脉冲压缩技术在雷达信号处理中的应用。

脉冲压缩技术在雷达信号处理中的应用专业：信息对抗技术班级：0213010学生姓名：张宇新02123060柯炜鑫02123049石星宇02123010指导教师：魏青1目录脉冲压缩技术在雷达信号处理中的应用............................................................1一、引言......................................................................................................1二、脉冲压缩信号......................................................................................1三、线性调频信号分析..............................................................................23.1线性调频信号概述..........................................................................23.2脉冲压缩处理..................................................................................33.3线性调频信号的产生原理..............................................................3四、匹配滤波器设计....................................................................................44.1匹配滤波器的概述..........................................................................44.2匹配滤波器的原理..........................................................................5五、线性调频脉冲压缩的实现....................................................................65.1脉冲压缩预处理..............................................................................65.2脉冲压缩处理的实现......................................................................65.3脉冲压缩处理仿真..........................................................................7六、脉冲压缩技术的应用..........................................................................8七、小结........................................................................................................9附录：..........................................................................................................10脉冲压缩技术在雷达信号处理中的应用第1页脉冲压缩技术在雷达信号处理中的应用一、引言雷达，是英文Radar的音译，源于RadioDetectionandRanging的缩写，原意为“无线电探测和测距”，即用无线电的方法发现目标并测定它们的空间位置。因此，雷达也被称为“无线电定位”。随着雷达技术的迅猛发展，对雷达的最大作用距离、距离分辨力和测量精度等的要求也越来越高。一方面为了提高雷达系统的最大作用距离，要求信号具有大的能量，在系统的发射设备峰值功率受限制的情况下，大的信号能量只能靠增加信号脉冲宽度得到。另一方面为了提高距离分辨力，要求信号脉冲具有大的带宽。由信号与系统的理论可知，普通信号的时宽带宽积为一常数，所以信号同时具有大的时宽和带宽是不可能的。为了解决这一矛盾，人们开始各种尝试和探索，力求雷达体制上取得突破。脉冲压缩技术的出现有效的解决了雷达系统中最大作用距离和距离分辨力之间的矛盾。二、脉冲压缩信号脉冲压缩技术是大时宽带宽积信号经过匹配滤波器实现的，具有大时带宽的信号通常被称作脉冲压缩信号，不同的信号形式有不同的压缩性能。常用的脉冲压缩信号有以下三种：1线性调频信号(LFM)线性调频信号的主要优点是所用的匹配滤波器对回波的多普勒频移不敏感，即使回波信号有较大的多普勒频移，仍能用同一个匹配滤波器完成脉冲压缩，这将大大简化信号处理系统。线性调频脉冲压缩技术的主要缺点是脉压后输出旁瓣较高。适用于对发射功率限制不严且多普勒频率变化范围较宽的雷达系统。2非线性调频信号(NLFM)非线性调频脉冲压缩是针对线性调频脉冲压缩雷达的缺点而设计的。它将有关的加权因子，采用频率调制的非线性变化来实现，因此在脉冲压缩时既抑制了旁瓣，又避免了回波信号的损失，但设备比较复杂。适用于对信号峰值功率有限制且多普勒变化范围较宽的雷达系统。3相位编码信号脉冲压缩技术在雷达信号处理中的应用第2页相位编码脉冲压缩信号有二相制、多相制以及巴克码、伪随机码等类型。