目標分辨脈沖壓縮雷達

1、目標分辨脈沖壓縮雷達目標分辨脈沖壓縮雷達 概述概述 線性調(diào)頻脈沖壓縮線性調(diào)頻脈沖壓縮概述概述雷達的距離分辨率取決于信號的帶寬雷達的距離分辨率取決于信號的帶寬Bcr2 對于普通脈沖雷達，雷達信號的時寬對于普通脈沖雷達，雷達信號的時寬與帶寬滿足與帶寬滿足BT1 對于脈沖壓縮雷達，雷達信號的時寬對于脈沖壓縮雷達，雷達信號的時寬與帶寬滿足與帶寬滿足TBBT11這樣，經(jīng)過壓縮后雷達信號的時寬為這樣，經(jīng)過壓縮后雷達信號的時寬為1BT 壓縮后與壓縮前雷達信號時寬之比為壓縮后與壓縮前雷達信號時寬之比為1TBTT 定義雷達信號時寬與帶寬的乘積為脈定義雷達信號時寬與帶寬的乘積為脈沖壓縮比沖壓縮比TBD 如果壓縮濾

2、波器是無源的，它本身不消耗如果壓縮濾波器是無源的，它本身不消耗能量也不產(chǎn)生能量，滿足能量守恒原理：能量也不產(chǎn)生能量，滿足能量守恒原理：PPTTDTPTPE 可見，輸出脈沖的峰值功率增大了可見，輸出脈沖的峰值功率增大了D倍倍 若輸入脈沖幅度為若輸入脈沖幅度為A，輸出脈沖幅度為，輸出脈沖幅度為A，則有：則有：DAADTTAA 因為噪聲通過壓縮濾波器后，噪聲不會被因為噪聲通過壓縮濾波器后，噪聲不會被壓縮，其噪聲電平仍保持在接收機原有的噪聲壓縮，其噪聲電平仍保持在接收機原有的噪聲電平上，所以輸出信噪比也提高了電平上，所以輸出信噪比也提高了D倍倍DNSNSi)/()/(0 這意味著，接收機的靈敏度提高了

3、，脈沖壓這意味著，接收機的靈敏度提高了，脈沖壓縮雷達的作用距離將提高?？s雷達的作用距離將提高。脈沖壓縮雷達的優(yōu)點：脈沖壓縮雷達的優(yōu)點：1 脈沖寬度與有效頻譜寬度這兩個參數(shù)脈沖寬度與有效頻譜寬度這兩個參數(shù)可以獨立選取，解決了雷達作用距離與可以獨立選取，解決了雷達作用距離與距離分辨率之間的矛盾。距離分辨率之間的矛盾。2 通過匹配壓縮處理獲得高的距離分辨通過匹配壓縮處理獲得高的距離分辨率率3 寬帶信號有利于提高系統(tǒng)的抗干擾能寬帶信號有利于提高系統(tǒng)的抗干擾能力力脈沖壓縮雷達的缺點：脈沖壓縮雷達的缺點：1 最小作用距離受脈沖寬度的限制。最小作用距離受脈沖寬度的限制。2 收發(fā)系統(tǒng)比較復(fù)雜，在信號產(chǎn)生和處收

4、發(fā)系統(tǒng)比較復(fù)雜，在信號產(chǎn)生和處理過程中的任何失真，都將增大旁瓣高理過程中的任何失真，都將增大旁瓣高度。度。3 存在距離旁瓣，通過加權(quán)處理抑制旁存在距離旁瓣，通過加權(quán)處理抑制旁瓣。瓣。4 存在距離和速度耦合，影響測量。存在距離和速度耦合，影響測量。脈沖壓縮雷達存在條件：脈沖壓縮雷達存在條件：1 發(fā)射信號必須具有發(fā)射信號必須具有非線性的相位譜非線性的相位譜。2 存在對應(yīng)的存在對應(yīng)的匹配壓縮網(wǎng)絡(luò)匹配壓縮網(wǎng)絡(luò)。壓縮網(wǎng)絡(luò)脈沖壓縮的原理脈沖壓縮的原理 頻譜分析方法頻譜分析方法 信號延遲積累方法信號延遲積累方法 同相位矢量相加方法同相位矢量相加方法設(shè)發(fā)射信號的頻譜為：設(shè)發(fā)射信號的頻譜為：)(| )(|)(f

5、jiiiefUfU則，匹配壓縮濾波器的頻譜應(yīng)為：則，匹配壓縮濾波器的頻譜應(yīng)為：diftjfjieefUKfH2)(| )(|)(經(jīng)過匹配壓縮濾波器后的輸出應(yīng)為：經(jīng)過匹配壓縮濾波器后的輸出應(yīng)為：dftjiioefUKfUfHfU22| )(|)()()(頻譜分析方法頻譜分析方法接收機輸入的高接收機輸入的高頻脈沖的包絡(luò)頻脈沖的包絡(luò)輸入高頻信號輸入高頻信號的時間的時間-頻率頻率特性特性信號壓縮的頻信號壓縮的頻率率-時延特性時延特性壓縮脈沖輸出壓縮脈沖輸出信號延遲積累方法信號延遲積累方法fffttf1fff2td2td1f1f2TTtd1td2存在下述關(guān)系：存在下述關(guān)系：)(2112ddddttTTT

