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综合脉冲与孔径雷达的脉冲综合处理及其实现.pdf

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上传者: xl46512 2012-05-08 评分 0 0 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《综合脉冲与孔径雷达的脉冲综合处理及其实现pdf》,可适用于IT/计算机领域,主题内容包含西安电子科技大学硕士学位论文综合脉冲与孔径雷达的脉冲综合处理及其实现姓名:雷刚申请学位级别:硕士专业:信号与信息处理指导教师:赵永波摘要综合脉冲与孔符等。

西安电子科技大学硕士学位论文综合脉冲与孔径雷达的脉冲综合处理及其实现姓名:雷刚申请学位级别:硕士专业:信号与信息处理指导教师:赵永波摘要综合脉冲与孔径雷达(SIAR)是一种新型米波稀布阵体制雷达。它采用稀布阵列天线通过各个阵元全向发射正交频率编码信号以使得各向同性照射在接收端通过DBF和发射脉冲综合以形成接收与发射双程方向图。本文结合实际科研项目研究了SIAR的脉冲综合处理及其工程实现。本文首先从数字脉冲压缩技术、SIAR的基本原理、SIAR的脉冲综合(时空三维匹配滤波)、SIAR的DBF、SIAR的波形设计等方面对项目中应用到的理论知识做了详细的介绍、分析和仿真并由以上的分析得出了合适的脉冲综合参数然后从科研项目的需求出发设计出了一款基于TigerSHARC(ADSP.TSl)的通用雷达信号处理板并在其上完成了“某舰载雷达信号分系统"的数字波束形成、数字脉冲压缩、脉冲综合部分的软件开发工作。同时在文中对这些模块实现过程中的数据处理流程、数据处理时序进行了详细的说明和分析最后给出了仿真结果与工程实验的结果的对比。关键词:SlAR脉冲综合脉冲压缩波形设计TSlAbstractSyntheticImpulseandApertureRadar(STAR)isanewtypeofradarusingmetricwavelengthandsparsearray.TheoutstandingfeatureofSIARiSisotropicradiationbyadoptingorthogonalfrequencycoding(syntheticpulse)andmultipleantennas(syntheticaperture).Itstransmittingbeamisformedbythepulsesynthesisanditsreceivingbeamisformedbydigitalbeamforming(DBF).CombiningwitharesearchprojcotpulsesynthesisprocessandimplementationofSIARiSstudiedinthisthesis.Firstly,thetheoreticalknowledgeappliedtotheprojectincludingthedigitalpulsecompressiontechnology,thebasicprincipleofSIARthepulsesynthesis(spacetimeDmatchedfiltering)theDBFandthedesignofwaveformofSIAR,aregivenbydetailedintroductionanalysisandsimulationThereasonablepulsecomprehensiveparameterisgivenoutbytheaboveanalysisresultThenconsideringtheneedofscientificresearchakindofradarsignalprocessinggeneralboardbasedonTigerSHARC(ADSPTS)isdesigned.Combiningwiththisboardthesoftwaredevelopmentofdigitalbeamformingdigitalpulsecompressionandpulsesynthesisof“ashipborneradarsignalprocessingsubsystem”isfinishedMeanwhilethedataprocessingflowandthedataprocessingtimingsequenceofthesemodulesarecardedbydetailedexplanationandanalysis.Finallythecontrastbetweenthesoftwaresimulationresultandtheprojectexperimentalresultisgivenout.KeyWords:SlARPulseSynthesisPulseCompressionDesignofwaveformTSIOI创新性声明秉承学校严谨的学风和优良的科学道德本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。