子脉冲线性调频步进雷达信号分析

第十七卷 第四期 2 0 0 1 年 8 月 信 号 处 理 S IG NA L PR O CE SS】N G V o l . 17 . N o . 4 A u g . 20 0 1 子脉冲线性调频步进雷达信号分析 范玉芳 梁甸农 (国防科技大学 电子科学与工程学院 长沙 41 00 7 3 ) 【摘要】将频率步进雷达信号中的矩形子脉冲代之 以线性调频子脉冲构成子脉冲线性调频步进信号 。 该 类信号在分辨力 、 最大作用距离 、 系统采样率和数据率 、 信噪比等性能方面具有许多优越之处 , 但在信号处 理方面也存在需要克服的问题 。 关键词 : 高分辨率雷达信号 频率步进雷达信号 脉冲压缩 一 、 引言 线性调频信 号 川 n ear 斤e qu e n ey m o du lat io n ) 和频率步进信号 (ste pp ed ·fr equ e n 卿) 是雷达系统中较常采 用的两种距离高分辨率信号。 线性调频信号通过在脉冲持续期间内信号频率的连续线性变化来获取大的信号 带宽 , 频率步进信号则是发射一串载频线性跳变的雷达脉冲 , 通过对脉冲回波的逆 FFT 变换获得合成距离高 分辨率 。 子脉冲线性调频步进雷达信号 (C hi 甲一S u bp ul se st eP ped 一Fr eq ue nc y ) 则将这两种信号结合起来 , 用线性调 频信号替代频率步进信号的简单矩形子脉冲 , 既保留了频率步进信 号低采样率以及窄带处理的优点 , 又具备 线性调频信 号大时宽和大带宽的特性 , 故而可以在不降低雷达作用距离的条件下 , 增大频率步进量 , 降低子 脉冲个数 , 提高系统的数据率 。 对子脉冲线性调频步进信号 (以下称 ch irp 一SF) 的处理较为复杂 , 并且会为成像质量带来影响 , 本文将 分析 ch i甲 一sF 的各项性能指标 , 并对其信号处理过程及特点进行深入研究。 二 、 c hi rp 一sF 的形式及处理过程 设 ch i印 一SF 的总带宽为 B , 窄带线性调频子脉冲的个数为 N , 带宽 BN 一 B / N , 宽度为凡 , 调频斜率 K 二 纵 / 几 · 为避免合成的宽带频谱出现空隙或重叠 , 相邻子脉冲间的载频增量丫 一般取为 BN 。 设第一个 子脉冲的中心频率为 f0 , 则第 i + 1个子脉冲的中心频率为 天, = f0 + iB 、 (1 ) 其中 , i = 0 , 二 , , (N 一 l) 。 ch irp 一 SF 的时域 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 达式为 u (, )一艺u : (卜拼 ) · e x p卜2从, ‘】一艺re 一‘号,一p卜“ , 一界,’l⋯ ,位‘ , , , (, ’ 卜|卜Žfcw关式 其中一 (t) 一分 eX p阿’}“基”线性调” 子脉冲 , 界为脉冲重复周期 。 ch i甲·SF 的频率变 化规律 如图 1 所示 。 ch irp 一 S F 的回波可表示为 : 图 1 c hi 印一 SF 的频率变化规律 国防预研基金资助项 目 第四期 子脉冲线性调频步进雷达信号分析 3 19 二 (!卜蕙、理一}竺带塑」一卜斌【卜 艺界一‘! , , 2’一硫【卜 ·‘r川 (3 ) 其中 A , 为第 i个回波的幅度 , 叹t) = 2( R 一 vt )/c 为目标回波的时间延迟 , R 为目标跟离 , ? 为目标速度 , 。 为 光速 。 以下假设 v 司 , 则 叹O = r = ZR /c 。 回波信号与如下的相参本振信号进行混频 : v(, ) 一艺re e‘(‘一 iTr 一 Tr / 2 + 几刀 / 2凡 ) · ex p卜2从 , ,』 (4 ) 混频后的视频输出信号为 : ·(,卜霎一卜二夸二」一lj状【卜 艺界一, 2 ,一卜了2硫·, (5 ) 从 ‘ 5 ) 式 可 以 看 出 , ch irp 一 SF 的 视 频 回 波 可 以 分 解 为 两 部 分 , 一 是 因 了 re ct I(t 一 iTr 一 r)I TJ. ex nlj斌lt 一浑 一刊, 这是在抓冲时宽 [ir + 卜甲 2 , iTr + : + 甲 2] 之内的线性调频信 号 ; 另一个是因子 ex p卜j2 叽月, 这是由于信号载频的跳变而形成的相位变化 。 将 (5) 式得到的信号分两步进行脉 冲压缩 : 首先在各个脉冲重复周期内进行 线性调频信号脉冲压缩 , 其次在脉冲压缩 后进行脉冲重复周期之间的逆傅立叶变 换数字压缩处理 , 其处理过程如图 2 所 不 。 瓢 相参、氮一曰 手赢而压菇 斜黯寺)F一6n以一砚 本振 图 2 二级脉压处理框图 ””调频信” re Ct {亡}e X plj* 2 ,的脉”压”结果“【” : re 一 {命1厕 理黔旦.一卜,‘”‘ e‘p【了“‘, 代入 (5) 式 , 得第一级脉压之后的信号为 : 令 , 、 令 J f二三甲 x L‘) = 乙凡气‘) = 之“ 伪 ’丫人I p 「 , 一 ‘界一 r飞理 c l l 一不一j sin斌TP(t 一 iTr 一 r ) 户二 0 户= O 斌Tr (t 一 iTr 一幼 · e x pl-- j斌(卜 ‘Tr 一 r )】· e x p (了二 / 4) · 。