OFDM雷达信号合成目标高分辨距离像原理

第 32卷 第 10期 2010年 10月
现代雷达 M odern R adar
V o.l 32 N o. 10 O c t. 2010
信号 /数据处理
中图分类号: TN 957 文献标志码: A
文章编号: 1004- 7859( 2010) 10- 0050- 05
OFDM 雷达信号合成目标高分辨距离像原理
Abstrac t: R ecently the o rthogona l frequency d iv ision mu ltip lex ing ( OFDM ) techn ique has drawn rem arkable attention from the radar comm un ity. Severa l advantages can be app lied to radar, such as anti jamm ing / inte rference, d ig ita l signal processing, mu ltifunc tional system, and so on. OFDM radar signa ls synthesize w ideband in a sing le pu lse, w ith high range reso lution. T he princ iple of syn thesizing high reso lution range profile ( HRR P) of targets using OFDM radar s igna ls based on the structure of OFDM radar is m a inly proved in this pape r. A t the beg inn ing, the m ode l o f OFDM radar echo of po in t scattering ta rgets is descr ibed, and the m athem atica l princ iple of synthesizing HRR P is derived. Second ly, based on the charac teristic o f O FDM m ulticarrier signals, it m a inly ana ly ses the in fluence on high reso lution range pro file by frequency o ffset. T he conclusion obta ined is sign ificant to the de sign of OFDM im ag ing rada r. F ina lly, the v alidity o f the conc lusion is proved by the sim ulation. K ey word s: o rthogona l frequency d iv ision m ultiplex ing; OFDM radar; high reso lu tion rang e profile; m ultica rrier; frequency o ffse t
2 合成目标高分辨距离像原理
假设已经估计出了目标几 何中心的径向 速度为 V0, 则对 sr ( m, p )作如下补偿处理
信号 /数据处理
霍 凯, 等: OFDM 雷达信号合成 目标高分辨距离像原理
2010, 32( 10)
本文首先建 立点散射目标 OFDM 多载频 雷达回 波模 型, 在 此基础上 证明通过 两次离散 傅里叶 变换 ( DFT ) 获得目标高分辨距离像的原理, 并推导得出高 分辨距离像的数学表达式。之后, 分析了频偏对高分 辨距离像的影响。最后, 给出了仿真实验结果, 证明分 析的合理性。
( 4)
式 中 : ∀i 为 第 i个 散 射 中 心 的 后 向 散 射 强 度 ; #i = 2R i ( t ) / c= 2(R i + Vi t) /c, R i 为雷达在 t = 0时刻离目 标第 i 个散射点的距离, Vi 为目标第 i 个散射点的速 度。回波与中心载频混频得
L M-1
! 1
Tp
exp (
j2
n !f
t ) exp( - j2 m !f
Tp 0
1 m=n
0 m∀ n
t)dt = ( 3)
设目标由 L 个强散射点组成, 第 i 个散射中心在 径向相对雷达的运动规律为 Ri ( t ), R i ( t) = R i + Vi t, 则 对应的目标后向散射回波为
L
sr ( t) = i= 1 ∀i s( t - #i )
1 目标 OFDM 雷达回波模型
