调频脉冲信号的产生方法:模拟方法和数字方法。 第五章调频脉冲信号的压缩， 将数字脉压的实现方法分为时域脉冲压缩和频域脉 冲压缩， 完成了 对线性调频脉冲信号 加海明窗 和布莱克曼窗的仿真和分析。 第六章系统设计， 详细论述了 各功能模块的实 现， 完成系统的设计， 用v h d l 语言 编写了r 伽波形查找表和d ds主模块的 源程序， 并进行了 相应的时 序仿真。 本人的主要工作: 3 硕士论文脉冲压缩线性调频测距系统信号处理技术研究 首先从雷达脉冲压缩的基本原理入手， 分析了大时宽带宽积信号的特性， 阐述了 选取线性调频脉冲信号的理由，为脉冲压缩线性调频测距技术提供理论依据。 其次分析和仿真了线性调频脉冲信号频谱特性和模糊函数， 分析了线性调频信号 能同时得到大的时宽和大的带宽的原因， 即线性调频信号的频谱宽度与它的存在时间 无关，因此这种信号的带宽和时宽都可以独立选取很大。 接着分析了采用模拟法和数字法这两种方法产生线性调频脉冲信号的 优缺点。 详 细论述了 通过d ds来产生线性调频脉冲信号的原理和方法. 分析讨论了时域脉冲压缩 和频域脉冲压缩两种实现数字脉压的方法的不同 之处， 对线性调频脉冲信号各种加权 函数进行了仿真和分析. 然后， 结合系统性能指标架构了系统结构， 详细说明了实现系统的线性调频脉冲 信号发生器和线性调频信号压缩处理器。设计了基于c p l d 和直接数字频率合成技术 ( d d s ) 的方式来产生线性调频脉冲信号所涉及的关键部分d d s 、 振荡器、滤波器、 混频器和控制器等;利用p r o 回 99来绘制了各功能模块的电路原理图和印制电路板 图。 最后，结合i se软件平台，用v h d l 语言编写了r o m波形查找表和系统核心部分 d d s 的源程序，并利用通信仿真软件mode l s 而对程序进行了时序仿真. 硕士论文脉冲压缩线性调频洲距系统信号处理技术研究 2脉冲压缩的基本原理 随着飞行技术的发展， 对雷达站的作用距离、 分辨能力、 测量精度和单值性等性 能指标提出越来越高的要求。 在实现最佳处理并保证一定信噪比的前提下， 测量精度 和分辨力对信号形式的要求是一致的。 测量精度和距离分辨力主要取决于信号的频率 结构， 为了提高测距精度和距离分辨力， 要求信号具有大的带宽。 而测速精度和速度 分辨力则取决于信号的时间结构， 为了提高测速精度和速度分辨力， 要求信号具有大 的时宽。除此之外， 为了提高目 标发现能力， 要求信号具有大的能量。 综合这几方面 的要求可见， 为了 提高雷达系统的发现能力、 测量精度和分辨能力， 要求雷达信号具 有大的时宽带宽积. 但是， 在系统的发射和馈电设备峰值功率受限制的情况下， 大的 信号能量只能通过加大信号的时宽来得到。 单载频脉冲信号的时宽和带宽乘积接近1 ， 大的时宽和带宽不可兼得. 因此， 对这种信号来说， 测距精度和距离分辨力同测速精 度和速度分辨力以及作用距离之间存在着不可调和的矛盾。在匹配滤波器理论指导 下， 文献.i 明先后提出了线性调频脉冲压缩的概念。 在宽 脉冲内附加线性调频，以 扩 展信号的频带，提供了一类信号，其时宽带宽乘积大于1 。后来人们称之为脉冲压缩 信号或大时宽带宽乘积信号。 2. ，脉冲压缩基本原理 脉冲压缩能让雷达发射宽度相对较宽而峰值功率底的脉冲， 以获得窄脉冲、 高峰 值功率系统的距离分辨力和探测性能。 这是通过对射频载波进行编码以增加发射波形 的带宽，然后再对接收回波波形加以压缩后完成的。 对于给定的雷达系统，可达到的距离分辨力 13 为 ( 2 . 1 . 