超宽带雷达信号侦察采集处理器的设计与实现

超宽带雷达信号侦察采集处理器的设计与实现
邹光亮
2015年01月
中图分类号：
UDC分类号：
超宽带雷达信号侦察采集处理器的设计与实现
作者姓名邹光亮
学院名称信息与电子学院
指导教师杨静
答辩委员会主席高梅国教授
申请学位工学硕士
学科专业信息与通信工程
学位授予单位北京理工大学
论文答辩日期2015年01月
Design and Implementation of Signal reconnaissance and Sampling Processor of Ultra-Wideband Radar
Candidate Name: Guangliang Zou
School or Department: Information and Electronics
Faculty Mentor: Jing Yang
Chair,Thesis Committee: Prof. Meiguo Gao
Degree Applied: Master of Engineering
Major: Information and Communication
Engineering
Degree by: Beijing Institute of Technology
The Date of Defence: Jan. 2015
摘要
超宽带雷达是一种全新体制的雷达，具有低截获、抗干扰、抗摧毁等性能。

随着超宽带雷达的迅速发展，超宽带信号占用较大的带宽，对传统的侦察系统提出了巨大挑战。

本文对具有实时处理多信号功能、大瞬时带宽、高灵敏度、高参数测量精度的超宽带雷达信号侦察采集处理器进行了研究，最终设计和实现了超宽带雷达信号侦察采集处理器。

本文首先介绍了超宽带信号的基本概念和常用的信号形式，包括冲激信号和脉冲压缩信号，并针对超宽带雷达信号的特点进行了详细的分析。

其次，讨论了超宽带雷达信号侦察采集处理器的技术原理，主要包括复信号的数字信道技术、滑动自适应门限的信号检测方法、分裂脉冲参数处理方法、信号搜索方法以及自动增益控制（AGC）等关键技术原理。

然后，根据某星载雷达超宽带信号侦察采集处理需求，给出了一种超宽带雷达信号侦察采集处理器的实现方案，最后根据系统设计要求，设计并实现了超宽带雷达信号侦察采集处理器，并对系统的关键指标进行了测试分析。

