脉冲压缩技术在雷达信号处理中的应用。

脉冲压缩技术在雷达信号处理中的应用脉冲压缩技术在雷达信号处理中的应用 专业：信息对抗技术 班级：0213010 学生姓名：张宇新 02123060 柯炜鑫 02123049 石星宇 02123010 指导教师：魏青 1 目录目录 脉冲压缩技术在雷达信号处理中的应用1 一、 引言1 二、 脉冲压缩信号1 三、 线性调频信号分析2 3.1 线性调频信号概述2 3.2 脉冲压缩处理3 3.3 线性调频信号的产生原理3 四、匹配滤波器设计4 4.1 匹配滤波器的概述4 4.2 匹配滤波器的原理5 五、线性调频脉冲压缩的实现6 5.1 脉冲压缩预处理6 5.2 脉冲压缩处理的实现6 5.3 脉冲压缩处理仿真7 六、 脉冲压缩技术的应用8 七、小结9 附录：10 脉冲压缩技术在雷达信号处理中的应用 第 1 页 脉冲压缩技术在雷达脉冲压缩技术在雷达信号处理信号处理中的应用中的应用 一、一、引言引言 雷达，是英文 Radar 的音译，源于 Radio Detection and Ranging 的缩写，原 意为“无线电探测和测距”，即用无线电的方法发现目标并测定它们的空间位置。 因此，雷达也被称为“无线电定位”。 随着雷达技术的迅猛发展，对雷达的最大作用距离、距离分辨力和测量精度 等的要求也越来越高。一方面为了提高雷达系统的最大作用距离，要求信号具有 大的能量，在系统的发射设备峰值功率受限制的情况下，大的信号能量只能靠增 加信号脉冲宽度得到。另一方面为了提高距离分辨力，要求信号脉冲具有大的带 宽。由信号与系统的理论可知，普通信号的时宽带宽积为一常数，所以信号同时 具有大的时宽和带宽是不可能的。 为了解决这一矛盾， 人们开始各种尝试和探索， 力求雷达体制上取得突破。 脉冲压缩技术的出现有效的解决了雷达系统中最大作用距离和距离分辨力 之间的矛盾。 二、二、脉冲压缩信号脉冲压缩信号 脉冲压缩技术是大时宽带宽积信号经过匹配滤波器实现的， 具有大时带宽的 信号通常被称作脉冲压缩信号，不同的信号形式有不同的压缩性能。 常用的脉冲压缩信号有以下三种： 1线性调频信号(LFM) 线性调频信号的主要优点是所用的匹配滤波器对回波的多普勒频移不敏感， 即使回波信号有较大的多普勒频移，仍能用同一个匹配滤波器完成脉冲压缩， 这 将大大简化信号处理系统。 线性调频脉冲压缩技术的主要缺点是脉压后输出旁瓣 较高。适用于对发射功率限制不严且多普勒频率变化范围较宽的雷达系统。 2非线性调频信号(NLFM) 非线性调频脉冲压缩是针对线性调频脉冲压缩雷达的缺点而设计的。 它将有 关的加权因子，采用频率调制的非线性变化来实现，因此在脉冲压缩时既抑制了 旁瓣，又避免了回波信号的损失，但设备比较复杂。适用于对信号峰值功率有限 制且多普勒变化范围较宽的雷达系统。 3相位编码信号 脉冲压缩技术在雷达信号处理中的应用 第 2 页 相位编码脉冲压缩信号有二相制、多相制以及巴克码、伪随机码等类型。 具 有理想的“图钉形”模糊函数，具有很高的时延和多普勒分辨能力，没有距离-多 普勒耦合问题；用数字方法电子最易产生和处理的信号之一，且由于其信号波形 的“随机性”，易实现捷变，有利于提高电子系统的对抗性能，但对多普勒敏感。 适用于多普勒变化范围较窄，且对时间旁瓣电平要求不高的雷达系统。 其中线性调频脉冲信号的诸多优点使其成为脉冲压缩信号的首选， 它也是最 早、应用最广泛的脉冲压缩信号。 三、三、线性调频信号线性调频信号分析分析 线形调频脉冲信号是最早应用于脉冲压缩中的大时宽带宽乘积信号。 对宽脉 冲进行调制，可被认为沿着脉冲的不同部分在相位或频率上设置不同的“标志”。 简单的说，可以认为是通过调制，发射波频率随时间发生线性变化。 