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word版本hslogic雷达基本原理
雷达是集中了现代电子科学技术成就的高科技系统。
目前,雷达已经成功地应用于地面、舰载、机载等各个方面。
近年来,雷达应用己经向外层空间发展,出现了天基雷达。
随着时代的发展,雷达在军用和民用等多方面都起着越来越重要的角色。
各国纷纷投入大量的人力物力,借助现代电子科技的不断进步来发展自己的雷达技术,使雷达技术和理论得到了迅猛的发展。
但根据雷达的分辨理论,雷达的精度和其分辨力无法同步提升,只有当发送信号有大带宽的时候,才能得到较高的测距精度和较强的距离分辨力。
但根据雷达的理论公式,信号的带宽,时宽和能量的乘积和为一,同时获得较大的带宽和较大的时宽在理论是不可能的。
针对这个问题,发展出了脉冲压缩技术,脉冲压缩技术对接收到的宽脉冲信号进行压缩处理,即通常所说的雷达脉冲压缩信号处理,从而得到窄脉冲。
在本质上,雷达脉冲压缩技术是对雷达接收机收到的回波信号进行匹配滤波,得到抗干扰能力强,且不降低雷达的距离分辨能量的信号。
脉冲压缩能这是通过对射频载波进行编码以增加发射波形的带宽,然后再对接收回波波形加以压缩后完成的。
这样既可以达到宽脉冲雷达系统的检测能力,又能保持窄脉冲系统的距离分辨力。
1.1.2课题研究意义
雷达信号的脉冲压缩技术是对接收机接收到的回波信号通过匹配滤波器来进行匹配滤波处理,处理的前提是信号是已知的,这样不仅可以提高系统的抗干扰能力,而且提高了雷达雷达的分辨力。
从而有效地解决了距离分辨力和作用距离之间不可同时到达最大值的矛盾。
为了提高雷达的测量精度和分辨能力,要求回波信号具有较大的时宽—带宽积。
而在理论上,脉冲信号的时宽—带宽积近似为1,因此大时宽和大带宽无法同时得到。
在匹配滤波理论的指导下,首先发展出了线性调频技术,即线性调频脉冲压缩技术。
通过对宽脉冲内附加线性调频,获得大时带积信号。
之后由于线性调频脉冲压缩的缺陷,又发展出了非线性调频脉冲压缩和相位编码脉冲压缩技术。
到了八十年代后,随着数字电子技术的飞速发展,数字产生和处理技术因其突出的优点成为新研制系统的首选方案。
因此本课题研究大时宽-带宽积的脉冲压缩系统,具有十分重要的工程意义和良好的应用前景。
本课题主要将研究线性调频脉冲压缩技术,非线性调频脉冲压缩技术以及相位编码脉冲压缩技术。
1.2脉冲压缩技术的发展情况
1.2.1脉冲压缩技术优势
脉冲压缩技术具有如下几个优点:
·改善雷达的分辨力和检测能力。
大时宽带宽信号使得雷达具备了探测远距离、高分辨力。
·宽脉冲的发射避免了产生高峰值功率信号,降低了对雷达发射机峰值功率的要求。
·采用脉冲压缩技术增加雷达的平均功率,减少了雷达的模糊距离。
·增强了系统的抗干扰能力。
脉冲压缩雷达发射端可以采用不同的调制波形,接收端采用不同的匹配滤波器,减少了雷达之间的相互干扰。
·脉冲压缩技术为目标识别雷达提供了一种新的方法。
为了能够识别目标,只用距离、方位和速度信息是不够的,脉冲压缩技术使得雷达具有更高的分辨力,适用于测绘和目标成像的应用场合。
脉冲压缩已成为现代雷达广泛应用的一种体制。
1.2.2脉冲压缩技术的发展
脉冲压缩技术是匹配滤波和相关理论的实际应用,一般采用相关技术实现脉冲压缩,因此脉冲压缩网络就是一个匹配滤波器。
脉冲压缩概念出现于上世纪四十年代,由于技术上的实现困难,直到上个世纪60年代初才开始用到雷达中来。
70年代以来,由于理论上的成熟和技术的实现手段日趋完善,使得脉冲压缩技术能广泛的用到雷达中来。
经过几十年的发展,脉冲压缩技术无论在信号形式还是在处理技术上都得到了很大的发展。
