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硕士学位论文 探测高速目标的二相编码 雷达技术研究 作者：倪慧俊 指导教师：苏卫民教授 南京理工大学 2 0 1 2 年2 月 l i i l l l l l l1i it l t i l l i l l t l l l liii y 2 0 6 2 14 0 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学 位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布 过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的 材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明 确的说明。 研究生签名：邋查塾2 9 ， 年；月2 汨 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上 网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权 其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文， 按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：鱼楚、盈 9 肛年3 月2 蝈 硕士论文 探测高速目标的二相编码雷达技术研究 摘要 现代电子对抗技术的日新月异，要求雷达具有极强的隐蔽性。而相位编码信号的随 机特性使其具有低截获性能，因此相位编码雷达在雷达技术中占有非常重要的地位。本 文针对二相码信号在探测高速目标方面的处理方法展开研究。 本文主要研究二相编码雷达对高速目标的探测，其主要工作有：二相码探测雷达的 波形设计，对目标进行跟踪测角，对高速目标的回波进行信号处理并设计雷达系统控制 软件。对于测角，采用单脉冲和差波束测角技术，基于其基本原理进行了公式推导，并 给出方位角和俯仰角的数学表达式，对于高速目标的回波信号进行了脉冲压缩，k e y s t o n e 变换校正距离走动，动目标显示( m t i ) 动目标检测( m t d ) ，恒虚警处理和目标凝聚 处理，并在凝聚之后，采用双重重复频率解决速度模糊，并进行仿真验证。本文还设计 了雷达系统控制软件，并解决了两个技术问题，其一是使用微软公司提供的w i n s o c k 类 库，在v c 6 0 平台下实现了p c 端软件与d s p ( 数字信号处理器) 之间的网络通信，其 二是使用双缓冲绘图法实现将p c 从d s p 端接收到的经过雷达信号处理和数据处理之后 的代表航迹点的数据，在雷达系统控制软件的p 显示屏上进行无闪烁的实时绘制。 关键字：相位编码，测角，信号处理，k e y s t o n e 变换，雷达控制软件 a b s t r a c t 硕士论文 a b s t r a c t w i t ht h ee l e c t r o n i cc o u n t e r m e a s u r et e c h n o l o g yd e v e l o p i n gr a p i d l y , i tn e e dt oi n c r e a s e t h er a d a ra n t i - j a m m i n ga b i l i t y a n dp h a s e - c o d e ds i g n a lh a st h ep e r f o r m a n c eo fl o wp r o b a b i l i t y o fi n t e r c e p tb e c a u s eo fi t sp s e u d or a n d o m n e s s ，s ot h ep h a s e c o d e dr a d a rp l a y sa ni m p o r t a n t r o l ei nr a d a rf i