1 ) 式中c二光速 b二发射波形带宽 对于简单的未编码脉冲雷达系统， b=1 /t，此处t 为发射脉冲宽度，因此，对于 简单的脉冲系统，将有 成= c t / 2 在脉冲压缩系统中， 发射波形往往在相位上或频率上被调制 r 二 1 / b ，则由式(2 . 1 . 1)可得 ( 2 . 1 . 2 ) 使得b 1 /t。令 次= c : 1 2 ( 2 . 1 . 3 ) 硕士论文脉冲压缩线性调频侧距系统信号处理技术研究 r 表示系统经脉冲压缩后的有效脉冲宽度。因此，脉冲压缩雷达可用宽度t 发射脉冲 来获得相当于发射脉冲宽度为1 的简单脉冲系统的 距离分辨力。发射脉冲宽度t 跟有 效( 经压缩的) 脉冲宽度t 的比值称为脉冲压缩比( c r)，并由下式表示 c r = t / 1( 2 . 1 . 4 ) 单个脉冲基础上的平均功率用pt表示， 此处p 为峰值功率，t 为脉冲宽度.由此可知， 假定发射相同的峰值功率并获得相同的距离分辨力， 则脉冲压缩比(c r)是脉冲压缩系 统的平均功率跟简单脉冲系统发射的 平均功率的比 值。因为r 二 l/ b 则 c r 钾b( 2 . 1 . 5 ) 即压缩比也等于系统的时间一带宽积。 在许多应用场合， 脉冲压缩系统可用其时间一 带宽积来表征.图 2 . 1 . 1 说明 在雷达系统中进行脉冲压缩处理的概念llj 。 如图 所示， 射频产生宽度为t 的窄脉冲，并让他通过色散延迟线。色散延迟线的输出为宽度 t (t ) 公 ) 的脉冲，而信号的带宽b 却为l/r ，即输入脉冲的带宽。此信号经放大后即 通过雷达天线向外发射. 接收时， 信号经过适当处理后便通过脉冲压缩滤波器。 此滤 波器常采用和发射波形匹配的滤波器， 结果便形成宽度为t 二 1 /b的压缩脉冲。 被压缩 的信号经适当降低频率，放大后便被显示出来. 图 2 . 1 . 1雷 达 系统 中 的脉 冲压 缩 处 理框 图 压缩脉冲是宽度为t 的信号在通过其匹配滤波器后产生的。 在匹配滤波器之外的 响应时间范围大致为zt， 而不是压缩脉冲宽度r ， 如图 2 . 1 . 1 所示。在 i t : 之外的 响应被称为距离旁瓣。 因为从给定距离分辨单元来的距离旁瓣可能会象信号那样出现 在邻进距离分辨单元内， 所以 在任何脉冲压缩系统中都必须对旁瓣进行控制。 通常我 们用峰值旁瓣电 平和积累旁瓣电 平这两种方法来 度量这些旁瓣电 平洲刘 。 峰 值旁 瓣电 歌尸 叹 乙 ) = 1 01 09最大旁瓣功率 ( 2 . 1 . 6 ) 峰值响应 积累 旁 瓣电 平 ( isl ) = 10109 旁瓣总功率 峰值响应 ( 2 . 1 . 7 ) 跟发射波形相匹配的接收机滤波器虽然能获得最大的信噪比， 但如果在接收机中 6 硕士论文脉冲压缩线性调 频洲距系统信号处理技术研究 采用失配的脉冲压缩滤波器可以减小峰值旁瓣电平和积累旁瓣电平。 与匹配滤波器相 比，由失配引起的信噪比损失称为系统的增益处理损失。用分贝表示为: 增益处理损失 任 尸 g ) = 101 09 压缩比 峰值响应 ( 2 . 1 . 8 ) 要求高距离分辨力的雷达应用包括目 标检测、目 标分类、 地形测绘、 精确测距以 及用作分布杂乱回波抑制应用的辅助手段. 高距离分辨力可采用发射简单的短暂脉冲 来实现， 也可以 采用发射较低峰值功率而宽度较宽的编码脉冲并在接收时再进行压缩 的方法来实现。 采用脉冲压缩处理而不用简单脉冲系统来获得高距离分辨力的雷达系 统具有以 下 潜在的优势叫: 改善检测性能 减少相互干扰 增加系统运用的灵活性 在单个脉冲的基础上， 固定距离上的检测概率会随着信噪比的增加而增加， 而信 噪比又和平均功率成比例。 在峰值功率和距离分辨力相同的情况下， 脉冲压缩系统采 用较宽的发射脉冲却能获得比窄脉冲系统要高的平均功率. 