到目前为止,脉冲压缩信号形式已有很多。
到目前为止,脉冲压缩可以采用线性调频(LFM)、非线性调频(NLFM)、相位编码(PSK)、频率编码(FSK)和极化编码等方式。
但应用最广泛的是线性调频脉冲压缩和相位编码脉冲压缩。
本文将重点讨论线性调频,非线性调频和相位编码三种脉冲压缩技术。
线性调频信号是于1945年提出的,是研究最早、应用最广泛的一种脉冲压缩信号。
在线性调频信号的脉冲宽度内,信号的频率将随时间作线性变化。
线性调频脉冲压缩信号的最大优点是匹配滤波器对信号的多普勒频率偏移不敏感,即当存在频偏的时候,对线性调频脉冲压缩的性能影响不大,大大简化了信号处理系统。
但线性调频信号匹配滤波器输出响应的旁瓣较高,为了压低旁瓣,常采用加权处理,但这样又会使主瓣展宽、系统的灵敏度降低。
非线性调频的概念首先于1959年提出。
非线性调频信号是信号的频率随时间做非线性变化,它的最突出的优点是用匹配滤波器进行压缩时,可以得到较低的旁瓣而无需加权处理,因而避免了由加权引起的信噪比损失。
这样一来,既得到了压缩后的低旁瓣,又避免了主瓣的展宽,从而避免了信噪比损失。
但其为多普勒敏感信号。
相位编码脉冲压缩是将具有固定宽度的一个长脉冲,平均分成N个宽度为
的子脉冲,子脉冲的相位按方式得到,使每个子脉冲具有不同的初始相位。
当相位为0和
的时候,称为二相编码,当出现其他情况的时候,称为多相编码。
其中二相编码具有良好的邻近目标的距离分辨力和速度分辨力,因此具有一定的应用价值。
1.2.3实现脉冲压缩的关键技术简介
脉冲压缩的关键技术就是寻找有效的大时带积信号的产生方法。
最早科学家采用的是分离元件,通过分离原件构成全通移相网络,但是这种方法比较复杂,硬件成本也比较高。
到了七十年代,业界成功研制了声表面滤波器件,是一种各项性能都有很大改进的时域抽头延迟线,在脉压系统中获得了比较广泛的应用。
进入八十年代后,数字处理技术成为新研制系统的首选方案。
实现脉冲压缩技术的最为重要的技术就是压缩处理技术,其中压缩处理技术的基础是匹配滤波。
脉压信号经匹配滤波器压缩后的输出,当除了主窄脉冲外,还存在大小不一的副峰,即旁瓣。
在检测多目标环境的时候,强回波的产生的旁瓣很可能掩盖或者混淆弱回波的主峰,这样就会影响雷达的性能,因此降低压缩输出中的峰值旁瓣电平,是脉冲压缩的重要内容。
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
2.1.1匹配滤波
匹配滤波(matchedfiltering)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
,其中已知的雷达信号为
,噪声信号为
。
那么有
(2.1)
其中雷达信号
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。
(2.2)
(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:
(2.4)
其中滤波器对
的响应函数
的表达式为:
(2.5)
再假设滤波器的输出信号成分在
时刻会得到一个峰值,那么输出信号的峰值功率为:
(2.6)
此外,噪声的平均功率为:
(2.7)
因此可以得到信噪比:
(2.8)
当式2.8满足信噪比最大值的时候,则有:
(2.9)
转换为时域,则有
(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。
满足这种关系的线性滤波器,称之为匹配滤波器。
匹配滤波器的在数学上的运算作用就是对输入信号s(t)做相关运算。