6、ttT因為因為12ddtt所以所以TT 同相位矢量相加方法同相位矢量相加方法f壓縮前信號頻譜矢量圖壓縮前信號頻譜矢量圖壓縮后信號頻譜矢量圖壓縮后信號頻譜矢量圖f脈沖壓縮雷達信號處理方式：脈沖壓縮雷達信號處理方式：匹配濾波脈沖壓縮I/Q解調(diào)信號濾波器存儲采樣保持A/D轉(zhuǎn)換頻譜分析檢測器CFAR中頻放大信號檢測結(jié)果 模擬脈沖壓縮脈沖壓縮雷達信號處理方式：脈沖壓縮雷達信號處理方式：采樣保持A/D轉(zhuǎn)換頻譜分析信號濾波器存儲匹配濾波脈沖壓縮檢測器CFAR檢測結(jié)果 數(shù)字脈沖壓縮I/Q信號線性調(diào)頻信號的產(chǎn)生線性調(diào)頻信號的產(chǎn)生 無源法產(chǎn)生線性調(diào)頻信號無源法產(chǎn)生線性調(diào)頻信號 窄脈沖沖擊法窄脈沖沖擊法 平衡調(diào)制法

7、平衡調(diào)制法 有源法有源法中頻矩形帶通網(wǎng)絡(luò)色散延遲線方波產(chǎn)生器功放上變頻器整形本振沖擊信號 無源法亞控振蕩器多諧振蕩器鋸齒波電壓產(chǎn)生器選通沖擊信號 有源法線性調(diào)頻信號的頻譜線性調(diào)頻信號的頻譜幅度頻譜：幅度頻譜：2/ 1221221)()()()(21| )(|uSuSuCuCKfu相位頻譜：相位頻譜：)()()()()(21212uCuCuSuSarctgfKf線性調(diào)頻信號的頻譜線性調(diào)頻信號的頻譜當(dāng)雷達信號時間帶寬積遠遠大于當(dāng)雷達信號時間帶寬積遠遠大于1時，存在近似時，存在近似相位頻譜：相位頻譜：4)()()()(2121uCuCuSuSarctg4)(2fKf02468101214-1-0.5

8、00.51radar pulse with linear frequency modulationtime (us)-25-20-15-10-50510152025051015202530frequency spectrum of radar pulsefrequency (MHz)clear%信號產(chǎn)生T=10*10-6; %pulse widthB=10*106; %frequency bandwidthK=B/T; %frequency modulation ratioN=2048; %samples numbert=0:T/N:T; %time seriessi=exp(-j*pi*K*

9、t.2); %signal generationso=fft(si);subplot(2,1,1);plot(fftshift(abs(so)subplot(2,1,2);plot(fftshift(angle(so);線性調(diào)頻脈沖信號的波形參量線性調(diào)頻脈沖信號的波形參量BdfKdfKdffudffuWBBBBe2/2/422/2/2422|1|1| )(| )(|有效帶寬：有效帶寬：22/2/22/2/2222222203|1|1|)2(| )(| )(|)2(BdfKdfKfdffudffufBBBB均方根帶寬：均方根帶寬：TdtdtdttudttuTTTTTe2/2/2/2/2422|

10、)(| )(|有效時寬：有效時寬：均方根時寬：均方根時寬：22/2/2/2/2222222)(31)2(| )(| )(|)2(TdtdttdttudttutTTTT調(diào)頻常數(shù)：調(diào)頻常數(shù)：3)2(2)(222/2/2/2/2/2/2/2/BTdtdtKttdtdtttTTTTTTTT線性調(diào)頻信號的模糊函數(shù)線性調(diào)頻信號的模糊函數(shù)TtTtetuKtj0, 00,)(2TTTKTK| |)|(|)|)(|)|)(sin| ),(|22時間軸上的切面：時間軸上的切面：TTTKTK|)|(|)|(|)|(sin| ) 0 ,(|TBTBT|)/|1 (sin| ) 0 ,(|TBBT|sin| ) 0 ,

11、(|頻率軸上的切面：頻率軸上的切面：|sin| ), 0(|TTT特點：特點：隨著多普勒頻移，主峰值降低。隨著多普勒頻移，主峰值產(chǎn)生時移。1隨著多普勒頻移，切割圖與辛克函數(shù)的失真進一步加大。線性調(diào)頻信號的處理線性調(diào)頻信號的處理當(dāng)信號的時間帶寬積較大時，線性調(diào)頻信號的頻譜可以近似為：幅度頻譜：幅度頻譜：)(1| )(|BfrectKfu相位頻譜：相位頻譜：4/)(2fKf線性調(diào)頻信號的近似匹配濾波器的頻譜特性應(yīng)滿足：1 幅度譜與信號的頻譜相同，即帶寬為B的矩形譜2 相位譜是信號相位譜的共軛2)(fKf壓縮濾波器的頻譜應(yīng)該是：2)(1)(fKjeBfrectKfHKffKdfdtd)(212近似匹

