第三章 脉冲压缩雷达简介
雷达波形设计与LFM信号处理(雷达脉冲压缩)
雷达波形设计与LFM信号处理(雷达脉冲压缩)本文关键词：雷达脉冲压缩,波形设计,二相编码信号,旁瓣抑制,检测与参数估计,反辐射导弹,抑制滤波器,分数阶,线性调频,回波,变换,多普勒频移,脉压,信噪比损失,时域信号,匹配滤波,模糊函数,联合分辨,距离旁瓣,峰值旁瓣电平雷达波形设计与线性调频(LFM)信号的处理在雷达系统中占有重要的位置。
本文主要研究了雷达脉冲压缩波形的设计、脉压旁瓣抑制体制的性能分析与改进、旁瓣抑制滤波器的设计、LFM信号的分析与处理特别是反辐射导弹的检测与参数估计。
现代雷达技术中广泛使用LFM信号，对LFM信号的处理至关重要。
雷达信号中线性调频项的产生有两种原因，一是人为因素有意产生的，如脉冲压缩技术中使用的LFM信号；二是目标本身客观存在的，如导弹的主动飞行段、飞机的机动飞行等产生的加速度，以及目标与雷达平台相对运动所产生的雷达回波信号中的线性调频项，如合成孔径雷达(SAR)回波、反辐射导弹回波等。
常规的雷达脉冲压缩波形有LFM信号和相位编码信号。
LFM信号的模糊函数为斜刀刃形，优点是对多普勒频移不敏感，但时频联合分辨率差，脉压输出的峰值旁瓣电平高达-13.2dB；二相编码信号如13位Barkei。
码具有图钉状的模糊函数，因而时频联合分辨率好，且脉压输出的峰值旁瓣电平相对较低，为-22.2dB，但对多普勒频移敏感。
本文提出了一类新的脉压信号——二次伸缩二相编码信号，将具有特定Fourier级数展开系数的波形在时域进行二次伸缩，采样，并符号化为二值序列，即得到这类二次伸缩二相编码信号。
信号本身兼有线性调频和调相，因而其模糊函数为刀刃型和图钉型的复合形状，对多普勒频移不敏感及有较好的距离一速度联合分辨率，且其峰值旁瓣可低于-30dB。
脉压波形经匹配滤波后，除了主瓣，尚存在不希望的距离旁瓣，影响了雷达对多目标的探测。
对于LFM这类复信号，传统的旁瓣抑制方法是在匹配滤波后引入加权网络，在频域进行加权处理，使旁瓣降低。
脉冲压缩雷达..
'
T P , D ' P T
'
可见输出脉冲的峰值功率增大了D倍。 若输入脉冲幅度为A，输出脉冲幅度为A’，则：
A T ' D A T
'
,
A A D
'
因为噪声通过压缩滤波器后，噪声不会被压 缩，其噪声电平仍保持在接收机原有的噪声电平
上，所以输出信噪比也提高了D倍：
(S / N )0 D ( S / N )i
t
td 2 td 1
T ' T
f1
td1
f2
T’ td2
f
t
(3) 同相位矢量相加方法
f
压缩前信号频谱矢量图
f
压缩后信号频谱矢量图
6 脉冲压缩雷达信号处理方式(1)
中频 信号
匹配滤波 脉冲压缩
I/Q 解调
采样 保持
窄带A/D 转换
高速 存储
信号 滤波器
频谱 分析
检测器 CFAR
检测 结果
模拟脉冲压缩方式
1 4
增加雷达系统发射信号脉冲宽度有利于提高的雷达 发射平均功率,但影响雷达系统的带宽和距离分辨率。
压缩后与压缩前雷达信号时宽之比为:
T 1 ' T TB
定义雷达信号时宽与带宽的乘积为脉冲压缩比:
'
D TB
'
如果压缩滤波器是无源的，它本身不消耗 能量也不产生能量，满足能量守恒原理：
E P T P T
相位编码脉冲压缩雷达有二相制、多相制以及巴克码、伪随机 码等类型。在二相制相位编码脉冲压缩体制中，宽度为T的宽脉冲 被划分为N个宽度为τ的子脉冲，每个子脉冲的相位按0°、180° 两相编码。经过压缩滤波器后，输出的是一个主瓣宽度为τ、幅度 为宽脉冲回波幅度N倍的窄脉冲。在要求大脉冲压缩比的场合，相 位的编码通常采用伪随机码，对于同一码长，可以得到多种不同的 编码。相位编码脉冲压缩雷达多采用数字技术进行压缩滤波处理。 数字处理方法的优点是在计算机控制下可以快速改变发射波形，相 应地改变信号处理，以适应不同的战术要求。 脉冲压缩雷达采用的宽频带信号有利于反噪声干扰。在相位编 码脉冲压缩雷达中，还可以方便地选择不同的编码，来对付欺骗干 扰。脉冲压缩技术可与动目标显示、单脉冲测角、相控阵天线等雷 达技术兼容，因而在超远程警戒雷达、远程跟踪雷达、三坐标雷达、 合成孔径雷达、精密测量雷达以及相控阵雷达中都得到广泛应用。
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。
脉冲压缩原理
脉冲压缩原理脉冲压缩原理是一种利用特殊波形设计和信号处理算法来实现雷达分辨率提高的方法。
传统雷达系统的分辨率由脉冲宽度决定，而脉冲压缩技术可以在保持较宽脉冲宽度的情况下，实现较高的分辨能力。
脉冲压缩技术的核心思想是利用多普勒频移效应和信号处理算法来压缩接收到的雷达回波信号。
在雷达系统中，脉冲压缩技术通常与调频连续波（Frequency Modulated Continuous Wave，FMCW）雷达或调相连续波（Phase Modulated Continuous Wave，PMCW）雷达结合使用。
首先，FMCW雷达或PMCW雷达在发送端产生一段连续变频或变相的信号，并将其发射出去。
当这个信号与目标物体相互作用后，会返回给雷达系统。
接收端接收到回波信号后，会进行一系列的信号处理操作。
脉冲压缩技术的关键步骤是脉冲压缩滤波和相关运算。
通过对回波信号进行频谱分析和相干处理，可以提取出回波信号中的散射能量，并把它们集中在时间域上，从而提高分辨能力。
脉冲压缩滤波是脉冲压缩技术的主要部分。
它是一种特殊的滤波器，可以对接收到的回波信号进行频域上的处理。
具体来说，脉冲压缩滤波器可以将长时间的脉冲信号转换成较短的脉冲，从而提高雷达的时间分辨率。
相关运算是对滤波后的信号进行时间域上的处理。
它用于计算接收信号与已知信号之间的相关性，从而提取出目标物体的信息。
相关运算可以进一步压缩脉冲信号，提高雷达的距离分辨能力。
总的来说，脉冲压缩原理是利用特殊波形设计和信号处理算法，通过脉冲压缩滤波和相关运算来提高雷达分辨率。
这种技术可以在保持较宽脉冲宽度的情况下，实现较高的分辨能力，从而在目标探测和定位中起到重要的作用。
雷达中的线性调频脉冲压缩
dt]
T / 2
dt
T
均方根时宽：
2
( 2 )
2
2
t | u (t ) | dt
2
2
2
| u (t ) | dt 1 (T ) 2 3
( 2 )
T /2
T / 2
t 2 dt
T /2
T / 2
dt
调频常数：
2
T /2
T /2
T / 2 T /2
时间轴上的切面：
sin K (T | |) | ( ,0) || (T | |) | K (T | |)
sin B (1 | / T |) | ( ,0) | T | | B sin B | ( ,0) | T | | B | | T
1 f H( f ) rect( )e B K 1 d 2 f td ( f ) 2 df K K
j
2 f K
幅度频谱：
1 f | u( f ) | rect( ) B K
相位频谱：
2 ( f ) f /4 K
线性调频信号的近似匹配滤波器的频谱特性应满足：
1 幅度谱与信号的频谱相同，即带宽为B的矩形谱 2 相位谱是信号相位谱的共轭
2 ( f ) f K
压缩滤波器的频谱应该是：
| | T
| | T
频率轴上的切面：
sin T | (0, ) | T | | T
特点： 1 随着多普勒频移，主峰值降低。
2 随着多普勒频移，主峰值产生时移。
3 随着多普勒频移，切割图与辛克函数的失真进一步加大。