申请学位论文与资料若有不实之处本人承担一切的法律责任。本人签名:日期上掣上丛L关于论文使用授权的说明本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定即:研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件允许查阅和借阅论文.学校可以公布论文的全部或部分内容可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。日期兰:三:丝日期趋!皇::垒第一章绪论第一章绪论.论文产生的背景及意义现代武器和空间飞行器技术发展迅猛对作为其应对措施的雷达技术的性能指标也提出了越来越高的要求。特别是随着雷达“四大威胁”隐身技术、反辐射导弹(ARM)、综合电子干扰(ECM)和低空突防技术高速发展尤其是西方国家飞机隐身技术的登场与高速更新换代反隐身技术应运而生并快速发展且得到了世界各国的普遍重视传统的雷达已解决不了这些问题难以应付这些挑战必须寻找新的对抗措施。为了使隐身目标仍然能被雷达所发现一种直观的想法就是通过增大发射信号的能量、降低接收机噪声系数、提高天线增益和面积等来补偿因目标RCS减小而引起的作用距离下降这样就可以保持原有的探测距离。虽然这种方法理论上是可行的但是它默认了RCS下降这一事实并且用这些传统的方法来弥补RCS的下降需要付出高昂的代价。目前积极的反隐身雷达的机理都是从隐身飞行器的逆推中寻求窗口要么能抑制隐身飞行器RCS的明显下降要么能将大幅度提高雷达的灵敏度。我们知道目标RCS不仅取决于其自身的结构、外形和材料同时还与雷达的工作频率、极化方式、目标对电磁波的空间散射等特性有关从这些方面入手人们提出了一系列的抑制目标RCS明显下降的新体制雷达。然而在众多可能的反隐身技术途径和措施中米波雷达以其特有的反隐身性能越来越受到重视和青睐。目前应用于飞行器隐身技术的措施主要有四种:外形设计、阻抗加载、吸收材料涂层和吸波透波材料。而这些技术已普遍被认为主要是针对厘米波雷达而对波长较长的电磁波(如米波)的作用很小。因为目标的RCS与雷达工作波长兄存在关系:RCS=n,羟取决于目标的几何形状隐身飞行器的鼻锥部常采用低后向散射的棱边形或尖锥形对这两种几何结构万分别取值和。所以米波段(MHZ)I::",S波段(MHZ)的RCS将增加~dB探测距离将增加.~.倍。同时因米波是飞机等的机架共振区阻抗加载一般也无法实施。吸波涂层受频率特性的限制目前的有效频率为GHz且涂层厚度一般应为波长的/~/对米波来说则需要十厘米级厚的涂层因此吸波涂层对工作波长较长雷达不会形成有效威胁。结构型吸波透波材料因其频响特性的限制对米波的作用也不大。可见米波波段确实具有良好的反隐身性能。综合脉冲与孔径雷达的脉冲综合处理及其实现虽然米波频段具有极好的反隐身性能但是米波雷达在角分辨率、低空性能、抗干扰和探测多目标等方恧存在先天的缺陷所以近些年米波雷达的研究成为了一个热点但往往都是对传统系统的改进。只有法国国家宇航研究局于上世纪年代末提出的“RIAS”方案是一种崭薪的四维(距离、方位、仰角和速度)多功能(警戒和跟踪)雷达系统方案。RIAS是综合脉冲与孔径雷达的法文缩写而对应的英文缩写则为SIAR(SyntheticImpulseandApertureRadar)。直到年代初法国国家宇航局才与汤姆逊公司合作成功研制出该系统的样机。SIAR是利用数字技术综合形成天线波束与测距脉冲的雷达。它的发射与接收天线阵元分布在较大的区域内单元间隔远大于半波长称为稀布阵。每个发射阵元连接一个相参发射功率放大模块每个接收单元连接一个相参接收前端模块。在阵中设有信号发生器与信号处理器向各发射功率放大模块输出低功率相参发射信号又从各接收前端模块汇集接收到的回波信号并做综合处理。各发射天线阵元全向均匀发射等幅、相参宽脉冲信号各接收天线阵元则全向接收目标回波信号由接收前端模块放大和数字化后送到信号处理器进行数字信号处理和脉冲综合包括对各接收单元的回波信号总和进行频率分离、相位调整、相加求和等。调相与求和的过程相当于在空间形成有方向性的发射波束调相求和后得到的合成回波信号也被压缩成一个窄脉冲脉宽压缩比于发射阵元的个数这就是“综合孔径"和“综合脉冲"名称的由来。接收信号处理器还采用数字波束形成技术形成有方向性的接收波束。发射天线阵的波束与接收天线阵的波束在空间指向一致并滞留~定时间使回波信号的能量积累起来从而提高了雷达的检测性能。综合脉冲孔径雷达在综合形成多个波束搜索和探测空中多个目标的同时还能对目标进行距离、方位、仰角和多普勒频率(目标径向速度)四维跟踪。因此综合脉冲孔径雷达虽然是全向发射但与定向发射的常规雷达相比仍然具有同等甚至更强的探测目标能力。