关键词：超宽带雷达；复信号数字信道化；滑动自适应门限；AGC
Abstract
Ultra-wideband radar is a new radar system, with a low interception, anti-jamming, and anti-destroying properties. With the rapid development of ultra-wideband radar, ultra-wideband signal occupies a large bandwidth, which presents a huge challenge to the traditional reconnaissance system. In this paper, the ultra-wideband radar signal acquisition processor with the characteristics of real-time processing multi-signal functions, large instantaneous bandwidth, good sensitivity and dynamic range, high parameter measurement accuracy are studied.Finally the ultra-wideband radar signal acquisition processor is designed and realized.
First of all, this paper introduces the basic concepts and the common signal forms of ultra-wideband signal, including impulse signals and pulse compression signal, and analyzing the characteristics of ultra-wideband radar signal. Secondly, this paper introduces the basic technical principles of ultra-wideband radar signal acquisition processors, including digital channel technology of the complex signals, sliding adaptive threshold of signal detection method, the split pulse parameters approach, signal search method, AGC and other key technical principles. Then, according to a spaceborne radar ultra-wideband signal acquisition and processing needs, given the realization scheme of ultra-wideband radar signal acquisition processor. Finally, according to the design requirements of the system, this paper designs and realizes the ultra-wideband radar signal acquisition processor, tests and analyses the systems key indicators.
Key Words: ultra-wideband radar; digital channelized of the complex signal; sliding adaptive threshold; AGC
目录
第1章绪论 (1)
1.1 研究背景及意义 (1)
1.2 超宽带雷达技术发展概述 (2)
1.3 超宽带雷达信号侦察采集处理系统的现状和趋势 (3)
1.4 论文主要工作及章节安排 (4)
第2章超宽带雷达信号分析 (5)
2.1 超宽带信号的概念 (5)
2.2 超宽带雷达信号的类型 (6)
2.2.1 冲激信号 (6)
2.2.2 调频信号 (7)
2.3 超宽带雷达信号特点分析 (9)
2.4 本章小结 (10)
第3章超宽带雷达信号侦察采集处理器技术原理 (11)
3.1 超宽带雷达信号侦察采集处理系统基本组成 (11)
3.2 复信号数字信道化原理 (12)
3.2.1 数字信道化技术 (12)
3.2.2 滤波器组频带划分 (13)
3.2.3 基于多相滤波的复信号数字信道化结构 (13)
3.3 滑动自适应门限信号检测 (19)
3.4 分裂脉冲测量参数处理 (22)
3.5 频率搜索 (24)
3.6 自动增益控制 (26)
3.7 本章小结 (28)
第4章超宽带雷达信号侦察采集处理器设计与实现 (29)
4.1 超宽带雷达信号侦察采集处理器的系统设计 (29)
4.1.1 采集处理器功能及技术指标 (29)
4.1.2 采集处理器设计 (30)
4.2 超宽带雷达信号侦察采集处理器的硬件组成 (34)
4.3 超宽带雷达信号侦察采集处理器的软件设计与实现 (35)
4.3.1 FPGA软件设计与实现 (35)
4.3.2 DSP软件设计与实现 (54)