第三章 脉冲压缩雷达简介
∂∇第三章 脉冲紧缩雷达简介脉冲紧缩简介雷达的分辩理论标明:要得到高的测距精度亲睦的距离分辩力,发射旌旗灯号必须具有大的带宽;要得到高的测速精度亲睦的速度分辩力,旌旗灯号必须具有大的时宽.是以,要使感化距离远,又具有高的测距.测速精度亲睦的距离.速度分辩力,起首发射旌旗灯号必须是大带宽.长脉冲的情势.显然,单载频矩形脉冲雷达不克不及知足现代雷达提出的请求.而脉冲紧缩技巧可以获得大时宽带宽旌旗灯号,使雷达同时具有感化距离远.高测距.测速精度亲睦的距离.速度分辩力.具有大时宽带宽的旌旗灯号平日被称作脉冲紧缩旌旗灯号.脉冲紧缩技巧包含两部分:脉冲紧缩旌旗灯号的产生.发射部分和为获得较窄的脉冲对吸收回波的处理部分.在发射端,它经由过程对相对较宽的脉冲进行调制使其同时具有大的带宽,在吸收端对吸收的回波波形进行紧缩处理得到较窄的脉冲.脉冲紧缩道理时宽-带宽积的概念发射脉冲宽度τ和体系有用(经紧缩的)脉冲宽度0τ的比值称为脉冲紧缩比,即 0D ττ=(3-1) 因为01B τ=,所以,式（3-1）可写成D B τ=(3-2)即紧缩比等于旌旗灯号的时宽-带宽积.在很多运用处合,脉冲紧缩体系经常运用当时宽-带宽积暗示.大时宽带宽矩形脉冲旌旗灯号的复包络表达式可以写成：(),/2/2()0,j t Ae T t T u t θ⎧-<<=⎨⎩其他(3-3)匹配滤波器输出端的信噪比为：()00S N EN = (3-4)个中旌旗灯号能量为[13] ：212E A T =(3-5)这种体系体例的旌旗灯号具有以下几个明显的特色：(1)在峰值功率受限的前提下,进步了发射机的平均功率av P ,加强了发射旌旗灯号的能量,是以扩大了探测距离.(2)在吸收机中设置一个与发射旌旗灯号频谱相匹配的紧缩收集,使宽脉冲的发射旌旗灯号变成窄脉冲,是以保持了优胜的距离分辩力.(3)有利于进步体系的抗干扰才能.当然,采取大时宽带宽旌旗灯号也会带来一些缺陷[14][15],这重要有:(1)最小感化距离受脉冲宽度τ的限制.(2)收发体系比较庞杂,在旌旗灯号产生和处理进程中的任何掉真,都将增大旁瓣高度.(3)消失距离旁瓣.一般采取掉配加权以克制旁瓣,主旁瓣比可达30dB ～35dB 以上,但将有1 dB ～3 dB 的信噪比损掉.(4)消失必定的距离和速度测定隐约.恰当选择旌旗灯号参数和情势可以减小隐约.但脉冲紧缩体系体例的优胜性超出了它的缺陷,已成为近代雷达普遍运用的一种体系体例.3.2.2 线性调频脉冲旌旗灯号线性调频脉冲紧缩体系体例的发射旌旗灯号,其频谱在脉冲宽度内按线性纪律变更,即用对载频进行调制的办法展宽发射旌旗灯号的频谱,使其相位具有色散.同时,在t P 受限情形下为了充分运用发射机的功率,往往采取矩形宽脉冲包络,线性调频脉冲旌旗灯号的复数表达式可写成[16][17]:200()2()()()t j t j t t s t u t e Arect e μωωτ+== (3-6)式(3-6)中u(t)为旌旗灯号复包络：22()()t j t u t Arect e μτ= (3-7)若令B 为频率变更规模,则21B f f f =∆=-,而2fωπμττ∆∆==为调制斜率.若旌旗灯号的载波中间角频率为002f ωπ=,则线性调频旌旗灯号的角频率变更纪律为:0t ωωμ=+, 2|t |τ≤(3-8)因而旌旗灯号的瞬时相位： 201()()2i t dt t dt t t C ωωμωμφ==+=++⎰⎰ (3-9) 如图3-1所示,图3-1（a ）为线性调频脉冲旌旗灯号的波形;图3-1（b ）为旌旗灯号的包络幅度为A,图3-1(c)为载频的调制特征,在τ内由低频端1f 至高频端2f 按线性纪律变更.图3-1 线性调频旌旗灯号波形.包络及频率变更图脉冲紧缩雷达脉冲紧缩雷达经由过程发射宽脉冲以进步发射旌旗灯号的平均功率,包管足够的最大感化距离,而在吸收时则采取响应的脉冲紧缩法获得窄脉冲,以进步距离分辩力,从而较好地解决了感化距离和分辩才能之间的抵触.给定雷达体系的距离分辩力为： 2r c B δ=(3-10)个中,c 为光速,B f =∆为发射波形带宽.对于简略的脉冲雷达,1B f T =∆=,T 为发射脉冲宽度,则有 2r cT δ=(3-11)而在脉冲紧缩体系中,发射波形往往在相位上或频率长进行调制,吸收时将回波旌旗灯号加以紧缩,使其等效带宽B 知足1B f T =∆.令脉冲紧缩后的有用脉冲宽度1B τ=,则2r c τδ=(3-12)由此可见,脉冲紧缩雷达可用宽度T 的发射脉冲来获得相当于发射脉冲有用宽度为τ的简略脉冲体系的距离分辩力.则脉冲紧缩比(发射脉冲宽度T 跟体系有用脉冲宽度τ的比值)为TD τ= (3-13)又因为1B τ=,则D TB = (3-14)即紧缩比等于旌旗灯号的时宽-带宽积.在很多运用处合,脉冲紧缩体系经常运用当时宽-带宽积表征.实现脉冲紧缩的前提如下：(1)发射脉冲的脉冲宽度与有用频谱宽度的乘积弘远于1.(2)吸收机中必须具有一个紧缩收集,其相频特征应与发射旌旗灯号实现“相位共扼匹配”,即相位色散绝对值雷同而符号相反,以清除输入回波旌旗灯号的相位色散.脉冲紧缩按发射旌旗灯号的调制纪律(调频或调相)分类,可以分为以下四种：(1)线性调频脉冲紧缩;(2)非线性调频脉冲紧缩;(3)相位编码脉冲紧缩;(4)时光频率编码脉冲紧缩.本文重要评论辩论较罕有的线性调频脉冲紧缩.线性调频脉冲紧缩雷达线性调频旌旗灯号(LFM)在二十世纪四十年月后期就被起首提出来,是研讨最早.运用最普遍的一种脉压旌旗灯号[18].线性调频经由过程对雷达的载波频率进行调制以增长雷达的发射带宽并在吸收时实现脉冲紧缩,线性调频脉压的基起源基础理如图3-2所示.图3-2 线性调频脉冲紧缩基起源基础理图线性调频波形由宽度为T 的矩形发射脉冲构成,如图3-2 (a)所示.载波频率f 在脉冲宽度内按照21f f f ∆=-做线性增长变更,调制斜率2f T μπ=∆,如图3-2(b)所示.图3-2 (c)为紧缩收集的频率-延迟特征,按照线性递减变更,与旌旗灯号的线性调频斜率相反,滤波器对线性调频旌旗灯号中最先辈入的低端频率为延时长(1d t ),对经由T 时光最落后入的高端频率2f 分量延时短(2d t ).如许,旌旗灯号中不合频率分量经由过程这一滤波器后几乎同时到达输出端,从而获得幅度增大宽度变窄的脉冲旌旗灯号,其幻想包络如图3-2（d ）所示.依据图3-1(b),有12B f f f =∆=-和2f T Tωπμ∆∆==,若旌旗灯号的载波中间角频率为002f ωπ=,则线性调频旌旗灯号的角频率变更纪律为：0t ωωμ=+,2Tt ≤(3-15)因而旌旗灯号的瞬时相位为： 2001()()2i t dt t dt t t C φωωμωμ==+=++⎰⎰(3-16)则线性调频脉冲紧缩雷达的发射旌旗灯号为：201cos(),22()0,2i T A t t t u t T t ωμ⎧+≤⎪⎪=⎨⎪>⎪⎩(3-17)个中A 为旌旗灯号幅度.