一种低截获概率雷达信号及其信号处理

一种低截获概率雷达信号及其信号处理Ξ史　林　彭　燕　张毓峰(西安电子科技大学电子工程学院　西安710071)【摘要】　针对低截获概率雷达设计了一种线性调频和相位编码混合信号,这种混合信号兼有线性调频和相位编码信号的优点,又弥补了各自的缺点,以小时宽、小带宽获得大信噪比改善。

文中对这种混合信号的性能及脉冲压缩处理进行了理论和仿真分析。

【关键词】　雷达,脉冲压缩,低截获概率,线性调频,二相码A LPI Radar Signal and Signal ProcessSHI Lin　PENG Yan　ZHANG Yu2feng(School of E lectronic Engineering,X idian University　X ian710071)【Abstract】　A com pound signal com posed of linear frequency m odulation(LF M)and binary phase2coded(BC)signal for low proba2 bility intercept(LPI)radar is given in this paper.This com pound signal has the advantages of LF M&BC and can make up their deficiency, The signal2noise ratio will be greatly im proved by small time2width and frequency2width.Theoretical analysis and simulation for the charac2 terstics,and pulse2com pound process of the signal are given.【K ey w ords】　radar,pulse com pression,LPI,LF M,BC1　引　言低截获概率(LPI)雷达主要通过信号积累获得足够的信噪比,以弥补雷达发射功率的不足,常用的信号有线性调频(LFM)、二相码(BC)和相参脉冲串等。

另外在雷达系统设计中,为了解决距离分辨率和平均功率的矛盾采用脉冲压缩技术,LFM和BC信号是其经常采用的信号。

采用加窗技术,LFM信号脉压后的旁瓣较低,对多普勒频率不敏感;但其信号形式比较简单,易受敌方干扰。

由于可以采用码捷变技术,相位编码信号的抗干扰性能较好,但相位编码信号对多普勒频率比较敏感,而且脉压后的旁瓣较高,必需进行旁瓣抑制和多普勒补偿。

为了综合LFM和相位编码信号的优点,弥补二者的不足,本文设计出一种脉内线性调频、脉间相位编码的混合信号,这种混合信号兼有线性调频和相位编码信号的特点,又弥补了各自的缺点,以小时宽、小带宽获得大信噪比改善,避免了大时宽和大带宽带来的问题。

文中对这种混合信号的脉冲压缩处理进行了理论和仿真分析。

2　信号设计及脉冲压缩2.1　线性调频信号脉冲宽度为τ,调频带宽为B的线性调频信号复包络可表达为S L FM(t)=recttτexp(jπut2)(1)其中:u=B/τ是调制系数,D=Bτ是时宽带宽积。

线性调频信号脉冲压缩滤波器的脉冲响应为h(t)=kS3L FM(t0-t)(2)其中:t0为脉冲时延,k为滤波器的增益。

脉压后的信号包络近似为辛克函数,-4dB处的脉宽τ′=1/B,第一旁瓣幅度为-13.2dB,压缩后的主瓣幅度是压缩前脉冲幅度的D倍。

压缩前后的脉冲宽度之比为D,故D又称为压缩比。

线性调频信号的优点是对多普勒频率f d不敏感,由于其信号形式比较简单易受敌方干扰,且压缩后的旁瓣较高,通常采用加窗技术来降低旁瓣,但这时主瓣稍有展宽。

实际中可在时域加窗,也可在频域加窗。

对于时宽带宽积较小的信号时域加窗的压缩性能优于频域加窗;对于大时宽带宽积信号时域加窗与频域加窗的压缩性能基本接近。

Ξ收稿日期:2002211213 修订日期:2003201206基金项目:国防重点实验室基金资助项目(N o.51431060101DZ0101)　2003年6月现代雷达第6期2.2　相位编码信号二相编码信号的复包络可写成S BC (t )=u 1(t ) u 2(t )(3)其中u 1(t )=rect (t/τ)(4)u 2(t )=ΣP-1k =0q k δ(t -kτ)(5)其中:τ是编码信号的子脉冲宽度,P 是码长,q k 是码序列,其取值为1或-1。

二相编码信号通过匹配滤波器的输出就是它的自相关函数Φ(m )Φ(m )=ΣNk =1q k ・q k +m(6)压缩后的信号幅度为P 、脉冲底宽为2τ。

在二相码中巴克码是最优的,但其码长较短,目前最长的巴克码只有13位,其旁瓣幅度为-22.2dB ,降低二相码旁瓣的主要方法是采用旁瓣抑制滤波器〔1〕。

与线性调频信号相比,二相码信号的旁瓣较低,由于可以采用码捷变技术,其抗干扰性能优于线性调频信号,但它对多普勒频率比较敏感。

一般短码的多普勒影响比长码的小,但短码的压缩增益小、旁瓣高。

2.3　混合信号通过以上分析,线性调频和二相码信号各有特点,如果将这二种信号混合在一起,则混合信号具有二者的特点。

一种混合的方法是子脉冲内线性调频、子脉冲间相位编码,我们称这类信号为调频编码混合信号,简写为混合信号。

设子脉冲宽度为τ、调频带宽为B 、码序列为q k 、码长为P ,则混合信号的复包络可写为S com (t )=S L FM (t ) u 2(t )(7)其中S L FM (t )和u 2(t )分别由式(1)和式(5)给出。