e l d t h ep a p e rr e s e a r c ht h em e t h o do fd e t e c t i n gh i g hs p e e dt a r g e ti np b r c r a d a rs y s t e m t h i sp a p e rm a i n l yr e s e a r c ht h ed e s i g no ft r a n s m i t t e dw a v e f o r mo np b r cr a d a r t h e m a i nw o r k i n gi s d e s i g n i n gt h es i g n a l a n dg i v i n g i n gt h et e c h n o l o g yo fm e a s u r i n gs u ma n d d i f f e r e n c eb e a ma n g l e ，t h ep a p e rc o n t r a p o s eh i g hs p e e dt a r g e t ，g i v et h em e t h o do fr a d a r s i g n a lp r o c e s s i n ga n dd e s i g nc o n t r o ls o r w a r eo fr a d a rs y s t e m t ot h et e c h n o l o g yo f m e a s u r i n gs u m a n dd i f f e r e n c eb e a ma n g l e ，t h ep a p e rg i v e st h em a t h e m a t i c a le x p r e s s i o no ft h e t w oa n g l e sb a s e do nt h ep r i n c i p l e t ot h eh i g l ls p e e dt a r g e t , t h ep a p e rh a ss o m ep r o c e s s i n gt o t h ee c h o - w a v e ，s u c ha sp u l s ec o m p r e s s i o n ，k e y s t o n et r a n s f o r mw h i c ha d j u s t sr a n g ew a l k i n g m o v i n gt a r g e ti n d i c a t i o n ( m t i ) m o v i n gt a r g e td e t e c t i o n ( m t d ) ，c f a rp r o c e s s i n ga n dt a r g e t c o a g u l a t i o np r o c e s s i n g ，a n da l s op r e s e n t i n ga m e t h o do fs o l v i n gv e l o c i t ya m b i g u i t yw h i c hi s t os e n dt h ep u l s e 、肮t ht w ok i n d so fr e p e a tf r e q u e n c e a n da l la b o v eh a sb e e nt h r o u g ht h e s i m u l a t i o n 1 1 l ep a p e ra l s od e s i g nt h es o f t w a r eo fr a d a rc o n t r o ls y s t e m a n ds o l v i n gt h et w o m a j o rt e c h n o l o g yp r o b l e m s ，o n eh a n di st ou s et h e c l a s sw i n s o c kw h i c hi so f f e r e db y m i c r o s o