有关SIAR的基本原理、SIAR脉冲综合的波形设计等问题将在本文的第三章中详细介绍。要详细的介绍SIAR我们不得不了解一些脉冲压缩的知识。脉冲压缩是现代雷达中重要的信号处理技术的一部分。为增加雷达系统的检测能力要求增大雷达发射的平均功率在峰值功率受限时要求发射脉冲尽量宽而为提高系统的距离分辨力又要求发射脉冲尽量窄提高雷达距离分辨力同增加检测能力是一对矛盾。通常解决的方法是在发射机端发射时间展宽了的信号信号内部进行必要的调制在接收端通过时延滤波器处理而产生窄的时间脉冲这一过程称为脉冲压缩。脉冲压缩能有效地解决分辨力同平均功率间的矛盾。由于SIAR的脉冲综合处理实质上也是一种“脉冲压缩"通过脉冲压缩体制采用的各种不同的调制方式来增大信号的带宽获得大的时宽带宽积信号这样能保证具有较高距离分辨率的同时可以发射较宽的脉冲而增大系统的平均发射功率同时加大各发射信第一章绪论号的频谱从而使整个发射信号的频谱连续而且不需要使用过多的阵元个数。所以结合普通脉冲压缩信号来进行波形设计有望解决SIAR脉冲综合在疋Af>l情况下由于频谱不连续而产生的距离栅瓣问题。所以我们将首先在第二章中对脉冲压缩技术进行详细的介绍。.研究历史和发展状况仔细对比我们会发现SIAR与现今的研究热点MIMO(Multipleinputandmultipleoutput)雷达本质是相同的只不过前者是通过频率编码来实现各发射信号相互正交而后者是通过相位编码来实现各发射信号的相互正交。对于采用了MIMO思想的SIAR在国外法国于二十世纪七十年代提出九十年代在实验系统上得到验证。在国内西安电子科技大学与中电科技集团所经过“八五”及“九五”的研究成功研制了“稀布阵综合脉冲与孔径雷达实验系统”并在年获得了国家科技进步二等奖。目前在国内外SIAR作为一种有效的米波反隐身新体制雷达理论研究已经相当成熟也开发出了一批试验系统但是SIAR在实际系统中应用还不多。本文结合西安电子科技大学雷达信号处理重点实验室与某单位的“某舰载雷达实验阵信号处理分系统"合作项目从工程上对SIAR的应用做出了有益的探索。项目目前已接近尾声该系统的成功应用将会对提高我国雷达系统(尤其是米波雷达系统)的性能具有重要的作用。这些研究具有十分重要的理论价值和实践价值为增强国防能力推动我国新一代高性能雷达的研制具有重要的参考价值。.论文的内容和安排本文针对“某舰载雷达实验阵信号处理分系统"中自适应数字波束形成与脉冲综合或脉冲压缩分系统的实现部分进行论文的安排。由于该雷达系统中存在相位扫描和综合脉冲两种工作方式所以本文从这两种工作方式出发对在这两种工作方式下应用到的一些理论知识进行了详细的讨论这些理论知识包括数字脉冲压缩技术、脉冲综合与孔径雷达的基本原理、SIAR的接收数字波束形成、SIAR脉冲综合的波形设计等。并作了较为详细的推理、仿真、分析然后在一款基于TigerSHARC(ADSPTSl)的通用雷达信号处理平台上实现了上述功能模块。文中给出了分系统设计中的一些关键步骤以及实现的方法并对分系统的数据处理流程和时序设计进行了详细的介绍最后给出了仿真结果与工程实践结果的对比。第二章里介绍了现代雷达常用的数字脉冲压缩技术(对应雷达相位扫描工作方式)介绍了几种常用的脉冲压缩信号包括:线性调频信号、相位编码信号。综合脉冲与孔径雷达的脉冲综合处理及其实现第三章里介绍了综合脉冲与孔径雷达的基本原理(对应雷达综合脉冲工作方式)对其发射信号的特殊性进行了描述然后对其发射波束综合进行了概述。随后讨论了S认R的接收DBF和SIAR脉冲综合在发射信号等带宽和非等带宽两种情况下的波形设计问题。最后给出了不同参数下SIAR脉冲综合的计算机仿真结果。这一章是本文的理论基础。第四章里介绍的是“某舰载雷达实验阵信号处理分系统"的数字波束形成与脉冲综合(压缩)部分的工程实现。这一章是本文的重点章节。首先介绍了为实现该项目开发出的一款通用雷达信号处理板然后介绍了基于该信号处理板的DBF与脉冲综合(压缩)部分的软件算法的实现最后给出了工程实践的结果。第二章数字脉冲压缩技术第二章数字脉冲压缩技术.引言随着作为对空警戒雷达目标的各种飞行器技术的发展雷达的作用距离、分辨能力和测量精度等性能指标必须得到相应的提高。根据《雷达原理》中有关作用距离的分析已知当噪声功率谱密度一定时对信号而言的雷达检测能力取决于信号能量E。而对于简单的恒定载频矩形脉冲信号其信号能量为峰值功率与脉冲宽度的乘积即E=P。于是通过加大信号能量以增加雷达的作用距离可以考虑两条解决途径:提高峰值功率只或增大脉冲宽度r。由于只的提高受到发射管最大允许峰值功率和传输线功率能量等因素的限制因此考虑在发射机最大允许平均功率的范围内增大脉冲宽度f。对恒定载频单脉冲信号f的增大等效为信号带宽的减小。这尽管有利于测速精度和速度分辨力的提高但却使得距离分辨力及测距精度变差。按雷达信号的分辨理论在保证一定信噪比并实现最佳处理的前提下测量精度和分辨力对信号形式的要求完全一致:测距精度和距离分辨力主要取决于信号的频率结构它要求信号具有大的带宽而测速精度和速度分辨力取决于信号的时间结构它要求信号具有大的时宽。