脉冲压缩雷达

第5章脉冲压缩雷达系统1概述雷达的距离分辨率取决于信号的带宽(B):普通脉冲雷达,雷达信号的时宽(T)与带宽(B)满足:Bcr2BT1对于脉冲压缩雷达，雷达信号的时宽(T)与带宽(B’)满足:这样，经过压缩后雷达信号的时宽(T’)为:''1BT''11,TBBT413224322)4()4(rtrsttrtttrsLLPRCSGPRLLRRCSGPP由脉冲雷达系统的方程可知,其作用距离的4次方与雷达发射功率(平均功率)成正比(其它条件不变时)：增加雷达系统发射信号脉冲宽度有利于提高的雷达发射平均功率,但影响雷达系统的带宽和距离分辨率。压缩后与压缩前雷达信号时宽之比为:''1TBTT定义雷达信号时宽与带宽的乘积为脉冲压缩比:'TBD如果压缩滤波器是无源的，它本身不消耗能量也不产生能量，满足能量守恒原理：可见输出脉冲的峰值功率增大了D倍。若输入脉冲幅度为A，输出脉冲幅度为A’，则：DAADTTAA''',PPTTDTPTPE'''',因为噪声通过压缩滤波器后，噪声不会被压缩，其噪声电平仍保持在接收机原有的噪声电平上，所以输出信噪比也提高了D倍：DNSNSi)/()/(0这意味着，接收机的灵敏度提高了，脉冲压缩雷达的作用距离将提高。2脉冲压缩雷达的优点：（1）脉冲宽度与有效频谱宽度这两个参数可以独立选取，解决了雷达作用距离与距离分辨率之间的矛盾。（2）通过匹配压缩处理获得高的距离分辨率。（3）宽带信号有利于提高系统的抗干扰能力。3脉冲压缩雷达的缺点：（1）最小作用距离受脉冲宽度的限制。（2）收发系统比较复杂，在信号产生和处理过程中的任何失真，都将增大旁瓣高度。（3）存在距离旁瓣，通过加权处理抑制旁瓣。（4）存在距离和速度耦合，影响距离测量。发射宽频带的宽脉冲信号，并将回波信号压缩处理成窄脉冲的雷达。常规脉冲雷达为了增大雷达探测距离，在发射机峰值功率受到限制的情况下，通常采用增加发射脉冲宽度，提高平均功率的方法；而为了得到高的距离分辨力，却要求回波脉冲越窄越好，这两者是互相矛盾的。脉冲压缩雷达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力的矛盾。按发射信号的调制方式分，脉冲压缩雷达主要有线性调频、非线性调频与相位编码等几种体制。线性调频体制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。压缩后的信号脉冲宽度仅为发射信号宽度的D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D倍。相位编码脉冲压缩雷达有二相制、多相制以及巴克码、伪随机码等类型。在二相制相位编码脉冲压缩体制中，宽度为T的宽脉冲被划分为N个宽度为τ的子脉冲，每个子脉冲的相位按0°、180°两相编码。经过压缩滤波器后，输出的是一个主瓣宽度为τ、幅度为宽脉冲回波幅度N倍的窄脉冲。在要求大脉冲压缩比的场合，相位的编码通常采用伪随机码，对于同一码长，可以得到多种不同的编码。相位编码脉冲压缩雷达多采用数字技术进行压缩滤波处理。数字处理方法的优点是在计算机控制下可以快速改变发射波形，相应地改变信号处理，以适应不同的战术要求。脉冲压缩雷达采用的宽频带信号有利于反噪声干扰。在相位编码脉冲压缩雷达中，还可以方便地选择不同的编码，来对付欺骗干扰。脉冲压缩技术可与动目标显示、单脉冲测角、相控阵天线等雷达技术兼容，因而在超远程警戒雷达、远程跟踪雷达、三坐标雷达、合成孔径雷达、精密测量雷达以及相控阵雷达中都得到广泛应用。4脉冲压缩雷达存在条件：（1）发射信号必须具有非线性的相位谱。（2）存在对应的匹配压缩网络。