f ta r c h i v et h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h ep ca n dd s po nv c 6 0 1 1 1 eo t h e rh a n di s u s i n gd o u b l eb u f f e r i n gm e t h o dt od r a wt h ed a t as t a n d i n gf o rp o i n t sw h i c ha r er e c e i v e df r o m d s po nt h eps c r e e nw h i c hh a v en os p l a s h k e y w o r d s ：p h a s e - c o d e d ，a n g l em e a s u r e m e n ts i g n a lp r o c e s s i n g ，k e y s t o n et r a n s f o r m a t i o n , r a d a rc o n t r o ls o f t w a r e 硕士论文探测高速目标的二相编码雷达技术研究 目录 摘要。i a b s t r a c t i i l 绪论。1 1 1 研究背景1 1 2 研究概况1 1 3 本文内容安排3 2 二相码探测雷达波形设计4 2 1 引言4 2 2 相位编码雷达系统4 2 - 3 雷达探测波形的设计4 2 4 二相码探测雷达发射波形分析6 2 5 二相码雷达回波信号分析。9 2 6 本章小结1 l 3 二相码探测雷达的跟踪测角技术1 2 3 1 引言1 2 3 2 振幅法和差波束测角技术1 2 3 3 相位法和差波束测角技术。1 6 3 3 1 相位法测角。1 6 3 3 2 相位法和差波束测角1 9 3 4 本章小结2 3 4 探测高速目标二相编码雷达的信号处理2 4 4 1 引言2 4 4 2 匹配滤波脉压技术2 5 4 3 基于k e y s t o n e 变换的距离走动校正技术。2 8 4 3 1k e y s t o n e 变换2 8 4 3 2 距离走动的产生原因分析2 9 4 3 3 基于k e y s t o n e 变换的距离走动校正3 0 4 4m t i 滤：波3 6 4 4 1 双脉冲m t i 滤波器3 6 4 4 2 三脉冲m t i 滤波器3 8 4 4 3m t i 处理的仿真验证3 9 i i i 目录 硕士论文 4 5m t d 处理4 0 4 5 1 多普勒滤波器组的设计4 0 4 5 2 多普勒滤波器组的性能。4 2 4 5 3m t d 处理的仿真验证4 3 4 6 恒虚警处理和目标凝聚处理4 4 4 6 1 恒虚警处理4 4 4 6 2 目标凝聚4 7 4 7 解速度模糊技术4 8 4 8 本章小结4 9 5 雷达控制系统软件实现5 0 5 1 引言5 0 5 2 雷达系统的控制技术实现5 0 5 3 雷达系统的显示技术实现5 4 5 4 本章小结5 6 6 结束语。5 7 墅l c 谢。5 8 参考文献5 9 i v 硕士论文 探测高速目标的二相编码雷达技术研究 1 绪论 1 1 研究背景 雷达诞生于1 9 世纪末2 0 世纪初，其最基本的功能就是探测电磁波反射体的具体位 置，它通过发射电磁波，即将能量辐射到空间，并接收反射回来的电磁波，提取其中的 有用信息来发现和定位目标。在第二次世界大战中，雷达在军事上的地位凸显重要，如 今雷达已成为在复杂战争环境中获取敌方信息的重要工具。在过去的几十年中，雷达技 术迅猛发展，被广泛应用于检测海、陆、空以及其它各种各样的目标，各种不同用途的 新型雷达出现在民用和军用领域。但是随着雷达技术的发展，尤其是在军用领域，各种 反雷达侦察技术也应运而生，例如反辐射导弹、低空和超低空突防、隐身技术以及敌方 释放的各种干扰等【1 2 1 ，对雷达的正常运行造成了极大的威胁，因此如何提高雷达的抗干 扰和低截获性能成为了当前雷达研究的重点。而相位编码雷达p - 7 】正是有此优势，使其成 为了现代雷达系统中的研究热点。 