或者将上式暗示成：201()cos()2i t u t Arect t t T ωμ=+ (3-18)个中,t rect T为矩形函数,即：为便利剖析和盘算,用复数情势来暗示()i u t ,即： 201()2()()j t t i t u t Arect e T ωμ+= (3-19)则()i u t 的复频谱为：2200112()()222()()()T j t t j t t j t j t i i Tt U u t e dt Arect e e dt A e dt T ωμωωμωωω∞∞+-+---∞-∞-===⎰⎰⎰(3-20)因为平日运用的线性调频脉冲旌旗灯号均知足1D TB =,其频谱的振幅散布很接近矩形,()i U ω可近似地暗示为：002()0,2i U ωωωωωωω⎧∆-≤⎪⎪=⎨∆⎪->⎪⎩(3-21)()i U ω的相频特征可近似地暗示为： 20()()24i ωωπφωμ-=-+ (3-22)综上所述,线性调频旌旗灯号在D 很大时的频谱表达式为：20()2400,2()0,2j i U ωωπμωωωωωωω⎡⎤--+⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎧∆⎪-≤⎪=⎨⎪∆->⎪⎩ (3-23)设匹配滤波器频率特征为()H ω,那么依据匹配前提应知足如下关系： ()()()i dj j t i H k U e e φωωωω--= (3-24)个中,k 为归一化系数,使幅频特征归一化,d t 为匹配滤波器的固定延时[19].是以线性调频脉冲旌旗灯号的匹配滤波器频率特征可近似为： 20()240(),2d j t H eωωπωμωωωω⎡⎤---⎢⎥⎢⎥⎣⎦∆=-≤ (3-25)设线性调频脉冲旌旗灯号经匹配滤波后的输出旌旗灯号为0()u t ,则其频谱()o U ω为：0()()(),2d j t o i U U H ωωωωωωω-∆==-≤ (3-26)则匹配滤波器输出的旌旗灯号为：02()001()()2d j f t t j t d u t U e d πωωωπ∞--∞==⎰(3-27)上式暗示的旌旗灯号是复数,而现实的旌旗灯号应为实数,是以取其实部得到输出旌旗灯号为：00()2()d d u t f t t π=- (3-28)因为0f B ,故输出旌旗灯号的载波为： 而旌旗灯号的包络为：二相编码脉冲紧缩雷达线性调频旌旗灯号的频率调制函数是中断函数,而相位编码旌旗灯号的相位调制函数是离散的有限状况.因为相位编码采取伪随机序列,亦称为伪随机编码旌旗灯号.伪随机相位编码旌旗灯号按相移取值数量分类,假如相移只取0,π两个数值,称二相编码旌旗灯号.假如相移取两个以上的数值,则称多相编码旌旗灯号.一般相位编码旌旗灯号的复数表达式为：2()()()j f t j t s t a t e e πϕ= (3-29)则旌旗灯号的复包络函数为：()()()j t u t a t e ϕ= (3-30)个中,()t ϕ为相位调制函数.对于二相编码旌旗灯号来说,()t ϕ只有0或者π两种取值.可用二进制相位序列{}0,k ϕπ=暗示,也可以用二进制序列{}1,1kj k c e ϕ==+-暗示. 假如二相编码旌旗灯号的包络为矩形,即：()0,t NT a t <<∆==⎩其他 (3-31)则二相编码旌旗灯号的复包络可写成：10()N k k c v t kT -=-⎩1u(t)=0,其他 (3-32)个中,k c 为二进制序列,v(t)为子脉冲函数,T 为子脉冲宽度,N 为码长,NT ∆=为编码旌旗灯号中断期.运用δ函数性质,式（3-32）还可写成：1120()()()()()N k k u t v t c t kT u t u t δ-==-=⊗1 (3-33)个中,⊗暗示卷积运算,且1()()0,t T u t v t <<==⎩其他 (3-34)120()()N kk u t c t kT δ-==-1(3-35)依据傅里叶变换对：sin ()trect T c fT T⇔ (3-36)2()j fkT T kT e πδ--⇔ (3-37)则式（3-33）中1()u t 和2()u t 对应的频谱分离为：112()()()j fTt T u t U f c fT e T π--=⇔=(3-38)11222()()()N N j fkTk k k k u t c t kT U f c eπδ---===-⇔=1(3-39)是以,依据傅里叶变换卷积规矩,由式(3-33),可得二相编码旌旗灯号的频谱为：12120()()()()N j fT j fkT k k U f U f U f c fT e c e ππ---=⎡⎤==⎢⎥⎣⎦∑ (3-40) 盘算标明,二相编码旌旗灯号的频谱重要取决于子脉冲频谱1()U f ,至于附加因子120N j fkT k k c e π--=∑的感化则与所采取码的情势有关.二相编码旌旗灯号的带宽B 与子脉冲带宽异常接近,有：1NB T ≈=∆(3-41)则旌旗灯号的脉冲紧缩比为：ND B N =∆⋅=∆⋅=∆(3-42)由此可见,采取长的二元序列,就能得到大时宽-带宽积的编码脉冲紧缩旌旗灯号经常运用的二相编码旌旗灯号有巴克码序列.m 序列.L 序列.双素数序列等.这里重要介绍巴克码序列和m 序列.巴克码是一种二元伪随机序列码{}k c ,(1,1),0,1,2,1k c k N ∈+-=-,其非周期自相干函数知足：10,0(,0)01,0N mk k m k N m m c c m χ--+==⎧==⎨±≠⎩∑或(3-43)表3-1 巴克码序列长度N{}k c 序列(,0),0,1,,1m m N χ=-主旁瓣比/dB2 + +;- + 2,+1;2,-1 63 + + - 3,0,-14 + + - +;+ + + - 4,-1,0,+1,;4,+1,0,-1 125 + + + - + 5,0,+1,0,+1 14 7 + + + - - + - 7,0,-1,0,-1,0,-1 17 11 + + + - - - + - - + - 11,0,-1,0,-1,0,-1,0,-1,0,-113+ + + + + - - + + - + -+13,0,+1,0,+1,0,+1,0,+1,0,+1,0,+1巴克码自相干函数的主旁瓣比等于紧缩比,即为码长N .巴克码是一种较幻想的编码紧缩旌旗灯号,惋惜其长度有限.已经证实,对于奇数长度,13N ≤;对于偶数长度,N 为一完全平方数,但已证实N 在4到6084之间不消失,超出6084的码一般不采取.今朝只找到下列几种巴克码序列,最长的是13位,如表3-1所示.在现实运用中,可以采取组合巴克码序列以扩大长度.组合巴克码序列是以长度为1k 的巴克码序列作为长度为2k 的巴克码序列的码元,结构长度为12k k ⋅的组合巴克码序列[21].m 序列也是一种二元伪随机序列,它的周期自相干函数很幻想.但m 序列在非周期工作时,其自相干函数将有较高的旁瓣,当1N时,.m序列是一种周期为21n -的轮回二进制序列,n 为整数.它的产生办法比较简略,现实运用中多采取n 阶线性逻辑反馈移位存放器来产生序列,且各个移位存放器的初始状况不克不及全体为零.图3-3示出了一般线性反馈移位存放器的构成[22].图3-3 线性反馈移位存放器图3-3中一级移位存放器的状况用i a 暗示,01i a =或,i 是整数.反馈线的衔接状况用i c 暗示,1i c =暗示此线接通(介入反馈),0i c =暗示此线断开.表2列出10n ≤时m 序列的反馈衔接.表3-2 m 序列的反馈衔接级数n 长度N 序列个数反馈衔接 2 3 1 2,1 3 7 2 3,2 4 15 2 4,3或4,1 5 31 6 5,3 6 63 6 6,5 7 127 18 7,6或7,4 8 255 16 8,6,5,4 9 511 48 9,5或9,4 1010236010,7值得指出的是m序列的非周期自相干函数不如巴克码序列幻想.作为脉冲紧缩旌旗灯号,序列的非周期自相干函数更令人存眷.