线性调频信号的脉冲压缩
一种线性调频信号超低旁瓣脉冲压缩方法
一种线性调频信号超低旁瓣脉冲压缩方法李涛【摘要】雷达脉冲压缩希望具有超低距离旁瓣的特征,线性调频信号采用加窗方式可达到约-35 dB的距离旁瓣电平.基于超低旁瓣电平信号设计方法,在不考虑信噪比损失条件下,提出了一种新的超低旁瓣的脉冲压缩方法,基本思想是针对给定线性调频信号,频率滤波权值采用超低频旁瓣频域信号与线性调频信号频域的比值,可以将接收端旁瓣电平输出最低到-120 dB.同时,从理论上和数值结果中分析了信噪比损失、延迟敏感性等问题.%A radar system desires low range sidelobes and Linear Frequency Modulated(LFM) waveforms can reach a-35 dB Peak Sidelobe Level(PSL) with a window in range compression. Based on a waveform design method for extraordinarily-low range sidelobes and ignorant of signal-to-noise ratio(SNR) loss, this paper proposes a novel range compression method for extraordinarily-low range sidelobes. The concept is to use a range compression weight as the ratio of the frequency domain signal to the LFM frequency do-main,yielding a -120dB sidelobe output. The SNR loss and sensitivity to delay are also analyzed accord-ing to theory and numerical simulations.【期刊名称】《电讯技术》【年(卷),期】2018(058)005【总页数】7页(P545-551)【关键词】线性调频信号;脉冲压缩;超低旁瓣【作者】李涛【作者单位】中国电子科技集团公司航空电子信息系统技术重点实验室,成都610036【正文语种】中文【中图分类】TN957.511 引言雷达通过发射信号和接收信号工作,为了解决发射信号能量与目标距离分辨率之间的矛盾,大时宽带宽积信号受到广泛重视,比如线性调频(Linear Frequency Modulation,LFM)信号[1]。
脉冲压缩
“雷达原理”作业报告西安电子科技大学2011年11月摘要简单介绍了脉冲压缩技术的原理和类型,并对线性调频脉冲压缩进行了详细的分析推导。
引言雷达是通过对回波信号进行接收再作一些检测处理来识别复杂回波中的有用信息的。
其中,波形设计有着相当重要的作用,它直接影响到雷达发射机形式的选择"信号处理方式"雷达的作用距离及抗干扰"抗截获等很多重要问题。
现代雷达中广泛采用了脉冲压缩技术。
脉冲压缩雷达常用的信号有线性调频信号和二相编码信号。
脉冲压缩雷达具有高的辐射能量和高的距离分辨力,这种雷达具有很强的抗噪声干扰和欺骗干扰的性能。
对线性调频信号有效的干扰方式是移频干扰(对二相编码信号较有效的干扰方式是距离拖引干扰。
1脉冲压缩简介雷达的基本功能是利用目标对电磁波的散射而发现目标,并测定目标的空间位置。
雷达分辨力是雷达的主要性能参数之一。
所谓雷达分辨力是指在各种目标环境下区分两个或两个以上的邻近目标的能力。
一般说来目标距离不同、方位角不同、高度不同以及速度不同等因素都可用来分辨目标,而与信号波形紧密联系的则是距离分辨力和速度(径向)分辨力。
两个目标在同一角度但处在不同距离上,其最小可区分的距离称为距离分辨力,如图1.1所示,雷达的距离分辨力取决于信号带宽。
对于给定的雷达系统,可达到的距离分辨力为B c r 2=δ式中,c 为光速,B=f ∆可为发射波形带宽。
图1.1脉冲压缩雷达原理示意图雷达的速度分辨力可用速度分辨常数表征,信号在时域上的持续宽度越大,在频域上的分辨能力就越好,即速度分辨力越好。
对于简单的脉冲雷达,B=f ∆=1/τ,此处,τ为发射脉冲宽度。
因此,对于简单的脉冲雷达系统,将有τδ2c r =在普通脉冲雷达中,由于雷达信号的时宽带宽积为一常数(约为1),因此不能兼顾距离分辨力和速度分辨力两项指标。
雷达对目标进行连续观测的空域叫做雷达的探测范围,也是雷达的重要性能参数,它决定于雷达的最小可测距离和最大作用距离,仰角和方位角的探测范围。
线性调频(LFM)信号脉冲压缩仿真
随机信号处理实验————线性调频(LFM)信号脉冲压缩仿真姓名:***学号: **********一、实验目的:1、了解线性FM 信号的产生及其性质;2、熟悉MATLAB 的基本使用方法;3、利用MATLAB 语言编程匹配滤波器。
4、仿真实现FM 信号通过匹配滤波器实现脉压处理,观察前后带宽及增益。
5、步了解雷达中距离分辨率与带宽的对应关系。
二、实验内容:1、线性调频信号线性调频矩形脉冲信号的复数表达式为:()()2001222j f t j f t ut lfmt t u t Arect S e e ππτ⎛⎫+ ⎪⎝⎭⎛⎫== ⎪⎝⎭ ()211,210,2j ut t t t u t Arect rect t e πττττ⎧≤⎪⎪⎛⎫⎛⎫==⎨ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎪>⎪⎩为信号的复包络,其中为矩形函数。
0u f τ式中为脉冲宽度,为信号瞬时频率的变化斜率,为发射频率。
当1B τ≥(即大时宽带宽乘积)时,线性调频信号特性表达式如下:0()LFM f f f B S -⎛⎫=⎪⎝⎭幅频特性: 20()()4LFM f f f u ππφ-=+相频特性:20011222i d f f t ut f ut dt ππ⎡⎤⎛⎫=+=+ ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦信号瞬时频率:程序如下:%%产生线性调频信号T=10e-6; %脉冲宽度B=400e6; %chirp signal 频带宽度400MHz K=B/T; %斜率Fs=2*B;Ts=1/Fs; %采样频率与采样周期N=T/Ts %N=8000t=linspace(-T/2,T/2,N); %对时间进行设定St=exp(j*pi*K*t.^2) %产生chirp signalfigure;subplot(2,1,1);plot(t*1e6,real(St));xlabel('Time in u sec');title('线性调频信号');grid on;axis tight;subplot(2,1,2)freq=linspace(-Fs/2,Fs/2,N); %对采样频率进行设定plot(freq*1e-6,fftshift(abs(fft(St))));xlabel('Frequency in MHz');title('线性调频信号的幅频特性');grid on;axis tight;Matlab 程序产生chirp 信号,并作出其时域波形和幅频特性,如图:2、匹配滤波器在输入为确知加白噪声的情况下,所得输出信噪比最大的线性滤波器就是匹配滤波器,设一线性滤波器的输入信号为)(t x :)()()(t n t s t x +=其中:)(t s 为确知信号,)(t n 为均值为零的平稳白噪声,其功率谱密度为2/No 。
线性调频脉冲压缩仿真报告
线性调频脉冲(LFM )压缩仿真报告学号:113104000564 姓名:张茗一、线性调频脉冲信号(LFM )线性调频脉冲压缩体制的发射信号,其频谱在脉冲宽度内按线性规律变化,即用对载频进行调制的方法展宽发射信号的频谱,使其相位具有色散。
同时,在Pt 受限的情况下为了充分利用发射机的功率,往往采用矩形宽脉冲包络,故线性调频脉冲信号的复数表达式可写成:22()2()()c K j f t t t s t rect Te π+= 式中cf 为载波频率,()trect T为矩形信号, 11()0,t t rect T T elsewise ⎧ , ≤⎪=⎨⎪ ⎩本次仿真线性调频脉冲信号时宽T=10us ,带宽B=564MHz 。