在
时刻,信号各频率分量同相叠加,得到最大输出值,其输出值的大小只与信号能量有关。
通过上面的分析可知,所谓的最优滤波器,实际上都是在某个准则下的最优。
匹配滤波器对应的最优的准则是输出信噪比(SNR)最大。
而且还有一个前提条件是在白噪声背景下。
匹配滤波器在很多场合有应用,本课题的雷达信号脉冲压缩技术中匹配滤波器是一个核心功能模块,在MATLAB中仿真,可以得到匹配滤波前后的仿真效果图如图2.1所示。
图2.1雷达信号进入匹配滤波器前后对比仿真图
从上面的仿真可以看到,当信号通过匹配滤波器之后,信号的在某一时刻会产生一个最大值,这个最大值就是滤波器的输出值,其胖瓣会产生明显的衰减现象。
通过匹配滤波之后的雷达信号,由于对其进行目标的跟踪与搜索。
通过上面的理论分析和仿真可以知道,匹配滤波器具备如下的特征:
一方面,从幅频特性来看,匹配滤波器和输入信号的幅频特性完全一样。
这也就是说,在信号越强的频率点,滤波器的放大倍数也越大;在信号越弱的频率点,滤波器的放大倍数也越小。
也就是说,匹配滤波器是让信号尽可能通过,而不管噪声的特性。
另外一方面,从相频特性上看,匹配滤波器的相频特性和输入信号正好完全相反。
这样,通过匹配滤波器后,信号的相位为0,正好能实现信号时域上的相干叠加。
而噪声的相位是随机的,只能实现非相干叠加。
这样在时域上保证了输出信噪比的最大。
实际上,在信号与系统的幅频特性与相频特性中,幅频特性更多地表征了频率特性,而相频特性更多地表征了时间特性。
匹配滤波器无论是从时域还是从频域,都充分保证了信号尽可能大地通过,噪声尽可能小地通过,因此能获得最大信噪比的输出。
2.1.2模糊函数
在雷达理论中,模糊与分辨是两个既有联系又有区别的概念。
对多个目标来说,模糊就是不能分辨。
雷达的分辨力取决于模糊图中心主瓣的宽度。
雷达模糊度不仅考虑主瓣宽度,还考虑模糊图旁瓣的影响。
因此,在研究雷达分辨理论之前,首先要明确一个概念,这就是模糊函数的概念,这个是雷达分辨理论的基础。
首先建立雷达回波信号的点目标模型:
(2.11)
其中发射信号包络为u(t),窄带信号为s(t)。
那么,目标在斜距R(t)上引起回波信号Sr(t)相对发射信号s(t)延时
,那么Sr(t)为
(2.12)
可以得到回波延时表达式:
(2.13)
于是2.12变为有
(2.14)
现再假设有两个回波
和
,设其延迟和多普勒频移分别为
,
和
,
。
那么根据式子2.14就会有:
(2.15)
(2.16)
显然,两个回波信号之间的差别越大就越容易分离,我们一般使用方差来表示两个信号的差别,其方差值为:
(2.17)
(2.18)
根据2.18来定义一个函数:
(2.19)
其频域变化式为:
(2.20)
是决定邻近目标的距离和多普勒联合分辨力的唯一因素,并给出均方差的一个保守估计。
愈大,则
扩愈小,对目标难以分辨,或称其模糊。
因此
就是所谓的模糊函数。
以上是得到模糊函数的理论推导,下面通过MATLAB仿真给出一个比较直观的模糊函数说明。
通过仿真,其模糊函数如下所示:
图2.27位巴克码线性调频的模糊函数仿真效果图
以上是7位巴克码线性调频的模糊函数。
2.1.3雷达分辨力理论
雷达区分邻近目标的能力。
脉冲雷达的分辨能力分为距离分辨力、角度分辨力和速度分辨力以及联合分辨力等。
这里重点介绍雷达的距离分辨力和速度分辨力。
距离分辨力:
雷达在距离上区分邻近目标的能力,通常以最小可分辨的距离间隔来度量。
雷达距离分辨力约为c/(2B)。
c为光速;B为雷达信号带宽。
雷达脉冲宽度若为1微秒,在无脉内调制时信号带宽为1兆赫,则距离分辨力约150米;有100兆赫的脉内调频时,信号带宽相应增大为100兆赫,则距离分辨力约为1.5米。