相位编码雷达是用随机码字对载波信号调相后作为发射波形的雷达，发射的是大时 宽带宽信号，这个有效地解决了雷达最大作用距离与距离分辨力之间的矛盾。而且相位 编码信号的模糊函数呈图钉型，该类型的模糊函数具有高的距离、速度分辨力和测量精 度。 相位编码雷达按其调相码字制式的不同可以分为二相编码和多相编码。二相编码通 常采用0 ，冗对载波调相，多相编码则可以让载波相位在多个固定值之间变化。因此多 相编码比二相编码在码字选择上有更大的灵活性，更容易找到相关性好的码字。但是， 多相编码的产生和处理过程比二相编码复杂【8 1 ，因此其应用受到了限制，故在实际应用 中多采用二相编码。 在电子对抗日益白热化的今天，相位编码信号所具有的低截获、抗干扰及反隐身特 性引起了人们的普遍关注1 9 - 0 1 ，其本身的这些优势，再配合其它技术的应用，必将会在 现代雷达电子对抗中发挥重要的作用。 1 2 研究概况 在相位编码雷达系统中，码字的选择关系着雷达性能的好坏，故寻找相关性能好的 码字一直是个热点课题。其中噪声体制雷达因其优越的性能，早在2 0 世纪六七十年代 引起了各国科学家的重视，其中美英德等国对此展开了大量研究，他们主要侧重于研究 随机调频，随机交错脉冲序列，随机频率编码等雷达体制1 ，其中比较具有代表性的就 是c o o p e rg r 等人对随机码雷达平均模糊函数理论的研究以及对固态微波噪声雷达实 l 绪论 硕士论文 验样机的研制，这极大推动了随机编码雷达技术的发展。 国内研究大概是在7 0 年代开始的，其中南理工的刘国岁教授及其带领的研究小组 经过长期不懈的努力，对随机信号雷达展开了深入的研究工作【3 7 i ，取得了许多研究成果， 得到了国内外专家的肯定。 但是在研究过程中，雷达信号采用实际的噪声信号产生t大的困难。与此同时伪 随机码因其良好的相关特性得到诸多关注，于是对伪随机码的研究进入鼎盛时期。经过 诸多学者大量的研究，获得了许多性能良好的码字，如m 序列，巴克码序列，g o l d 序 列，m 序列等【1 2 1 。由于伪随机并非真的随机，所以是具有周期性的，这使得伪随机信号 存在可能被截获的问题。于是经过大量研究，发现组合码字可延长伪随机码周期，有效 的降低被截获的概率。 相位编码信号的距离旁瓣较高，这个不可能消除，于是长期以来大家都致力于研究 旁瓣的抑制技术 1 3 , 1 4 1 ，对这个技术的研究，主要从两方面寻找突破口，一方面有学者对 码字相关性展开研究，通过选择相关性好的码字来获得较低的旁瓣，如a c k r o y d 在1 9 7 2 年提出的h u f f r n a n 序列【1 5 】，该序列脉压之后的旁瓣很低，但是序列固定不具普遍意义而 且抗干扰性差基本不具实用价值。但是随着现代信号理论等新兴学科的发展，二相码码 字的选择方法也得到了发展，如使用智能优化算法中模拟退火算法【1 3 】和神经网络【1 4 】等来 选择优良的二相码字，但是这些方法目前只是停留在理论研究阶段，尚未用于工程实际， 所以并不多见，这些方法本身还有待提高。另一方面是通过信号处理来进行旁瓣抑制， 由于这个方法对码字无要求，因此成为了研究热点。最初研究的是在匹配滤波器之后级 联旁瓣抑制滤波器，如1 9 5 9 年，k e y 提出巴克码的旁瓣抑制技术【1 6 1 ，1 9 7 1 年，r i h a c z e k 和g o l d e n 提出的简化的、易实现的旁瓣抑制滤波器【1 7 1 ，但是两者所得的旁瓣抑制比都 不高。于是，1 9 7 3 年，a c k r o y d 和g h a n i l l s 提出了直接用一个失配滤波器【1 8 】代替匹配滤 波器和匹配滤波器后面级联的旁瓣抑制滤波器来抑制旁瓣，当处理的复杂性不是最重要 的问题时，该方法对旁瓣抑制是一个很有用的尝试。 相位编码信号存在多普勒敏感【1 9 1 问题，这个极大地限制了相位编码信号在雷达系统 中的使用，尤其是在探测高速目标【2 0 - 2 2 时，多普勒频率对脉内信号的调制使得回波信号 出现严重失真，使得回波信号不能进行很好地脉压，对此国内外学者提出了很多方法来 解决这个难题，如多普勒补偿技术 2 3 1 ，并且目标的高速度会导致回波的脉压在积累时间 内产生距离徙动【2 0 - 2 2 , 2 4 - 3 们，针对这个问题，西安电子科技大学的保诤院士及其研究小组展 开了大量的研究【2 叫】并给出了用k e y s t o n e 变换【2 5 西3 1 3 2 】来校正高速目标距离徙动的方法。 