采用Fs=2B 。
>> %产生线性调频信号T=10e-6; %pulse duration 10 usB=564e6; %bandwidth 564MHzK=B/T; %chirp slopeFs=2*B;Ts=1/Fs;N=T/Ts;t=linspace(-T/2,T/2,N);St=exp(j*pi*K*t.^2);Subplot(211)plot(t*1e6,real(St));xlabel('Time in u sec');title('Real part of chirp signal');grid on;axis tight;Subplot(212)freq=linspace(-Fs/2,Fs/2,N);plot(freq*1e-6,fftshift(abs(fft(St))));xlabel('Frequency in MHz');title('Magnitude spectrum of chirp signal');grid on;axis tight仿真结果如下:第一个图是线性调频信号的实部图,第二个图是其幅频特性图。
线性调频超声信号脉冲压缩的实时实现
线性调频超声信号脉冲压缩的实时实现曹玉龙;郑政【摘要】编码脉冲在不增大发射峰值功率的前提下,通过增大时宽-带宽积显著提高超声平均发射功率,然后在接收端通过脉冲压缩恢复应有的纵向分辨力,并显著增强信噪比.利用现场可编程门阵列(field programmable gate array,FPGA)设计了一个中心频率为10 MHz的线性调频脉冲(chirp)发射和实时脉冲压缩系统,由FPGA 控制DDS(direct digital synthesizer)产生chirp信号,送入模拟乘法器与窗函数相乘,经功率放大后作为发射脉冲,回波信号送回FPGA进行脉冲压缩处理,82μs的回波数据可以在230 μs的时间里处理完毕.实验使用了中心频率10 MHZ、带宽7 MHZ、时长5μs的chirp信号.和单脉冲系统相比,在纵向分辨力没有明显损失的情况下,脉冲压缩方法使信噪比增强了12.8 dB,旁瓣抑制可以达到30.6 dB.【期刊名称】《上海理工大学学报》【年(卷),期】2015(037)003【总页数】6页(P295-300)【关键词】编码激励;解码压缩;线性调频脉冲;现场可编程门阵列【作者】曹玉龙;郑政【作者单位】上海理工大学医疗器械与食品学院,上海200093;上海理工大学医疗器械与食品学院,上海200093【正文语种】中文【中图分类】R318.04超声成像的分辨能力与超声频率成正比,但衰减也随频率的升高而增加.由于超声的发射峰值功率受到安全性的限制,因此分辨力和探测深度是一对矛盾.编码脉冲在不增大发射峰值功率的前提下,通过增大时宽-带宽积(TBP)提高平均发射功率,然后在接收端通过脉冲压缩恢复应有的纵向分辨力,这是解决上述矛盾的一个有效方法[1-8].用于脉冲压缩的编码方式有很多种,在超声成像系统中,由于存在衰减所引起的频率偏移,所以具有脊形模糊函数的线性调频脉冲(chirp)是一种理想的方式[4].本文利用现场可编程门阵列(field programmable gate array,FPGA)实现了一种中心频率为10 MHz的实时线性调频编码脉冲压缩系统.该系统的纵向分辨力和10 MHz单脉冲系统相当,但是与后者相比信噪比增加了12.8 dB,同时,旁瓣抑制可以达到30.6 dB.该系统每次发射后以50 MHz的采样率采集82μm的回波射频信号,脉冲压缩算法在230μs内完成.该系统可以满足帧频20帧/s、每帧图像200线的浅表器官B型超声波扇形扫描仪的实时性要求.传统的单脉冲激励方式中,由于超声波最大发射功率的限定,因而无法通过增加其幅值的方法度来增强激励的能量.如果发射一个编码宽脉冲,则总能量可以显著增加,同时在接收端用匹配滤波器对回波信号进行滤波,就能压缩输出一个单峰信号,如图1所示.1.1 发射脉冲线性调频脉冲信号ψ(t)表示为式中,t表示时间;j表示虚数单位;fl表示信号的起始频率;T表示脉冲宽度;B表示频带宽度.瞬时频率fi(t)是相位函数的微分,表示为很明显,在脉宽T内fi(t)线性地扫过了整个带宽B.复信号ψ(t)的实部作为激励信号η(t)加载到换能器上,则本文采用的换能器中心频率为9.76 MHz, -6 dB带宽为6.29 MHz,故线性调频激励的中心频率设置为10 MHz,带宽为7 MHz.由于本系统应用于浅表器官,为了不使探测盲区过大,脉宽T设计为5μs.1.2 压缩滤波器脉冲压缩滤波器(pulse compression filter, PCF)是一个匹配滤波器,表示为式中,h(t)是脉冲压缩滤波器的冲激响应,是激励信号的共轭、翻转并时移.脉冲压缩滤波器的输出γ(t)为式中,τ表示积分运算中代表时间的中间变量.将式(1)代入式(5),得当滤波器的输入是实际回波信号时,其数据长度远大于压缩滤波器的长度,可以利用卷积的重叠相加法来实现[9].根据卷积定理,式(5)可以变换为式中,FFT表示快速傅里叶变换;IFFT表示快速傅里叶逆变换;f表示频率.利用FFT和IFFT可以大大减小运算量,提高处理速度.由于匹配滤波器的输出在频谱上近似一个矩形,所以输出波形时域上存在较大的旁瓣,这会严重影响成像效果.为匹配滤波器加上适当的窗函数可以减小旁瓣,本文采用了切比雪夫窗(Chebyshev)[5].1.3 菲涅尔纹波及其改善矩形包络的线性调频信号在时域上两端的突变性导致其频谱上产生菲涅尔波纹,该波纹会导致远端旁瓣的产生.为此,对发射信号在时域上加窗使信号两端渐变(tapering)以削弱菲涅尔波纹,进而削弱远端旁瓣.本文采用的是占时比为0.2的图基窗(turkey)[5],波形如图2所示,纵坐标A表示电压幅度.2.1 整体构成线性调频脉冲压缩系统如图3所示.脉冲发射和压缩电路由同一个同步脉冲控制.DDS(direct digital synthesizer)在这个同步脉冲的控制下产生chirp信号,同时幅度控制电路将事先存储在ROM中的窗函数数据读出,通过DAC(数模转换器)转换为模拟信号.两路信号经过模拟乘法器相乘后得到窗函数加权的chirp信号,该信号经功放后激励超声换能器.回波信号经过BPF(带通滤波器)并经ADC(模数转换器)采样进入FPGA中.本系统采样率为50 MHz,在线性调频信号的低频端(6.5 MHz)每周期可以采集到约7.7个点,高频端(13.5 MHz)可以采集到约3.7个点.回波信号共采集4 096个点,时长82μs,对应探测深度63 mm.考虑到超声信号的动态范围,本系统采用了12 bit的ADC.2.2 脉冲压缩电路脉冲压缩电路如图4所示.图4中,u(n)表示数字回波信号,n表示离散时间点.u(n)和互相正交的两个参考信号相乘,经过FIR低通滤波器(LPF)后得到复信号x(n)= xI(n)+j xQ(n),下标I表示实部,Q表示虚部.经过处理的信号频谱下移,所以可以采用隔二取一的方法进行降采样,采样率降低为25 MHz,回波信号的数据长度缩短为2 048点.将同相项和正交项分别存在两个双口RAM中,等待压缩处理.压缩滤波器的冲击响应是通过激励波形ψ(n)变换得到的,所以可以事先计算其参数供处理时使用.按照图4中虚框内的计算步骤,将与发射脉冲相同的信号在50 MHz 的频率下抽样,得到250个点,经过和上文相同的步骤获取复数信号并降采样,得到两个125点的相互正交的信号.将它们进行时移、反转、取共轭、加窗,并进行傅里叶变换,即获得压缩滤波器的频域响应函数H(k)=HI(k)+j HQ(k),k表示离散频率点. 将降频后的回波信号均匀分割为16段, x1(n),x2(n),…,x16(n),每段128点,与压缩滤波器h(n)长度接近,分别和滤波器系数作卷积运算,则yi(n)=h(n)xi(n),其长度为252点.其中,y1(n)的后124点和y2(n)的前124点、y2(n)的后124点和y3(n)的前124点……对应相加才是该部分卷积的正确值,与其它值组合,一起构成最终的卷积结果,如图5所示.利用卷积定理将上述分段信号的卷积yi(n)= h(n)xi(n)转换到频域进行运算.先对h(n)及xi(n)补零到N点,N大于等于252,一般选取N= 2D(D为整数),故N取256.