具有优胜的周期自相干特征的序列不必定具有优胜的非周期特征.本章小结本章重要讲述了雷达的根本构成以及扼要概述了脉冲紧缩理论,雷达为了加大发射脉冲的能量,只有增大脉冲宽度,但通例脉冲的时宽-带宽积约等于1,增大脉冲宽度会下降脉冲的有用带宽,使雷达的测距精度下降,也就是说,通例脉冲旌旗灯号体系体例雷达消失着感化距离和测距精度的抵触,为解决这一抵触,就要对脉冲频率进行调制,是以,脉冲紧缩技巧显然成为雷达发射较宽脉冲和恢复测距精度请求的脉冲宽度程度的重要办法.为包治理论研讨的完全性,特在本章参加了二相编码脉冲紧缩雷达的介绍,但是因为我们的雷达获取的目的一般为中断旌旗灯号,采取线性调频脉冲紧缩雷达比较适合,而二相编码脉冲紧缩雷达实用于离散旌旗灯号,故对二相编码脉冲紧缩雷达只做简略介绍,而线性调频脉冲雷达才是本文重点部分.第四章雷达脉冲紧缩技巧的MATLAB实现线性调频脉冲旌旗灯号脉冲紧缩雷达能同时进步雷达的感化距离和距离分辩率.这种体系体例采取宽脉冲发射以进步发射的平均功率,包管足够大的感化距离;而接收时采取响应的脉冲紧缩算法获得窄脉冲,以进步距离分辩率,较好的解决雷达感化距离与距离分辩率之间的抵触.脉冲紧缩雷达最罕有的调制旌旗灯号是线性调频（Linear Frequency Modulation ）旌旗灯号,吸收时采取匹配滤波器（Matched Filter ）紧缩脉冲.LFM 旌旗灯号(也称Chirp 旌旗灯号)的数学表达式为：22()2()()c K j f t t t s t rect Te π±=(4-1)式中c f 为载波频率,()t rect T为矩形旌旗灯号,11()0,t t rect TT ⎧ , ≤⎪=⎨⎪ ⎩其他(4-2)B K T=,是调频斜率,于是,旌旗灯号的瞬时频率为()22c T T f Kt t ± -≤≤,如图4-1图4-1 典范的chirp 旌旗灯号（a ）up-chirp （b ）down-chirp 将(4-1)式中的up-chirp 旌旗灯号重写为：2()()cj f t s t S t e π=(4-3) 式中,2()()j Kt tS t rect e Tπ= (4-4)是旌旗灯号s(t)的复包络.由傅立叶变换性质,S(t)与s(t)具有雷同的幅频特征,只是中间频率不合而以,是以,MATLAB 仿真时,只需产生S(t).MATLAB 程序1（附录1）产生(4-4)式的chirp 旌旗灯号,并作出当时域波形和幅频特征,见仿真成果. 4.2 匹配滤波道理设吸收滤波器[22]的传输函数为()H f ,冲激响应为()h t ,滤波器输入码元()s t 的中断时光为s T ,旌旗灯号和噪声之和()r t 为()()(),0s r t s t n t t T =+≤≤ (4-5)式中：()s t 为旌旗灯号码元,()n t 为高斯白噪声.并设旌旗灯号码元()s t 的频谱密度函数为()S f ,噪声()n t 的双边功率谱密度为0()2n P f n =,0n 为噪声单边功率谱密度.因为假定滤波器是线性的,依据线性电路叠加定理,当滤波器输入电压()r t 中包含旌旗灯号和噪声两部分时,滤波器的输出电压()y t 中夜包含响应的输出旌旗灯号0()s t 和输出噪声0()n t 两部分,即：00()()()y t s t n t =+ (4-6) 个中,20()()()j ft s t H f S f e dfπ∞-∞=⎰(4-7)为了求出输出噪声功率,由式2*0()()()()()()i i P f H f H f P f H f P f =⋅⋅=可知,一个随机进程经由过程线性体系时,其输出功率谱密度0()P f 等于输入功率谱密度()i P f 乘以体系传输函数()H f 的模的平方.所以,这时的输出噪声功率0N 等于：22000()()22n n N H f df H f df∞∞-∞-∞=⋅=⎰⎰(4-8)是以,在抽样时刻0t 上,输出旌旗灯号瞬时功率与噪声平均功率之比为：2220002()()()()2j ft H f S f e dfs t r n N H f dfπ∞-∞∞-∞==⎰⎰(4-9)为了求出0r 的最大值,我们运用施瓦兹不等式：2221212()()()()f x f x dx f x dx f x dx∞∞∞-∞-∞-∞≤⎰⎰⎰(4-10)若*12()()f x kf x =,个中k 为随意率性常数,则式(4-10)的等号成立.将式(4-9)右端的分子看作是式(4-10)的左端,并令： 则有：22202000()()()2()22H f df S f dfS f df E r n n n H f df∞∞∞-∞-∞-∞∞-∞≤==⎰⎰⎰⎰(4-11)式中：2()E S f df ∞-∞=⎰,为旌旗灯号码元能量.并且当2*()()j ft H f kS f e π-=(4-12)时,式(4-11)的等号成立,即得到最大输出信噪比02E n .式(4-12)标明,()H f 就是我们要找的最佳吸收滤波器传输特征,它等于旌旗灯号码元频谱的复共轭.故称此滤波器为匹配滤波器.4.3 LFM 脉冲的匹配滤波旌旗灯号()s t 的匹配滤波器的时域脉冲响应为：*0()()h t s t t =- (4-13)0t 是使滤波器物理可实现所附加的时延.理论剖析时,可令0t ＝0,则：*()()h t s t =-(4-14)将4-13式代入4-14式得：22()()c j f t j Kt t h t rect e e Tππ-=⨯(4-15)图4-2 LFM 旌旗灯号的匹配滤波如图4-2,()s t 经由体系()h t 得输出旌旗灯号()o s t ,2222()()()()*()()()()()()()c c o j f u j f t u j Ku j K t u s t s t h t s u h t u du h u s t u du u t u erect e e rect e du T Tππππ∞∞-∞-∞∞----∞= =- =-- =⨯⎰⎰⎰(4-16)当0t T ≤≤时,22222022222()2sin ()T T c c j Kt j Ktu t j Ktu T j f tj Kt T j f ts t e e du e ee t j Kt K T t t eKtπππππππππ---==⨯--- =⎰(4-17) 当0T t -≤≤时,22222022222()2sin ()T T c c t j Kt j Ktu j Ktu T j f tj Kt T j f ts t ee dut e eej Kt K T t t eKtπππππππππ+---=+ =⨯--+ =⎰(4-18)归并（4-17）和（4-18）两式：20sin (1)()()2c j f t tKT tt T s t Trect e KTt Tπππ-= (4-19)（4-19）式即为LFM 脉冲旌旗灯号经匹配滤波器得输出,它是一固定载频c f 的旌旗灯号.当t T ≤时,包络近似为辛克（sinc ）函数.0()()()()()22t tS t TSa KTt rect TSa Bt rect T Tππ== (4-20)图4-3 匹配滤波的输出旌旗灯号如图4-3,当Bt ππ=±时,1t B=±为其第一零点坐标;当2Bt ππ=±时,12t B=±,习惯上,将此时的脉冲宽度界说为紧缩脉冲宽度. 1122B Bτ=⨯=(4-21)LFM 旌旗灯号的紧缩前脉冲宽度T 和紧缩后的脉冲宽度τ之比平日称为紧缩比D,TD TB τ==(4-22)上式标明,紧缩比也就是LFM 旌旗灯号的时宽频宽积.