4.4 本章小结 (67)
第5章系统测试 (68)
5.1 测试内容 (68)
5.2 测试条件 (68)
5.3 功能测试 (69)
5.3.1 脉冲描述字测量功能测试 (69)
5.3.2 程控AGC功能测试 (72)
5.4 指标测试 (73)
5.4.1 系统动态范围测试 (73)
5.4.2 时域参数测量精度测试 (74)
5.4.3 频域参数测量精度 (75)
5.5 本章小结 (75)
第6章总结与展望 (77)
参考文献 (78)
攻读学位期间发表论文及专利 (80)
致谢 (81)
附录A (82)
图目录
图2.1超宽带信号的示意图 (5)
图2.2单极脉冲的时频域波形 (7)
图2.3 LFM 信号的时域和频域波形 (8)
图2.4 超宽带雷达信号接收机 (9)
图2.5 脉冲内部幅度起伏大的信号包络示意图 (10)
图3.1超宽带雷达信号侦察采集处理系统基本组成 (11)
图3.2均匀信道化滤波器组的低通实现结构 (12)
图3.3复信号信道划分 (13)
图3.4复信号多相滤波实现结构 (15)
图3.5滤波器非理想特性造成的信号盲区 (15)
图3.6复信号下的非理想低通滤波器的设计 (15)
r 的非理想滤波器为基础的信道划分 (16)
图3.7 以2
图3.8 进行D倍抽取产生的混叠 (16)
图3.9基于多相滤波结构的复信号数字信道化实现结构 (17)
图3.10滤波示意图 (18)
图3.11用实信号信道化模型实现复信号信道数为N时的信道化实际模型 (19)
图3.12瑞利分布和莱斯分布图 (20)
图3.13 滑动自适应检测门限形成与检测示意图 (21)
图3.14各信道仿真信号的瞬时幅度与滑动自适应检测门限之间关系 (22)
图3.15 原始数据包络图示 (23)
图3.16信号经过检测后的过门限标记、瞬时幅度 (23)
图3.17搜索工作流程图 (25)
图3.18数字接收机AGC 原理框图 (26)
图3.19自适应滤波模型 (26)
图3.20接收机输出信号大小划分示意图 (27)
图4.1超宽带雷达信号侦察采集处理器原理框图 (30)
图4.2采样率2.5GSPS时的实测ADC有效位数 (32)
图4.3系统硬件组成框图 (34)
图4.4 FPGA软件工作流程图 (37)
图4.5 FPGA与ADC之间的SPI连接示意图 (38)
图4.6 数据接收模块框图 (38)
图4.7多项滤波处理流程图 (39)
图4.8原型滤波器幅频响应 (40)
图4.9 IFFT实现结构图 (40)
图 4.10 CORDIC迭代算法公式 (41)
图4.11 瞬时频率测量流程图 (42)
图4.12滑动自适应检测门限形成与检测示意图 (43)
图4.13PDW测量模块功能框图 (44)
图4.14时域参数测量模块状态机状态转移图 (45)
图4.15信噪比参数提取的时序示意图 (46)
图4.16对溢出情况下的PDW进行标记的时序图示意图 (47)
图4.17 脉内幅度最小值、最大值统计示意图 (48)
图4.18 瞬时频率缓存功能框图 (48)
图4.19 PDW编码格式 (49)
图4.20PDW缓存功能框图 (50)
图4.21谱云图数据提取功能模块组成图 (50)
图4.22缓存功能框图 (51)
图4.23自动增益控制模块实现框图 (52)
图4.24ADC溢出判别流程 (53)
图4.25溢出情况的衰减量调整示意图 (54)
图4.26DSP软件功能模块组成 (54)
图4.27DSP软件工作流程图 (55)
图4.28频率和幅度二维搜索的DSP工作流程图 (56)
图4.29未检测到信号时固定步进频率和增益搜索流程图 (58)
图4.30频率跟踪后DSP的工作流程图 (59)
图4.31信号丢失时衰减量调整示意图 (60)
图4.32跟踪状态下信号幅度偏大偏小时衰减量调整示意图 (61)
图4.33调频斜率计算方法示意图 (62)
图4.34 V型调频信号调频斜率计算方法示意图 (62)
图4.35信号类型识别总体流程 (65)
图4.36信号类型识别详细流程 (66)
图5.1系统测试连接图 (68)
图5.2 显控系统上显示的简单脉冲脉冲描述字测量结果 (70)
图5.3 显控系统上显示的线性调频信号脉冲描述字测量结果 (71)
图5.4采集处理系统的输入脉冲幅度包络图 (72)
图5.5经过自动增益控制后的脉冲幅度包络恢复图和对应衰减量示意图 (72)
图5.6脉冲幅度包络恢复图 (73)
表目录
表2.1超宽带雷达的主要信号形式 (6)
表3.1分裂脉冲后的参数测量结果 (24)
表4.1 EV10AQ190ACTPY ADC芯片主要特征参数 (31)
表4.2 256信道结构在不同输入信噪比下的参数测量仿真结果 (32)
表4.3 SNR>5dB时256信道结构的信号仿真参数测量精度 (34)
表4.4 SPI接口定义 (38)
表4.5需要编码的脉冲参数 (49)
表5.1测试使用的仪器 (68)
表5.2信号源产生的简单脉冲信号参数 (69)
表5.3简单脉冲脉冲描述字测量结果 (69)
表5.4信号源产生的线性调频信号参数 (70)
表5.5线性调频信号脉冲描述字测量结果 (71)
表5.6动态范围测试结果 (73)
表5.7时域参数测量精度测试结果 (74)
表5.8频域参数测量精度测试结果 (75)
第1章绪论
1.1研究背景及意义
随着军事装备武器的发展和无线电探测技术的进步，对传统的雷达探测体制带来了巨大的挑战，在雷达的探测距离、精度等方面提出了更高的要求。