速度分辨力:
雷达在径向速度上区分目标的能力。
雷达的速度分辨力取决于雷达工作波长λ和相干信号处理器的积累时间T,约为λ/(2T)。
例如,一部工作在5厘米波长的雷达,相干积累时间为250毫秒,则速度分辨力约为0.1米/秒。
下面重点讨论这两种分辨力,根据模糊函数,对于距离分辨率,取
,得到聚类模糊函数:
(2.21)
提高分辨力的要素是使
随
的增加而迅速减少。
对式2.21进行幂级数展开得到:
(2.22)
信号能量E归一化,则有近似公式:
(2.23)
信号参数
十分重要,增大
是提高分辨力的途径。
称为信号的等效带宽。
(2.24)
在通常情况下,通过加大脉冲宽度来提高平均功率将降低距离分辨力,而脉冲压缩技术采用的是通过脉内附加调频的方法,扩展信号等效带宽,对信号作匹配滤波,输出压缩后的窄脉冲,从而提高了宽脉冲信号的距离分辨力。
对于速度分辨率,取
,则有
(2.25)
在频域表示成:
(2.26)采用与距离维分析相同的级数展开处理有:
(2.27)
速度分辨力:
(2.28)
信号的时间结构决定了速度分辨性能。
以上讨论了雷达的距离分辨力和速度分辨力,但在实际中,雷达的分辨力是两者同时作用的结果。
即分辨力是通过两个或多个因素共同决定的,这个就被称之为联合分辨力,这里所讨论的速度-距离是一种较为简单的联合分辨力。
对模糊函数进行(0,0)展开。
(2.29)
取:
(2.30)
S愈小,分辨力愈好,因此从速度和距离联合分辨的角度出发,具有“图钉”型模糊函数的信号,对测距和测速分辨力和精度有利。
2.1.4恒虚警率处理
雷达信号的检测是在干扰的环境中进行的。
通常情况下,存在的干扰主要包括热噪声,起伏的山丘、高大的建筑等反射的回波,这些回波进入接收机,也会引起干扰。
这些干扰都会造成虚警率的变化。
这是在雷达信号接收中应该尽量避免的问题,因此,需要通过恒虚警率处理,在存在干扰的环境中稳定虚警率。
信号的恒虚警率检测,就是在干扰强度变化的情况下,信号经过恒虚警率处理,使虚警率保持恒定。
雷达系统中,系统噪声会随系统特性的不同、接收机增益大小等而变化,各种强度的不同杂波的干扰不可避免,为此,需要采用包括恒虚警率处理在内的信号处理技术。
仅从信号检测的角度考虑,必须采取使虚警概率保持恒定的措施-恒虚警率处理技术,以实现恒虚警率处理。
因此,恒虚警率是雷达信号处理设备的一个重要的技术指标。
目前常用的雷达信号恒虚警率处理可分为两类,即慢门限处理和快门限处理。
这里通过产生一个带热噪声和杂波的信号做测试,其仿真图如图2.3所示。
图2.3快门处理和慢门处理后的效果对比仿真图
通过仿真可以看到,慢门限处理主要适用于热噪声环境,快门限处理则适用于杂波干扰环境。
2.1.4正交插值介绍
在信号处理领域中,对接受到的高频信号进行正交相干检波十分重要的,它保留了信号复包络的所有信息,广泛应用于雷达电子系统中。
一般情况下,接收到的中频信号可以表示为:
(2.31)
其中
I(t)与Q(t)分别称为信号复包络的同相正交分量。
实信号r(t)的正负频谱共扼对称,其单边频谱就包含了r(t)的所有信息,为此将实信号频谱左移f0(载频),用低通滤波器滤除-2f0分量,就得到复包络
的频谱,这样在对复包络信号采样时就能保证频谱不发生混叠。
正交插值需要有AD器件具有较高的采样率,并且为了保证频谱不发生混叠,采样率fs与载频f0需要满足以下关系:
(2.32)
通常情况下选择
(2.33)
通常情况下正交插值常用如下几种方法操作,包括低通滤波法、插值滤波法、频域方法及多相滤波法,这里就不具体介绍了。