OFDM 雷达具有很多独特的优点。它良好的频谱 利用率和动态频谱分配使系统抗干扰能力大大增强, 多个频段同时工作, 结构灵活, 互不干扰, 环境适应能 力显著提高。图 1为一种 OFDM 雷达系统的 基本组 成, 发射和接收采用模拟装置, 信号生成以及信号处理 均可以实现数字化。可以看出, OFDM 信号可由 IFFT 数字模块产生, 十分简便。在 IFFT 模块输入端可以任 意选择所需的子载频, 也可以将不需要的子载频置零, 这种由 IFFT 数字控制的频率捷变方式对抗窄带干扰 十分有效。在不影响多普勒处理的同时脉冲串也可以 实现捷变, 有效降低信号截获概率, 使雷达更加适应未 来战争复杂的战场电磁环境。总之, OFDM 雷达的研 制预示着新一代数字捷变频雷达的诞生。 OFDM 雷达 的主要缺点是发射信号峰均比较大, 不利于产生高功 率发射信号, 已有较多文献从信号设计角度尝试解 决 。 [ 13- 17 ]
图 1 OFDM 雷达系统 结构图
设雷达发射 OFDM 多载频信号
M-1
s( t)
=
exp( j2
f0
t) m=
u
0
(
t
-
mT r
)
( 1)
式中: f 0 为发射中心载频; M 是脉冲个数; T r 是脉冲重 复周期; u ( t)为 OFDM 多载频信号的复包络
u( t) =
N- 1 n= 0
0 rect
0引 言
在光学区, 雷达发射宽带信号, 目标的后向散射形 成一幅沿雷达视线距离的幅度起伏图像, 即高分辨距 离像。高分辨距离像反映了目标的精细结构特征, 在 目标识别中具有十分重要的意义 [ 1] 。目前常 用的宽 带信号主要有 2种: 线性调频 ( L inear F requency M odu lation, LFM )和步进频 ( S tepp ing F requency, SF )。 LFM 信号调频斜率受硬件限制, 而且较易受到敌方侦查和 干扰; SF 信号本身决定了其对速度的敏感性, 获得的 高分辨距离像质量对速度补偿精度依赖很大。基于多 载频正交频分复用 ( Orthogona l F requency D iv ision M ul t ip lex ing, OFDM )的多载频雷达信号通过同时发射多 个载频合成宽带, 实现高距离分辨, 较易获得目标高分 辨距离像, 并且没有距离多普勒耦合, 可以同时实现成
霍 凯, 游 鹏, 邓 斌, 姜卫东, 毛钧杰
( 国防科技大学电子科学与工程学院, 长沙 410073)
摘要: 正交频分复用 ( O FDM )技术近年来受到雷达界 的关注, 将其应用于 雷达可以获 得优异的 抗干扰性能、数字 化处理方 式以及多功能一 体化系统的实现。 OFDM 雷达信 号在单脉冲内 合成宽 带, 具 有高距 离分辨 率, 文中在介 绍 O FDM 雷达特 点的基础上主要 研究了合成目标高分辨距离像原理。首先建立了点散射目标的 O FDM 雷达回波模型, 推导了合 成目标高 分辨距离像的数 学原理。然后着重针对 OFDM 多载频信号自身的特点研究了频偏对高分辨距离像的影响 , 得出 的结论对 于 OFDM 成像雷达 的设计具有指导意义。最后, 仿真实验证明了结论的合理性。 关键词: 正交频分复用; 正 交平分复用雷达; 高分辨距离像; 多载频; 频偏
srm ( t) = i= 1m = 0∀i exp( - j2 f 0 #i ) u ( t - mT r - #i )
( 5)
设采样时刻
t=
mT r
+
p N
Tp,
p
=
1,
2,
#, N -
1, 则
Ri( t)
=
Ri +
Vi t =
Ri +
Vi (mT r +
p N
T
p
)
( 6)
L N-1
sr (m, p ) = ∀ i= 1n= 0 i
n exp -
j4 f c
0
∃R
i
+
Vi (mT r +
P N
T
p
)
%+
j2 n!f
p N
T
p
-
2
(Ri
+
Vi (mT r
+
p N
Tp
)
)
=
c
L N- 1 i= 1n= 0
∀i n exp -
j2
(f0 +
n!f )
2Ri c
&exp∃- j2 Nhomakorabea f0 + n!f ) 2Vc imT r % &
exp j2
Principle of Synthesizing H igh R esolution R ange Profile of Targets U sing OFDM R adar Signals
HUO K a,i YOU Peng, DENG B in, JIANG W e i dong, MAO Jun jie ( School of E lectronic Science and Engineering, NUDT, Changsha 410073, Ch ina)