如上文所述,回波信号经过正交解调后同相项和正交项分别存在两个双口RAM中,按照每次128点的方式将两路信号读出并送入复数FFT IP核的两个输入端,经转换后获得回波信号的傅氏变换X(k)=XI(k)+j XQ(k).本系统所使用的Altera公司的FFT IP核支持4种I/O数据流结构,在速度满足的前提下,使用占用资源最少的突发类数据流结构,每次运算约8.2μs.将FFT后的结果与预先存在ROM中的压缩滤波器系数频域响应函数H(k)相乘.由于该乘法是复数乘法,故使用了4个乘法器,分别计算XI×HI,XI× HQ,XQ×HI和XQ×HQ,然后用XI×HI减去XQ× HQ,得到同相分量YI,用XI×HQ加上XQ×HI,得到正交分量YQ.上述结果进行快速傅氏反变换IFFT,得到每段的卷积结果yi(n).将分段运算的结果按上文所述的方法重组,即得到整个回波的压缩滤波结果.回波信号经过压缩滤波器之后得到的是一个复信号,包括同向分量I和正交分量Q.将I分量和Q分量分别平方,然后相加取二次方根就得到了包络信号.本设计采用流水线型的非冗余开方算法[10],其占用逻辑单元少,计算时间短,且不需要调用乘法器.3.1 实验设计本系统作为B型扫描仪的一部分,其输出是数字形式的包络信号,为便于实验,专门增加了一个数模转换器DAC,将此数字信号转换成模拟量,以便利用示波器实时观察.经模拟放大的回波信号送到示波器的另外一个通道,和处理结果同时观察.另外,还利用FPGA设计工具QUARTUS II中的SignalTap软件[11-13]抓取数据并进行离线分析.实验1以一根直径为0.08 mm金属细丝为靶目标,将换能器探头在水介质中对准靶目标,利用示波器同时观察回波及处理结果.实验2以一个有机玻璃方盒作为靶目标,将换能器垂直对准方盒的上盒壁,如图6所示,重复上述步骤.该方盒的盒壁厚度L为2.6 mm,盒壁间距为10.2 mm.3.2 结果与分析实验1的靶线回波和压缩处理结果如图7(a)和图7(b)所示.靶线回波幅度呈现明显的梭形,这是发射脉冲加权函数和超声换能器频率特性共同作用的结果.回波信号持续了5μs,和发射信号宽度相符,经过滤波后信号宽度压缩为350 ns(-6 dB),相当于10 MHz超声系统的3.5个射频周期.通过对SingnalTap获取的压缩结果进行离线分析可知,主旁瓣信噪比(signal to sidelobe noise ratio,SSNR)为30.6 dB,如图8所示.由于压缩滤波结果通过运算得到,而且DAC的输出幅度还和参考电压有关,所以在示波器上比较其与回波信号的幅度没有实际意义.为了评估压缩前后信噪比的变化,移去靶目标,在靶线回波出现的位置获取背景噪声,如图7(c)和图7(d)所示,根据式(9)计算信噪比(SNR)[14],即式中,s(t)为信号幅值;pN为噪声平均功率.压缩滤波前,信噪比为43.3 dB,压缩后变为56.1 dB,提升了12.8 dB.实验2的回波信号及压缩波形如图9所示.可以看见,在回波信号中,有机玻璃方盒盒壁的两个界面的回波是交叠在一起的,而经过脉冲压缩之后,重叠的回波被区分开来.根据超声在有机玻璃和水中的声速[15]计算得到盒壁厚度为2.9 mm,盒壁间距为10.3 mm,和实际值的误差分别为10.3%和1.0%.实验1中得到的SSNR值为30.6 dB,但是利用实验参数在Matlab中进行仿真,得到的SSNR值却为34.6 dB,比实验结果高4 dB.观察发射脉冲(图7 (a)),可以看到有明显的波形失真,而仿真是基于理想波形的,所以差距可能来自发射脉冲的不理想.实验2中盒壁厚度和盒壁间距都是依据参考资料中给出的材料声速估算出来的,和实际尺寸的误差分别为10.3%和1.0%.由于盒壁的材料是有机玻璃,而盒壁之间是水,通常不同的实验中水的成分不会有太大的差别,而有机玻璃的成分差别较大,所以盒壁厚度的误差可能是由于不同研究所采用的材料差别引起的.本文实现了基于FPGA的线性调频脉冲发射和压缩系统的设计,满足浅表器官B型超声波扇形扫描仪的实时性需求,系统结构简单,修改方便,便于参数调整.当使用更高带宽的换能器,以及追求深层信号而忽略探测盲区的时候,可以通过增大信号的时宽和带宽的方式,进一步提高信噪比[16]以及增强旁瓣的抑制[5].【相关文献】[1] Takeuchi Y.An investigation of a spread energy method for medical ultrasound systems.Part one: theory and 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线性调频信号的脉冲压缩处理性能研究
线性调频信号的脉冲压缩处理性能研究朱若菡,任腊梅,李增元(陕西黄河集团有限公司设计所,陕西西安 710043)摘要:线性调频信号以其优良的性能成为现代雷达中普遍使用的脉冲压缩波形,本文通过理论分析和仿真实验,对线性调频信号的脉冲压缩性能进行了研究,给 出了影响处理性能的关键因素。
关键词:线性调频信号;脉冲压缩;主副比;主瓣宽度1引言对于现代战争的雷达,如何从复杂的杂波和噪声背景中提取信号目标的信息成为现代雷 达研究的一个重要部分,雷达信号处理的关键在于设法提高回波信号的功率信噪比。
在普通 脉冲雷达中,雷达的时宽带宽积为一常量,不能兼顾距离分辨力和速度分辨力两项指标。
脉冲 压缩(PC )雷达体制,采用宽脉冲发射以提高发射的平均功率保证足够大的作用距离,而在接 收时则采用相应的脉冲压缩法获得窄脉冲,以提高距离分辨力,因而能较好地解决作用距离和 分辨力之间的矛盾。
现代雷达通常可以采用发射大时宽带宽的信号进行脉冲压缩的方法来提 髙信噪比,脉冲压缩是对信号进行信噪比放大的重要手段。
线性调频脉冲信号具有近似矩形 的频谱特性、平方律的相频特性和可以选择的”时宽带宽乘积",通过压缩可提供良好的距离分 辨力和径向速度分辨力,因而成为目前雷达信号采用的主要波形。
本文通过对线性调频信号 脉冲压缩处理过程的理论分析和仿真实验,研究其对系统的影响。
2线性调频信号的脉压原理2.1线性调频信号一个线性调频信号可表示为如下公式(1)所示:i .(f ) = A .咐(十).exp 丨j (2丌/〇Z + 亨■)公式⑴中:A 为信号幅度;"为调频斜率加[f ]为矩形函数:>12. 2 主副瓣比(1)(2)线性调频信号经过压缩滤波器后输出脉冲具有Sine 包络,有较大的时间旁瓣,其中第一 旁瓣高度为一 13. 6dB ,其他旁瓣按固定零点间隔高度有所衰减。
这样在多目标情况下,旁瓣会覆盖主瓣附近较小目标的回波信号,造成目标丢失或者不可检测。
基于线性调频信号的脉冲压缩处理
具体设计步骤参见 “LogiCOREቤተ መጻሕፍቲ ባይዱIP FIR Compiler Product Guide”。
有效字长
14bit ?bit ?bit 16bit
中频 采样
正交 变换
匹配 滤波
求模 输出
DAC 输出
?bit ?bit
?bit ?bit
根据数值的动态范围确定有效字长
4 实验步骤
ADC测试
基于FPGA的ADS4249的实现.pdf “ad4294_hpc”
USB PC
下 载 线 USB
模拟输出
2 软件环境
ISE
设计输入 行为仿真 设计综合
功能仿真
设计实现
静态时序仿真 时序仿真
芯片编程
电路验证
Core Generate提供了一系列特定 架构、特定领域(嵌入式、连接功能 和 DSP)和特定市场(汽车、消费类、 军用/航空航天、通信、广播等)专用 IP 核。利用这些 IP 模块可以节省设 计时间。高度优化的 IP 使设计者能 够集中精力迅速构建系统设计。 ISim提供了集成到 ISE 内的、特 性齐全的 HDL 仿真器。 ChipScope工具可在设计中直接插 入逻辑分析器、系统分析器以及虚拟 I/O 小型软件内核,从而使您能够查 看任意的内部信号或节点,包括嵌入 式软硬处理器。系统以工作速度捕获 信号,并通过编程接口输出,从而可 大幅减少设计方案的引脚数。捕获到 的信号随即通过分析工具进行显示和 分析。
基于多相滤波的数字正交变换
(-1)n x(n)
↓2 Z-1 ↓2 hQ
4������0 ������������ = 2������ + 1
hI