x p[-- 了2硫 rl 取采样时刻为 t = iTr + r = iTr + ZR / 。 , 可得采样后第 i个脉冲的回波输出为 : x , 一, * : + r = 鸿在兀 . . ex p(j二 / 4 )· 。x p卜、2从 , · : * / 。] (7 ) 假设视频回波幅度不变 , 取 A , = 1 , 则对上式进行 ID FT 处理的输出结果为 : 了二二了- ! sin , (z 一 刀好 · 2尸z。) I ,y气‘, ,“ ““ ‘ 户}万赢蔽万万二万万天丁司 (8 ) 32 0 信 号 处 理 第十七卷 由 (8 ) 式可见 , ch i印一sF 经脉冲压缩处理后 的最终输出是一离散的 si n c 函数 , 其时间分辨力为 l/(刀叮) = l/ B , 速度分辨力为 1 /(万Tr ) 。 三 · c hi rp 一sF 的参数性能 ch irp 一 SF 综合了线性调频和频率步进两种波形 , 既具有与之类似的性质 , 又具有不同于它们的特点 , 下 面我们以线性调频和频率步进信号为参考 , 对 ch irp 一 SF 的性能参数进行具体分析 。 设三种信号具有相同的带宽 B 和重复周期 界 , 频率步进信号的子脉冲个数为 N I , ch irp 一sF 的子脉冲个 数为 N : , 线性调频信号与 ch irp ·SF 具有相同的调频斜率 K , 则线性调频信号的时宽为 T = B / K , 频率步进 信号的子脉冲带宽为 B 、 , = B / N , , 脉宽为称一 l/ B、 , = N : / B , e h irp一 SF 的子脉冲带宽为 B , : = B / N Z , 脉宽 为 称2 一 B , : / K = B /(N Z K ) 。 则线性调频信号经脉冲压缩后的结果为 . , n (t) .习石灭厂}兰{卫!竺玉旦} ’ } 斌7公‘ } 而频率步进信号经过混频和 ID FT , 脉冲压缩后的结果为 I2] _ : _ , _ , , 2、,朋、 , 、、 } 、一I一L二 气‘ 一—)少_ }一一- , , - 一 ~ - 二二厂言言一- ~}_ : _ , 兀 , , ‘J v 一J t 。刀一、、 }‘ , , ,、万厂 、‘一—)) }I v l c l (9 ) (10 ) 1一Nly 对照 (8) 式 , 可以推出三种信 一号的性能参数如表 1 所示 : 从上表可以看出 : ¹ ch i甲一sF 与 同样带宽的线性调频信号 、 频率步进 信号具有相同的距离分辨力 , 速度分 辨力优于线性调频信号但不如频率步 进信号 ; º 由于 ch i甲一sF 的子脉冲带 宽 B N : 小于信号的总带宽 B , 与 表 1 距距距离离 速度度 瞬时带宽宽 压缩脉冲幅度度 分分分辨力力 分辨力力力力 线线性调频频 l/ BBB 1/ TTT BBB 召云了了 频频率步进进 l/ BBB 1l( N , Tr ))) B / N lll l / N --- eee h irp 一SFFF l/ BBB l/ (N ZTr ))) B / N ZZZ 扣不不 ‘N ZZZ 线性调频信号相比 , 在保持大的信号带宽的同时降低了对系统采样频率的要求 ; » 根据采样率和子脉冲时宽 , 可以计算出频率步进信号和 ch irp 一sF 的数据率分别为 ZB耳l / N : , ZB凡2 / N Z , 由于子脉冲个数 N Z小于 N : , 子脉冲时宽凡2 大于凡一 因此 ch irp 一sF 比频率步进信号具有更高的系统数据率 ; ¼ ch i印·sF 的压缩脉冲幅度 小于线性调频信号而大于频率步进信号 , 这意味在相同的噪声环境下 ch i rp ·SF 的信噪比大于频率步进信号而 小于线性调频信号 , 一巨由于 ch irp 一 sF 的平均功率大于频率步进信号 , 因此对于相同的峰值发射功率 , ch irp 一sF 的最大探测距离高于频率步进信号 。 四 、 chi rp 一sF在信号处理 中的问题 通过上面的比较可以看出 , ch i印一SF 具有许多优于线性调频和频率步进信号的优点 , 但这是以增加信号 处理的复杂程度为代价的 , 它既要象线性调频信号那样进行子脉冲的脉冲压缩 , 又要象频率步进信号那样进 行 ID FT 处理 。 由于线性调频子脉冲在脉压后包络为si n (x ) 函数 , 因此当一个距离单元内存在多个散射点时 , 采样输 出不是各散射点回波的等权相加 , 而是存在包络函数的影响 , 这就使得每一个距离单元内只有一个散射点的 回波获得最大 SN R , 其余各散射点回波的 SN R 都有所损失 。 当定义包络幅度下降 一4dB 时相应的信号脉宽为 第四期 子脉冲线性调频步进雷达信号分析 3 2 1 厂 二 1 /巧 时 , 包络的影响最大可使同一距离单元内的散射点回波采样幅度相差 一4 dB 。 与此同时 , 那些受包 络影响较大的散射点的能量还会泄露到邻近距离单元内 , 造成邻近单元内出现 “ 影像 ” , 如图 3 所示 。 