脉内复杂雷达信号分析

脉内复杂雷达信号生成与分析

摘要：脉冲压缩信号（pulse compression signal），是发射已调制(或编码)的宽脉冲，对回波信号进行压缩处理得到窄脉冲信号。为获得脉冲压缩的效果，发射的宽脉冲采取编码形式，并在接收机中经过匹配滤波器的处理。脉冲压缩信号能有效地解决常规脉冲雷达中增大探测距离与提高距离分辨率的矛盾，因而获得广泛的应用。脉冲压缩信号处理方式:模拟脉冲压缩、数字脉冲压缩。脉冲压缩信号种类：按发射信号的调制方式分，主要有线性调频、非线性调频、相位编码、线性调频和相位编码混合调制等。

关键字：脉冲压缩线性调频（LFM）相位编码（PSK）调频调相Mat lab仿真

1.引言

初期的脉冲信号,是固定载频的脉冲，其距离分辨力反比于发射脉冲宽度。要增加作用距离，就要求加大发射脉冲宽度，这样必然会降低距离分辨力。雷达作用距离和雷达分辨能力正是雷达的两项重要性能指标。因此，必须解决这一矛盾。自从40年代提出匹配滤波理论和50年代初P.M.伍德沃德提出雷达模糊原理之后，人们认识到雷达的距离分辨力与发射脉冲宽度无关，而是正比于发射脉冲频带宽度。只要对发射宽脉冲进行编码调制,使其具有大的频带宽度,对目标回波进行匹配处理后就能获得分辨力很好的窄脉冲输出，即τp≈1/B。式中τp为处理后的输出脉冲宽度;B为发射脉冲频带宽度。根据这一原理，发射脉冲宽度和带宽都足够大的信号，雷达就能同时具有大的作用距离和高的距离分辨力，还可以使单一脉冲具有较好的速度分辨力。因为根据雷达模糊原理,速度分辨力与发射脉冲时宽τ成正比。这种信号的脉冲压缩倍数为τ/τp≈τB。

脉冲压缩雷达信号处理方式

1、模拟脉冲压缩

在脉冲压缩处理中已广泛应用的一种器件是声表面波器件。它是用换能器将电磁波能转换成声波，使声波在基体的表面传播。这种表面波称为瑞利波，具有非色散的性质。但只要把叉指换能器间隔按一定规律变化,就可制成色散延迟线。当换能器受到电脉冲冲击时，在各对叉指间便产生波长为2d的声波。叉指对的排列使内侧的间隔小，因此内侧叉指对发送和接收的频率高,传播的路程短,高频延时小；外侧叉指对的间隔大,发送和接收的频率低,传播的路程长,低频延时大。控制叉指对的间隔,可使延迟线产生线性的或某种规律的非线性的色散信号(即调频信号)。色散信号的总带宽取决于叉指对的最小间隔d和最大间隔d，总时宽取决于叉指列的总长度 D。各频率分量是可以加权的，加权的方法是变化叉指对交叉的深度。

2、数字脉冲压缩

60年代数字集成技术出现后，特别是70年代大规模集成电路商品化以后，许多雷达设计采用数字脉冲压缩处理。数码为二进制，数字脉冲压缩对二相位编码信号特别方便。采用脉冲线性调频的脉冲压缩雷达也可用数字处理技术。数字处理前先把高频信号与本振信号差拍成零中频。为了保持相位信息，零中频信号分为I和Q两个支路。频谱乘法器就是完成数字式的频域匹配处理而用的。数字处理的优点是：①具有灵活性，可以在计算机控制下快速改变发射波形,同时改变信号处理,使之与改变了的波形相匹配；②具有高的可靠性和精确性，可在只读存储器中存入合适加权，使脉冲压缩后的旁瓣极小。数字处理的缺点是对大带宽信号必须有极高的数字处理速度，解决这个问题尚存在困难。

2.对LFM信号的分析

2.1线性调频信号简介

线性调频脉冲压缩信号频率在脉冲内随时间线性变化，频带宽度为B ，脉冲宽度为T 。生成线性调频信号的关键器件是压缩滤波器，常用的压缩滤波器是声表面波色散延迟线或数字电路，其延迟时间与信号频率成线性关系。当频率随时间线性上升的宽脉冲回波经过延迟线后，由于低频部分的时延大而高频部分的时延小，回波信号经过压缩滤波器后，被压缩成脉冲宽度为1/B 的窄脉冲。压缩前后信号脉冲宽度之比为BT ，称为脉冲压缩比。由此可见，压缩后的信号脉冲宽度仅为发射信号宽度的BT 分之一，因而距离分辨力也改善了相应的数值。而压缩后的窄脉冲幅度则增大许多倍。根据雷达的不同用途，脉冲压缩比通常在数十至数百之间，有的可达数千倍。线性调频的宽脉冲在压缩为窄脉冲时，在窄脉冲前、后的距离上会产生幅度较小的窄脉冲，称为距离旁瓣。强回波信号的距离旁瓣，将干扰对邻近弱回波的检测或被当作目标。为了压低旁瓣电平，可对回波信号中不同频率的分量进行幅度加权，但这将使回波信号遭受损失，降低信号噪声比。 2.2线性调频信号生成原理

LFM 信号(也称Chirp 信号)的数学表达式为：

)

2(22

)(

)(t k t f j c e

T t rect t s +

=π（2.1）

式中c f 为载波频率，()t

rect T

为矩形信号，

11()0,t

t

rect T

T elsew ise

⎧ ,

≤⎪=⎨⎪ ⎩

B K T

=

，是调频斜率，于是，信号的瞬时频率为()2

2

c T

T

f K t t + -≤≤，如图1

图1典型的chirp 信号（a ）up-chirp(K>0)（b ）down-chirp(K<0)

将（2.1）式中的up-chirp 信号重写为：

2()()c j f t

s t S t e

π=（2.2）

当TB>1时，LFM 信号特征表达式如下：

)

(

2)

(B

f f rect k

S c

f LFM

-=

4

)

()

(πμ

πφ+

-=

c f LFM

f f

2

()(

)j K t

t S t rect e

T

π=（2.3）

对于一个理想的脉冲压缩系统，要求发射信号具有非线性的相位谱，并使其包络接近矩形；

其中)(t S 就是信号s(t)的复包络。由傅立叶变换性质，S(t)与s(t)具有相同的幅频特性，只是中心频率不同而已。 2.3LFM 信号的脉冲压缩

窄脉冲具有宽频谱带宽，如果对宽脉冲进行频率、相位调制，它就可以具有和窄脉冲相同的带宽，假设LFM 信号的脉冲宽度为T ，由匹配滤波器的压缩后，带宽就变为τ，且1≥=D T τ，这个过程就是脉冲压缩。

信号)(t s 的匹配滤波器的时域脉冲响应为：

)()(*

t t s t h o -=（3.1)

0t 是使滤波器物理可实现所附加的时延。理论分析时，可令0t ＝0，重写(3.1)式， )()(*

t s t h -=

将(3.1)式代入2.1式得:

2

2()(

)c j f t

j K t

t h t rect e

e

T

ππ-=⨯

图3 LFM 信号的匹配滤波

如图3,()s t 经过系统()h t 得输出信号()

o s t

2

2

22()

()

()()*()

()()()()()()c c o j f u

j f t u j K u

j K t u s t s t h t s u h t u d u h u s t u d u u t u e

rect e

e

rect e

d u T

T

ππππ∞

∞

-∞-∞

∞

----∞

= =

- =

-

- =

⨯

⎰

⎰

⎰