超宽带雷达由于具有实现高分辨率探测效果的能力，在军事和商业领域中日益得到关注，美国国防部已将超宽带和高距离分辨率雷达列为关键技术[1]。

合成孔径雷达(SAR)是一种高分辨率成像雷达，由于雷达采用电磁波探测，在天气环境恶劣的情况下还能得到类似光学照相的高分辨雷达图像。

SAR采用
综合孔径原理提高雷达的角分辨率，同时利用脉冲压缩技术提高距离向分辨率。

根据雷达信号理论，如果要实现高距离分辨率，则对信号的带宽的就越高，即超宽带技术。

在现阶段的雷达体制中，雷达信号的频带宽度与信号的中心频率之比一般不超过10％，但超宽带雷达的带宽范围相对而言较宽，能完成高精度的参
数测量，具有很高的军事应用价值。

超宽带雷达已成为目前国内外研究热点之一[1] [2] [3]。

目前超宽带技术的理论研究大部分已经完成，研制的超宽带雷达也已走出实验室，并被成功地应用在现代战争中。

主要代表有美国的侦察卫星“长曲棍球”
星载SAR和导弹防御系统中的GBR反导雷达。

其中，星载雷达位于太空中，能够俯瞰所有目标，并且具有全球覆盖和全天候的优点，能够连续监视全球的任何地区，其威胁等级特别高。

为了有效地对抗这些雷达，许多国家开始研究相应的对策。

通过连续波噪声压制干扰能够实现对雷达的有效干扰，但是该方法需要很高的功率，代价较大。

而要实施有效的欺骗干扰，必须对目标回波信号的脉内特性、脉间特性以及飞行平台的飞行特性等参数进行实时、精确的测量和分析，这就需要有准确的电子情报侦察支援系统。

超宽带雷达的广泛应用对传统的信号侦察系统提出了巨大挑战，其接收、信号处理、检测和参数估计等方法与窄带信号的处理有很大差异，对信号侦察系统的信息处理技术提出了更高的要求[2]。

简单地说，现有侦察体制主要面对的是窄带信号，如果应用于超宽带信号，可能会暴露出体制上或设计上的不足。

超宽带信号不仅使得电子侦察可能会处于较为复杂的电磁环境中（如负信噪比），而且对其进行采样、实时处理和存储的困难较大，大大地降低了侦察接收机的灵敏度
和截获概率。

同时，星载雷达的高运行轨迹，也使得电子侦察系统接收到的信号幅度微弱，信噪比较低，而信噪比会直接影响检测概率。

因此，如何提高信噪比，从而提高检测概率，对于超宽带雷达信号侦察系统非常重要。

同时，由于侦察系统只有在准确进行脉冲参数测量的基础上，才能进行信号分选、威胁识别等情报分析。

所以对于星载雷达电子侦察系统，是否能检测到信号及准确地侦测出脉冲参数至关重要[2]。

目前，我国对星载雷达超宽带信号的对抗理论研究较少，远远地落后于超宽带技术的发展。

然而超宽带雷达因具有“高距离分辨率、低截获性、反隐身和强抗干扰性”等众多优点而显得威胁等级极高，因此研制星载雷达超宽带信号采集处理器，具有重要的战略意义与实际价值。

1.2超宽带雷达技术发展概述
超宽带雷达又称冲击雷达或无载波雷达。

从60年代开始，人们对其在冰层探测成像、地面透视等民用方面作了大量的研究工作。

进入20世纪90年代，人们对其在军事方面的应用(如优越的反隐身能力)产生了极大的兴趣，许多国家都积极开展研究工作，包括超带宽信号源、超带宽天线、超带宽接收机和信号处理方法等，其中美国和俄罗斯一直处于世界领先水平[3]。

美国受海湾战争的影响，发展了多种超宽带合成孔径雷达（UWB-SAR）系统，对叶簇穿透（FOPEN）和地表穿透（GPEN）探测识别隐蔽目标方面进行了试验，现已进入实际应用阶段。

典型的系统有：
1、美国斯坦福研究所研制的SRI系统
斯坦福研究所历时7年研制出来的第一部机载商用雷达，工作频段为
200MHz～400MHz，该雷达不仅可以穿透森林覆盖，甚至可以穿透土壤。

SRI
还研制了第一部VHF GPR SAR，该雷达采用偶极天线，工作在200MHz～
600MHz频段，分成两个200MHz的宽带宽接收处理。

该系统采用冲激脉冲信号形式，分辨力达到1m×1m。

已进行多次飞行试验，成功地实现了对丛林中和地表下目标的高分辨成像。

2、P—3 UWB SAR
由美国密执安环境研究所(ERIM)和美国海军航空武器中心（NAWC）共同发展的P-3 SAR系统可工作于L、C和X三个波段，分辨力1.5m×0.7m。