图中一 个距离单元内存在两个点目标 , 点 目标 1 位于 si n (x )包络的最顶点 , 具有最大 sN R , 点目标 2 则受包络幅 度下降的影响 , sN R 相对于点目标 1 有所减小 , 并且部分能量泄露到邻近单元内 , 形成了 “影像 ” 。 幅 度 点目标 1 点目标 2 相相参混频频频 子脉冲冲冲 子脉冲冲 过过过过采样样样 相位校正正 本本振振振 , 脉冲压缩缩缩 , 时姗接接接 子脉冲冲时时时时时时时时移移 86 月,‘比 母,.O()n † O () 扩 荡 24 盛 ’ 撇 ’ 胡 品 从 距离单元 图 3 二级脉压中的多散射点非均匀采样加权和 “影像 ” 图 4 时域拼接法处理框图 解决采样点的不均匀加权和 “影像 ” 问题的一个 办法 鲁班奖评选办法下载鲁班奖评选办法下载鲁班奖评选办法下载企业年金办法下载企业年金办法下载 是 , 对相参混频后的回波信号不进行脉冲压缩 , 而 是将各个子脉冲恢复为原有的载频 , 在时间轴上相互衔接 , 构成一个时宽带宽均为子脉冲之和的线性调频信 号 , 通过对该宽带线性调频信号的脉冲压缩获取高距离分辨率 [31 。 其信号处理过程如图 4 所示 , 由于篇幅有 限 , 具体的信号处理过程本文不再进行详细讨论。 另外 , ch irp ·sF 在参数选择时 , 必须保证压缩后信号的时宽厂大于目标纵向最大长度 L , 同时脉间载频 跳变里鱿与子脉冲带宽 B 万 必须满足以下关系 : 彭 ‘B 万 。 这是因为合成处理后所得到的不模糊距离窗 口 凡 二 c /( 2军 ) , 只有满足以上条件才能保证多散射点目标成像后处于一个不模糊距离单元内 , 避免该距离范 围外的其他目标折叠进来 , 造成距离像的混乱 。 五 、 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf 子脉冲线性调频步进信号是实现大相对带宽的又一信号形式 , 兼有线性调频和频率步进信 号的优点 , 在 获得高分辨力和高数据率的同时降低了对系统处理带宽和采样率的要求 , 尤其适用于超宽带雷达系统 。 但其 信号处理的复杂度有所增大 , 并为距离成像带来负面影响 , 需要认真选择信号参数和压缩算法 。 参考文献 ll] 林茂庸 , 柯有安 , 雷达信号理论 , 国防工业出版社 , 19 84 【21 D . R . W e hn e r, H ig h 一称so lu tio n R a dar , A rt e o h H o u se , 199 5 [3] R . T . Lo rd e te , H igh R e s o lu tio n SA R Pro e e s sin g U si n g St e PPe d · Fre qu e n e ie s , I n te rn at io n a lG e o se ie n e e an d R e m o t e S e n s in g S ym Po si u m (IG A R S S) v 1 19 97 . P 4 90 · 4 9 2 A n aly s is o f C hi rp 一 Sub Pu lse S te PPe d 一 Fre q u e n cy R ad ar S ig n a l Fan Y u fa n g L ian g D ian n o n g (S e hoo l o f E le c tro n ie Sc ien c e an d E n g i n e er i n g N at io n a lU n iv ers ity of D e 介n e e T e ch n o 【o gy ) A b str . ct : U si n g c hirp s ig n al a s s u bPu lse in a ste PPe d · fr e qu en e y rad ar sy ste m g e n e rat e a k in d o f n e w w av e fo rm 一 ChirP 一 S u bpu lse S te PPe d · F re q u e n e y R ad ar S ig n a l ‘ It has a bvant ag e s i n im Pro v in g data rat i o , re s o lut ion an d s ign 川 . n o iso rat io , d e c re a s in g Sy ste m sam p ling rat i o . B u t th e P叹 e ss in g m et ho ds n e ed to be e are fu lly se 】e c te d to av o id im ag in g Pro b le m s . 儿y wo r d s : H i g h re s o lut io n rad ar si g n a l S tePPe d 一fre q u e n e y s ig n a l Pu lse e o m Pre s sio n