xI(n) xQ(n)
lfm信号脉冲压缩的处理过程
lfm信号脉冲压缩的处理过程
LFM(线性调频)信号脉冲压缩的处理过程如下:
1. 发射LFM线性调频信号。
该信号的频率会随时间线性变化,例如从起始频率到终止频率呈线性增加或减小。
2. 信号遇到目标后,目标会回波,产生返回信号。
3. 由于LFM信号具有宽带特性,在接收到的目标回波中,不同距离的目标回波可能会在时间域上存在混叠现象。
4. 利用接收到的目标回波与原始发射信号进行相关运算,得到一个衰减的压缩脉冲。
5. 通过滤波去噪声和杂散信号,得到经过压缩处理的目标回波。
脉冲压缩可以减小目标回波在时间域的宽度,从而提高信号的空间分辨率;同时可以增加接收到的目标回波的信噪比,提高目标检测的能力。
在实际应用中,脉冲压缩通常会涉及到一系列的信号处理操作,如乘积运算、滤波等。
这些操作可根据具体需求和系统特性进行调整和优化,以获得更好的脉冲压缩效果。
理解脉冲压缩原理
窄脉冲具有宽频谱带宽。 如果对宽脉冲进行频率或相位调制,那么它就可以 具有和窄脉冲相同的带宽。假设调制后的脉冲带宽增加了 B,由接收机的匹配滤 波器压缩后,带宽将等于 1/B,这个过程叫脉冲压缩。 脉冲压缩雷达不需要高能量窄脉冲所需要的高峰值功率, 就可同时实现宽脉 冲的能量和窄脉冲的分辨力。 脉冲压缩比定义为宽脉冲宽度 T 与压缩后脉冲宽度 的之比,即 T / 。带宽 B 与压缩后的脉冲宽度 的关系为 B 1 / 。这使得脉冲压缩比近似为 BT。即压 缩比等于信号的时宽-带宽积。在许多应用场合,脉冲压缩系统常用其时宽-带宽 积表征。 这种体制最显著的特点是: ⑴ 它的发射信号采用载频按一定规律变化的宽脉冲,使其脉冲宽度与有效 频谱宽度的乘积 B 1 ,这两个信号参数基本上是独立的, 因而可以分别加以选择
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2.2.3 线性调频脉冲压缩的频谱特性
1,线性调频脉冲信号的频谱特性
线性调频脉冲压缩体制的发射信号,其载频在脉冲宽度内按线性规律变化, 即用对载频进行调制(线性调频)的方法展宽发射信号的频谱,使其相位具有色 散。同时,在 P 受限情况下为了充分利用发射机的功率,往往采用矩形宽脉冲包
t
络, 如图 2.6 所示。 图 2.6(a)为线性调频脉冲信号的波形; 图 2.6 (b) 为信号的 包 络,其幅度为 A,宽度为 ;图 2.6(c)为载频的调制特性,在 内由低端 ( f 1 ) 至 高端 ( f 2 ) 按线性规律变化。为简便起见,常将 2.6(a)所示的线性调频信号波形 用图 2.6(d)来表示。
式中,
2
t )
0
t t d 1 d 2
0
可见, 线性调频宽脉冲信号 通过压缩网络后, 其宽度被压缩, 成为窄脉冲 由于
线性调频信号的脉冲压缩_20151027+_兼容模式_
T exp j 2 Ktc (t t0 ) sin c KT (t t0 )
脉冲压缩
时域压缩的Matlab实现
Matlab函数 – st_out=conv(st, ht); – st_out=xcorr(st, gt);
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32
脉冲压缩
线性调频信号的频域压缩
f c Ktc
– 频域滤波器 – 压缩信号输出 s (t ) out
K T exp j 2 Ktc (t t0 tc ) sin c KT (t tc t0 )
35
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– *脉压位置在零频位置
脉冲压缩
噪声条件下的脉冲压缩 – 推导1:输入线性调频信号的幅度为1,匹配滤波器在频域带通内
33
脉冲压缩
线性调频信号的频域压缩
基带信号 – 回波频谱 – 频域匹配滤波器
– *与时域结果相同,增益|K|缘于POSP推导中忽略了常量C1
脉冲压缩
线性调频信号的频域压缩
非基带信号 – 回波信号 t t0 ) exp j K (t tc t0 ) 2 sr (t ) rect( T t t0 = rect( ) exp j K (t t0 ) 2 j 2 K (t t0 )tc j Ktc2 T – 回波信号频谱
t 1= 2R1/c
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t 2= 2R2/c
4
概述
雷达方程
– 发射功率为P的雷达在距离R处的通量密度
S
Ptrans G 4 Ae ,其中 G 为增益: G = 4 R 2 2
2 Ptrans G Ae Ptrans Ae 2 2 4 2 4 R 4 R L 4 R L
线性调频信号数字脉冲压缩技术分析
线性调频信号数字脉冲压缩技术分析作者:郑力文, 孙晓乐来源:《现代电子技术》2011年第01期摘要:在线性调频信号脉冲压缩原理的基础上,利用Matlab对数字脉冲压缩算法进行仿真,得到了雷达目标回波信号经过脉冲压缩后的仿真结果。
运用数字脉冲压缩处理中的中频采样技术与匹配滤波算法,对中频采样滤波器进行了优化,降低了实现复杂度,减少了运算量与存储量。
最后总结了匹配滤波的时域与频域实现方法,得出在频域实现数字脉冲压缩方便,运算量小,更适合线性调频信号。
关键词:线性调频信号; 脉冲压缩; 中频采样; 匹配滤波中图分类号:TN911-34文献标识码:A文章编号:1004-373X(2011)01-0039-04Digital Pulse Compression Technology of Linear Frequency Modulation SignalZHENG Li-wen, SUN Xiao-le(China Airborne Missile Academy, Luoyang 471009, China)Abstract: Based on the principle of pulse compression technology of linear frequency modulation signal,the simulation result of radar echo signal compressed by the pulse can be gained by using Matlab to simulate the digital pulse compression algorithm. Combining the technology of IF sampling with the matching filter algorithm in the digital pulse compression processing and optimazing the IF sampling filter, which can remarkably reduce the complexity and decrease the multiplier operation and the memory. Finally, the implementation methods of matching filtercan be implemented on frequency domain.Keywords: linear frequency modulation signal; pulse compression; IF sampling; matching filter为了提高雷达系统的发现能力,以及测量精度和分辨能力,要求雷达信号具有大的时宽带宽积[1-2]。
雷达线性调频信号(LFM)脉冲压缩
西南科技大学课程设计报告课程名称:设计名称:雷达线性调频信号的脉冲压缩处理姓名:学号:班级:指导教师:起止日期: 2010.12.25-----2011.1.5学生班级:学生姓名:学号:设计名称:雷达线性调频信号的脉冲压缩处理起止日期: 2010、12、25——2011、1、03 指导教师:课程设计学生日志课程设计评语表雷达线性调频信号的脉冲压缩处理一、 设计目的和意义掌握雷达测距的工作原理,掌握匹配滤波器的工作原理及其白噪声背景下的匹配滤波的设计,线性调频信号是大时宽频宽积信号;其突出特点是匹配滤波器对回波的多普勒频移不敏感以及更好的低截获概率特性。