因为s(t),h(t),so(t)均为复旌旗灯号情势,MATLAB 仿真时,只需斟酌它们的复包络S(t),H(t),So(t).MATLAB 程序2（附录2）仿真了图4-2所示的进程,并将仿真成果和理论进行对比.仿真成果见图4-4,4-5. 4.4 MATLAB 仿真成果仿真一：线性调频脉冲紧缩旌旗灯号（1） 体系模子：图4-4 线性调频脉冲紧缩旌旗灯号体系框图（2） 仿真成果：图4-5 LFM 旌旗灯号的时域波形和幅频特征（3） 成果剖析：如图4-5所示,图中为典范的线性调频旌旗灯号的时域和频域特征,经调制,旌旗灯号带宽为30MHz ,旌旗灯号周期为10us.仿真二：匹配滤波吸收回波旌旗灯号（1）体系模子：图4-6 匹配滤波体系框图（2）仿真成果：图4-7 脉冲紧缩后的回波图4-8 脉冲紧缩后的回波(局部图)（3）成果剖析：如图4-8,对时光轴进行了归一化,（/(1/)t B t B =⨯）.图中反应出理论与仿真成果吻合优胜.第一零点出如今1±（即1B ±）处,此时相对幅度.紧缩后的脉冲宽度近似为1B （12B ±）,此时相对幅度-4dB,这与理论剖析（图4-3）一致.上面只是对各个旌旗灯号复包络的仿真,现实雷达体系中,LFM脉冲的处理进程如图4-6.雷达回波旌旗灯号()r s t 经由正交解调后,得到基带旌旗灯号,再经由匹配滤波脉冲紧缩后就可以作出判决.正交解调道理如图4-9,雷达回波旌旗灯号经正交解调后得两路互相正交的旌旗灯号I(t)和Q(t).一种数字办法处理的的匹配滤波道理如图4-10.图4-9 正交解调道理图4-10 一种脉冲紧缩雷达的数字处理方法仿真三：脉冲紧缩前后的回波仿真（1）体系模子：联合以上剖析,用MATLAB 仿真雷达发射旌旗灯号,回波旌旗灯号和紧缩后的旌旗灯号的复包络特征,其载频不予斟酌（现实中需加调制和正交解调环节）,仿真旌旗灯号与体系模子如图4-11.图4-11 雷达仿真等效旌旗灯号与体系模子（2）在MATLAB指令窗中键入：LFM_radar(10e-6,30e6,10000,15000,[10500,11000,12000,12008,13000,13005], [1,1,1,1,1,1])得到的仿真成果如下：图4-12 仿真成果（3）成果剖析：由图4-12可以看出,旌旗灯号回波在紧缩之前,目的难以分辩,在旌旗灯号回波经由紧缩之后,带宽变大,目的的相对距离也扩大,当T=10us,B=30MHz时,雷达的距离分辩率为：(4-23)当两目的相距5m时,现实上是两目的的输出sinc包络叠加,他们的副瓣互相抵消;而当两目的距离大于雷达的距离分辩率时可以分辩出,并且,跟着目的距离越大,雷达越轻易区分. 本章小结本章重要介绍了雷达在传输以及吸收旌旗灯号中所采取的不合技巧,个中,因为旌旗灯号发射时须要有较大的带宽,为了实现这一目的,我们将旌旗灯号进行线性调频,脉冲紧缩,如许扩大了带宽,有利于旌旗灯号的传输,同时也包管了较大的感化距离.在接收进程中,采取匹配滤波,可以得到较大的信噪比,包管紧缩比.。
雷达信号的脉冲压缩原理
第二章 脉冲压缩2.1 概述表2.1 窄脉冲高距离分辨力雷达的能力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τ的之比，即/T τ。
带宽B 与压缩后的脉冲宽度τ的关系为1/B τ≈。
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1B τ≥,这两个信号参数基本上是独立的，因而可以分别加以选择来满足战术要求。
在发射机峰值功率受限的条件下，它提高了发射机的平均功率P增加了信号能量，因此扩大了探测距离。
av⑵在接收机中设置一个与发射信号频谱相匹配的压缩网络，使宽脉冲的发射信号（一般认为也是接收机输入端的回波信号）变成窄脉冲，因此保持了良好的距离分辨力。
这一处理过程称之为“脉冲压缩”。
⑶有利于提高系统的抗干扰能力。
对有源噪声干扰来说，由于信号带宽很大，迫使干扰机发射宽带噪声，从而降低了干扰的功率谱密度。
当然，采用大时宽带宽信号也会带来一些缺点，这主要有：⑴最小作用距离受脉冲宽度 限制。
⑵收发系统比较复杂，在信号产生和处理过程中的任何失真，都将增大旁瓣高度。
⑶存在距离旁瓣。
一般采用失配加权以抑制旁瓣，主旁瓣比可达30dB~35dB 以上，但将有1dB~3dB的信噪比损失。
⑷存在一定的距离和速度测定模糊。
总之，脉冲压缩体制的优越性超过了它的缺点，已成为近代雷达广泛应用的一种体制。
根据上面讨论，我们可以归纳出实现脉冲压缩的条件如下：⑴发射脉冲必须具有非线性的相位谱，或者说，必须使其脉冲宽度与有效频谱宽度的乘积远大于1.⑵接收机中必须具有一个压缩网络，其相频特性应与发射信号实现“相位共轭匹配”，即相位色散绝对值相同而符号相反，以消除输入回波信号的相位色散。
脉冲压缩雷达
06
脉冲压缩雷达的应用实例
军事侦查与目标识别
目标定位与跟踪
脉冲压缩雷达能够快速准确地定 位和跟踪目标，为军事侦查和打
击提供关键信息。
识别与分类
通过分析回波信号，脉冲压缩雷达 能够识别和分类不同类型目标，如 飞机、导弹和舰船等。
隐身目标探测
对于采用隐身技术的目标，脉冲压 缩雷达通过多普勒频移和信号处理 技术，有效探测和识别隐身目标。
脉冲压缩雷达
• 引言 • 脉冲压缩雷达的工作原理 • 脉冲压缩雷达的优势 • 脉冲压缩雷达的挑战与解决方案 • 脉冲压缩雷达的发展趋势 • 脉冲压缩雷达的应用实例
01
引言
脉冲压缩雷达的定义
脉冲压缩雷达是一种雷达系统，它通 过发射宽脉冲信号，并在接收时对信 号进行压缩处理，以获得高分辨率和 低距离模糊的雷达图像。
测距精度高
总结词
脉冲压缩雷达通过精确控制发射信号的脉冲宽度和压缩比， 能够实现高精度的测距。
详细描述
脉冲压缩雷达的测距精度取决于发射信号的脉冲宽度和压缩 比。通过精确控制发射信号的脉冲宽度和压缩比，脉冲压缩 雷达能够实现高精度的测距测量，从而提高对目标距离的测 量精度。
04
脉冲压缩雷达的挑战与解决方案
03
脉冲压缩雷达的优势
高距离分辨率
总结词
脉冲压缩雷达通过发送宽脉冲信号，并在接收时进行压缩处理，能够实现高距离分辨率。
详细描述
在雷达探测中，距离分辨率指的是雷达区分两个相邻目标的能力，取决于发射信号的脉冲宽度。脉冲压缩雷达通 过发送宽脉冲信号，并在接收时进行匹配滤波处理，将宽脉冲压缩成窄脉冲，从而提高了距离分辨率，能够更好 地分辨出相邻目标。
第三章 脉冲压缩雷达简介
∂∇第三章 脉冲压缩雷达简介3.1 脉冲压缩简介雷达的分辨理论表明:要得到高的测距精度和好的距离分辨力，发射信号必须具有大的带宽;要得到高的测速精度和好的速度分辨力，信号必须具有大的时宽。
因此，要使作用距离远，又具有高的测距、测速精度和好的距离、速度分辨力，首先发射信号必须是大带宽、长脉冲的形式。
显然，单载频矩形脉冲雷达不能满足现代雷达提出的要求。
而脉冲压缩技术可以获得大时宽带宽信号，使雷达同时具有作用距离远、高测距、测速精度和好的距离、速度分辨力。
具有大时宽带宽的信号通常被称作脉冲压缩信号。
脉冲压缩技术包括两部分:脉冲压缩信号的产生、发射部分和为获得较窄的脉冲对接收回波的处理部分。
在发射端，它通过对相对较宽的脉冲进行调制使其同时具有大的带宽，在接收端对接收的回波波形进行压缩处理得到较窄的脉冲。