随着航天技术的发展，雷达探测范围越来越扩散，如今雷达的测速要求已达到空间目标 的速度，因此对高速超高速目标的探测成为如今国内外研究的重点。 2 硕士论文 探测高速目标的二相编码雷达技术研究 1 3 本文内容安排 本文结合工程项目，对探测高速目标的二相码雷达展开研究，并完成雷达控制系统 软件的设计。其章节安排如下： 第一章：绪论，主要阐述课题研究的背景，二相码雷达的发展历史以及研究概况。 第二章：给出相位编码雷达系统结构，并解释该雷达的系统结构框图，设计相位编 码雷达的发射波形，并对其时域特性、频域特性以及模糊函数优劣进行详细讨论，并分 析了相位编码信号的回波特性。 第三章：给出了相控阵雷达两种测角的技术振幅法和差波束测角与相位法和 差波束测角。详细分析经过波束方向图函数加权后的回波信号，并基于此分析进行公式 推导，最后给出目标与波束跟踪轴夹角的数学表达式。 第四章：给出了针对探测高速目标的相位编码雷达信号处理流程，其处理流程包括 脉冲压缩，k e y s t o n e 变换，m t i m t d ，恒虚警处理和目标凝聚处理，其中对脉压之后 通过k e y s t o n e 变换进行距离校正展开了详细讨论，并基于m t i 和m t d 的基本原理， 指出了两者的优缺点，然后叙述了恒虚警处理和目标凝聚的基本原理，并给出了一个恒 虚警电路和实现目标凝聚的算法，最后针对本课题中出现的速度模糊问题给出一个解决 方案，并进行仿真验证。 第五章：设计了雷达控制系统软件，并解决了软件设计中的两大问题，第一，使用 微软公司提供的w m s o c k 类库实现p c 端的雷达显示控制软件与d s p 端通过t c p i p 协 议进行数据交换，第二，使用双缓冲绘图法实现了在p c 端雷达显示控制软件上，对从 d s p 端接收到的目标航迹数据进行无闪烁的实时更新绘制。 3 2 二相码探测雷达波形设计 硕士论文 2 二相码探测雷达波形设计 2 1 引言 根据现代雷达发射波形设计要求，具有图钉型模糊函数的信号波形是理想的雷达信 号波形，它是一种大时宽带宽信号【挖l 。相位编码信号的模糊函数近似为图钉型模糊函数， 且相位编码信号的低截获性能以及大时宽带宽积特性使之成为常用的雷达脉压信号，本 文针对探测高速目标选用二相码作为雷达的发射信号，本章首先给出二相码雷达的系统 框图，然后针对本课题的技术指标进行了二相码的波形设计，并对所设计的波形进行了 时、频域分析，模糊函数分析以及回波特性分析。 2 2 相位编码雷达系统 相位编码雷达的系统框图如图2 1 所示，该雷达系统主要由收发系统和数字信号处 理器两部分组成，下面对雷达系统各部分做简要的说明。 图2 1 二相编码雷达系统框图 首先，由码字发生器产生码字。然后进入调相器，对本振信号进行0 或兀调相产生 二相码信号，再经过功放器，从天线发射出去。另外码字也要作为参考信号保存起来， 留作后用。而天线接收到回波信号之后，同样经过功放器，再与本振信号混频来进行降 频，降频后得到视频信号，视频信号再经放大后进行a d 转换，最后进入信号处理器与 参考信号做相关运算等处理得到目标的信息。 2 3 雷达探测波形的设计 本雷达的发射波形采用准连续波体制，雷达的最大作用距离为2 0 k i n ，雷达探测目 标的最高速度v 麟= 7 0 0 i 毗，速度模糊。首先保证在最大作用距离之内不出现距离模糊， 4 硕士论文 探测高速目标的二相编码雷达技术研究 然后使用双重重复频率来解速度模糊，在本雷达照射对方目标时，雷达波束中的探测波 形为相位编码脉冲串波形，其波形设计如图2 2 所示。 单周期的码元个数设为坛，单个码元宽度为卿2 5 t t s ，雷达发射信号频率为 9 3 9 g h z ( 波长允= o 0 3 19 4 m ) 。则码元个数应满足1 3 3 i 吆 争老i 1 = 丽糍杀划舰 晓) 在本雷达设计方案中，采用3 1 位m 序列对信号进行编解码。