3.1 线性调频信号概述线性调频信号概述 线形调频信号是通过非线形相位调制或线形调频(LFM)，从而获得大时宽带 宽积的，这种信号称为 chirp 信号，线形调频信号是目前应用最为广泛的一种脉 冲压缩信号。 采用这种信号， 雷达既可获得远作用距离又可以获得高距离分辨力。 它的优点是：所用的匹配滤波器对回波信号的多普勒频移不敏感。因而可以用一 个匹配滤波器来处理具有不同多普勒频移的信号，这将大大简化信号处理系统。 它的主要缺点是：存在距离与多普勒频移的耦合及匹配滤波器输出旁瓣较高。 为 压低旁瓣采用失配处理，这将降低系统的灵敏度。 一般地，线性调频波形可用如下形式表示： 2 0 ( )( )cos(),0(2.1) 2 c tt s tArecttt 其中， 1 1 2 ( ) 1 0 , 2 t t rect t 为矩形函数。 线形调频信号的包络是矩形脉冲,其脉冲宽度为， 但信号的瞬时载频是随时 间线形变化的。瞬时角频率 i 为 0 ,0(2.2) i d tt dt 脉冲压缩技术在雷达信号处理中的应用 第 3 页 在脉冲宽度内，信号的角频率由 2 M t B 变化到 0 2 2 f ，调制频率带 宽 2 M t B 。 对于这种信号， D 为脉冲宽度与带宽的乘积， 是一个很重要的参数， 表示如下： 2 1 (2.3) 2 M DB 线性调频信号的时域波形及频谱如下： 00.10.20.30.40.50.60.70.80.91 x 10 -5 -1 -0.5 0 0.5 1 time/s S t (t) LFM transmitted signal -1.5-1-0.500.511.5 x 10 7 0 50 100 frequency/Hz S(w) frequency spectrum of transmitted signal 图 1线性调频信号的时域波形及频谱 3.2 脉冲压缩处理脉冲压缩处理 脉冲压缩处理是整个雷达信号处理过程中非常重要的一个环节， 其处理精度 和速度直接决定了雷达系统的工作效率和反应速度。 脉冲压缩雷达信号处理方式又分为以下两种： 模拟脉冲压缩 数字脉冲压缩 数字脉冲压缩技术相对于传统的模拟脉冲压缩处理方法具有很大的优越性， 其处理精度高、灵活性大、可靠性高，易于大规模生产，已成为现代雷达脉 压系统的主流。数字脉冲压缩对二相位编码信号特别方便,采用脉冲线性调频的 脉冲压缩雷达也可用数字处理技术。 数字处理的缺点是对大带宽信号必须有极高 的数字处理速度，解决这个问题尚存在困难。 3.3 线性调频信号的线性调频信号的产生产生原理原理 在雷达的发射机中，首先由脉冲调制器产生信号，它是幅度为 A 周期为 T 的矩形脉冲波。如图 2a 所示。在脉冲的持续时间内，频率从 f1 线形增加到 f2， 脉冲压缩技术在雷达信号处理中的应用 第 4 页 如图 2b 所示。有时称为上线性调频。反之，频率随时间线形下降称为下线形调 频。图 2c 给出随时间变化的波形。 图 2线性调频信号 四、四、匹配滤波器匹配滤波器设计设计 4.1 匹配滤波器的概述匹配滤波器的概述 匹配滤波器是在白噪声背景中检测信号的最佳线性滤波器， 其输出信噪比在 某个时刻可以达到最大值，其传递函数形式是信号频谱的共轭。 因此匹配滤波器对信号做两种处理： 1滤波器的相频特性与信号相频特性共轭，使得输出信号所有频率分量都 在输出端同相叠加而形成峰值。 2按照信号的幅频特性对输入波形进行加权，以便最有效地接收信号能量 而抑制干扰的输出功率。 即当信号与噪声同时进入滤波器时，它使信号成分在某一瞬间出现尖峰值， 而噪声成分受到抑制。 脉冲压缩技术在雷达信号处理中的应用 第 5 页 其作用是： 1提高信噪比。毫不夸张地说，任何电子系统都有匹配滤波或近似匹配滤 波的环节，目的是提高信噪比。 2对于大时间带宽积信号，匹配滤波等效于脉冲压缩。因此可以提高雷达 或声纳的距离分辨率和距离测量精度。