LFM 信号在脉冲压缩体制雷达中广泛应用;利用线性调频信号具有大带宽、长脉冲的特点,宽脉冲发射已提高发射的平均功率保证足够的作用距离;而接受时采用相应的脉冲压缩算法获得窄脉冲已提高距离分辨率,较好的解决了雷达作用距离和距离分辨率之间的矛盾;。
而利用脉冲压缩技术除了可以改善雷达系统的分辨力和检测能力,还增强了抗干扰能力、灵活性,能满足雷达多功能、多模式的需要。
二、 设计原理 1、匹配滤波器原理:在输入为确知加白噪声的情况下,所得输出信噪比最大的线性滤波器就是匹配滤波器,设一线性滤波器的输入信号为)(t x : )()()(t n t s t x +=其中:)(t s 为确知信号,)(t n 为均值为零的平稳白噪声,其功率谱密度为2/No 。
设线性滤波器系统的冲击响应为)(t h ,其频率响应为)(ωH ,其输出响应:)()()(t n t s t y o o += 输入信号能量:∞<=⎰∞∞-dt t s s E )()(2输入、输出信号频谱函数: dt e t s S t j ⎰∞∞--=ωω)()()()()(ωωωS H S o =ωωωπωωd e S H t s tj o ⎰∞-=)()(21)( 输出噪声的平均功率:ωωωπωωπd P H d P t n E n n o o ⎰⎰∞∞-∞∞-==)()(21)(21)]([22)()()(21)()(2122ωωωπωωπωωd P H d e S H SNR n t j o o ⎰⎰∞∞-∞∞-=利用Schwarz 不等式得:ωωωπd P S SNR n o ⎰∞∞-≤)()(212上式取等号时,滤波器输出功率信噪比o SNR 最大取等号条件:otj n eP S H ωωωαω-=)()()(* 当滤波器输入功率谱密度是2/)(o n N P =ω的白噪声时,MF 的系统函数为: ,)()(*o t j e kS H ωωω-=oN k α2=k 为常数1,)(*ωS 为输入函数频谱的复共轭,)()(*ωω-=S S ,也是滤波器的传输函数)(ωH 。
脉冲压缩原理
脉冲压缩原理
脉冲压缩是一种通过改变脉冲波形来实现信号压缩的技术。
在许多应用中,信号的带宽通常很宽,但是需要将其压缩成较窄的脉冲,以便在接收端进行处理。
脉冲压缩技术可以有效地实现这一目的,广泛应用于雷达、通信、医学成像等领域。
脉冲压缩的原理是利用信号处理技术,通过改变脉冲的相位或幅度分布,使得信号在接收端得到压缩。
常见的脉冲压缩技术包括线性调频脉冲压缩(LFM)、码分多址脉冲压缩(CDMA)等。
线性调频脉冲压缩是一种常见的脉冲压缩技术。
其原理是通过改变脉冲的频率,使得信号在接收端得到压缩。
具体来说,发送端发送的脉冲信号是一种线性调频信号,接收端利用匹配滤波器对接收到的信号进行处理,从而实现信号的压缩。
线性调频脉冲压缩技术具有简单、实用的特点,在雷达和通信系统中得到了广泛应用。
码分多址脉冲压缩是另一种常见的脉冲压缩技术。
其原理是通过在发送端对脉冲信号进行编码,接收端利用匹配的解码器对接收到的信号进行处理,从而实现信号的压缩。
码分多址脉冲压缩技术具有抗干扰能力强、信息安全性高的特点,在通信和无线网络中得
到了广泛应用。
总的来说,脉冲压缩技术是一种重要的信号处理技术,可以实
现信号的压缩和增强,提高了信号的分辨率和检测性能。
随着通信、雷达、医学成像等领域的不断发展,脉冲压缩技术将会得到更广泛
的应用和发展。
线性调频脉冲压缩技术在雷达系统中的应用分析
线性调频脉冲压缩技术在雷达系统中的应用分析1. 引言1.1 引言线性调频脉冲压缩技术是一种在雷达系统中广泛应用的信号处理技术,通过对发射信号进行线性调频,再对接收信号进行压缩处理,可以有效提高雷达系统的分辨率和目标检测能力。
本文将对线性调频脉冲压缩技术在雷达系统中的应用进行深入分析。
背景意义线性调频脉冲压缩技术在雷达系统中的应用具有重要的意义。
它可以提高雷达系统的目标分辨能力,使得雷达能够更准确地识别和跟踪目标。
通过脉冲压缩处理,可以在保持较短脉冲宽度的提高信噪比,增强雷达系统的灵敏度和抗干扰能力。
深入研究线性调频脉冲压缩技术的应用,对于提升雷达系统的性能和效率具有重要意义。
1.2 背景线性调频脉冲压缩技术是一种通过改变脉冲信号的频率来实现信号压缩的技术,其基本原理是通过发射一种特定频率范围内的线性调频脉冲信号,然后接收回波信号并进行相干处理,从而实现对目标的高分辨率探测。
与传统的脉冲雷达相比,线性调频脉冲压缩技术具有更高的分辨率和抗干扰能力,可以有效提高雷达系统的性能。
在现代雷达系统中,线性调频脉冲压缩技术被广泛应用于各种类型的雷达,包括陆基雷达、舰载雷达和空载雷达等。
通过结合其他先进的雷达技术,线性调频脉冲压缩技术可以进一步提高雷达系统的性能和功能,实现更加精确和可靠的目标探测和跟踪。
随着雷达技术的不断发展和完善,线性调频脉冲压缩技术在雷达系统中的应用前景将更加广阔。
1.3 意义线性调频脉冲压缩技术在雷达系统中的应用具有重要的意义。
这项技术能够在保持较低的硬件成本的情况下实现高分辨率的目标检测和辨识,极大地提高雷达系统的性能。
线性调频脉冲压缩技术能够有效地增强雷达系统的抗干扰能力,提高系统的可靠性和稳定性。
这项技术还可以实现远距离目标的探测和跟踪,有助于提升雷达系统在远程监控和情报收集等方面的应用能力。
线性调频脉冲压缩技术的应用可以极大地提升雷达系统的性能表现,拓展其在军事、民用、科研等领域的广泛应用前景。
脉冲压缩流程
脉冲压缩流程介绍脉冲压缩是一种用于雷达信号处理的技术,通过压缩雷达接收到的宽带脉冲信号,提供更高的距离和速度分辨率。
本文将详细探讨脉冲压缩的流程和相关算法。
脉冲压缩概述脉冲压缩的目标是提高雷达的分辨能力。
传统雷达系统中,脉冲信号会由天线接收并转换成电信号,然后经过一系列的信号处理流程得到目标的距离和速度信息。
然而,由于脉冲信号带宽有限,传统的雷达系统在分辨远距离目标和高速目标时存在一定的困难。
脉冲压缩技术通过增加信号的带宽,有效地提高了雷达的距离和速度分辨率。
脉冲压缩流程脉冲压缩的流程可以概括为以下几个步骤:1. 接收脉冲信号雷达系统首先通过天线接收到脉冲信号,并将其转换成电信号。
接收到的信号包含了目标的回波信号以及杂波等干扰信号。
2. 预处理在进行脉冲压缩之前,需要对接收到的信号进行预处理。
预处理的主要目的是去除背景噪声和杂波,以提高后续处理的效果。
常用的预处理方法包括滤波、空域抑制和时域抑制等。
3. 时域压缩时域压缩是脉冲压缩的核心步骤。
在这一步骤中,接收到的信号将通过一种称为压缩滤波器的系统。
压缩滤波器的设计基于匹配滤波理论,可以将信号的带宽拉宽,从而提高雷达的距离分辨率。
压缩滤波器的输入是接收到的脉冲信号,输出则是经过压缩的信号。
4. 距离和速度计算压缩后的信号经过滤波之后,可以通过距离和速度计算算法得到目标的距离和速度信息。
距离计算一般基于雷达设备与目标之间的时延,而速度计算则利用了接收到的信号的多普勒频移。
常用的脉冲压缩算法在脉冲压缩流程中常用的算法有:1. 匹配滤波算法匹配滤波算法是最常用的脉冲压缩算法之一。
它的核心思想是通过与接收到的信号进行相关运算,使得与目标信号相关性最大化。
匹配滤波算法的优点是能够实现最佳的脉冲压缩效果,但其计算复杂度较高。
2. 快速脉冲压缩算法快速脉冲压缩算法是一种基于快速傅里叶变换(FFT)的近似算法。
它通过降低计算复杂度,实现了较快的脉冲压缩速度。
快速脉冲压缩算法常用于实时性要求较高的雷达系统。
线性调频脉冲压缩雷达视频回波模型
2 点 目标 回波 模 型
点 目标 中频 回波 信号 可 表示 为 ]
、2
()一 [
]2 ( 7 】G 小
() 1
式 中 , t 为 雷达 回波信 号 ; f 雷 达 发射 的 S() S()为
脉 冲信 号 ; 为 目标 到雷 达 的距 离 ; 为雷 达综 合 R L
S 一一~ . ~_一 札 删“m. 一~一一 (一~~ 叫 一一 n m m耄 Ⅱ 州~ ~_ 一 mn 培 K三 ∞ ~ ~ 一 _ 。 耋 g Ⅲ 二 批 垂 m e 薹
文 章 编 号 : 6 22 3 ( 0 0 0 1 10 1 7 — 3 7 2 1 ) 20 0 3
根据 △U一2 B, 一 ( 7 / B为 带宽 , ( i r 2c r , B) 且 角 频率 与频率 间 的关 系 一 2 , 式 ( 1 可化简 为 兀 , 1)