压缩网络5脉冲压缩的原理•频谱分析方法•信号延迟积累方法•同相位矢量相加方法设发射信号的频谱为：)(|)(|)(fjiiiefUfU则,匹配压缩滤波器的频谱应为：diftjfjieefUKfH2)(|)(|)(经过匹配压缩滤波器后的输出应为：dftjiioefUKfUfHfU22|)(|)()()((1)频谱分析方法接收机输入的高频脉冲的包络输入高频信号的时间--频率特性信号压缩的频率--时延特性(2)信号延迟积累方法fttd2td1T’Tf2f1Atttff1f2ftd1td2压缩脉冲输出图中存在下述关系：因为12ddtt所以TT''21'21()ddddTttTTTttfttd2td1T’Tf2f1Atttff1f2ftd1td2(3)同相位矢量相加方法压缩前信号频谱矢量图压缩后信号频谱矢量图ff6脉冲压缩雷达信号处理方式(1)匹配滤波脉冲压缩I/Q解调信号滤波器高速存储采样保持窄带A/D转换频谱分析检测器CFAR中频信号检测结果模拟脉冲压缩方式6脉冲压缩雷达信号处理方式(2)数字脉冲压缩检测器CFAR采样保持宽带A/D转换频谱分析信号滤波器存储匹配滤波脉冲压缩检测结果I/Q信号7线性调频脉冲压缩雷达的信号频谱(1)线性调频脉冲信号(LFM):)2/(220)(Kttfjetrectts(2)当时间带宽积较大时，LFM信号的频谱近似为：]4//)([20)(1)(KffjeBfrectKfS02468101214-1-0.500.51radarpulsewithlinearfrequencymodulationtime(us)-25-20-15-10-50510152025051015202530frequencyspectrumofradarpulsefrequency(MHz)时间带宽积较大时，线性调频信号相位频谱近似为：4/)(2fKf线性调频信号的匹配滤波器为：]24//)([020)()(dftKffjeBfrectfH为附加延时这是滤波器物理实现所决定的.0dt(3)线性调频信号的匹配滤波器频谱特性线性调频信号的近似匹配滤波器的频谱满足：（a）幅度谱与信号的频谱相同，即带宽为B的矩形谱（b）相位谱是信号相位谱的共轭2)(fKf压缩滤波器的频谱：2)(1)(fKjeBfrectKfHKffKdfdtd)(212(4)近似匹配滤波器的输出近似匹配滤波器的输入信号为:212()2()()jtKttutrecteT其中为信号的多普勒频移，这个信号的频谱为22/2[2()]/2()()jftTjftKtTufutedtedt近似匹配滤波器的幅度频谱:1|()|()fHfrectBK其相位频谱为:2()ffK近似匹配滤波器的频谱为:21()()jfKfHfrecteBK经过近似匹配滤波器的压缩后的频谱为:221/22()22/2()()()1()TjfjtKtjftKTYfHfuffrecteeedtBK当为某一固定值，近似匹配滤波器输出的波形为2221/22[()]22/2(,)()1{()}jfTjfjftKtjfKTyYfedffrecteedtedfBK改变积分次序，上式可写为:222221/22[()]22/21/22()2()22/2(,)()1{}1jffTjftKtfKTfTjtKtjfftKTyYfedfedfdtKedtedfK令:22222221122(2)22KtKvKvKtKKtfKvfvftfKK代入上式，经过简化，有2221(2)/22()2)22/21(,)fKvTjtKtvjKTyedtedfK再令:222UfKvK22(2)2)24fKvjjjUKKedfedUKe因为存在下列关系2221122tKtvtKtK近似匹配滤波器的输出最后可以写为222112()/22()82/2112()/2820112()82(,)cos[2()]sin()()jKTjKtTjKTjKyeedteKtdtKTeKT输出信号的包络为:sin()|(,)|||()KTyKT2.22.32.42.52.62.72.82.9x10-5-40-30-20-100幅度（dB)时间(t)线性调频信号的脉压包络sin()|(,)|||()KTyKT近似匹配滤波器的输出包络为线性调频信号的模糊函数为sin()|(,)|||()KTK由此可见，近似匹配滤波器的输出结果和模糊函数的结果是对应的8线性调频信号的数字处理方法A/DA/D快速付里叶正变换频谱相乘快速付里叶反变换包络检波只读存储器存有平方相位项本振相干检波数字处理方法假定输入信号为:20()()cos[2]xtatftKt本振信号为:0()cos(2)Lxtft经过相干检波，输出两路信号为:21()()cos()2IVtatKt21()()sin()2QVtatKt脉冲压缩前目标回波（示例）脉冲压缩后目标回波（示例）