综合之理想的雷达信号应具有大的时宽带宽乘积。大时宽不仅保证了速度分辨而重要的也是提高探测距离的手段大带宽则是距离高分辨的前提。而上述单载频脉冲信号的时宽带宽积近似为即其同时的大时宽和大带宽不可兼得。也就是说若使用这种信号测距精度和距离分辨力同作用距离以及测速精度和速度分辨力(如果需要测速的话)之间存在着不可调和的矛盾【l卅。为解决这一矛盾必须采用具有大时宽带宽乘积的复杂信号形式。脉冲压缩口C)体制能够较好地解决探测能力与距离测量精度(分辨力)之间的矛盾并且具有潜在的抗干扰能力。用作脉冲压缩处理的网络实质上就是白噪声干扰假设下的一种匹配滤波器。完整的脉冲压缩技术应包括产生时宽带宽积大于的特殊调制发射脉冲波形和为获得窄脉冲而对接收脉冲进行的相位匹配处理两个过程。已经得到应用的特殊波形有:线性调频(LFM)信号、非线性调频(NLFM)信号、相位编码(PSK)信号和频率编码(FSK)信号等其中以LFM和PSK用的较多且PSK又可分为二相码和多相码。这些不同调制方式的特殊脉冲信号各具有一些优良特性如线性调频信号(LFM)是一种典型的脉冲压缩信号也是研究最早而又应用综合脉冲与孔径雷达的脉冲综合处理及其实现最广泛的一种脉冲压缩信号。它具有容易产生、处理简单、对目标回波信号多普勒频移不敏感技术较成熟等优点。非线性调频信号(NLFM)的突出优点是不需要加权就能获得较好的副瓣抑制性能而且没有信噪比损失。由于NLFM信号的产生及处理比较困难早期雷达系统中很少采用随着DDS技术及VLSI技术的发展它才得以广泛使用。相位编码信号在编码上比较灵活由数字电路实现容易较易满足现代雷达波形捷变的要求【。不管是LFM还是PSK信号在通过匹配滤波器后在获得所需的窄脉冲的同时不可避免地在此窄脉冲(成为主瓣)两侧会出现幅度低于窄脉冲的一系列所谓距离旁瓣。距离旁瓣的存在将模糊邻近目标的分辨力降{gzd"信号检测能力并造成虚警率上升。因此脉冲压缩处理的关键技术之一是旁瓣抑制。这一般可用加权处理重新设计匹配滤波器或用专门的旁瓣抑制器级联原匹配滤波器的方法来解决。所谓加权类似于数字信号处理作离散频谱分析时为降低谱泄漏而使用的加窗技术。这里是要将匹配滤波器的频率响应乘上某些适当的窗函数如汉宁窗、海明窗、布莱克曼窗等。.数字脉压实现方法数字脉冲压缩技术的实现可以分为时域实现和频域实现时域实现是通过滤波器进行卷积完成频域实现是通过频域点乘再逆变换r:FT)来完成。~般来讲对于大时宽带宽积信号用频域实现较好对于小时宽带宽积信号用时域实现较好。但是随着各种高速DSP芯片和各种专用FFT芯片性能价格比不断提高在实时性要求较高的情况下对于大时宽带宽积信号来说频域脉压的优越性非常明显。..时域卷积法实现数字脉压时域脉冲压缩的过程是通过对接收信号s()与匹配滤波器脉冲响应hq)求卷积的方法实现的。根据匹配滤波理论厅(f)=s(t。一f)即匹配滤波器是输入信号的共轭镜像并有相应的时移“。从物理概念上理解因为输入信号的各频率分量在某些频率上较强在另一些频率上较弱而噪声频谱假定是均匀的。滤波器对不同频率的分量进行加权使信号分量强的地方增益大信号弱的地方增益小结果在输出端相对地加强了信号而减弱了噪声的影响。用数字方法实现时输入离散信号为s伽)其匹配滤波器为h(n)匹配滤波器的输出为输入离散信号s(")与其匹配滤波器向(规)的卷积:第二章数字脉冲压缩技术】(刀)=s(撑)母办(即)=s(k)h(nk)=h(k)s(nk)()k=Oj=O式中Ⅳ为信号采样点数。按式(.)构成的滤波器如图.所示这是一种非递归的横向滤波器。由式(.)可以排列出其它的计算方法因此图.所示的横向滤波器结构还有许多其他的等效网络结构这里不再赘述。图.经典横向滤波器应当指出图.所示仅是原理性的在实际应用中往往在复数域进行滤波处理因此实际应用中应采用正交双通道滤波器按式(.)完成复卷积运算。..频域快速卷积法实现数字脉压脉冲压缩过程是对接收信号s(靠)与匹配滤波器的脉冲响应办(刀)求卷积的过程。由傅立叶变换的性质可知时域卷积相当于频域相乘这个过程可以表示为:设输入离散信号为s(功其傅立叶变换为S(co)匹配滤波器脉冲响应为h(n)其傅立叶变换为H(co)匹配滤波器输出为y(力其傅立叶变换为y(奶。则对式(.)两边同时进行傅立叶变换可得:Y(co)=s(co)H(co)()又因为:H(co)=S’(国)()代入式()可得:】(缈)=s(co)S(彩).()则输出y(功为:y(刀)=IFFT(Y(oO)=IFFT(Is())()根据式(.)可以画出频域快速卷积法实现脉冲压缩的原理框图如图.所示。综合脉冲与孔径雷达的脉冲综合处理及其实现厂ji权寄存器i图,频域快速卷积法实现数字脉压原理框图在时域用横向滤波器和在频域用快速卷积实现数字脉压对于Ⅳ点长度的输入信号需要的复乘次数对比如下:时域卷积法复数乘法次数:Ⅳ频域快速卷积复数乘法次数NNlN.线性调频脉压线性调频信号是通过非线性相位调制或线性频率调制(LFM)来获得大的时宽带宽积。