因此，脉冲压缩可以让系 统设计师加宽脉冲宽度的办法来降低峰值功率。 这一点对于发射机的设计来说有非常 有利， 因为从现实情况和器件的角度来考虑， 提高峰值发射功率受多方面因素的限制， 另外象低截获概率雷达还要求尽可能的降 低发射功率， 所以我们一般不希望发射机在 高 功率窄脉冲状态下工作。 事实上， 将目 前发射机可达到的最小脉冲宽 度定为10毫秒 往往被认为是最恰当的下限。 然而根据现有脉冲压缩技术水平， 将脉冲再压一个数量 级也是能够达到的。 此外， 以 低功率为特征的实用固体器件发射机的出 现， 更强调需 要使用脉冲压缩技术来降低峰值功率。 在密集的有源电磁环境中， 雷达之间的相互干扰可能会成为严重问题。 脉冲压缩 雷达可设计成每部雷达采用不同的调 制码和不同的匹 配滤波器， 从而减小相互间的 干 扰。 目 前常用脉压的发射信号主要可分为三大类: 线性调频信号、非线性调频信号及 相 位 调 制 信号 11 2 山 ， 网. 非线 性调频 信号的 调 频规 律使 得 他的自 相关函 数具 有良 好的 主旁瓣比， 非线性调频波形不需要时间或频率加权( 通过调整频谱的幅度来处理压缩 脉冲波形的 形状称作频率加权。 通过控制波形包络形状来处理多普勒响 应的形状称作 时间 加权。 ) 就能获得良 好的低旁瓣特性， 而且没有信噪比 损失， 但其主要 特点是对 多谱勒频移较敏感， 其次实现起来比 较复杂， 它主要是一种要求相对较长照射时间的 多脉冲技术， 所以在单脉冲雷达上应用很少。 相位编码信号主要以 载波的二进制相位 调制( 简称为二相码) 为主， 他的实现电路简单、 旁瓣低、 抗千扰能力强、 抗衰落能力 强， 但是不管哪种相位编码信号都有一 个共同的 缺点: 对多谱勒频移敏感， 随着目 标 7 硕士论文脉冲 压缩线性调 频侧距系统信号处理技术研究 多谱勒频率增加， 距离旁瓣性能急剧恶化。 传统的解决办法由于技术上的限制， 不仅 大大增加了技术上的难度， 而且理论也不严密. 所以目 前国内外大多数雷达都采用线 性调频信号作脉压信号。 线性调频脉压信号技术成熟、 原理简单， 尤其是能覆盖很宽 的多谱勒范围， 对动目 标的检测非常有用， 其研究和应用己 经相当 成熟. 其缺点是具 有较大的距离旁瓣， 尤其在多目 标环境里， 为降低距离旁瓣， 需要对脉冲压缩进行加 权。 对于线性调频雷达， 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。 2. 2大时宽带宽乘积信号 为了进一步说明脉冲压缩的概念和获得大时宽带宽乘积的途径， 根据波形参数的 概念，设有如下波形参数: .2 占 = 2 式= ( 2 二 ) ， 介 u ( ， ) 故 ， 刀 = 2 峨 ( 2 二 ) ， i f ， 】u ( f ) df ， “= 4 汀 2 户= 2. 4 二 ， 批(t ) lu ( t 习 改=2 二 ite( ， 习 u ( ， 习 dt 如果用信号能量进行归一化， 则有: ( 2 . 2 . 1 ) ( 2 . 2 . 2 ) 丫|j 仓= 2万 了 ， 0 ， ( ， ) 1。 ( ， ) 1 * 了 lu ( ， ) 12 * ( 2 . 2 . 3 ) 引入波形参数的等价表达式改写成: ) 了 iv f ， 1 df 占=卜 乏 二 万 ， 【 少( f)l一 df 上 i lu ze _ 公 ，(， )一 才 ” ( 2 . 2 . 4 ) r.ee.l - ，卜 口已 ，口.1.j 硕士论文脉冲压缩线性调频洲距系 统信号处理技术研究 .2 月 u ，( t )i dt u(t习 ， dt = 陆 llu(t，问 ( 2 . 