因此，单周期内的码 元个数为产3l ，则单个周期内的脉冲宽度为乃孙铂产7 7 5 9 s 。相位编码信号存在多普 勒敏感，其多普勒容限1 3 3 1 为 厂：上 川一2 吆乙 = 6 4 5 2 k h z ( 2 2 ) 由式( 2 2 ) 可知，可测的最高速度值只与脉冲宽度有关，故本雷达可实测目标的最高速 度可达v d e t e c t = 1 0 3 0 3 m s 。 一 c ， o ，+ ko ， 1 3 1 1 p p i t 图22 二相码探测雷达的发射波形 二相码雷达的探测波形如图2 2 所示，其中易为脉冲宽度，乃l 与砀为脉冲重复周 期，本文中t r l = 1 5 0 1 t s ，t , 2 - - 1 6 0 9 s ，c p i 为脉冲相参积累数。在该雷达参数设置下各性 能参数如表2 1 所示。 表2 1 两种重复周期下的雷达参数 脉冲重复不模糊码元脉压脉冲可测最高可测最高 周期( 岭) 距离( k m ) 宽度( 岭) 码元数( 个) 宽度( 岬)多普勒( k h z ) 速度( m s ) 1 5 0 2 2 5 0 2 53 l7 7 56 4 5 21 0 3 0 3 1 6 02 4o 2 53 l7 7 56 4 5 21 0 3 0 3 2 二相码探测雷达波形设计硕士论文 2 4 二相码探测雷达发射波形分析 相位编码信号是由许多子脉冲构成，每个子脉冲的宽度相等，而在脉冲持续时间内 绝对相位以固定的间隔在多个确定值之间进行转换。这种脉冲可以作为个脉宽相等的 连续子脉冲的集合，每个子脉冲有相同的频率，但不一定有相同的相位。相位编码信号 的表达式【1 2 1 为 s ( t ) = 口o ) p 却e j 2 x f o t ( 2 3 ) 该信号的包络函数为 o ) = a ( t ) e 甲( ) ( 2 4 ) 式( 2 4 ) 中，9 ( f ) 为相位调制函数，本文选择的是二相码，故9 ( f ) 只有0 、兀两个 数值，设二相编码的包络为矩形，且每个宽脉冲包含个子脉冲，即口o ) 可表示为 ：j “心0 k 心 一 【o 其它 ( 2 5 ) 式( 2 5 ) 中，岛为码元宽度，则甜o ) 可写成 砸) ：击篓c v ( t - n 。) 10 0 t n l p 其它 ( 2 6 ) 式( 2 6 ) 中，c n 为第n 个码元的值( 1 或1 ) ，v ( t ) 为二相码子脉冲的复包络，为 码长。其中c n 的取值具有随机性，使得相位编码信号具有很强的抗干扰性能，且二相码 的每个码元的幅度和宽度都相等。这里使用冲激函数的抽样性瞰i ( f ) 0 6 0 t o ) = f ( t 一，o ) ( 2 7 ) 则式( 2 6 ) 可以写成 u ( t ) = “l ( f ) o 甜2 ( ，) ( 2 8 ) 其中，甜- o ) 和u 2 ( t ) 分别为【3 5 】 川印= 舻嚣。 眩9 ， 讹2 专萎础一叫 ( 2 1 0 ) 如图2 3 所示给出了一组二相码信号时域仿真图，图中采用的是3 l 位m 序列，每 个码字采1 5 个点，图中所给的横坐标皆为量化之后的坐标，纵坐标为信号幅度。 6 硕士论文 探测高速目标的二相编码雷达技术研究 3 1 位伪码m 序列 图2 3 二相码信号时域仿真图 以上分析了二相码信号的时域形式，接着再探讨一下它的频谱，由式( 2 8 ) 和傅里 叶变换的性质【3 4 1 可知 u u ) = w l ( ) ( 门 ( 2 1 1 ) 式( 2 1 1 ) 中u 、u ( ) 和( ) 分别为u ( t ) 、u l ( t ) 和u 2 ( t ) 的傅里叶变换。 由对称非周期矩形脉冲和冲激函数的傅里叶变换公式1 3 i r e c t ( ( t t o ) t , ) f ps i i l c 何以) g 一孙属 ( 2 1 2 ) 8 ( t n t 。) e - j 2 f t , ( 2 1 3 ) 可得到u ( 厂) 和u 2 ( ) 分别为 ( ) = f ps i n c ( r r # p ) p 叫石乃 ( 2 1 4 ) ( 力2 丽i 委、1 - - i 乞p 叫2 疗钙 ( 2 1 5 ) 则由式( 2 i i ) 可求出w o o 为 u ( 门= s m c 以矿归席善n - l 伽2 石以 ( 2 1 6 ) 由式( 2 1 6 ) 可以看出，二相编码信号的频谱主要取决于脉冲的频谱函数u ( 厂) ， 而伽叩”一与所采用的编码有关。 