线性调频信号又称为Chirp信号。采用这种信号的雷达可以同时获得远的作用距离和高的距离分辨力它具有对目标回波信号多普勒频移不敏感信号产生和处理容易且技术较成熟等优点。主要缺点是存在距离与多普勒频移的耦合及匹配滤波器输出旁瓣较高。为降低旁瓣采取失配处理这同时也降低系统的信噪比使得系统的灵敏度降低【。..线性调频信号线性调频复信号可表示为:她Ⅲ咧唧比卿卿p上式中么为信号幅度rect(L)为矩形函数frect()f三絮()目>j中心频率为fo脉宽为f带宽为B图中(a)为矩形包络线性调频脉冲信号幅度为么的线性调信号见图.。(b)为包络函数(c)载频的调制特性。第二章数字脉冲压缩技术\/\洲VVU.frJrect(刁fA一三图.线性调频脉冲信号及其幅度、频率调制关系哆警=万五叫在脉冲宽度巩信号角频率由(万五一刳变化到(万五B:譬则调频斜率为:己冗=%线性调频信号的时宽带宽积为:D:艿f:/lfl(x)..线性调频信号匹配滤波与旁瓣抑制复信号s(t)的频谱为::广s{砂dts(d(t)edt:r/P【石‰一"/班=d.oos=厶P世“m"啷p切f.期={彳伊一’旷If:咖ol<%%()调频带宽为()()()(一)综合脉冲与孔径雷达的脉冲综合处理及其实现线性调频信号的脉冲压缩是通过匹配滤波器得到的如果输入信号的频率特性为:S(f)=Is(州P"u’()那么匹配滤波器的特性H(厂)应满足下式Ⅳ(厂)=Klg(f)le一埘‘力J砒。(.)式()若令K=/万/彳则可得:日(厂)=g廿霈(一兀)肚舭r向。(.)式()中压缩滤波器的群延迟特性(频率延时特性)(/)为:以舻警=华‰I:厶s詈()。为与滤波器物理实现有关的一个附加延时。所以线性调频脉冲压缩滤波器的输出信号为:uq)=广S(f)H(f)驴矽=制扩引ff一式()为信号的复数表示实际信号为实数故取其实部up)=彳制c。s甄(frd。)()匹配滤波器的输出信号包络可表示为它的波形如图.所示。啪H伍篙掣()图。线性调频脉冲信号通过匹配滤波器的输出波形由式(.)和图.可以看出线性调频脉冲信号通过匹配滤波器的输出信号第二章数字脉冲压缩技术具有以下的特点:其匹配滤波器输出信号包络具有辛克函数形式sinx/x。通常规定一dB间的宽度(即幅度下降到最大值的O.倍时所对应的宽度)为输出脉冲宽度%近似等于发射信号调频宽度B的倒数f为输入脉宽。线性调频信号输入脉冲宽度f与输出脉宽%之比通常称为压缩比D。”曰(.)D:三:历%如果压缩网络是无源的则根据能量守恒原理输入端和输出端的能量相等。设输入脉冲的脉冲功率为尸其相应的信号振幅为彳经匹配滤波器后压缩脉冲宽度"go=I/B压缩脉冲振幅为鸽相应脉冲功率为B则有下式成立:E=Pr=eoro晏:三=rBD()只乙脉冲功率与信号振幅平方成正比故得压缩前后脉冲振幅比为:鱼:历么可见输出脉冲振幅增大D倍。由于输出信号包络具有辛克函数形式sinx/x特性在主瓣的两侧存在一系列旁瓣其中靠近主瓣的第一旁瓣最大其值比主峰值低.dB(即第一旁瓣峰值为主瓣峰值的.倍)第二旁瓣再降约dB以后依次下降。且旁瓣零点间的间隔均为/B。输出信号载频为单一频率这是因为脉压网络的频谱特性与发射信号频谱实现了“相位共轭匹配"消除了“相位色散"。线形调频信号匹配滤波器输出端的脉冲是经过脉压后的窄脉冲输出波形具有辛克函数sinx/x的性质。靠近主瓣的第一副瓣的值较主峰值只低大约.dB其它旁瓣随其离主瓣的间隔X按/x的规律衰减副瓣零点间的间隔为/B。在多目标情况下旁瓣会覆盖主瓣附近较小目标的回波信号造成目标丢失或者不可检测也可以说太大的副瓣会影响对邻近弱目标的检测。所以通常要采取措施来改善副瓣的性能提高分辨多目标的能力可以采用失配滤波器的方法来改善副瓣性能即在副瓣输出达到要求的条件下应使主瓣的展宽以及强度变化值最小。可以说旁瓣抑制是以信噪比损失及距离分辨率变坏作为代价的。如何选择加权函数这涉及到最佳准则的确定。在综合考虑旁瓣抑制、主瓣展宽、信噪比损综合脉冲与孔径雷达的脉冲综合处理及其实现失、旁瓣衰减速度及实现难易程度几个方面后一般采用海明窗(Hammingwindow)、汉宁窗(Harmingwindow)、余弦平方、余弦立方、余弦四次方加权函数等进行加权。用下面的一般形式表示加权函数:”Ⅳ(n=KK)cos"等()a式中B=Af。当K=."=时为海明加权。当K=刀=时分别为余弦平方、余弦立方、余弦西次方加权函数。在下一小节将会给出了不同失配滤波器情况下的仿真图形。..线性调频信号脉压仿真与分析图.a是线性调频脉冲信号的时域波形仿真图图.bcd是发射带宽B=KHz采样频率正=lMHz发射脉宽分别为“s、us、us的线性调频信号的幅频特性。图a线性调频信号:B=KHZT=us图b幅频特性:B=BOOKHZT=us蜊鉴胁础|}..圈c幅频特性:B=KHZT=us图d幅频特性:B:KHz=T=US频率(MHZ)图.线性调频信号及其幅频特性从图bcd可以看出当脉压比D不同时ls(力l将随之变化D越大则幅频特性在自身信号带宽B内越平坦在这个频带nA夕l,的幅度变化下降很快信号主要能量集中在信号频带以内。