下面我们以线性调频、13位巴克码为例,分析混合信号的特点。

子脉冲宽度τ=0.4μs 的13位巴克码信号的模糊图如图1(a )所示,为分析方便,图1(b )示出了模糊函数在时延轴上的投影的一部分。

图1　13位巴克码模糊图子脉冲宽度τ=0.4μs 、调频带宽B =48MH z 、13位巴克码混合信号的模糊图和投影图如图2(a )和(b )所示。

图2　混合信号模糊图比较图1和图2可看出复合信号的分辨率明显高于相位编码信号,13位巴克码模糊图主瓣3dB 时宽为0.12μs ,混合信号模糊图主瓣3dB 时宽为0.01μs ,混合信号比相位编码信号的距离分辨率高12倍,速度分辨率也有类似的结论。

混合信号脉冲压缩滤波器的脉冲响应为h (t )=kS 3com (t 0-t )(8)其中t 0和k 的含义同式(2)。

由于脉冲压缩是线性系统,为了分析方便起见可将混合信号的脉冲压缩分解成两个过程完成,即首先进行线性调频脉冲压缩得到相位编码脉冲序列,其次进行相位编码脉冲压缩。

因此,混合信号压缩后的脉冲幅度为P D 、脉冲宽度为1/B ,采用加窗技术时压缩后的旁瓣主要取决于二相码的旁瓣。

相当于子脉冲宽度为1/B 、码长为P D 的二相码的压缩结果,或相当于调频带宽为B 、脉冲宽度为P 2τ的线性调频脉冲压缩结果。

另外还可以采用二相码旁瓣抑制滤波器对压缩后的混合信号进行旁瓣抑制。

在压缩后指标相同的条件下混合信号所需的码长比纯相位编码的小,所以混合信号的多普勒影响比纯相位编码的小,所需的时宽带宽积比纯线性调频的小,避免了大时宽、大带宽带来的问题,减小了雷达系统的中频带宽,使系统的信噪比得以提高。

3　脉冲压缩仿真结果子脉冲宽度τ=0.4μs 、调频带宽B =48MH z (时宽带宽积D =19.2)、P =13巴克码混合信号脉冲压缩仿真结果如图3(a )所示,可以看出混合信号脉压后的主瓣幅度为113.9V (正交双通道处理时的理论值增益为2P D =114),比纯线性调频或二相码信号的大,说明其脉压增益高,但其旁瓣太高,最大旁瓣幅度约为-13.2dB ,平均旁瓣幅度为-42dB 。

这是由于线性调频72第6期史　林,等:一种低截获雷达信号及其信号处理脉压信号呈sinc 函数,旁瓣较高引起的,解决的办法是采用加窗技术降低线性调频信号的旁瓣。

图3(b )是加海明窗后的压缩结果,最大旁瓣幅度为-22.3dB ,平均旁瓣幅度为-43.6dB ,与纯13位巴克码的旁瓣相同,这时的旁瓣主要是相位编码信号的离散旁瓣。

图3　混合信号脉压结果如果加窗后的旁瓣不能满足指标要求,还可以采用相位编码旁瓣抑制技术进一步降低离散旁瓣,图4是在加窗脉压后再采用文献〔1〕中给出巴克码旁瓣抑制滤波器的仿真结果,最大旁瓣幅度为-27.9dB。

图4　离散旁瓣抑制后的仿真结果为了说明混合信号在f d ≠0时的脉冲压缩性能,选择了较大的多普勒频率。

对线性调频信号而言,当信号具有多普勒频移时,压缩信号的主峰出现时间,将相对于无多普勒频移时超前或移后〔3〕图5　多为勒频率对混合信号脉压的影响f d +ut 0=0(9)或 t 0=-f d /u (10)其中t 0为脉压信号的主峰出现时刻。

因此可以看出,当f d 为正时主峰出现的时刻相对于f d =0时的峰值导前;相反的,当f d 为负时,主峰出现的时刻将滞后,且随着f d 的增加,t 0也增大。

当线性调频信号与巴克码信号相结合的混合信号里有f d 频移时,脉压结果不仅产生一个与f d 正比的附加时延,而且波形有所畸变,主瓣高度下降且宽度增加。

下图为f d =0和f d =-5MH z 时混合信号的脉压波形比较,图中所取为主瓣附近τ宽度内的波形。

从图5可以看出f d =-5MH z 时脉压输出旁瓣幅度增大、主瓣宽度展宽,且产生一个与f d 成正比的附加时延。

这时的-3dB 主瓣宽度为26ns 、最大旁瓣幅度为-27.9dB ,与f d =0时的脉压结果比较,-3dB 主瓣宽度增加了1ns ,最大旁瓣幅度增加了2.9dB 。

4　结　论线性调频相位编码混合信号兼有线性调频和相位编码信号的特点,其距离分辨率、速度分辨率和脉压增益都明显高于纯线性调频或相位编码信号。

混合信号脉冲压缩后的旁瓣取决于线性调频信号,采用加窗技术后的脉压旁瓣则主要取决于相位编码信号,采用相位编码旁瓣抑制技术可进一步降低离散旁瓣。

混合信号所需的码长比纯相位编码的小,多普勒调制对其影响也小,所需的时宽带宽积比纯线性调频的小,所以混合信号以小时宽、小带宽获得大信噪比改善。

参　考　文　献1　林茂庸,柯有安.雷达信号理论.北京:国防工业出版社,19812　丁鹭飞,张　平.雷达系统.西北电讯工程学院出版社,19843　杨绍全,张正明.对线性调频脉压雷达的干扰.西安电子科技大学学报,1991,18(3)史　林　男,出生于1961年12月,博士学位、西安电子科技大学副教授,研究方向为雷达信号处理、雷达系统仿真。

彭　燕　女,出生于1978年,西安电子科技大学硕士研究生,研究方向为雷达系统建模与仿真。