在扩频通信中，可以实现解扩。 4.2 匹配滤波器的原理匹配滤波器的原理 匹配滤波器的原理框图可简化如下： 匹配滤波器 线性调频信窄脉冲输出 在接收信号是，调频信号通过一个脉冲压缩滤波器，滤波器是一个传播速度 与频率成正比的延迟线。相对于脉冲前沿的较低频率，滤波器加快了在脉冲后沿 较高频率的速度，以便将信号压缩到 1/B 宽度,其中 B=f2-f1。在这种情况下,输出 与(sin(Bt) Bt成正比。脉冲在通过滤波器后，脉冲的峰值功率提高了脉冲压 缩比 T BT 倍。图 4 分别给出了匹配滤波器时域和频域特性。 00.10.20.30.40.50.60.70.80.91 x 10 -5 -1 -0.5 0 0.5 1 time/s h(t) transmission function of matched filter -1.5-1-0.500.511.5 x 10 7 0 50 100 frequency/Hz H(w) frequency-domain characteristics of h(t) 图 4 匹配滤波器时域和频域特性 我们可以明显的发现，匹配滤波器的时频域的波形与其相应的信号一致， 也 正是这样，使得输出信号信噪比最大。 图 3 匹配滤波器的原理框图 脉冲压缩技术在雷达信号处理中的应用 第 6 页 五、线性调频脉冲压缩的实现五、线性调频脉冲压缩的实现 5.1 脉冲压缩预处理脉冲压缩预处理 在实际应用中，线性调频信号一般都是射频信号，收到部分器件性能二等影 响， 对模拟信号在射频采样是很困难的，因此需要先将模拟信号的频率通过混频 降低到中频，然后在采样得到数字化的中频信号。线性调频信号的脉冲压缩处理 一般是在视频进行的，通过数字下变频，将数字中频信号变换到视频，得到正交 的 I、Q 信号，经过滤波和抽样后进行脉冲压缩处理。线性调频脉冲压缩预处理 框图如下所示。 5.2 脉冲压缩处理的实现脉冲压缩处理的实现 脉冲压缩的实现方法有时域和频域两种， 所以在设计中就要考虑选择什么样 处理方法以达到资源配置和系统指标的最佳结合。下面对这两种方法作简单介 绍。 5.2.1 时域脉冲压缩方法 脉冲压缩的时域方法是通过两个信号进行卷积实现的。其公式为 thtsts rrr 式中： tsr为目标回波信号， th为匹配滤波器的冲激响应， tsrr为脉冲 压缩的输出。 th主要由发射的线性调频信号来确定，实际上为发射信号的共轭镜像函 数。即 ttksth 0 * 5.2.2 频域脉冲压缩方法 回波信号混频 相参本振 AD 数字 下变 滤波 Q I 抽样 脉冲 压缩 处理 图 5 线性调频脉冲压缩预处理框图 匹配滤波器 th s srr 图 6 脉冲压缩时域框图 脉冲压缩技术在雷达信号处理中的应用 第 7 页 脉冲压缩的频域方法是利用快速傅里叶变换（FFT）计算出回波信号的频谱 r S， 再将其与匹配滤波器的频率响应函数 H相乘， 这样就得到了输出脉冲 的频谱 rr S，最后经过快速傅里叶反变换（IFFT） ，就可以得到脉冲压缩结果。 整个过程可有下式表示 thFFTtsFFTIFFTHSIFFTts rrrr 5.3 脉冲压缩处理仿真脉冲压缩处理仿真 利用 MATLAB 软件，对脉冲压缩系统做如下的仿真。假设两目标回波信号 时延相差 1 s，则其回波信号如图 8 所示。 00.20.40.60.811.21.4 x 10 -5 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 time/s S r1 (t) and S r2 (t) received signals 图 8 未经压缩的目标回波信号 由上图可以看出，两目标回波信号已经出现严重的重合，这将对雷达信号处 理造成极大的困难，为了避免这种情况，我们让目标回波通过上文设计