如图2 4 所示，本文给出了一组二相码信号的频谱仿真图，图中采用的同样是3 1 7 2 二相码探测雷达波形设计硕士论文 位的m 序列，即是图2 3 中给出的二相码的频谱，横坐标为归一化频率，纵坐标为幅度。 二相码的幅度频谱 图2 4 二相码频域仿真图 以上讨论了相位编码信号的时域和频域特性，接着分析相位编码信号的模糊函数， 模糊函数是雷达信号分析和设计的有力工具，是体现雷达信号性能的重要指标，它反映 了采用该信号的雷达在距离速度测量精度和杂波抑制方面的能力，二相码信号的模糊函 数f 3 5 】为 z 0 ，髻) = 五( f ，考) 圆z 2 0 ，考) ：n - ix l ( z - m t p ，髻溉2 ( m t p ，考) 2 1 7 = ，髻溉：，考) j 其中z ，( f ，考) 和z 2 ( r ，考) 分别为p 5 1 删：p 叫错掣 眨 筋0 ，孝) = 砖作一j fj ) 一， ( 2 1 8 ) 10其它 筋( 脚，孝) = 等艺c n c n + m e l 2 庀, v # o 专兰2 嘶 式( 2 1 9 ) 中f 和善分别为两个目标之间的时延差和多普勒频率差。如图2 5 、图2 6 给出3 l 位m 序列的模糊图。 8 9互 0 1 一 肛 鲕 v i d m 一 一 0 的二相编码雷达技术研究 零多瞢勒蕾圈 图2 53 1 位n l 序列信号三维模糊图 像蕊磊；：矾硫i 腑i d _ 耐 也1 5- 0 1o 0o n 1n 1 5 q u _ ( a ) 3 l 位m 序列信号模糊函数零多普勒截图 ( b ) 对应模糊函数的等值线图 图2 63 1 位m 序列信号模糊图的截面图 由图2 5 可以看到，m 序列信号的模糊图呈图钉型，这说明该信号具有良好的距离 和速度分辨力，模糊图的主峰较尖锐，且周围的非零平台分布均匀，如图2 6 ( a ) 所示， 3 1 位m 序列信号的距离模糊图主峰为1 ，副峰很低。不仅m 序列的模糊图如此，其他 相位编码信号，如巴克码序列、l 序列等模糊图都呈图钉型。 2 5 二相码雷达回波信号分析 由图2 1 可知，从码字产生开始，再通过码字对本振信号的调相，然后通过功放器。 这个过程形成了雷达的发射波形，最后二相编码信号由天线发射出去。当发射信号遇到 目标时会形成反射，反射回来的波形称为回波信号，同样由天线接收，通过功放、降频 和信号处理等手段获得目标的距离速度信息。 9 2 二相码探测雷达波形设计硕士论文 回波信号的表达式为【3 5 1 0 ( f ) = a ( t 一，弦却- ，e j 2 z f o 。叶 ( 2 2 0 ) 比较式( 2 3 ) 和式( 2 2 0 ) ，回波信号比发射信号多了一个延时f ，在实际应用中， 为了方便分析，常设二相编码回波信号的幅度为l ，即取口( f ) = 1 ，则式( 2 2 0 ) 可简化 为 q o ) = e j 妒( t - ，e 1 2 。f o ( t - ，) ( 2 2 1 ) 接着对回波信号进一步推导，假设目标相对雷达做靠近雷达的径向匀速的运动，则 0 也是时刻变化的。设f = 0 时刻，目标与雷达之间的距离为r ，目标的径向速度为y ， 则雷达与目标之间的瞬时距离为 r ( ，) = r o v , t ( 2 2 2 ) 一般情况下，由于目标运动速度远小于电磁波速度c ，即v ， 图3 5 早i 司莘完幽奴万i 司图 则方向图函数分别关于0 和妒的偏导为 瓢加s 证c 鬯蜘s 署一器s 协蛩 嚣 咖s 证c 琶，扣卺一静咖罢， d 忱。仉m4 7 r 一识“ 结合式( 3 i ) 至式( 3 7 ) 和式( 3 9 ) 至式( 3 1 4 ) 得 j ，( f ) = 4 f 佃。