12、配濾波器的輸出近似匹配濾波器的輸出近似匹配濾波器的輸入信號為近似匹配濾波器的輸入信號為212 ()2( )( )jtKttu trecteT 其中其中 為信號的多普勒頻移，這個信號的頻譜為為信號的多普勒頻移，這個信號的頻譜為22/22 ()/2( )( )jftTjf tKtTu fu t edtedt 近似匹配濾波器的頻率特性應(yīng)該是近似匹配濾波器的頻率特性應(yīng)該是其幅度頻譜為其幅度頻譜為1|( )|( )fH frectBK其相位頻譜為其相位頻譜為2( ) ffK近似匹配濾波器的頻譜為近似匹配濾波器的頻譜為21( )( )jfKfH frecteBK經(jīng)過近似匹配濾波器的壓縮后的頻譜為經(jīng)過近似匹

13、配濾波器的壓縮后的頻譜為221/22 ()22/2( )( )( )1( )TjfjtKtjftKTY fH fu ffrecteeedtBK 當(dāng)當(dāng) 為某一固定值，近似匹配濾波器輸出的波形為為某一固定值，近似匹配濾波器輸出的波形為2221/22 ()22/2( , )( )1( )jfTjfjf tKtjfKTyY f edffrecteedt edfBK 改變積分次序，上式可寫為改變積分次序，上式可寫為222221/22 ()22/21/22 ()2 ()22/2( , )( )11jffTjf tKtfKTfTjtKtjfftKTyY f edfedf dtKedtedfK 令令22222

14、221122(2)22Kt KvKvKtKK tfKvfvftfKK代入上式，經(jīng)過簡化，有代入上式，經(jīng)過簡化，有2221(2)/22 ()2)22/21( , )fKvTjtKtvjKTyedtedfK 再令再令222UfKvK22(2)2)24fKvjjjUKKedfedUKe因為存在下列關(guān)系因為存在下列關(guān)系2221122tKtvt K tK近似匹配濾波器的輸出最后可以寫為近似匹配濾波器的輸出最后可以寫為2221 12 ()/22 ()8 2/21 12 ()/28 201 12 ()8 2( , )cos2 () sin ()()jKTjK tTjKTjKyeedteK t dtK TeK

15、 T 輸出信號的包絡(luò)為輸出信號的包絡(luò)為sin ()| ( , )| |()K TyK T 比較近似匹配濾波器的輸出和模糊函數(shù)的結(jié)果比較近似匹配濾波器的輸出和模糊函數(shù)的結(jié)果sin ()| ( , )| |()K TyK T 近似匹配濾波器的輸出包絡(luò)為近似匹配濾波器的輸出包絡(luò)為線性調(diào)頻信號的模糊函數(shù)為線性調(diào)頻信號的模糊函數(shù)為sin ()| ( , )| |()K TK 由此可見，近似匹配濾波器的輸出結(jié)果和模糊函數(shù)的結(jié)果是對由此可見，近似匹配濾波器的輸出結(jié)果和模糊函數(shù)的結(jié)果是對應(yīng)的應(yīng)的線性調(diào)頻信號的數(shù)字處理方法線性調(diào)頻信號的數(shù)字處理方法A/DA/D快速付里葉正變換頻譜相乘快速付里葉反變換包絡(luò)檢波A/

16、DA/D只讀存儲器存有平方相位項本振相干檢波數(shù)字處理方法數(shù)字處理方法假定輸入信號為假定輸入信號為20( )( )cos2x ta tf tKt本振信號為本振信號為0( ) cos(2)Lx tf t經(jīng)過相干檢波，輸出兩路信號為經(jīng)過相干檢波，輸出兩路信號為21( )( )cos()2IV ta tKt21( )( )sin()2QV ta tKt線性調(diào)頻信號的加權(quán)處理線性調(diào)頻信號的加權(quán)處理 旁瓣抑制的意義 加權(quán)函數(shù)的形式 失配處理的成對回波理論旁瓣抑制的意義旁瓣抑制的意義 線性調(diào)頻信號通過匹配壓縮濾波器后，輸出壓縮脈沖的包絡(luò)近似為辛克形狀，其中最大的第一對旁瓣為主峰電平的-13.2dB，在多目標環(huán)境中，這些旁瓣會淹沒附近較小目標的主信號，引起目標丟失。為了提高分辨多目標的能力，必須采用旁瓣抑制或簡稱加權(quán)技術(shù)。 加權(quán)技術(shù)實際上是對信號進行失配處理，所以它不僅使旁瓣得到抑制，同時使輸出信號包絡(luò)主瓣降低，變寬。換句話說，旁瓣抑制是以信噪比損失及距離分辨率變壞作為代價的。加權(quán)函數(shù)的形式 如何選擇加權(quán)函數(shù)，涉及到最佳準則的確定，最佳的加權(quán)函數(shù)理論上應(yīng)為多爾夫-切比雪夫函數(shù)。但這種理想函數(shù)是難以實現(xiàn)的，因此實際上采用的加權(quán)函數(shù)包括漢明、漢寧、余旋平