下面是针对带宽B=KHz采样频率Z=MHz发射脉宽为/.ts的线一一L~。~..rPf惦下出I叩小|古生弧巡罄第二章数字脉冲压缩技术性调频信号分别采用匹配滤波、失配Hamming窗加权、失配hanning窗函数加权、失配Chebyshev函数加权时的脉压输出。.售釜一匹配滤波脉压输出Jl黼强》译嘴镇挈群黼铲『。‘J’裕i{{距离单元.羹.失配加Harrrring窗脉压输出/r”、一妇Po。、、k。《W。伊锄O距离单元图.匹配滤波脉压输出信号图.失配加Hamming窗脉压输出鲁一釜.失配加Hanning窗脉压输出失配加ebyshev窗脉压输出/r、、、/}’’’’、.{《./距离单元喜釜。霄热自d圳恍嵴铲‘笋O距离单元图.失配加Harming窗脉压输出图.失配加chebyshev窗脉压输出图.是未加窗匹配滤波时的脉压输出信号它的主副瓣比为.dB主瓣宽度为.s图是加Hamming窗后脉压输出信号它的主副瓣比为.dB主瓣宽度为.脚图.是加Hanning窗后脉压输出信号它的主副瓣比为.dB主瓣宽度为./.ts图.是加Chebyshev窗后脉压输出信号它的主副瓣比为.dB主瓣宽度为./s。可以从这些仿真分析中看出采用了加窗函数的方法后提高主副瓣比改善脉压效果。引入加窗函数实质上是对信号进行失配处理以抑制旁瓣其副作用是输出信号的包络主瓣降低、变宽即旁瓣抑制是以信噪比损失及距离分辨力变坏作为代价的这些都与理论分析的结果是吻合的。下面考虑有多普勒影响时线性调频信号脉压的输出结果。针对带宽B=KHz采样频率.f=MHz发射中心频率厂=IOOMHz发射脉宽为kts的线性调频信号设计了脉压滤波器图.、图.分别是静止目标回波脉压综合脉冲与孔径雷达的脉冲综合处理及其实现(hamming窗加权)输出和动目标回波脉压(hamming窗加权)输出目标运动速度为马赫。图.给出了静止目标回波脉压输出主副瓣比为.dB图.给出了运动速度为马赫的动目标回波脉压输出主副瓣比为.dB信噪比损失约IdB并且伴有主瓣展宽想象。可以明显的发现线性调频信号对目标回波信号多普勒频移不敏感即使回波信号有较大的多普勒频移原来的匹配滤波器仍能起到脉压的作用这将大大简化信号处理系统但从图中也可以看到对动目标进行脉冲压缩时线性调频信号脉压会出现与多普勒频移成正比的附加时延tj=q/){d。.一鐾。..失配加Harrrning窗脉压输出i一一一IIPo。Ⅵ。k枣哪’俨。、距离单元盆口V恻罂lk一ⅧF‘妇r.'一一、蛏可’审飞距离单元图.静止目标回波脉压输出图.动目标回波脉压输出.相位编码信号脉压线性调频信号是连续型信号我们还可以采用离散型的编码信号来解决雷达作用距离与距离分辨率之间的矛盾。相位编码信号是通过相位的离散编码得到的如果相移只取O/"两个值称为二相编码。如果相移可以取两个以上的数值则称为多相码。具有较大意义的是二相码主要包括巴克码M序列码L序列码等。多相码常见的有弗兰克码霍夫曼码等。相位编码信号对多普勒敏感所以相位编码信号常用于多普勒频率变化较窄的场合。。本文的重点不在于此所以这里只讨论一下二相编码信号。..二相编码信号一般相位编码信号的复数表达式可写成s(})=a(t)ejq'(‘)eJX.fot()信号的复包络函数为第二章数字脉冲压缩技术u(t)=a(t)eⅣ‘’’(")其中汐(f)为相位调制函数。对二相编码信号来说矽(f)只有和/"两个可能取值。可用二进制相位序列{么=O万)表示也可用二进制序列{q=e瓜=一)表示。如果二相编码信号的包络为矩形即):{壶'“钉=盹(.)【o其他则二相编码信号的复包络可写成:砸={击跏Hq肌K丁仁【其他式()中V)为脉冲函数为子脉冲宽度N为码长T=Ⅳ气为编码信号的持续期。利用万函数的性质式()还可写成)=m归专荟嚷烈卜概)一删。删()在式()中m:』去o““p【o其他根据傅立叶变换卷积规则由式(.)可求得二相编码信号的频谱。u(门=以(门%(厂)=后sinc(“)P啊^薯qP艰()式()表明二相编码信号的频谱主要取决于脉冲频谱U(力qP印”肛q的作用与所采用码的形式有关。由匹配滤波器理论知道信号通过匹配滤波器的输出就是信号的自相关函数。因此在雷达信号中所用的二相编码信号应要求其自相关函数具有高的主峰和低的旁瓣。计算表明二相编码信号的带宽B与子脉冲宽度接近即肌去=芋瓦l信号的时宽带宽积或脉压比为综合脉冲与孔径雷达的脉冲综合处理及其实现D:TB:丁芸:N()丁采用长的二进制序列就能得到大的时宽带宽积的编码脉压信号。接下来介绍一种常用的二相编码:巴克序列。巴克序列是一种二元伪随机序列{%>气(一)n=N一。其非周期自相关函数很理想满足.Ⅳ型叫fNm=撕)=CkCkmk=O{o麦聊:o(.)IV~上Jl十V因为ml时lR(明)ll所以巴克码是一种最佳的二元序列码。巴克码自相关函数的主副瓣比等于压缩比即为码长N旁瓣均匀是一种较理想的编码压缩信号可惜其长度有限。