2.2雷达脉冲压缩简介
脉冲压缩技术是指对宽脉冲信号进行调制,这种调制包括线性调频,非线性调频以及相位编码等多种方式,然后在接收端对回波宽脉冲进行脉冲压缩,最后得到窄脉冲的过程。
脉冲压缩有效地解决了雷达作用距离与距离分辨率之间的矛盾,可以在保证雷达在一定作用距离下提高距离分辨率。
其中线性调频信号是最容易产生的一种脉压信号,关于它的研究开始的最早。
其最大的优点是匹配滤波器对回波信号的频率偏移的不敏感性,当回波信号有较大的多普勒频率偏移的时候,匹配滤波器仍能起到起初的脉冲压缩作用。
这个特点使系统设计变得非常的简单,但是LFM也存在着较大的缺点,由于线性调频信号的匹配滤波器输出响应的旁瓣较高,通常情况下,旁瓣大小达到了主峰的-13.2dB,这对系统的性能将会产生较大的影响,因此为了压低旁瓣,通常需要在匹配滤波之后加入一个加权网络,即所谓的旁瓣抑制加权网络,但是同样导致另外一个问题,即信号能量损失,信噪比(SNR)下降,等效带宽变窄引起主瓣展宽等缺陷,进而降低了雷达系统的距离分辨力。
在较为严格的雷达应用情况下,线性调频技术就显得无法满足需求。
非线性调频信号是在线性调频信号的基础上实现,其主要实现过程为改变发射信号的频谱,使其在匹配滤波器的脉冲压缩的输出得到较低的旁瓣,而整个过程不需要加权网络的配合。
虽然其系统设计比较复杂,但随着数字电子技术的发展,NLFM信号的产生和处理变得比以前更为容易,因此,NLFM信号正广泛应用于现代雷达系统中。
给定雷达系统的距离分辨力为:
(2.34)
发射波形带宽
,则有
(2.35)
而在脉压系统中,首先对发送端的波形的相位频率进行调制,然后在接收端对回波信号进行压缩,使其等效带宽满足等式:
B=Δf>>1/T。
令脉冲压缩后的有效脉冲宽度τ=1/B,则
(2.36)
由此可见,脉压雷达可用宽度为T的脉冲来计算得到,相当于发射脉冲的有效宽度为τ的简单脉冲系统。
则脉冲压缩比为:
(2.37)
由
,则
。
即压缩比等于信号的时宽-带宽积。
在许多场合,脉冲压缩系统常用其时宽-带宽积来衡量。
对于大时宽带宽积信号的需求的不断发展,使基于匹配滤波器的脉压技术得到了广泛的发展。
首先对信号能量进行归一化,便可得到信号的等效时宽
和等效带宽
分别为:
(2.38)
(2.39)
其中,u(t)和u(f)分别为信号的复包络及其频谱函数,u’(t)和u’(f)分别为信号的复包络及其频谱函数的一阶导数。
将信号的复包络u(t)和频谱函数U(f)分别用幅度和相位函数写为:
(2.40)
(2.41)
分别代入等效时宽
和等效带宽
中,可以得到
(2.42)
(2.43)
可增大信号的等效时宽,提高速度分辨力;但线性相谱函数只能移动时间,不能改变等效时宽。
对信号进行调幅或调相,可以增大信号的等效带宽,提高距离分辨力;但线性相位调制函数只能移动载频而不能改变等效带宽,只有非线性相位调制才能增大等效带宽。
在对回波信号作检测处理时都采用匹配滤波技术,在匹配滤波器的作用下,滤波器输出端可获得具有尖锐主瓣的、压缩了的窄脉冲,从而使宽脉冲信号的距离分辨力得到提高,因而脉冲压缩技术较好地解决了作用距离和分辨能力之间的矛盾。
2.3本章总结
本章主要介绍了雷达信号处理的几个基本理论知识,主要涉及到匹配滤波器,模糊函数,正交内插处理技术,并对几个关键技术进行了MATLAB仿真,在本章的第二部分,还初步介绍了雷达信号的脉冲压缩技术,介绍了常用的三种脉冲压缩技术——线性调频脉冲压缩(LFM),非线性调频脉冲压缩(NLFM)以及相位编码脉冲压缩。
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