3.2 脉冲压缩原理 3.2.1时宽-带宽积的概念发射脉冲宽度τ和系统有效(经压缩的)脉冲宽度0τ的比值称为脉冲压缩比，即0D ττ=(3-1)因为01B τ=，所以，式（3-1）可写成D Bτ=(3-2)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-带宽积表示。
大时宽带宽矩形脉冲信号的复包络表达式可以写成：(),/2/2()0,j t Ae T t T u t θ⎧-<<=⎨⎩其他(3-3)匹配滤波器输出端的信噪比为：()00S N EN =(3-4)其中信号能量为[13] ：212E A T =(3-5)这种体制的信号具有以下几个显著的特点：(1)在峰值功率受限的条件下，提高了发射机的平均功率av P ，增强了发射信号的能量，因此扩大了探测距离。
(2)在接收机中设置一个与发射信号频谱相匹配的压缩网络，使宽脉冲的发射信号变成窄脉冲，因此保持了良好的距离分辨力。
(3)有利于提高系统的抗干扰能力。
当然，采用大时宽带宽信号也会带来一些缺点[14][15]，这主要有: (1)最小作用距离受脉冲宽度τ的限制。
脉冲压缩技术在雷达系统中的应用
（2）
其中，u 为瞬时频率的变化率，他与脉冲宽度 与 内的频率变化范围 B 有 如下关系： u B / 。 对式（1）做傅立叶变换得到：
S LMF (f ) A 2 e
2 j(f f 0 )2
j 2(f0 ut 2 )
1 2
e j 2ftdt dt
电子工程学院
脉冲压缩技 术在雷达系统中 的应用
雷达原理
狄冲 陈维森 赵禹慕尘 吕凯
02123071 02123008 02123089 02123094
摘要
对目前在雷达信号处理系统中应用较为广泛的脉冲压缩技术进行了介绍， 主 要是线性调频的脉冲压缩信号。 首先对脉冲压缩和线性调频脉冲信号进行了介绍， 然后研究了线性调频信号的压缩过程及其压缩方法。 关键词：脉冲压缩；线性调频；匹配滤波
subplot(212) plot(t*1e6,x); xlabel('t/us'); title('线性调频加噪后')； grid on;axis tight; plot(freq*1e-6,fftshift(abs(fft(St)))); xlabel('Frequency in MHz'); title('Magnitude spectrum of chirp signal'); grid on;axis tight; 信噪比为 6 时的仿真结果
时，信号能量绝大部分集中在 f f0 <
义为 0.5， s(u1 ) s(u 2 )定义为 0.5，由此得到
S LMF(f )
A f f0 rect( ) B u
(f f0 )2 LMF(f ) u 4
雷达脉冲压缩信号基本理论
雷达脉冲压缩信号基本理论第二章 雷达脉冲压缩信号基本理论在介绍脉冲压缩之前，首先要了解关于雷达信号处理的基本基本理论，为研究雷达信号的脉冲压缩技术奠定理论基础。
2.1雷达信号处理基本理论简介 匹配滤波匹配滤波（matched filtering ）是最佳滤波的一种。
当输入信号具有某一特殊波形时，其输出达到最大。
在形式上，一个匹配滤波器由以按时间反序排列的输入信号构成。
且滤波器的振幅特性与信号的振幅谱一致。
因此，对信号的匹配滤波相当于对信号进行自相关运算。
配滤波器是一种非常重要的滤波器，广泛应用与通信、雷达等系统中。
现假设一雷达输入信号为()x t ，其中已知的雷达信号为()s t ，噪声信号为()n t 。
那么有()()()x t s t n t =+（2.1）其中雷达信号()s t 的频谱表达式和能量表达式分别可以用式2.2和2.3表示。
()()exp(2)S f s t j ft dtπ∝-∝=⋅-⎰ （2.2）2|()|E S f df∝-∝=⎰（2.3）假设匹配滤波器的冲激响应为h(t)，那么滤波器的输出响应为：()()()s n y t y t y t =+（2.4）其中滤波器对()s t 的响应函数()s y t 的表达式为：()()()exp(2)s y t H f S f j ft dfπ∝-∝=⎰（2.5）再假设滤波器的输出信号成分在0t 时刻会得到一个峰值，那么输出信号的峰值功率为：200()|()()exp(2)|s y t H f S f j ft df π∝-∝=⎰（2.6）此外，噪声的平均功率为：22()|()|2n Ny t H f df∝-∝=⎰（2.7）因此可以得到信噪比：2202022000|()()exp(2)||()||()|2|()|/2|()|2s n H f S f j ft df S f df y t ESNR y t N N N H f df π∝∝-∝-∝∝-∝==≤=⎰⎰⎰（2.8）当式2.8满足信噪比最大值的时候，则有：*0()()exp(2)H f KS f j ft π=-（2.9）转换为时域，则有*0()()h t Ks t t =-（2.10）从上面的理论推导可以看到，当输出信噪比为最大值的时候，滤波器的传递函数与输入信号的频谱函数满足特定的关系，式2.10就反映了这个关系。
脉冲压缩雷达与匹配滤波
发开关由发射天线辐射出去， 遇到目标后， 电磁波一部分反射， 经接收天线和收发开关由
接收机接收，对雷达回波信号做适当的处理就可以获知目标的相关信息。
但是因为普通脉冲在雷达作用距离与距离分辨率上存在自我矛盾，
为了解决这个矛盾，
我们采用脉冲压缩技术，即使用线性调频信号。
二、 线性调频（ LFM）信号
脉冲压缩雷达能同时提高雷达的作用距离和距离分辨率。
LFM 信号的数学表达式：
t
其中 fc 为载波频率，
rect( ) 为矩形信号： T
（ 2.1）
（ 2.2）
-1-
B
其中 K
是调频斜率，信号的瞬时频率为
T
fc
Kt (
T 2
tT 2) ，如图（图2.1.典型的 LFM 信号（ a） up-LFM(K>0)（ b） down-LFM(K<0)） 将式 1 改写为：
t2=-N0*Ts:Ts:N0*Ts;
t2=B*t2;
xlabel('时间 /us'); title('LFM 的时域波形 ');
grid on;axis tight;
subplot(212)
-2-
freq=linspace(-Fs/2,Fs/2,N); plot(freq*1e-6,fftshift(abs(fft(St)))); xlabel('频率 /MHz'); title('LFM 的频域特性 '); grid on;axis tight;
如图 3.1, s(t) 经过系统 h(t) 得输出信号 so (t ) ，
(3.4)
当 0 t T 时,
(3.5)
脉冲压缩及相参积累在激光雷达中的应用
脉冲压缩及相参积累在激光雷达中的应用脉冲压缩技术是激光雷达中常用的技术之一，它可以有效地提高雷达系统的分辨率和探测距离。
相参积累技术则是脉冲压缩技术的一种应用，可以进一步提高雷达系统的信噪比和距离分辨率。
本文将从理论和实践两个方面介绍脉冲压缩及相参积累在激光雷达中的应用。
一、脉冲压缩技术的原理脉冲压缩技术是利用信号的频域特性来实现距离分辨率的提高。
在激光雷达中，脉冲信号的频谱宽度与脉冲宽度成反比，即脉冲宽度越窄，频谱宽度越宽。
因此，如果使用一个宽脉冲来发送信号，可以得到更好的信号穿透能力，但是距离分辨率会受到限制。
相反，如果使用一个窄脉冲来发送信号，可以得到更好的距离分辨率，但是信号穿透能力会受到限制。
为了克服这种限制，可以使用脉冲压缩技术来实现信号的压缩。
脉冲压缩技术的原理是将发射脉冲与接收脉冲进行卷积，从而实现信号的压缩。