“ () =K  ̄ 。f = A / = 百 s c f T +B ) ̄2 i ( d p £ eJf n <o p (2 1)
第8 卷第 2 期
式 中 , 为 发 射 信 号 幅 度 ; 。为 雷 达 载 频 ( 频 A 角
对其 进行傅 里 叶反 变 换 , 得其 时 域 信号 , 可 推 导 如下 :
率 ) 丁 为脉 冲宽度 ; 为调频斜 率 。 ; 则发 射信 号带 宽为
( 一 I U() d 一 £ 。£ ( ) ( J £ rJ
一 ~ 一一一 ~ 一一一 ~ 一
~ ~~ a Ko( r 1一~ n m 一 一 ~ 一. nn )E 一~ ∞一 tm ( s
1 引 言
线 性 调 频 信 号 是 一 种 常 见 的脉 冲 压 缩 雷 达 发 射 信 号 , 视 频 回 波 的 模 拟 通 常 采 用 将 进 人 其
线性调频脉冲压缩技术在雷达系统中的应用分析
线性调频脉冲压缩技术在雷达系统中的应用分析线性调频脉冲压缩技术(Linear Frequency Modulated Continuous Waveform Compression,简称LFMCW)是一种常用于雷达系统中的信号处理技术。
LFMCW技术通过在发送端连续变化载频频率,然后在接收端进行脉冲压缩处理,达到提高雷达系统性能的目的。
LFMCW技术在雷达系统中有以下几个应用:1. 目标测距:LFMCW雷达通过连续变化载频频率,在接收端可以通过测量脉冲压缩后的信号到达时间来计算目标距离。
由于脉冲压缩技术可以实现较高的距离分辨率,因此LFMCW雷达对目标的准确测距非常有效。
2. 目标速度测量:利用LFMCW雷达在发送过程中持续改变载频频率,接收到的回波信号会受到多普勒频移的影响。
通过测量回波信号的频率差异,可以计算出目标的径向速度。
这种技术可以应用在雷达测速、交通流量检测等领域。
3. 目标角度测量:LFMCW雷达可以通过改变载频频率的方式,通过测量回波信号的相位差异来计算目标的角度信息。
这是因为目标的位置不同会导致回波信号的相位差异。
LFMCW雷达可以实现对目标的方位角和俯仰角的测量。
4. 多目标分辨:LFMCW雷达通过改变载频频率的方式,在接收端可以对回波信号进行不同的频率切片,从而实现对多个目标的同时探测和跟踪。
利用多目标跟踪算法,LFMCW雷达可以将不同目标的回波信号分离,实现对多个目标的高精度测量和跟踪。
5. 抗多径干扰能力:LFMCW雷达的脉冲压缩技术可以有效地抑制多径干扰。
当雷达信号在发射和接收过程中受到多个路径的反射时,回波信号会叠加形成干扰。
通过脉冲压缩技术,可以有效地将干扰信号分离出来,提高雷达系统的抗多径干扰能力。
LFMCW技术在雷达系统中可以实现目标测距、速度测量、角度测量、多目标分辨和抗多径干扰等功能。
这种技术不仅提高了雷达系统的性能和测量精度,还具有较低的成本和较小的体积。
线性调频信号脉冲压缩仿真与分析
为 率 化 ; 为 宽 r()矩 函 , 频 变 率 B 带 ;c 为 形 数 其 e寺 t
容 量等 因素 的限制 ,只 能有一 定 范围 。在 发射 机 平均 功 率允许 的条 件下 ,可 以用增 大脉 冲宽度 的办 法来 提
高信 号 能量 。但 应该 注意 ,在 简 单 矩 形 脉 冲条 件 下 , 脉 冲宽度 直接 决定距 离分 辨力 。为保 证上 述指 标 ,脉 冲宽 度 的增 加会 受到 明显 的 限制 。提 高雷 达 的探测 能 力和 保证必 需 的距离 分辨力 这对 矛盾 ,在 简单 脉 冲信
移 不敏感 ,且技 术成 熟 ,所 以越 来越 多 的雷达 系统 中
采用 线性 调频信 号作 脉压 信号 。
r(e2 譬) ㈩ e÷x盯 ) c )(( t p
式 中 ,A为幅度 ;r为 脉 冲宽 度 ; o 载频 ;K=B r f为 /
1 线 Байду номын сангаас 调频 信 号
早期 脉 冲 雷 达 所 用 信 号 ,多 是 简 单 矩 形 脉 冲 信 号 。这 时脉 冲信 号 能 量 E =P丁 ,其 中 ,P 为 脉 冲 功
号 中很难解 决 ,这就 有必 要去 寻找 和采 用较 为 复杂 的 信号 形式 J 。 线性调 频信 号是 通过非 线性 相位调 制或 线性 频 率 调 制 获得大 时宽 带宽 积 。设 雷达 发射信 号为
现 代雷达 信号处 理 中常用 的脉 冲压缩 信 号主 要有 线性调 频信号 ( F 、巴克码信 号 、多相码 信号 、非 L M) 线性调频 信号 等几类 。由于线性 调频 信号 的 产生 和处 理均较容 易 ,其 压缩 脉 冲的形状 和信 噪 比对 多普 勒频
(通信与信息系统专业优秀论文)线性调频脉冲压缩体制雷达的多普勒频移研究
摘要线性调频脉冲压缩体制雷达具有大时宽带宽积,解决了雷达作用距离与分辨力之间的矛盾而成为现代雷达的一种重要体制。
在电子对抗技术日益发展的今天,脉压技术成为提高雷达抗干扰、反截获能力的重要手段。
本文主要研究了多普勒频移对线性调频脉冲压缩雷达的影响,并作了详细的仿真,针对线性调频脉冲信号的多普勒---距离耦合问题,对多普勒频移补偿进行了研究。
本文先介绍了脉冲压缩雷达的工作原理,分析了线性调频脉冲信号的时、频特性。
在基本理论的基础上,对线性调频脉冲压缩雷达的多普勒影响做了深入的理论分析和数学推导,并通过matlab仿真进一步验证了多普勒频移对线性调频脉冲压缩雷达影响。
针对线性调频脉冲压缩雷达的多普勒频移距离---耦合效应,本文研究了改变发射波形来消除多普勒频移对线性调频脉冲压缩雷达距离测量影响的上升下降调频多普勒补偿算法,运用线性调频回波信号的循环互相关特性来实现多普勒频移估计的信号互相关补偿多普勒频移算法,采用在匹配系数中引入多普勒频移来减小多普勒频移对线性调频脉冲压缩雷达输出信号影响的多普勒滤波器组法,以及运用回波波形时间上的相关性来得到波源和载体相对速度从而实现对多普勒频移进行补偿的基于距离补偿的多普勒频移算法。
本文不仅从理论上对各种算法进行了详细的数学推导分析,还对各种算法都进行了matlab仿真,仿真结果验证了这些多普勒补偿算法的有效性。
此外,本文还分析了噪声对各种算法的影响,并给出了各种算法的适用条件及其特殊要求,方便用户在不同的客观条件下,选用不同的多普勒频移补偿算法。
关键词:脉冲压缩,线性调频,多普勒距离耦合,多普勒频移补偿AbstractLinear frequency modulation (LFM) pulse compression radar has a large accumulation of time and bandwidth, which raveling out the collision of the working-distance and the resolving power, and becoming an important system on modern radar. Currently, with the developing of the electronic rivalry, Pulse compression has becoming an important instrument on enhancing the ability of anti-jamming, anti- intercept and anti- radicalization.This thesis mainly studies the Doppler effects on pulse compression radar, gives the particular simulate. Arming at the problem of Doppler--distance coupling, this thesis gives a research on the Doppler frequency compensating and giving the simulation.This thesis introduces the principle of the pulse compression radar, analyses the LFM character on time and