2 . 5 ) 巴.引引嘴 r.raeses.l 一 夕 令信号的复包络及频谱函数可分别写成 u (t ) = a ( t ) e ，e(， ， u ( f ) = a ( f ) e 尸 (， ， 代 入 式( 2 . 2 . 1 )( 2 . 2 . 2 ) 得 到 ， ，圃 ; 2 一 六 位 ， ，u ; 才 了 ， ，(， )， ，( ， )， 才 ( 2 . 2 . 6 ) ， 2 二 责 饭 。 ， ， lal0，(t) ， ， ( 2 . 2 . 7 ) 式 (2 . 2 . 6 ) 表明， 在频域对幅谱或相谱进行 “ 调制”， 可以增大信号的等效时 宽占 。注意， 线性相谱函数只能移动时间，不能改变等效时宽占 。式(2， 2 . 7)表明， 在 时 域 对 信号 进 行 调 幅 或 调 相 ， 可以 增 大 信号 的 等 效 带 宽 刀。 同 样， 线 性 相 位 调 制函 数 只 能 移 动 载 频， 不 能 改 变 等 效 带 宽 刀 ， 非 线 性 相 位 调 制 才 能 增 大尸 . 为 了 充 分 利 用 发射管的平均功率， 脉冲压缩信号的大时宽带宽积的性能， 大多从非线性相位调制中 获得。 如脉内 线性调频、 非线性调频、 相位编码、 频率编码等都是采用非线性相位调 制来加大信号的时宽带宽积。 相参脉冲串 信号则是通过脉冲调幅， 增大信号持续期的 方法来获得大的时宽带宽积。 大时宽带宽信号的特性 大时宽带宽 矩形脉冲信号的复包络表达式可以写成。 ， 15 【圃 f a e 声 “ ， ， 材t t ， = 呢 to ， 一t/ 2 l时， 菲涅耳积分c ( u)和5 ( u)纹波 很小， 线性调频信号的能量主要集中在一 b / 2 f 1时，具有与时间包络相同的振幅频谱包 络， 图3 . 1 . 2 为不同bt时的 线性调频信号的 振幅频谱变化情况. 硕士论文脉冲压缩线性调频侧距系统信号处理技术研究 图3. 1 2 .2田仁5 6) 夕 卿 itll 七- 图3 . 1 .2. 3 田t=1 40) 图3 . 1 14 归卜1 50) 图3. i j线性调频信号 的 振幅 频谱归 t 为 不同 值) 从上面分析不难看出， 线性调频信号的频谱宽度与它的存在时间t 无关， 因此 这种信号带宽和时宽可独立选取。即都可以 独立的选择很大，这就是这种信号能 同 时得到大的时宽和大的带宽的原因。 1 。 3. 2线性调频脉冲信号的 模糊函 数 线性调频信号的模糊函数可以由单载频矩形脉冲信号的模糊函数导出: 假定线性调频脉冲信号的复包络为: 硕士论文脉冲压缩线性调频侧距系统信号 处理技术研究 二(。，杏)卜 r 鲁 ( 3 . 3 . 3 ) 这是一个真正 辛格函 数形式llj 2 目 。 图 3. 3. 2 显 示 了 线 性 调 频 脉 冲 信 号 x( 0， 约 的 形 状 图 如果在频率轴上取不同的多 卜 勒值对模糊图进行切割，切割出的图形相对用 寸 = 0 切割 的 图 形 将 有以 下 变 化图 1. : ( 1) 峰值降低， 降低的程度与多卜 勒频移大小有关， 多 卜 勒值愈大峰值降的愈 多。 (2 )主峰最大值要产生时 移， 时 移大小与多卜 勒有关， 时移的 方向 也与多卜 勒 有关。 (3 )切割图形与辛格函数相比 要进一步失真， 而且主峰要加宽， 其程度均与多 卜 勒值有关。 徽 翔 函 效 一 溉 、 黔艺 、笋犷 竺 沪 洲唯 妙 甲 弓 鑫 巍 蘸瓢 淤 攀 巍蘸毒 图 3 :3线 性 调 频 脉 冲 信 号 lx( 0 ， ，)l的 形 状 图 通过以 上的 分析可以 得出 下面结论tzl: ( 1) 当目 标的速度己知， 可以 有很高的测速精度， 反之当目 标的距离己 知， 可 以有很高的测距精度。 (2 )多目 标环境下， 在目 标的速度相同时， 可以 有很高的距离分辨力， 反之当 目 标距离相同 时， 可以 有很高的 速度分辨力。 ( 3) 为了测量目 标的速度，固定载频脉冲信号的处理需要滤波器组( 模拟处 理) ，与之相比，线性调频脉冲信号只要带宽b 大于多普勒频移，一个滤波器即可 分辨目 标。 另 外， 线 性 调 频带 来 如 下 缺点 叭 ( 1) 对于距离和速度都不知道的目 标， 只能测量其距离一 速度联合分辨的值， 不能准确知道目 标的速度和距离。 ( 2) 对于模糊图中长对称轴附近的信号是完全无法分辨的，即对于 硕士论文 脉冲压缩线性调频测距系统信号处理技术 研究 杏 + k : = 0 轴 线 附 近 的 目 标 回 波 只 要 : l 川 就 无 法 分 辨 。 不 过 可 以 通 过 连 续 发 射 一个调频斜率相反的脉冲来解联合测量模糊。 ( 3) 线性调频信号经过脉冲压缩以 后，输出的距离旁瓣较高，在实际应用中， 这对于检测主瓣周围的弱回波信号是很不利的，有可能造成弱回波信号的主瓣被 淹没在强回波旁瓣里造成目 标丢失，也就谈不上分辨.通过对滤彼器进行一定的 失配处理，可以压低旁瓣。这种失配处理通常可以通过对信号的加权处理得到改 善。 硕士论文 脉冲压缩线性调频侧距系统信号处理技术研究 4线性调频信号的产生 4. ，线性调频脉冲信号的产生 线性调频信号的产生可以采用模拟法和数字方法产生，模拟法利用色散延迟线， 如声表波器件( sa哟等， 也可采用压控振荡器( vco)。 早期的线性调频信号产生以 模拟 法为主， 随着现代电子技术的发展以及雷达工作环境和抗干扰等因素的变化， 要求雷 达发射脉冲宽度， 波形可以捷变， 对l 阳信号线性度指标要求等大大提高， 模拟法的 缺点暴露出 来. 模拟法产生的线性调频信号， 波形不易改变， 否则就要增加硬件数量， 同时模拟法产生的信号频谱质量不易做得很好， 指标较难保证， 而采用数字方式产生 脉压 信号具有极大的 好处图 即 tn， 阅。 . 数字方法能产生出比模拟法更复杂的波形， 如非线性调频信号， 复杂相位编码 信号等: 采用数字方法产生出的信号波形更准确: 数字法采用同一系统可产生出多种不同波形，可方便地进行脉间波形捷变; 数字法组成的系统可调元件少，性能稳定，可靠性高。 将 式 ( 3 . 1 1 ) 5 ( t ) = u ( t ) e ， ， rect与 e，z ， 。 112)用 实 信 号 表 示 则 有 : t- f ( t ) = r. s ( t ) 】 = u (t ) co s lz 贰 t + 6 ( ) 】 = 1 ( t ) cos z 腻t 一 q (t ) s inz 贰t _ 二 t 二 22 ( 4 . 1 . 1 ) 其中: 1 (t ) = u ( t ) cos 6 (t ) q ( t ) = u (t ) s in6 (t ) 一 二 t 二 ( 4 . 1 . 2 ) 22 分别称为同 相分量和正交分量.式(4 . 1 . 1) ，(4 . 1 . 2)表明， 只要1 ( t)和q ( t)精 确产生，则线性调频信号f ( t)可由1 路和q 路经过正交调制精确产生，其方框图如 图4 . 1 所示。 1 路基带信号 和同 相载频分量相乘产生高 低两个边带， q 路基带信号和正 交载频 信号相乘后也产生高、 低两个边带， 当1 ， q 两路信号及载频分别处于幅度相同， 相位 正交情况下时， 合成后其中一个边带相互叠加， 另一个边带相互抵消， 最后产生一个 单 边 带 信 号cos 2 从t + 夕 ( t ) 1 硕士论文 脉冲压缩线 性调 频侧距系 统 信号 处理技术 研究 - h 三 刃 一 ， co ， 2 机 十 6 ( t ) 图 4 . 