宽带LFM信号分析及其Stretch处理研究文献综述-综述网

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文献综述

一．选题背景

现代高科技战争对雷达系统设备的功能与性能提出了越来越高的要求。具有大瞬时带宽的宽带雷达，因其高的距离分辨率、抗干扰能力强、高的目标检测和识别能力等优点，受到世界各国的普遍重视，各国尤其关注瞬时带宽达1 GHz以上的X波段宽带雷达信号产生和处理技术^[2]。因此，研究大瞬时带宽雷达信号的产生与处理，提高宽带雷达的性能具有非常重要的现实意义。因此世界各国相继发展宽带或超宽带雷达。窄带、宽带与超宽带的划分标准最初始于年月在美国新墨西哥州国家实验室召开的超宽带雷达会议上被正式提出来的。国外已研制成功了多种高性能的宽带雷达,并早己装备部队投入使用,其中以美国研制的宽带雷达为典型。比如美国研制的用于空间探测相控阵雷达“丹麦眼镜蛇”,其工作在L波段,带宽为200MHz。部署在NMD系统中的XBR雷达,其工作在X波段,带宽达到1GHz等等。国内一直紧跟国外开展宽带雷达的技术研究,据有关文献报道,国内研制的某宽带成像雷达,其发射信号带宽已达到了800MHz,但是雷达分辨率远不及国外高。^【4】

宽带高分辨率雷达在信号形式的选择上, 可采用频率步进信号、调频步进信号或线性调频信号。为满足对远程目标无模糊距离的成像, 并对目标速度的影响具有一定的鲁棒性, 地面宽带雷达通常采用线性调频信号Stretch 处理^【13】。采用Stretch脉冲压缩处理技术不仅可大大降低对系统处理速度的要求,而且降低了对A/ D变换器采样速率的要求^[3].该方法已在美国的夸贾林岛上C 波段Alcor 成像雷达与我国的第一部ISAR 实验雷达上成功应用, 美国高空区域防御系统THAAD 的地基宽带相控阵制导雷达中也采用这种波形。

二．线性调频信号简介

2.1 线性调频信号^[1]

LFM信号实数表示为

( 1 )

LFM信号复数表示为

( 2 )

LFM信号复包络为

( 3 )

图1. 线性调频脉冲信号的I路

图2. 线性调频脉冲信号的Q路

2.2 产生宽带线性调频信号的方法

通过科学技术人员长期对采用数字合成法或数字模拟结合法产生脉冲压缩信

号的深入研究，己经取得了大量的研究成果，也进一步促进了DDS技术在工实

践中的广泛应用。目前，基于数字技术的宽带LFM信号产生途径一般可分为以

下五类^【4】:

1). DDS直接产生方法：

对某些短波、超短波、米波雷达来说，由于信号中心频率不太高、瞬时带宽

不太大，因而可以直接采用DDS方法获得所需的雷达信号

2). DDS 倍频器扩展频带方法

由于受限于数字器件的速度和工艺，基于DDS的数字合成技术还无法直接

满足某些高中频大瞬时带宽雷达信号产生的要求。所以必须采取措施增加产生信

号的带宽、扩展工作频带，其中倍频就是一种扩展信号带宽的有效途径。倍频不

仅能扩展信号的带宽，而且还能提高信号的中心频率，因此在宽带、超宽带LFM

雷达信号产生中得到T广泛应用

3). DDS上变频扩展频带方法

上变频是一种升高频率的变换电路，它将原始较弱的信号fs和较强的本地

振荡信号人同时加到非线性元件(变容管等)上，从而获得两个频率之和(fs 人)的

更高频率信号的过程。因此，采用DDS多次上变频方案，就可以非常方便地将

数字法产生的宽带雷达信号波形扩展至微波、毫米波波段。

4). DDS PLL扩展频带方法

采用DDS结合锁相环((PLL)技术是实现宽带雷达信号的又一种十分有效的

技术途径，通过PLL锁相倍频可获得低噪声、低杂散、高频谱纯度和高捷变频

波形，其速度仅次于DDS 倍频扩展方案。

5).多路DDS并行合成方法

由于利用传统的信号产生方法来产生大瞬时带宽雷达信号方面存在困难，为

了解决大瞬时带宽信号的产生，文中提出了多路DDS并行合成设计技术方案。

三．模糊函数简介

3.1 模糊函数的定义^[1]

模糊函数最初是在研究雷达分辨力问题提出的，如果衡量二维分辨力的准则采用均方差准则，则得定义模糊函数为：

( 4 )

其中，，为的复共轭，

( 5 )

当信号能量一定时，如果不考虑由载频f₀引起的细微结构，则就是决定目标二维分辨力能力的唯一因素。

模糊函数绘成的三维空间图形称为信号的模糊图。如果采用能力归一化，，此为体积不变性^[5]。说明模糊图的体积是由信号能量决定的，与信号形式无关。只要信号能量相同，改变信号复包络的形状只能改变模糊图表面的形状。此外模糊函数还具有原点对称性，峰值在原点等性质。