frequency field, makes out theoretical analysis and mathematic deduction in-depth about the Doppler effects on LFM pulse compression radar, this thesis also validates the impact of the Doppler on LFM pulse compression radar through simulating by matlab.This thesis lists some ways to reduce the effects in Doppler--distance coupling on LFM pulse compression radar; they are upping and downing frequency modulation compensatory algorithm, Cycling inter-related compensation algorithm, Doppler-filter group compensatory algorithm, and basic on the distance compensatory algorithm.All the Doppler compensatory algorithms are analyzing theoretically and simulating in matlab. The results show the algorithms effective. Moreover, the noise effect on those algorithms is studied, the thesis gives out the key point on using the algorithms, which makes it easy for the user to choose the fitting algorithms to compensatory the DopplerKeywords: pulse compression, linear frequency modulation(LFM), Doppler--distance coupling,Doppler effects compensatoryII独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
线性调频脉冲压缩技术在雷达系统中的应用分析
线性调频脉冲压缩技术在雷达系统中的应用分析雷达(Radar)是一种利用电磁波原理来探测目标位置与运动状态的技术。
线性调频脉冲压缩技术(Linear Frequency Modulated Pulse Compression,简称LFMPC)是雷达系统中常用的信号处理技术之一,它通过变化脉冲信号的频率来提高雷达的分辨率和探测性能。
本文将从原理、应用和优势三个方面对线性调频脉冲压缩技术在雷达系统中的应用进行分析。
线性调频脉冲压缩技术的原理是基于脉冲压缩的概念。
脉冲压缩是指将较宽的脉冲信号在时域上进行压缩,从而在频域上获得更好的分辨率和距离分辨率。
线性调频脉冲压缩技术通过线性调频信号来实现脉冲压缩。
具体而言,脉冲信号的频率随时间线性变化,这种信号可以通过傅里叶变换得到频谱,将其与接收到的信号进行相关运算,即可得到压缩后的信号。
压缩后的信号具有更窄的带宽和更长的脉冲宽度,从而提高了信号的分辨率和目标的探测能力。
线性调频脉冲压缩技术在雷达系统中有广泛的应用。
线性调频脉冲压缩技术可以提高雷达系统的距离分辨率。
由于线性调频信号具有较宽的带宽,可以使得雷达系统能够更准确地测量目标与雷达之间的距离,从而提高雷达系统的分辨率。
线性调频脉冲压缩技术还可以提高雷达系统的速度分辨率。
线性调频信号的频率变化率与目标的速度成正比,通过测量返回信号的频率变化率,可以准确地估计目标的速度。
而且,线性调频脉冲压缩技术还可以提高雷达系统的抗干扰能力。
由于线性调频信号的频率变化比较大,相邻频率之间的干扰信号在相关运算中会被抵消,从而提高了系统对干扰的抑制能力。
线性调频脉冲压缩技术在雷达系统中具有一些优势。
线性调频脉冲压缩技术具有较高的距离分辨率和速度分辨率,能够提供更精确的目标测量结果。
由于线性调频脉冲压缩技术能够提高系统的抗干扰能力,使得雷达系统在复杂电磁环境下仍能稳定工作。
线性调频脉冲压缩技术的硬件实现相对简单,成本相对较低,适用于各种不同类型的雷达系统。
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脉冲压缩
匹配滤波器的推导
– 输出信号
– 在tm时刻
– 白噪声的平均功率
– 则信噪比为
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20
脉冲压缩
匹配滤波器的推导
– 借助柯西-施瓦茨不等式可得:
– 等号当且仅当 – 则最大信噪比输出为: – 匹配滤波器表达式:
*
时成立
*
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脉冲压缩
– *对应于2%, 5%, 10%以下的IRW展宽,相应的QPE应小于0.27π, 0.41π, 0.55π,随着相位误差的增大,展宽急速增加。
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– *0.5QPE下的IRW展宽不超过10%
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调频率失配
基带信号中的失配影响
– 当QPE为0.28π时,PSLR陡降,因主瓣展宽导致旁瓣被吸入主瓣 – ISLR能够对旁瓣能量泄露进行更好的描述 – 使IRW展宽10%的调频率误差会导致ISLR上升约3.3dB。
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40
匹配滤波器的实现
方式2
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41
匹配滤波器的实现
方式3
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42
匹配滤波器的实现
目标定位和匹配滤波器弃置区
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目录
一、概述 二、线性调频信号 三、脉冲压缩 四、匹配滤波器的实现 五、调频率失配
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调频率失配
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26
脉冲压缩
– 当TBP>100时
sout (t ) T sinc KT (t t0 )
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脉冲压缩
脉冲分辨率
时间量纲下的3dB分辨率:
2014/10/28忽略因子0.886后的压缩比:
28
脉冲压缩
基带信号的脉冲压缩示例
2014/10/28
系数为1,则匹配滤波输出信号的峰值幅度为
kT TBP ,噪声
功率不变,可得信噪比提升了TBP(也是压缩比)倍。
– 推导2:
SNR1
SNRo
s (t )
2
n 2 (t )
so (t0 )
2
1 NB
E N
s (t ) dt N
2
n 2 (t )
T N
SNRo BT SNRi
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匹配滤波器的实现
弃置区位置
– 不同滤波器中的弃置区位置是不同的。如果在复制信号序列的末 端补零,则循环卷积中的弃置区或位于IDFT输出序列的起始(方 式1),或位于IDFT输出序列的结束(方式2)。方式3中的弃置 区则被分置于IDFT输出序列的两侧。 – 由于处理器只使用接受辅助数据中的chirp复制信号,故脉冲不必 是精确的线性调频信号,这是方式1和方式2的优势。
