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。而对二相编码脉压信号等实信号，则用最小二乘法(LS)、线性规划法(LP)和加权失配滤波器法(WMMF)设计数字失配滤波器，在时域直接进行旁瓣抑制。处理的结果虽降低了距离旁瓣，但却导致了信噪比损失，而LFM信号的频域加权网络还使主瓣展宽。本文提出一种新的脉压旁瓣抑制体制，即匹配滤波后再取包络，然后经过旁瓣抑制滤波器抑制距离旁瓣。这样就既适用于LFM等复信号，又适用于二相编码等实信号。针对这种体制，得到了修正的旁瓣抑制滤波器设计方法。结果这种旁瓣抑制体制及相应的滤波器设计方法，在保持与常规旁瓣抑制体制相同峰值旁瓣的情况下，信噪比损失改善了0.2～4dB，且对于LFM信号，旁瓣抑制后的主瓣宽度更窄。 雷达目标回波中很大一部分为LFM信号。如SAR回波，反辐射导弹(ARM)发射初期的回波等。由于LFM为非平稳信号，经典Fourier分析不再适用，而Radon-Wigner变换非常适于分析LFM信号，但计算量很大。分数阶Fourjer变换是近几年兴起的一种新的时频分析工具，可看成Fourjer变换的推广并可用FFT实现，且信号FRFT的模平方即为其Radon-Wigner变换。
线性调频信号在雷达中的应用及仿真实现
1．本课题研究的背景、目的及意义
随着现代武器和现代飞行技术的发展，对雷达的作用距离、分辨率和测量精度等性能提出了越来越高的要求。在采用匹配滤波器实现最佳信号处理，并保证一定信噪比的情况下，雷达测量的理论精度和分辨能力均与发射信号的形式有关。距离分辨率和测距精度是由发射信号的频域特性决定的，速度分辨率和测速精度是由发射信号的时域特性决定的，因此，为了提高测距精度和距离分辨率，信号必须具有大的带宽；为了提高测速精度和速度分辨率，信号必须有大的时宽；为了保证雷达作用距离，发射信号必须具有大的发射功率，也要求信号有大的时宽。
由于常规雷达采用单一载频的脉冲调制信号，信号时宽和带宽的乘积近似为1，因此用这种信号不能同时得到大的时宽和带宽，雷达距离分辨率、速度分辨率以及作用范围之间存在着不可调和的矛盾，脉冲压缩技术的提出巧妙地解决了这一矛盾问题，发射长脉冲，对回波信号进行脉冲压缩将长脉冲变换为窄脉冲，从而在保证发射功率的情况下提升距离分辨率，采用大时宽带宽积信号，其决定检测能力、距离分辨能力、测距精度的参量可独立选取，且增强了系统抗干扰的能力。
线性调频信号是使用最广泛的一种波形，它的频率随时间线性变化。线性调频信号的优点有：由连续脉冲组成，可以用来传输数字信号、声音信号和图像信号；不受衍射数据的影响，可以远距离传输；传输范围宽等。线性调频信号的应用非常广泛，例如卫星通信、无线电高空数传控制、遥控和车载导航、广播信号、脉冲编码技术等，其在距离测量、速度测量和抗干扰等方面性能优越。
LFM信号在脉冲压缩雷达中广泛应用，利用线性调频信号具有大带宽、长脉冲的特点，宽脉冲发射提高了发射的平均功率以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来提高距离分辨率，较好地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。
10
线性调频信号的脉冲压缩处理性能研究
雷达技术
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:
>1
2. 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，
旁雷达技术线性调频信号的脉冲压缩处理性能研究11
雷达信号处理方法综述
雷达是一种广泛应用于军事、民用等领域的无线电测量技术，其本质是利用电磁波与物体相互作用的原理，通过测量反射回来的信号来确定目标的距离、速度和方位等信息。然而，由于雷达应用的复杂性和环境的多样性，雷达信号处理一直是一个极具挑战性的研究领域。本文将就雷达信号处理方法进行综述。
1. 脉冲压缩处理
脉冲压缩是一种常用的雷达信号处理方法，其本质是通过合理的信号设计和处理使得雷达信号带宽变窄，达到更好的距离分辨率。脉冲压缩技术主要包括线性调频信号、窄带信号、压缩滤波器等方法。
其中，线性调频信号是最常用的一种方法。它通过在单个脉冲内改变信号频率，使得所产生的信号包含了多个频率分量。通过对这些分量信号进行相位累积处理，就可以实现脉冲压缩。此外，窄带信号则是在设计信号时选择一个窄带频率，通过窄化带宽提高距离分辨率。压缩滤波器则是在接收端对信号进行滤波，去除绝大部分带外干扰信号。
然而，脉冲压缩技术也存在一些缺陷，比如会带来相干处理的问题，直接影响目标的信噪比等。因此，在实际应用中，通常需要结合其他信号处理技术进行综合应用。 2. 相控阵信号处理
相控阵技术是一种基于阵列天线的信号处理方法，它在空间领域实现对目标信号的精确定位、较高灵敏度和干扰抑制能力等优点。相控阵技术的信号处理方法包括平衡传输子阵列、权重调整和波束形成等。
平衡传输子阵列是一种常用的相控阵信号处理方法，它通过对每个阵元的接收信号进行平衡处理，保证每个天线之间的插入损耗差异相同，从而消除了阵列天线的失配影响。权重调整则是在信号接收过程中对每个天线的信号进行加权，以达到方向剖面控制和干扰抑制的目的。波束形成是指通过迭代算法对参数进行优化，从而实现波束指向和形成的过程。
3. 非相参信号处理
非相参信号处理技术是近年来迅速发展的一种信号处理方法，它不需要相位信息，只利用信号幅度和功率等信息来获取目标信息。非相参信号处理技术主要包括多普勒谱分析、阵列信号处理和小波变换等方法。