具体来说，可以将发射脉冲和接收脉冲分别表示为$f(t)$和$g(t)$，则它们的卷积为：$$h(t)=int_{-infty}^{infty}f(tau)g(t-tau)dtau$$ 其中，$h(t)$表示接收到的信号。
如果发射脉冲和接收脉冲的频谱存在重叠区域，即$f(omega)g(omega)eq 0$，则可以通过傅里叶变换将$h(t)$转换为频域信号$H(omega)$：$$H(omega)=F[f(tau)g(t-tau)]=F[f(tau)]F[g(t-tau)]$$其中，$F$表示傅里叶变换。
由于$f(t)$和$g(t)$的频谱宽度分别为$Delta f_1$和$Delta f_2$，因此$h(t)$的频谱宽度为$Delta f_1+Delta f_2$。
如果$Delta f_1Delta f_2=frac{1}{2pi}$，则可以实现信号的压缩，即$h(t)$的脉冲宽度变窄，距离分辨率得到提高。
二、相参积累技术的原理相参积累技术是脉冲压缩技术的一种应用，可以进一步提高雷达系统的信噪比和距离分辨率。
第三章脉冲压缩雷达简介
∂∇第三章 脉冲压缩雷达简介3.1 脉冲压缩简介雷达的分辨理论表明:要得到高的测距精度和好的距离分辨力，发射信号必须具有大的带宽;要得到高的测速精度和好的速度分辨力，信号必须具有大的时宽。
因此，要使作用距离远，又具有高的测距、测速精度和好的距离、速度分辨力，首先发射信号必须是大带宽、长脉冲的形式。
显然，单载频矩形脉冲雷达不能满足现代雷达提出的要求。
而脉冲压缩技术可以获得大时宽带宽信号，使雷达同时具有作用距离远、高测距、测速精度和好的距离、速度分辨力。
具有大时宽带宽的信号通常被称作脉冲压缩信号。
脉冲压缩技术包括两部分:脉冲压缩信号的产生、发射部分和为获得较窄的脉冲对接收回波的处理部分。
在发射端，它通过对相对较宽的脉冲进行调制使其同时具有大的带宽，在接收端对接收的回波波形进行压缩处理得到较窄的脉冲。
3.2 脉冲压缩原理 3.2.1时宽-带宽积的概念发射脉冲宽度τ和系统有效(经压缩的)脉冲宽度0τ的比值称为脉冲压缩比，即0D ττ=(3-1)因为01B τ=，所以，式（3-1）可写成D B τ= (3-2)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-带宽积表示。
大时宽带宽矩形脉冲信号的复包络表达式可以写成：(),/2/2()0,j t Ae T t T u t θ⎧-<<=⎨⎩其他 (3-3) 匹配滤波器输出端的信噪比为：()00S N EN = (3-4)其中信号能量为[13] ：212E A T =(3-5)这种体制的信号具有以下几个显著的特点：(1)在峰值功率受限的条件下，提高了发射机的平均功率av P ，增强了发射信号的能量，因此扩大了探测距离。
(2)在接收机中设置一个与发射信号频谱相匹配的压缩网络，使宽脉冲的发射信号变成窄脉冲，因此保持了良好的距离分辨力。
(3)有利于提高系统的抗干扰能力。
当然，采用大时宽带宽信号也会带来一些缺点[14][15]，这主要有: (1)最小作用距离受脉冲宽度τ的限制。
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∂∇第三章 脉冲压缩雷达简介3.1 脉冲压缩简介雷达的分辨理论表明:要得到高的测距精度和好的距离分辨力，发射信号必须具有大的带宽;要得到高的测速精度和好的速度分辨力，信号必须具有大的时宽。
因此，要使作用距离远，又具有高的测距、测速精度和好的距离、速度分辨力，首先发射信号必须是大带宽、长脉冲的形式。
显然，单载频矩形脉冲雷达不能满足现代雷达提出的要求。
而脉冲压缩技术可以获得大时宽带宽信号，使雷达同时具有作用距离远、高测距、测速精度和好的距离、速度分辨力。
具有大时宽带宽的信号通常被称作脉冲压缩信号。
脉冲压缩技术包括两部分:脉冲压缩信号的产生、发射部分和为获得较窄的脉冲对接收回波的处理部分。
在发射端，它通过对相对较宽的脉冲进行调制使其同时具有大的带宽，在接收端对接收的回波波形进行压缩处理得到较窄的脉冲。
3.2 脉冲压缩原理 3.2.1时宽-带宽积的概念发射脉冲宽度τ和系统有效(经压缩的)脉冲宽度0τ的比值称为脉冲压缩比，即0D ττ=(3-1)因为01B τ=，所以，式（3-1）可写成D Bτ=(3-2)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-带宽积表示。
大时宽带宽矩形脉冲信号的复包络表达式可以写成：(),/2/2()0,j t Ae T t T u t θ⎧-<<=⎨⎩其他(3-3)匹配滤波器输出端的信噪比为：()00S N EN =(3-4)其中信号能量为[13] ：212E A T =(3-5)这种体制的信号具有以下几个显著的特点：(1)在峰值功率受限的条件下，提高了发射机的平均功率av P ，增强了发射信号的能量，因此扩大了探测距离。
(2)在接收机中设置一个与发射信号频谱相匹配的压缩网络，使宽脉冲的发射信号变成窄脉冲，因此保持了良好的距离分辨力。
(3)有利于提高系统的抗干扰能力。
当然，采用大时宽带宽信号也会带来一些缺点[14][15]，这主要有: (1)最小作用距离受脉冲宽度τ的限制。
(2)收发系统比较复杂，在信号产生和处理过程中的任何失真，都将增大旁瓣高度。
(3)存在距离旁瓣。
一般采用失配加权以抑制旁瓣，主旁瓣比可达30dB ～35dB 以上，但将有1 dB ～3 dB 的信噪比损失。
(4)存在一定的距离和速度测定模糊。
适当选择信号参数和形式可以减小模糊。
但脉冲压缩体制的优越性超过了它的缺点，已成为近代雷达广泛应用的一种体制。
3.2.2 线性调频脉冲信号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t 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络，线性调频脉冲信号的复数表达式可写成[16][17]:200()2()()()t j t j t ts t u t e Arect eμωωτ+==(3-6)式(3-6)中u(t)为信号复包络：22()()t jtu t Arect eμτ=(3-7)若令B 为频率变化范围，则21B f f f =∆=-，而2fωπμττ∆∆==为调制斜率。
若信号的载波中心角频率为002f ωπ=，则线性调频信号的角频率变化规律为:0tωωμ=+，2|t |τ≤(3-8)因而信号的瞬时相位：201()()2i t dt t dt t t C ωωμωμφ==+=++⎰⎰ (3-9) 如图3-1所示，图3-1（a ）为线性调频脉冲信号的波形;图3-1（b ）为信号的包络幅度为A ,图3-1(c)为载频的调制特性，在τ内由低频端1f 至高频端2f 按线性规律变化。
图3-1 线性调频信号波形、包络及频率变化图3.3 脉冲压缩雷达脉冲压缩雷达通过发射宽脉冲以提高发射信号的平均功率，保证足够的最大作用距离，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，从而较好地解决了作用距离和分辨能力之间的矛盾。
给定雷达系统的距离分辨力为：2r cBδ=(3-10)其中，c 为光速，B f =∆为发射波形带宽。