具有理想的“图钉形”模糊函数，具有很高的时延和多普勒分辨能力，没有距离-多普勒耦合问题；用数字方法电子最易产生和处理的信号之一，且由于其信号波形的“随机性”，易实现捷变，有利于提高电子系统的对抗性能，但对多普勒敏感。适用于多普勒变化范围较窄，且对时间旁瓣电平要求不高的雷达系统。其中线性调频脉冲信号的诸多优点使其成为脉冲压缩信号的首选，它也是最早、应用最广泛的脉冲压缩信号。三、线性调频信号分析线形调频脉冲信号是最早应用于脉冲压缩中的大时宽带宽乘积信号。对宽脉冲进行调制，可被认为沿着脉冲的不同部分在相位或频率上设置不同的“标志”。简单的说，可以认为是通过调制，发射波频率随时间发生线性变化。3.1线性调频信号概述线形调频信号是通过非线形相位调制或线形调频(LFM)，从而获得大时宽带宽积的，这种信号称为chirp信号，线形调频信号是目前应用最为广泛的一种脉冲压缩信号。采用这种信号，雷达既可获得远作用距离又可以获得高距离分辨力。它的优点是：所用的匹配滤波器对回波信号的多普勒频移不敏感。因而可以用一个匹配滤波器来处理具有不同多普勒频移的信号，这将大大简化信号处理系统。它的主要缺点是：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。为压低旁瓣采用失配处理，这将降低系统的灵敏度。一般地，线性调频波形可用如下形式表示：20()()cos(),0(2.1)2cttstArecttt其中，112()10,2ttrectt为矩形函数。线形调频信号的包络是矩形脉冲,其脉冲宽度为，但信号的瞬时载频是随时间线形变化的。瞬时角频率i为0,0(2.2)idttdt脉冲压缩技术在雷达信号处理中的应用第3页在脉冲宽度内，信号的角频率由2MtB变化到022f，调制频率带宽2MtB。对于这种信号，D为脉冲宽度与带宽的乘积，是一个很重要的参数，表示如下：21(2.3)2MDB线性调频信号的时域波形及频谱如下：00.10.20.30.40.50.60.70.80.91x10-5-1-0.500.51time/sSt(t)LFMtransmittedsignal-1.5-1-0.500.511.5x107050100frequency/HzS(w)frequencyspectrumoftransmittedsignal图1线性调频信号的时域波形及频谱3.2脉冲压缩处理脉冲压缩处理是整个雷达信号处理过程中非常重要的一个环节，其处理精度和速度直接决定了雷达系统的工作效率和反应速度。脉冲压缩雷达信号处理方式又分为以下两种：模拟脉冲压缩数字脉冲压缩数字脉冲压缩技术相对于传统的模拟脉冲压缩处理方法具有很大的优越性，其处理精度高、灵活性大、可靠性高，易于大规模生产，已成为现代雷达脉压系统的主流。数字脉冲压缩对二相位编码信号特别方便,采用脉冲线性调频的脉冲压缩雷达也可用数字处理技术。数字处理的缺点是对大带宽信号必须有极高的数字处理速度，解决这个问题尚存在困难。3.3线性调频信号的产生原理在雷达的发射机中，首先由脉冲调制器产生信号，它是幅度为A周期为T的矩形脉冲波。如图2a所示。在脉冲的持续时间内，频率从f1线形增加到f2，脉冲压缩技术在雷达信号处理中的应用第4页如图2b所示。有时称为上线性调频。反之，频率随时间线形下降称为下线形调频。图2c给出随时间变化的波形。图2线性调频信号四、匹配滤波器设计4.1匹配滤波器的概述匹配滤波器是在白噪声背景中检测信号的最佳线性滤波器，其输出信噪比在某个时刻可以达到最大值，其传递函数形式是信号频谱的共轭。因此匹配滤波器对信号做两种处理：1．滤波器的相频特性与信号相频特性共轭，使得输出信号所有频率分量都在输出端同相叠加而形成峰值。2．按照信号的幅频特性对输入波形进行加权，以便最有效地接收信号能量而抑制干扰的输出功率。即当信号与噪声同时进入滤波器时，它使信号成分在某一瞬间出现尖峰值，而噪声成分受到抑制。脉冲压缩技术在雷达信号处理中的应用第5页其作用是：1．提高信噪比。毫不夸张地说，任何电子系统都有匹配滤波或近似匹配滤波的环节，目的是提高信噪比。2．对于大时间带宽积信号，匹配滤波等效于脉冲压缩。因此可以提高雷达或声纳的距离分辨率和距离测量精度。在扩频通信中，可以实现解扩。4.2匹配滤波器的原理匹配滤波器的原理框图可简化如下：匹配滤波器线性调频信号窄脉冲输出在接收信号是，调频信号通过一个脉冲压缩滤波器，滤波器是一个传播速度与频率成正比的延迟线。相对于脉冲前沿的较低频率，滤波器加快了在脉冲后沿较高频率的速度，以便将信号压缩到1/B宽度,其中B=f2-f1。在这种情况下,输出与(sin(Bt))Bt成正比。脉冲在通过滤波器后，脉冲的峰值功率提高了脉冲压缩比TBT倍。图4分别给出了匹配滤波器时域和频域特性。00.10.20.30.40.50.60.70.80.91x10-5-1-0.500.51time/sh(t)transmissionfunctionofmatchedfilter-1.5-1-0.500.511.5x107050100frequency/HzH(w)frequency-domaincharacteristicsofh(t)图4匹配滤波器时域和频域特性我们可以明显的发现，匹配滤波器的时频域的波形与其相应的信号一致，也正是这样，使得输出信号信噪比最大。图3匹配滤波器的原理框图脉冲压缩技术在雷达信号处理中的应用第6页五、线性调频脉冲压缩的实现5.1脉冲压缩预处理在实际应用中，线性调频信号一般都是射频信号，收到部分器件性能二等影响，对模拟信号在射频采样是很困难的，因此需要先将模拟信号的频率通过混频降低到中频，然后在采样得到数字化的中频信号。线性调频信号的脉冲压缩处理一般是在视频进行的，通过数字下变频，将数字中频信号变换到视频，得到正交的I、Q信号，经过滤波和抽样后进行脉冲压缩处理。线性调频脉冲压缩预处理框图如下所示。5.2脉冲压缩处理的实现脉冲压缩的实现方法有时域和频域两种，所以在设计中就要考