1正交调制产生 l f m 信号 4.2基带数字信号的产生 为 了 简 化 分 析 ， 我 们 将 复 线 性 调 频 信 号 s( o 表 示 为 5 ( t ) = e x p ( j 油， ) _ 二 ， 二 ( 4 . 2 . 1 ) 以 t为采样间隔进行采样，获得离散的线性调频信号， 相 角函 数0 ( n)和 离散的复线性调频信号 5 ( n)。 f ( n ) = 肋 t 0 ( n ) = 威” 2 乙 5 ( n ) = e xp( j ， n一in一1 ( 4 . 2 . 2 ) 2 2 r.se.l 任 陀 、，户 由 5 ( n ) 可 得出 同 相 离 散 分 量1 ( n)和 正 交 分 量以n) ， 1 ( n ) = co 抓 威 刀 ， . t ， ) q ( n ) = s i n(威刀 2 . t ， ) 丝 二 鱼丝 二 1 ( 4 . 2 . 3 ) 2 2 一lesj 任 n 目 前 用于 产生线 性 调频信 号的 数 字方法1一 圃， 主 要有波形 存 储直 读法 和直 接数 字合成法。 波形存储直读法的原理为: 根据预定的采样频率， 以 及所需信号的带宽， 时宽等 参数， 由 信号的数学表达式计算出 信号 各点采样值， 并按采样顺序预先存储在高速存 储器中， 信号产生期间， 通过对采样时钟计数产生高速地址并寻址存储器， 依次读出 采样数据进行数模转换，再经过低通滤波产生所需要的模拟信号，图( 42 . 1)为这种 方法的原理图。 直接数字频率合成法( n i r e c t ni g i t a 1 fr e q u e n c y sy n t h e s i s ) ” 1肠 ， 妇， 是由 j . t ern e y 在1 9 71年首次 提出。 他的工 作原理实际上是通过相位累加、 幅度查表以 及 数模变换生成模拟信号的一种方法，其实质是参考频率源 系统时钟) 对相位进行等 可控间隔的采样，它的基本结构见图4 . 2 . 2 。 硕士论文脉冲压缩线性调频侧距系统信号处理技术研究 图 4.2.1波形存储直读法原理框 图 近年来随 着v lsi 技术的进步， d ds技术得到了 充分的发展， 它同 传统频率合成 技术相比 ， 具有频率 切换时间 短( 产 5 级 ) 、 频率 分辨力高( 产 h z 级) 、 相位变 化连续， 易实现对输出信号的多种调制等诸多优点，受到广泛的重视。 输 出 图4 . 2 . z d d s 工作原理框图 dds 包括相位累加器和r 哪正弦值表构成的数控振荡源(n c o)， d ac、 lpf 三部分， 对 正 弦 信 号 ， 当 采 样 周 期 为 公= 1/关时 ， 每 个 采 样 周 期 相 应 的 相 位 增 量 为 : 留= 月 . 助/ 牙(4.2. 4) l 为相位累 加器的位数， fr为频率控制字， 则输出的信号频率闭 伽 ， : : = 竺= 丝. 2 汀左2 汀= 月 天1 2 频率分辨力为: 试优= 1) ( 4 . 2 . 5 ) 从d ds的 输 出 频 率 公 式 九= 刃 关 / 2 二 中 我 们 可 以 看 出 ， 只 要 频 率 控 制 字fr能 线性增加或减小， 我们就可以得到频率线性变化的信号， 这正是我们所要得到的线性 调频信号，即我们只要在d ds的结构中 增加一级频率累加控制器， 变成图(4 . 2 . 3)的 结构， 则d ds输出的就是线性调频信号。 