对于简单的脉冲雷达，1B f T =∆=，T 为发射脉冲宽度，则有 2r cTδ=(3-11)而在脉冲压缩系统中，发射波形往往在相位上或频率上进行调制，接收时将回波信号加以压缩，使其等效带宽B 满足1B f T =∆。
令脉冲压缩后的有效脉冲宽度1B τ=，则2r c τδ=(3-12)由此可见，脉冲压缩雷达可用宽度T 的发射脉冲来获得相当于发射脉冲有效宽度为τ的简单脉冲系统的距离分辨力。
则脉冲压缩比(发射脉冲宽度T 跟系统有效脉冲宽度τ的比值)为TD τ=(3-13)又因为1B τ=，则D TB =(3-14)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。
实现脉冲压缩的条件如下：(1)发射脉冲的脉冲宽度与有效频谱宽度的乘积远大于1。
(2)接收机中必须具有一个压缩网络，其相频特性应与发射信号实现“相位共扼匹配”，即相位色散绝对值相同而符号相反，以消除输入回波信号的相位色散。
脉冲压缩按发射信号的调制规律(调频或调相)分类，可以分为以下四种：(1)线性调频脉冲压缩；(2)非线性调频脉冲压缩；(3)相位编码脉冲压缩；(4)时间频率编码脉冲压缩。
本文主要讨论较常见的线性调频脉冲压缩。
3.4线性调频脉冲压缩雷达线性调频信号(LFM)在二十世纪四十年代后期就被首先提出来，是研究最早、应用最广泛的一种脉压信号[18]。
线性调频通过对雷达的载波频率进行调制以增加雷达的发射带宽并在接收时实现脉冲压缩，线性调频脉压的基本原理如图3-2所示。
图3-2线性调频脉冲压缩基本原理图线性调频波形由宽度为T 的矩形发射脉冲组成，如图3-2 (a)所示。
载波频率f 在脉冲宽度内按照21f f f ∆=-做线性增长变化，调制斜率2f μπ=∆，如图3-2(b)所示。
图3-2 (c)为压缩网络的频率-延迟特性，按照线性递减变化，与信号的线性调频斜率相反，滤波器对线性调频信号中最先进入的低端频率为延时长(1d t )，对经过T 时间最后进入的高端频率2f 分量延时短(2d t )。
这样，信号中不同频率分量通过这一滤波器后几乎同时到达输出端，从而获得幅度增大宽度变窄的脉冲信号，其理想包络如图3-2（d ）所示。
根据图3-1(b)，有12B f f f =∆=-和2fT Tωπμ∆∆==，若信号的载波中心角频率为002f ωπ=，则线性调频信号的角频率变化规律为：0tωωμ=+，2Tt ≤(3-15)因而信号的瞬时相位为：2001()()2i t dt t dt t t C φωωμωμ==+=++⎰⎰(3-16)则线性调频脉冲压缩雷达的发射信号为：201cos(),22()0,2i T A t t t u t T t ωμ⎧+≤⎪⎪=⎨⎪>⎪⎩(3-17)其中A 为信号幅度。
或者将上式表示成：201()cos()2i t u t Arectt t T ωμ=+(3-18)其中，trectT为矩形函数，即： 1,20,2T t t rect T Tt ⎧≤⎪⎪=⎨⎪>⎪⎩为方便分析和计算，用复数形式来表示()i u t ，即：201()2()()j t t i t u t Arect e Tωμ+=(3-19)则()i u t 的复频谱为：2200112()()222()()()Tj t t j t t j tj t i iT tU u t edt Arect eedt A edt T ωμωωμωωω∞∞+-+---∞-∞-===⎰⎰⎰(3-20)由于通常使用的线性调频脉冲信号均满足1D TB =，其频谱的振幅分布很接近矩形，()i U ω可近似地表示为：002()0,2i U ωωωωωωω⎧∆-≤⎪⎪=⎨∆⎪->⎪⎩(3-21)()i U ω的相频特性可近似地表示为：20()()24i ωωπφωμ-=-+(3-22)综上所述，线性调频信号在D 很大时的频谱表达式为：20()2400,2()0,2j i U ωωπμωωωωωωω⎡⎤--+⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎧∆⎪-≤⎪=⎨⎪∆->⎪⎩ (3-23)设匹配滤波器频率特性为()H ω,那么根据匹配条件应满足如下关系： ()()()i d j j t i H k U e e φωωωω--=(3-24)其中，k 为归一化系数，使幅频特性归一化，d t 为匹配滤波器的固定延时[19]。
因此线性调频脉冲信号的匹配滤波器频率特性可近似为：20()240(),2d j t H eωωπωμωωωω⎡⎤---⎢⎥⎢⎥⎣⎦∆=-≤(3-25)设线性调频脉冲信号经匹配滤波后的输出信号为0()u t ，则其频谱()o U ω为：0()()(),2d j t o i U U H ωωωωωωω-∆==-≤(3-26)则匹配滤波器输出的信号为：02()001()()2d j f t t j td u t Ue d πωωωπ∞--∞==⎰(3-27)上式表示的信号是复数，而实际的信号应为实数，因此取其实部得到输出信号为：00()2()d d u t f t t π=-(3-28)由于0f B ，故输出信号的载波为：0cos 2()d f t t π-而信号的包络为：d3.5 二相编码脉冲压缩雷达线性调频信号的频率调制函数是连续函数，而相位编码信号的相位调制函数是离散的有限状态。
由于相位编码采用伪随机序列，亦称为伪随机编码信号。
伪随机相位编码信号按相移取值数目分类，如果相移只取0，π两个数值，称二相编码信号。
如果相移取两个以上的数值，则称多相编码信号。
一般相位编码信号的复数表达式为：02()()()j f t j t s t a t e e πϕ=(3-29)则信号的复包络函数为：()()()j t u t a t e ϕ=(3-30)其中，()t ϕ为相位调制函数。
对于二相编码信号来说，()t ϕ只有0或者π两种取值。
可用二进制相位序列{}0,k ϕπ=表示，也可以用二进制序列{}1,1k j k c e ϕ==+-表示。
如果二相编码信号的包络为矩形，即：()0,t NT a t <<∆==⎩其他(3-31)则二相编码信号的复包络可写成：10()N kk c v t kT -=-⎩u(t)=0,其他(3-32)其中，k c 为二进制序列，v(t)为子脉冲函数，T 为子脉冲宽度，N 为码长，NT ∆=为编码信号持续期。
利用δ函数性质，式（3-32）还可写成：112()()()()()N kk u t v t c t kT u t u t δ-==-=⊗1(3-33)其中，⊗表示卷积运算，且1()()0,t T u t v t <<==⎩其他(3-34)12()()Nkku t c t kTδ-==-1(3-35)根据傅里叶变换对：sin()trect T c fTT⇔(3-36)2()j fkTT kT eπδ--⇔(3-37)则式（3-33）中1()u t和2()u t对应的频谱分别为：112()()()j fTt Tu t U f c fT eTπ--=⇔=(3-38)1122200()()()N Nj fkTk kk ku t c t kT U f c eπδ---===-⇔=1(3-39)因此，根据傅里叶变换卷积规则，由式(3-33)，可得二相编码信号的频谱为：1212()()()()Nj fT j fkTkkU f U f U f c fT e c eππ---=⎡⎤==⎢⎥⎣⎦∑(3-40)计算表明，二相编码信号的频谱主要取决于子脉冲频谱1()U f，至于附加因子12Nj fkTkkc eπ--=∑的作用则与所采用码的形式有关。