3.2 模糊函数的切割^[1]

切割：垂直于tau;平面的平面对模糊图进行垂直的切割。模糊函数的切割所得的切割面可以看出雷达信号的分辨力和精度性能。具体的切割结果如下^【1】：

3.2.1 沿tau;=0的切割面切割

将tau;=0代入中，得到，即为信号的频率模糊函数，切割平面过最大值。根据速度分辨力的定义^[12]，可以从该切割面

直观得看出信号的速度分辨力和测速精度，一般主峰越高越尖锐，旁瓣越低，

测速性能越好。

3.2.2 沿的切割面切割

将代入中，得到，即为信号的距离模糊函数，切割平面过最大值。根据距离分辨力的定义，可以从该切割面直

观得看出信号的距离分辨力和测距精度，一般主峰越高越尖锐，旁瓣越低，测

距性能越好。

3.2.3 沿或的切割面切割

有些信号类型沿特定的切割平面切割会有特别的意义。例如一类脉冲串信号存在模糊带条，如跳频相参脉冲串^[13]对旁瓣模糊带的切割，可以看出跳频相

参脉冲串旁瓣模糊带的特性。

3.3线性调频脉冲信号的模糊函数^【14】

线性调频脉冲信号的模糊函数为

( 6 )

具有以下特点：

1）它是单载频矩形脉冲信号模糊图的剪切；

2）模糊图的体积大部分集中在平面原点的主峰内，但由于存在剪切效应，主峰呈斜刀刃型；

3）在迟延轴方向的体积分布宽度为2T，在多普勒轴方向的体积分布为无限；

4）离主峰较远的地方可认为，因此在这些区域内不存在模糊和干扰，也可以说不存在“自身杂波”

2. 线性调频信号的模糊函数切割

1）当时

( 7 )

当BTgt;gt;1时，

( 8 )

剪切前和剪切后在轴上的宽度（第一个零点间的距离）比为

( 9 )

2）当时

( 10 )

3）当时

①主峰降低；

②主峰时移；

③失真

3. 线性调频脉冲信号的模糊图

图3. 线性调频脉冲信号的模糊图

3.4 Stretch处理

Stretch处理是用一时宽固定，而频率、调频率与发射信号相同的LFM信号作为参考信号，用它和回波信号作差频处理后再进行数字化并正交检波。Stretch处理可以把与发射信号一致的大带宽回波信号转化为与搜索区域有关的窄带回波信号，有效降低信号采样频率及后级信号处理压力^【6】.

假设STRETCH处理的雷达系统发射的LFM信号载波频率为f_c，脉冲持续时间为T_t，线性调频率为gamma;，某点目标到雷达的距离为R_i，则目标回波信号，s_r(t)可表示为^[2]

( 11 )

其中c为光速，t为时间变量，

( 12 )

这里假设发射信号的幅度为1. 设参考距离为R_ref，接收回波信号的距离窗口时宽为T_r，则参考信号的表达式为

( 13 )

一般T_r要比T_t大，即距离窗口的大小，否则对于真实目标上的大部分散射点回波将不能被接收机完整接收，导致带宽损失，降低目标分辨率。若设R_△=R_i-R_ref，噪声信号记为n(t)，则stretch处理后的差额输出为

( 14 )

参考文献

[1] 朱晓华. 雷达信号分析与处理[M]. 北京：国防工业出版社，2011:214-217.

[2] 林钱强. 宽带雷达STRETCH处理系统失真补偿新方法[J]. 光学与电子工程,2009,02

[3] 李阳.基于宽带Stretch处理的长时间积累方法[D].2009,02

[4] 万永伦.宽带雷达信号产生与处理技术研究[D]. 信号与信息处理,2007

[5] 黄巍.宽带雷达实时信号处理技术研究[D].信号与信息处理,2004,03

[6] 孙长贵.调频脉冲雷达信号的伸缩处理方法与DDR技术[J],2003,11

[7] Levanon, N. and E. Mozeson. Radar Signals. Wiley, New York, 2004.

[8]丁鹭飞.雷达原理[M].西安电子科技大学出版社,2002.

[9] Burdic, W. S. Radar Signal Analysis. Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ, 1968.

[10] Skolnik, M. I. Introduction to Radar Systems. McGraw-Hill, New York, 1980.

[11] 张长沙.步进频率线性调频脉冲雷达离散时间信号处理[D]，信号与信息处理,2011,04

[12] 蒋兰兰.高分辨率LFMCW雷达信号处理算法研究[D]，通信与信息系统，2007,06

[13] 文树梁.宽带线性调频信号Stretch处理误差获取与补偿[J],系统工程与电子技术，2005，01

[14] Mark A. Richards. 雷达信号处理基础[M].电子工业出版社，2008.

[15] 高凤鵾.宽带雷达LFM信号回波检测研究 [D],电路与系统，2011.04

文献综述

一．选题背景

二．线性调频信号简介

2.1 线性调频信号^[1]

LFM信号实数表示为

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