在线性调 频模式下，频率累加器首先产生 线性瞬时频率fo +kt ，该 瞬时频率输出 到 第 二 级 累 加 器 上 进 行 积 分， 获 得 平 方 率 瞬 时 相 位 。 (t ) 二 2 试t + 耐， ， 平 方 率 瞬 时 相位加到正弦查表电路就可以获得数字线性调频信号， 经d /a转换后再对杂波进行抑 制后输出 模拟的线性调频信号。 通过频率控制字控制单元和时钟单元相结合的控制办法， 可对起始频率f. ， 频率 2 l 硕士论文脉冲压缩线性调频侧距系 统信号处理技术研究 分辨力、脉冲宽度、信号带宽等进行灵活的设置，从而产生不同时宽带宽积的 l fm 信号。 图4 . 2 . 3d ds产生l 阳信号原理框图 由于d d s 数字化的固有特点， 决定了 其输出频谱杂散较大， 但随着对dds 技术的 不断 研究， 对d ds杂散抑制研究成果不断涌现， 其中包括对d ds相位累加器的改进伙 r 伽表数据压缩圆， 抖动注入技术的 应用切 ，以 及d ds工艺 和系统结构的改进， 性能 优良 的d d s 器件不断出现， 使得输出的l 阳信号具有更好的线性度和不断降低的杂散 电平，在工程实际中也用得越来越多. 硕士论文脉冲压缩线性调频洲距系统信号处理技术研究 5调频脉冲信号的压缩 在脉冲雷达系统中，目标回波信号被接收后总是伴随着背景噪声，由检测理论我 们知道， 匹配滤波器是以 输出 最大信噪比 为 准则的 最佳线性滤波器图 阐圆。 脉冲压缩 滤波器就是与发射信号相对应的匹配滤波器， 接收到的宽脉冲回波信号经过匹配滤波 器之后变成窄脉冲信号而保持信号能量不变， 从而获得较高的距离分辨率和较远的作 用距离。 5.1脉压系统工作原理 设匹配滤波器的输入端信号为 x (t ) = 5 ， ( t ) + 叹 (t ) 其 中 5， ( t) 为 接 收 到 的 目 标 回 波 信 号 ， nl ( 0 为 高 斯 平 稳 白 噪 声 . 5， (t )的 频 谱 为 ( 5 . 1 . 1 ) 5 ， ( f ) =1 5 ， ( t ) e 一 ” ， dt 由匹配滤波理论知，当滤波器的频率响应为 h( f) =k 5 ， ( f) e 一 ” ， 时， 滤波器输出端得到最大信噪比，相应的脉冲响应为 h ( t ) 二 i h ( f ) e ， ， df= 肋 ， ( to 一 t ) ( 5 . 1 . 2 ) 式 中 t 。 是 滤 波 器 的 时 延， ( 在 后 续 分 析 中 ， 为 简 化 分 析 ， 令to = 0 ， 滤 波 器 系 数 k 为1)即匹配滤波器的脉冲响应是输入信号的镜象 共扼图 【，j 侧。 在忽略噪声情况下，压缩滤波器的输出为 y (t ) = 5 ， (t ) * h ( t ) ( 5 . 1 . 3 ) 根据处理方式的不同， 将数字脉压的实现分为时域脉冲压缩系统和频域脉冲压缩 系 统 :，“ ，【“ ，。 5. 2时域数字脉冲压缩系统 时域脉冲压缩系统阁侧就是指在时域对信号 进行卷积运算， 得到匹配滤波后的结 果。 采用数字脉冲压缩系统首先要对线性调频回 波信号进行量化， 得到离散的线性调 频 信 号 5 ， (n ) ， 数 字 匹 配 n= 。 ， 1 ， ， n 一 1 ， 滤 波 器 的 脉 冲 响 应 h ( n)为 输 入 信 号 5 ， ( n)的 共 刀 硕士论文脉冲压缩线性调频测距系统信号处理技术 研究 扼镜象函数 拭 n) 二 s， (n一 n)n = 0， 卜 、 n 一 1(5 . 2 . 1) 因 此 ， 匹 配 滤 波 器 的 输 出 为 5 ， ( n)与 h ( n)的 卷 积 ， 即 脉 压 结 果 少 ( n ) = 5 ， ( n ) * h ( n )( 5 .