对于奇数长度N:对于偶数长度N为一完全平方数但已证明N在到之间不存在超过的码一般不采用目前也未找到大于的巴克序列。表.所示为已知的巴克码及其对应的副瓣电平。表.巴克序列长度N序列{c。}副瓣电平(dB)一or一.一r一一.一.一.一一一~.一一一一一一.一一一一...巴克码脉压输出仿真分析针对带宽B为KHz采样频率工=MHz发射脉宽为ps巴克码序列信号设计了脉压滤波器其仿真输出波形如图.对其进行旁瓣抑制后的输出波形如图.。第二章数字脉冲压缩技术PulseCompressionofBarkerCodelfo/、/、/、/飞A‘、/、/、八入/nn图.巴克码自相关函数N=图.巴克码自相关函数N=(旁瓣抑制)、Barker码匹配滤波后的输出就是其自相关函数输出。并且自相关函数的主瓣高度为旁瓣具有O和相间的自相关特性。主瓣和旁瓣具有几何上的相似特点均为宽度为T的三角形。从图可以看出N=的巴克码脉压后输出其主瓣宽度约为.US主副瓣比约为.dB在实际应用中是远远不够的。较高的旁瓣必须通过失配滤波器设计达到抑制副瓣电平的目的降低后才可以在实际中运用。需要指出的是这里不能像处理线性调频信号那样直接加窗函数来改变脉压性能这里只给出了巴克码脉压旁瓣抑制后的输出结果如图.所示具体方法不再叙述。.小结本章是作为第三章将要讨论的脉冲综合与孔径雷达的准备知识出现的同时也是我们实际项目中需要在硬件平台上实现的一个重要模块但不是本文研究的重点所以叙述比较简便。首先介绍了数字脉压的两种实现方法并对这两种方法的适应场合和运算量进行了比较然后从脉冲压缩解决的问题探测威力与距离分辨力之间的矛盾出发对线性调频信号脉压和相位编码信号脉压的基本原理进行了分析并论述了它们的优缺点最后给出了对线性调频信号和相位编码信号进行脉冲压缩的仿真图。opooJe芒e日Iompn羞三坦竹ouoo.IYI瑚~oD蜒一QlIh吒第三章SIAR的时空三维匹配滤波第三章SIAR的时空三维匹配滤波.SIAR的特点作为一种为适应现代战争需要而出现的新型体制雷达SIAR通过将一些看似矛盾的技术要求融合在一个系统中从而提高了雷达的探测性能和生存能力SLAR采用米波长大型孔径稀疏分布阵天线多普勒处理和计算波束形成等技术用分布发射而在接收端综合的方法形成窄的脉冲既具有米波雷达的优点又克服了米波雷达分辨能力和抗干扰能力差的缺点“四抗”综合性能较好。经过十多年的努力SIAR已在实验系统上得到验证并基本解决了工程实现上的许多关键问题J。下面对SIAR的特点作以简要叙述。SIAR选择米波波段目标的RCS稳定无论形体隐身还是涂覆隐身都很难使RCS明显下降所以反隐身性能良好且具有抗反辐射导弹的优势。SIAR采用大型孔径稀疏分布阵天线在解决了米波雷达存在的角分辨率低的问题的同时稀布阵天线散布面广阔阵元间隔大对架设场地要求不高很难进行全面的破坏具有较好的抗轰炸性能。发射相互正交的信号在空间不会形成发射方向图即发射无方向性截获概率低。与常规“宽发窄收"的雷达体制相比SIAR在接收端可获得等效的发射方向图在波束意义上讲相当于可获得“双程"方向图降低了方向图的旁瓣。与一般雷达的发射波束形成相比SIAR可以同时形成多个发射波束与接收数字波束形成(DBF)相匹配可实现长时间相干积累。收发均采用DBF技术波束灵活可采用任意形状的布阵易于阵地共形。能真正实现同时搜索和跟踪功能。增大了雷达发射机的发射功率使设备成本降低。.SIAR的基本原理..正交编码设有Ⅳe个发射天线阵元和Ⅳ个接收天线阵元以任意的方式分布在地面上综合脉冲与孔径雷达的脉冲综合处理及其实现如图.所示所有天线单元都是无方向性的。激励信号P()是宽度为Z的脉冲它经编码网络CjQ)(郎调制)后成为第f个辐射单元的信号S。(f)该信号在t秒后到达目标。SIAR系统要求各路辐射信号在空间叠加后不形成方向图即辐射能量在所有方向上均匀分布为此Sf(f)应满足如下条件:薯IS(f一)西(trj)dt=ofJ()即要求发射信号在整个积分时间内这种编码信号的互相关乘积为零【】。图.SIAR基本原理图事实上这种编码不需要很复杂只要对不同的发射阵元用一组满足一定关系的不同频率馈电即可。设第i个发射阵元的辐射信号:广lf(f)=re甜(f)expLj玎(矗iAf)ti=olNP~ftT()删(‘)|{其它PL其中Ⅳ是相邻两阵元的变频间隔。各发射信号具有()式的严格相位关系。如果补偿掉空间某一点到各发射阵元的距离则合成信号为对札个信号求和得到宽度为£M的脉冲。到达空间一般点的信号可以写为:瓯(ffi)=rect(trf)expjJr(foiAf)(t一‘)】()其中瓦是第f个发射阵元到该点的时延。()式中包括包络时延和相位时延两部分。由于各发射阵元采用了异频发射方式因而系统的距离分辨率就仅与发射信号总带宽有关。另外又因阵列孔径通常不是菲常大而综合后的脉冲宽度又不是很窄所以各阵元发射信号的包络时延可以认为近似相等即窄带假设条件成立这样()式就可以写成:第三章SAR的时空三维匹配滤波鼠(f一‘)"recl(一p。j万(fof张一‘)】()i=札一其中f‘。