根据ARPA的要求，1992年在其基础上增加了超宽带系统，采用LFM信号形式，带宽达508MHz，分辨力达到0.33m×0.66m。

3、CARABAS系统
相干全无线电频段传感器(CARABAS)是由瑞典国防研究军事组织研制的超宽带、宽波束机载雷达系统。

第一代机载SAR传感器CARABAS I于1992年投入使用，该雷达主要用于研究与证明超宽带的机理和受限衍射散射模型。

第二代CARABAS I基于第一代的研究成果，其主要目的是穿透叶簇检测人工隐藏的目标。

系统工作在20—90MHz频带上，采用步进频率调制波形，在多次飞行试验中成功地对丛林中和地表下目标成像。

这些系统都工作在VHF／UHF波段，具有穿透叶簇和地表的能力，采用超宽带实现高距离分辨力，采用综合孔径技术实现高横向分辨力。

超宽带雷达因为其具有空间高精度探测、目标参数的强提取能力、雷达信号的低截获率等特性受到越来越多的关注，它在军民应用等方面都有极大的价值和潜力。

随着现代电子技术发展，超宽带雷达将被广泛的应用于目标识别与探测、目标成像和识别、电子战和抗辐射导弹隐身等国防领域，它将会在国家安全及人们日常生活中发挥更大的作用。

1.3超宽带雷达信号侦察采集处理系统的现状和趋势
超宽带雷达信号侦察采集处理系统主要由射频天线、前端接收机、信号采集处理器等部分组成，主要完成信号的实时采集处理、参数测量等功能。

传统的信号接收机主要是在模拟域先进行检波之后采用数字技术再进行处理，检波器把射频信号变换为视频信号，在这个过程中，会破坏信号的载频和相位信息。

随着模数转换器技术的高速发展，比如模数转换速率、量化性位数等性能的提高，给数字接收机的发展提供了一个新的平台。

如果用模数变换器(ADC)来取代检波器，直接对射频或中频信号采样，那么信号的脉内信息都会被保存下来，因此数字接收机是雷达信号侦察接收机的发展方向。

根据雷达信号理论可知，信号的频率结构决定了雷达信号的测距分辨率。

为了提高距离测量分辨率，信号必须占有大的持续带宽。

另一方面，在雷达的某些应用中，如目标成像、目标识别、探测隐蔽目标、减小杂波等，要求雷达信号需具有较大带宽。

因此，许多雷达信号开始采用超宽带技术，随着技术的进步，超宽带雷达的工作频率开始向0.05GHz至140GHz频段扩展，信号波形也会同时在时域、频域等多个域中变化。

为了实现大区间频率跨度、动态范围大的数字接收，如果采用软件无线电射频采样的实现方式，如果直接对射频信号进行采样，那么对模数转换器的采样率
要求在几十吉赫兹，现有的高速模数转换芯片采样速率一般在几吉赫兹，远远不能达到直接对射频采样的要求。

通常做法是：在天线接收到的射频信号后，首先在接收机前端将信号进行混频、滤波，将信号将为中频信号或基带信号，然后再对信号进行采样，后续采用数字接收机实现后续处理[6]。

对于超宽带雷达信号侦察采集处理器来说，将超宽带信号变换到适合A/D采样的基带信号，采用具有
大瞬时带宽的超宽带数字接收机则需要较少的模拟变频环节，因此具有宽瞬时带宽的超宽带雷达信号侦察采集处理器是目前研究的热点。

1.4论文主要工作及章节安排
本论文主要结合超宽带雷达信号侦察采集处理器超带宽、高灵敏度和高测频精度的发展趋势，将数字信道化接收机、信号检测和参数测量相结合组成超宽带雷达信号侦察采集处理器，并用FPGA+DSP的硬件结构来实现了这个系统。