，9 。) s ，( f ) ( 3 1 0 ) ( 3 1 1 ) ( 3 1 2 ) ( 3 1 3 ) 3 d b 波束宽度， ( 3 1 4 ) ( 3 1 5 ) 1 5 ，o2 3 二相码探测雷达的跟踪测角技术 硕士论文 o ) ：_ 4 竺( & ，仇脚一) 墨( f ) ( 3 1 6 ) 啪) = - 4 等 ，依也) s a t ) ( 3 1 7 ) 将方位角差信号和俯仰角差信号分别与和信号相比，得到方位角误差信号和俯仰角 误差信号分别为 丽sac(t)：一崭afo , ， 黾o )， ，仇) ” ”7 等：一秣 黾( f ) f ( 吼，仇) 、 ” 坼一茹小一嚣双8 ) 袱( 3 1 9 ) 衔i j 目裆? 的方位角和俯仰角 妒酱 2 肚岛+ 岛劣 ( 3 2 1 ) 3 3 相位法和差波束测角技术 3 3 1 相位法测角 相位法和差波束测角是基于相位法测角的原理，一维平面的相位法测角是通过比较 不同天线间回波信号的相位来测角，其示意图如图3 6 所示。假设在0 方向有一远区目 标，由于目标距接收天线很远，所以天线接收的电磁波可近似认为是平面波。设两天线 之间的距离为d ，那么由天线间距造成的回波信号的波程差为a r ，这个波程差在信号 1 6 硕士论文探测高速目标的二相编码雷达技术研究 图3 6 相位法测角示意图 由图3 6 可知 9 = 竿欲= 2 ，n rd s i n 0 ( 3 2 2 ) ll 式( 3 2 2 ) 中a 为雷达发射波的波长。所以只要用相位比较器测出相位差9 ，就可 以求出目标的方向0 。 然而，在实际测角中，需要测量目标的方位角和俯仰角，这就需要在两个正交的平 面内同时测角。如图3 7 所示为二维平面相位法测角的示意图。图中天线置于y o z 平面 上，天线分为四个子阵，其相位中心分别为么，曰，c ，d 。子阵之间水平方向的间距为 口，俯仰方向的间距为破，且每个子阵长度只占阵面孔径尺寸的一半。 图3 7 二维平面相位法测角示意图 由图3 7 知，子天线阵彳、b 和子天线阵c 、d 之间的相位差反映的信息是一致的， 设为，目标在方位和俯仰上偏离波束最大值指向角( 九，吼) 的角度差分别为驴与 a 0 ，则 1 7 3 二相码探测雷达的跟踪测角技术 由图3 7 所示的各角度关系可知 驴= 九+ 咖 0 = o o + a 0 硕士论文 ( 3 2 3 ) = 等聃s a y ：_ 2 7 rq c o s 0s i n #( 3 2 4 ) ：_ 2 7 - rqc 。s ( o o + a o ) s i n ( 九+ 咖) 其中咖和p 是小于波束3 d b 带宽的一半，考虑到一般的波束都比较窄，3 d b 带宽 比较小，因此咖和a o 都很小。故式( 3 2 4 ) 可近似表示为 = o + 却仰 ( 3 2 5 ) 式( 3 2 5 ) 中。为当目标方向与波束最大值方向重合时，两天线子阵接收到的回 波信号之间的相位差。 ，” o = 竿qc o s o osin访oco$tjos m ( 3 2 6 一) o2 _ q 【3 ) 国= 等q 【c 。s 岛c o s 九咖一s m 岛s i n 九8 】 ( 3 2 7 ) 上式的却知反映的是目标因偏离波束最大值指向角( 九，o o ) 而带来的相位差，而由式 ( 3 2 7 ) 可知，却i 仰的大小是由咖和9 共同决定的，因此只有却么是无法确定目标的 准确方向，故还需要对4 、d 或者曰、c 之间的相位差进行分析。同理，设彳、d 或b 、 c 之间的相位差为，则 缈肋：2 n ：d 2c 。s 口： ：塾及s i i l p 旯 ；2 z rd 2s i n ( 0 0 + a 0 ) 同式( 3 2 5 ) ，可近似表示为 妒肋= 吼d o + 国 ( 3 2 8 ) ( 3 2 9 ) 式( 3 2 9 ) 中的妒肋。是目标与波束俯仰指向o o 重合时，彳、d 子阵间的相位差。 2 ，z rd 2i n o o ( 3 3 0 ) s i n o o 3 0 吼珊， 2 ( 3 1 8 硕士论文探测高速目标的二相编码雷达技术研究 却幻，2 z rd 2c o s 岛a 0 (331a03 1 ) 却幻。 2c o s ( 3 ) 由于波束最大值指向