匹配滤波器的推导
so (t ) s (t ) h(t )
*
s ( )h(t )d
s ( ) s* (t tm ) d
Rss (t tm )
– 匹配滤波器又称为相关接收机
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22
脉冲压缩
匹配滤波器的特点
– 匹配滤波器的准则是最大信噪比输出。 – 最终输出的信噪比与输入信号波形的形状、带宽、持续时间无关, 只与信号的能量E和系统的噪声功率谱密度N有关。 – 匹配滤波器又称为相关接收机。 – 输出信号频谱的相位仅包含常量和线性分量,不包含高次分量。
t 1= 2R1/c
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t 2= 2R2/c
4
概述
脉冲体制雷达的特点:
– 分辨率由脉冲宽度决定 – 峰值功率高 – 信噪比低 为了得到良好的分辩率,必须使用短脉冲。同时为了得到精确的目 标参数,接收信号的SNR必须足够高。
如何最小化峰值功率、最大化信噪比以及获得高分辨率目标?
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线性调频信号
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10
线性调频信号
线性调频信号的频谱
t S ( f ) rect( ) exp j Kt 2 exp j 2 ft dt T
– *难以直接推导,可利用驻定相位原理得到简单的近似表达式。
驻定相位原理
– 相位包含二次及更高次,包络缓变 – 基本原理:信号在相位驻留点领域附近是缓变的,而在其他时间 点上是捷变的,相位捷变处由于相位周期的正负部分相互抵消, 故其对积分的贡献几乎为零,对积分起主要作用的部分集中在相 位驻留点附近。
H ( f ) G* ( f )
– 原理:线性调频信号在带宽内进行均有扫频,具有平坦的频谱。
由POSP导出的信号频谱中包含二次相位,频域中的脉冲压缩本质 上就是将信号频谱与含有二次共轭相位的频域滤波器进行相乘, 以得到具有线性相位的平坦频谱,再经过傅立叶逆变换得到所需 的sinc函数。
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脉冲压缩
线性调频信号的匹配滤波/相关处理
相关: 卷积:
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脉冲压缩
线性调频信号的时域压缩
基带信号 – 复制信号 – 回波信号 – 时域压缩(匹配滤波/相关)
t g (t ) rect( ) exp j Kt 2 T
sout (t ) sr (u ) g * (u t )du
*信噪比提升倍数等于压缩比
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脉冲压缩
噪声条件下的脉冲压缩示例
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– *噪声的标准差为信号幅度的0.75倍,相当于2.5dB的接收SNR
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脉冲压缩
加窗处理——旁瓣抑制
‐13dB
时域匹配滤波器 频域匹配滤波器
加窗引起IRW的展宽
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目录
一、概述 二、线性调频信号 三、脉冲压缩 四、匹配滤波器的实现 五、调频率失配
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脉冲压缩
线性调频信号的匹配滤波
– 发射信号 – 复制信号 – 回波信号 – 匹配滤波器 *峰值位置:tm=பைடு நூலகம்0
* * h(t ) sr (tm t ) sr (t0 t ) g * (t )
s (t )
g (t ) s (t )
sr (t ) s (t t0 )
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线性调频信号
调频信号采样
– 过采样因子
– 1.11.4
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线性调频信号
频率和时间的不连续性
– DFT认为时域和频域序列都具有周期性和循环性,即假设每一序 列是首尾相接的。 – 实际信号通常是非周期的,时域有限长序列通过截断获得,因而 在截断处存在不连续性。 – 基带信号的频谱间隙位于DFT输出序列的中心,非基带信号的频 谱间隙可位于任意位置,需要进行计算或估计。
调频率失配
– 有时用于压缩的匹配滤波器是不精确的,一般用3个参数对线性调 频信号的匹配滤波器加以描述,即持续时间、中心频率和调频率。 其中,调频率的误差影响最严重。 – 调频率误差会引起滤波器的失配,使IRW展宽,旁瓣增大。
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调频率失配
基带信号中的失配影响
– 对图像质量参数的定量分析,可借助二次相位误差(QPE)
– *接收信号长7.2us,压缩脉冲3dB宽约为0.17us,压缩比约为42
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脉冲压缩
非基带信号
t g (t ) rect( ) exp j K (t tc ) 2 T t t0 – 回波信号 sr (t ) rect( ) exp j K (t tc t0 ) 2 T * s ( t ) – 时域压缩(匹配滤波/相关) out sr (u ) g (u t )du
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一、概述 二、线性调频信号 三、脉冲压缩 四、匹配滤波器的实现 五、调频率失配
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线性调频信号
线性调频信号
瞬时频率是时间的线性函数,可得到均匀的信号带宽 – 时域表达式 – 相位 – 瞬时频率 – 信号带宽 – 时间带宽积
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线性调频信号
f c Ktc
– 频域滤波器 – 压缩信号输出 s (t ) out
K T exp j 2 Ktc (t t0 tc ) sin c KT (t tc t0 )
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– *脉压位置在零频位置
脉冲压缩
噪声条件下的脉冲压缩 – 推导1:输入线性调频信号的幅度为1,匹配滤波器在频域带通内
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匹配滤波器的实现
频域匹配滤波器的生成方式
1. 将时间反褶后的复制脉冲取共轭,计算补零DFT
H ( f ) [h(t )]
2. 复制脉冲补零后进行DFT,对结果取复共轭(无时间反褶)
G ( f ) [ g ( f )]
3.
H ( f ) G* ( f )
根据设定的线性调频特性,直接在频域生成匹配滤波器
线性调频信号的脉冲压缩
林 赟
中国科学院电子学研究所 微波成像技术国家级重点实验室
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一、概述 二、线性调频信号 三、脉冲压缩 四、匹配滤波器的实现 五、调频率失配
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一、概述 二、线性调频信号 三、脉冲压缩 四、匹配滤波器的实现 五、调频率失配
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