主
要章节具体如下：
第一章介绍了论文的背景、意义以及超宽带雷达信号侦察采集处理器的现状和发展趋势，并对本论文的研究内容作了简要概述。

第二章分析了超宽带雷达信号的基本概念、主要信号类型以及超宽带雷达信号的特点。

信号类型主要包括冲激信号和脉冲压缩信号；超宽带雷达信号的特点主要介绍了经过超宽带雷达信号接收机后的信号特点。

第三章介绍了超宽带雷达信号侦察采集处理器的相关技术原理，包括复信号数字信道化接收机基本原理、滑动自适应门限检测方法、分裂脉冲参数处理方法及信号搜索方法。

第四章介绍了超宽带雷达信号侦察采集处理器设计与实现。

首先对采集处理器的实现功能和技术指标要求进行了介绍，根据指标要求确定了系统的硬件组成，并对系统的关键技术问题进行了分析；同时介绍了系统的软件设计与实现，并针对各个模块进行了功能介绍。

第五章根据采集处理器功能和技术指标要求，对设计实现的采集处理器进行了主要功能和技术指标测试，并对测试结果进行了分析。

第六章是研究内容总结和展望。

文章最后是参考文献和致谢。

本文引用的地方都做了说明，并对作者在硕士期间曾帮助过作者的导师和同学表达了诚挚的谢意。

第2章 超宽带雷达信号分析
2.1 超宽带信号的概念
超宽带技术由于其在无线通信、雷达、成像以及精确定位等领域潜在的应用前景而受到人们的广泛关注。

超宽带（Ultra-WideBand ，UWB ）信号，顾名思义就是带宽很宽的信号。

起初，学术界对于窄带、宽带和超宽带并没有统一的界定，现阶段，普遍认为信号的相对带宽不超过10%的认为是窄带信号，大于10%的即为宽带信号，而超过倍频程的则划为超宽带信号。

1990 年在美国的超宽带雷达会议上，美国国防部高级计划署首次采用“超宽带” 这个术语。

规定若信号在10dB -处的相对带宽大于25%，则该信号就是超宽带信号，即
2()25%H L H L f f f f η-=>+ （2-1）
式中：η代表信号的相对带宽；H f 和L f 分别是信号在功率谱密度10dB -衰减处的最高和最低频率。

而当信号的相对带宽η小于10% 被称为窄带，位于10%到25%之间的被称为宽带。

Z
图 2.1超宽带信号的示意图 2002年，美国联邦通信委员会批准将超宽带技术用于民用，并颁布了UWB 的频谱范围。

规定如果信号在-10dB 处的相对带宽大于20%或者绝对带宽大于500MHz ，那么它就是超宽带信号。

这个定义使得超宽带信号的范围明显扩大，涵盖了绝对带宽较宽的窄脉冲信号以及相对带宽较大的脉冲调制信号。

超宽带雷达作为现阶段雷达技术的一种新的发展方向，在国际上重视程度日益提升。

利用超宽带雷达的高分辨率特性，能够获取复杂目标的精细参数信息，从而实现高精度的目标识别和成像。

此外，超宽带雷达可以增强雷达散射截面积（RCS），进一步抑制了杂波，提高了目标探测的能力。

在数字信号处理方面，随着超宽带雷达信号带宽的增大，系统的采样率要随之提高，对信号处理的能力也要求更高。

2.2超宽带雷达信号的类型
超宽带雷达信号有多种不同的类型。

它们可以是ns或ps级的窄脉冲，也可以是以往雷达中的常用信号，如调频信号、频率步进信号以及相位编码信号等。

只要它们满足超宽带信号的定义，均可用于超宽带雷达。

目前广泛采用的超宽带雷达信号分类方式，是按照信号增加带宽的不同方式将信号划分为两类：一类是冲激信号，它通过缩短脉冲的持续时间来增大带宽，这类信号的时宽带宽积通常接近于1；另一类是脉冲压缩信号，即在不降低信号脉宽的情况下增加带宽，这就需要对信号进行某种形式的调制，这类信号的特点是具有大的时宽带宽积。