th()式可得任意两发射阵元(fk)所辐射的信号到达空间任一点处的互相关积分:t芗s。一‘.$。一衍:三兰!!!!!三竺二!兰全三S乏主三一expjnf,(rr,)expjzrfk(rkr)】()其中Z:五iaf。设彳:isin(万tak)Af)jcos(ztT.(ik)Af).从(.)式中可以看出:只有A=时()式的值为零才满足各个阵元所发射的信号彼此都正交的要求。则要求复数么实部和虚部同时为零即sin(万瓦(f一尼)钔=和cos(zrT。(i一七)af)=同时成立只要r,Af为任一整数即满足条件此时各个阵元所发射的信号彼此都是正交的。通常选取rAY=。这就意味着这种发射方式是将窄脉冲(脉宽为疋M)的整个频谱分割为札等份并且将这些分量分配给M个互不相关且位置上是分开的发射阵元辐射出去发射信号的总带宽为札厂。实际上正交编码要求调制信号为一组正交基信号上述多频发射即采用了离散傅式变换的一组正交基。..发射波束综合由于发射的是正交编码信号所以发射阵列在空间已不形成波束它是全向辐射的。然而我们在前面己经提到如果在接收端分别接收到M个信号并调整它们之间的延迟时间使之得到(.)式的相位关系那么其合成信号就成为一大振幅的窄脉冲因而可以通过在接收端中以信号处理方式来等效地形成发射波束。具体做法是SIAR系统先把所监视的空间分割成许多三维分辨单元如图.所示然后再鉴别每个单元中有无目标存在。到达接收机R的信号瓯(f)是各路发射信号由目标反射回波之和对应的目标到接收机之间的迟延一该延迟在接收机中可按设定的单元自动地补偿(如图中的.一)通过对发射信号的逆滤波(用c=(f)表示)重新将各个辐射分量分辨开最后补偿各分量在辐射通路上的迟延t(也是按设定的单元进行补偿)后再相加恢复出原来的信号e(f)。综合脉冲与孔径雷达的脉冲综合处理及其实现图.SIAR三维空间分辨单元接收机R的输出可表示为:N.tXo(归艺jSa(tr'o。)C:l(tro)atJ卜r其中毛和%』分别是t和t的估计值。.应当指出在接收端进行相位校正综合只是使某方向的回波由于相位匹配而得到增强从而等效地综合出发射阵的方向图但是它不可能改变发射能量的空间分布。因此它只可获得方向图而不能得到常规定向辐射带来的发射增益。整个接收机由Ⅳ个接收站组成它的总输出为:这一步完成了对接收机天线的空间综合【】【。.SIAR在脉冲波情况下的匹配滤波下面结合不同的阵列模型对SIAR在脉冲波情况下的脉冲综合进行分析。首先我们设定SIAR的稀布天线阵为圆阵如图.所示设空间远场区有一点目标丁其仰角为仇方位角为铱以阵中心点O为基准各发射站点相应于目标丁的距离为NK(f)=蜀(f)jl珞=Rr一TO邑(尼=,犯一)下图.圆阵与目标几何关系标七对应于发射站点的频率五(五fo后Af)面为(岛‰)方向上的单位矢量~Et为阵中心O点到第露个站点的距离矢量R丁为O点到目标歹的距离由距第三章SlAR的时空三维匹配滤波离上的时延而带来的相位滞后为吮=万五Rr/crfkOTo巨IcC为光速。这里的相位滞后九是三维位置的函数即包含了距离、方位和仰角信息。接收阵元经过DBF补偿后相当于在圆心处有一接收阵在脉冲波条件下忽略包络时延差发射信号初相为oo这样由目标T反射到O处的信号为:YT(f)=荟一Rot/c)exp(jxfk小eXpjxfk(RorOT)儿()<f<悯其中a(tRor/c)={O其<它tRc‘。五=To后yAf=/TeOT为目标方向上的单位矢量OE为阵元中心点到第K个发射阵元的距离矢量表示点积勋为点到目标T的距离。将()式的信号移到基频并进行离散采样得Ⅳ一々‘刀卜七三oa(nAtrOT’eXp‘/础的垃’。eXp‘一歹刀厶『r’。唧‘/万‘时加西儿’一o。<t<oo()其中At=l/(qNAf)=Z/(以)g。一般采样取g=q>l相当于过采样过采样有利于改善旁瓣特性疋是脉冲宽度。与之相匹配的滤波器频率响应为:吩)=薪(n)。当该信号通过与之相匹配的滤波器后时域输出(幅度)为:I墨(玎)卜I)r(聆)木%(船)I:l等.万N,IP’一IoO<f<Yr(n.eJ.AOT.OE。/c=I’)P。‰l一\I。o扣ol其中心=T,/At=gⅣe为宽脉冲内的采样数’=l"t"r/出“"为共轭运算符号。将上式写成矩阵形式l昌(z)l=陋蜥o)丁噼(疗)I()其中h=W..而综合脉冲与孔径雷达的脉冲综合处理及其实现W=露P~一Nu一』导(Ⅳ。)P一’i"n一』鲁《ⅣⅣ一‘)一』一t』v”一eNM’P一』吾(^川(")cD=diag(e’Ifj勺。丁。Ecjttfl口:T.OE#,q/c)』、。。p。l=ll】加Yr(n):k(刀)片)%(刀屹一)】从()式可以看出对于这种正交频率编码信号的匹配滤波可以等效地分成三步进行如下图.所示第一步进行频分多路它是通过对回波信号进行滑窗DFT(为%个点)实现的该过程可以表示为wrr(n)形式也就是用一组窄带滤波器组(

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