这两种超宽带信号的主要形式如表2.1所示。

其中，冲激脉冲信号以单极脉冲为代表，而脉冲压缩信号以调频信号为代表。

表 2.1超宽带雷达的主要信号形式
在产生、传播和处理的机理上，冲激信号和脉冲压缩信号各不相同。

下面针对冲激信号中的单极脉冲和脉冲压缩信号的调频信号进行简单分析。

2.2.1冲激信号
因为信号带宽与脉冲持续时间之间成反比，所以缩短脉冲持续时间是增加信号带宽常用的一种方式。

冲激信号（Impuse Signal）便是基于这一技术的典型的超宽带信号。

最早应用于超宽带雷达中的信号是基于冲激形式的无载波脉冲信号，其信号宽度一般为纳秒（ns）量级。

虽然其平均功率会限制信号的作用距离，但特别适用于目标特性的研究中。

比较常用的冲激信号主要是单极脉冲、单周波与多周波。

单极脉冲是指只有一种极性的瞬时短脉冲。

其时域波形为快速上升、指数衰减的伪指数脉冲，表达式可写为：
022()*()exp()t t S t A ττ=- （2-2）
其中，τ为脉冲上升时间。

其时域波形和频谱图如图2.2所示。

图 2.2单极脉冲的时频域波形
从信号的频谱可以看出，单极脉冲的能量主要位于低频段，并随频率的增大呈单调下降的趋势。

但是发射天线无法辐射信号的直流分量和部分低频分量，导致信号功率的利用效率降低，对于雷达探测来说是很不利的。

2.2.2 调频信号
调频信号是典型的大时宽带宽信号，可直接用来实现超宽带。

脉冲信号的调频方式又分为线性和非线性两种。

1. 线性调频信号
线性调频信号（LFM ）是一类应用广泛的雷达信号，它的非线性相位调制使得其具有大的时宽、带宽特性。

LFM 信号较容易获得大的信号能量，是一种性能良好的、实用性较强的雷达信号。

其数学表达式为：
02()*()*exp[(2)]t s t A rect j f t kt ππτ=+
（2-5）
式中，τ为脉冲宽度，()rect t τ为矩形窗函数，0f 为载波频率，k 为调频斜率。

其瞬时频率表达式为：0()f t f kt =+。

线性调频信号的主要特点就是在一个
脉冲内，信号瞬时频率随着时间呈线性关系。

下图为LFM 信号的时域和频域波形：
图 2.3 LFM 信号的时域和频域波形
一般，通过匹配滤波或者去调频处理来实现线性调频信号在接收端的脉冲压缩，其优点在于匹配滤波处理对多普勒频移并不敏感，因此系统信号处理流程可得到简化。

但是LFM 信号的缺点是存在距离多普勒耦合现象，而且匹配滤波器的旁瓣输出较高。

虽然可以通过加权失配处理来抑制旁瓣，但是系统的灵敏度会有所降低。

2. 非线性调频信号
非线性调频信号（NLFM ）即为时频存在非线性对应关系的信号。

其时频关系可以为除线性以外的任何形式，如S 形、双曲线形以及正切函数形等。

虽然各类NLFM 信号的调制形式不同，但均是通过改变传统的LFM 信号在不同时刻的调制频率，来实现对信号功率谱的加权处理，从而改善脉压性能。

S 形调频是最常见的非线性调频形式，它可以看作由线性调频和正弦调频迭加而成的。

信号的频率随时间变化呈现S 型，其表达式为：
012()sin 21B B K t f t f t T K T ππ-⎛⎫⎛⎫=++ ⎪ ⎪+⎝⎭⎝⎭
（2-6） 其中T 和B 分别为信号的时宽和带宽，[0,1]K ∈为S 形调频信号的调频参数，可用来表征非线性调频的程度。

可以看出，LFM 信号是S 形调频在时的特例。

和线性调频信号相比，非线性调频信号的优势在于不需要加权就能获得较好的旁瓣抑制性能，能够避免由失配而引起的信噪比损失。

另外，当压缩比较小时非线性调频信号仍能得到较低的旁瓣电平。

除此之外，非线性调频信号还具有良好的杂波抑制能力。

但是，NLFM 对多普勒频移敏感，只能适用于低速目标的检
LFM 时域波形
t/us 幅度
4频率/MHz LFM 信号频谱幅度。