雷达系统中的信号处理技术

雷达系统中的信号处理技术摘要本文介绍了雷达系统及雷达系统信号处理的主要内容，着重介绍与分析了雷达系统信号处理的正交采样、脉冲压缩、MTD和恒虚警检测几种现代雷达技术，雷达系统通过脉冲压缩解决解决雷达作用距离和距离分辨力之间的矛盾，通过MTD来探测动目标，通过恒虚警（CFAR）来实现整个系统对目标的检测。关键词雷达系统正交采样脉冲压缩MTD恒虚警检测1雷达系统概述雷达是Radar（RadioDetectionAndRanging）的音译词，意为“无线电检测和测距”，即利用无线电波来检测目标并测定目标的位置，这也是雷达设备在最初阶段的功能。雷达的任务就是测量目标的距离、方位和仰角，还包括目标的速度，以及从目标回波中获取更多有关目标的信息。典型的雷达系统如图1，它主要由雷达发射机、天线、雷达接收机、收发转换开关、信号处理机、数据处理机、终端显示等设备组成。图1雷达系统框图随着现代电子技术的不断发展，特别是数字信号处理技术、超大规模集成数字电路技术、计算机技术和通信技术的告诉发展，现代雷达信号处理技术正在向着算法更先进、更快速、处理容量更大和算法硬件化方向飞速发展，可以对目标回波与各种干扰、噪声的混叠信号进行有效的加工处理，最大程度低剔除无用信号，而且在一定的条件下，保证以最大发现概率发现目标和提取目标的有用信息。雷达发射机产生符合要求的雷达波形，然后经馈线和收发开关由发射天线辐射出去，遇到目标后，电磁波一部分反射，经接收天线和收发开关由雷达接收机接收，然后对雷达回波信号依次进行信号处理、数据处理，就可以获知目标的相关信息。雷达信号处理的流程如下：图2雷达信号处理流程2雷达信号处理的主要内容雷达信号处理是雷达系统的主要组成部分。信号处理消除不需要的杂波，通过所需要的目标信号，并提取目标信息。内容包括雷达信号处理的几个主要部分：正交采样、脉冲压缩、MTD和恒虚警检测。正交采样是信号处理的第一步，担负着为后续处理提供高质量数据的任务。采样的速率和精度是需要考虑的首要问题，采样系统引起的失真应当被限定在后续信号处理任务所要求的误差范围内，直接中频数字正交采样是当代雷达的主要技术之一。脉冲压缩技术在现代雷达系统中得到了广泛的应用。脉冲压缩雷达既能保持窄脉冲雷达的高距离分辨力，又能获得脉冲雷达的高检测力，并且抗干扰能力强。现在，脉冲压缩雷达使用的波形正在从单一的线性调频发展到时间、频率、编码混合调制，在尽可能不增加整机复杂度的条件下实现雷达性能的提升。杂波抑制是雷达需要具备的重要功能之一。动目标指示与检测是通过回波多普勒频移的不同来区分动目标和固定目标，通过设计合理的滤波器（组），就可以把目标号和杂波分开。一个完备的杂波抑制系统MTD、杂波图、CFAR检测等技术的综合应用，实现从杂波和噪声环境中检测目标任务。3雷达系统信号处理关键技术及分析3.1数字正交相干检波随着数字电路技术的发展，数字信号处理技术在高性能雷达等系统中得到广泛的应用。在这些应用中，对接收通道的要求越来越高，数字正交相干检波技术成为了提高现代雷达性能的重要技术之一。传统的模拟正交接收机由于模拟器件的不一致性，且受到环境温度、电源电压等影响较大，其I/Q通道存在较大的幅度和相位正交误差，并因此严重影响雷达的整机性能。而基于直接中频采样的数字正交相干检波技术具有镜频抑制比高、体积小、一致性好等优点。它基于带通信号采样理论，在欠采样情况下保证信号的有用频谱不发生混叠，从而恢复得到正确的I/Q信号，因此得到了广泛的应用。正交双通道处理就是中频回波信号经过两个相似的支路分别处理，其差别仅是其基准的相参电压相位差90°，这两路称为：同相支路(InphaseChannel)——I支路正交支路(QuadratureChannel)——Q支路传统方法使用的是模拟正交双通道处理，正交I、Q通道处理是将接收机输出的中频回波信号分别与正交的两路相参信号混频（采用模拟乘法器），然后进行低通滤波，从而得到I、Q两路基带信号，再通过A/D变换给出同相分量和正交分量的数字量，如图3所示：图3正交双通道采样结构图正交双通道处理的优点(相对于单通道处理)：（1）可区分±df，以确定目标相对运动方向；（2）能消除盲相（单通道MTI时目标多普勒信号的相位取样对消导致零输出）。3.2雷达脉冲压缩技术雷达是通过对回波信号做一些相应的处理来识别复杂回波中的有用信息的。因此，波形设计有着相当重要的作用，不同的波形将影响雷达发射机形式的选择、信号处理方式、雷达的作用距离及抗干扰、抗截获等很多重要问题。现代雷达为了提高雷达发射机平均功率，往往采取了时宽很宽的发射脉冲，脉宽甚至达到了若干毫秒。由雷达的模糊函数的概念可知，雷达的距离分辨率和发射信号的有效带宽成反比，为了能达到要求的距离分辨力，必须提高发射信号的有效带宽，常用的方法是采用脉冲压缩处理方式。脉冲压缩技术可以获得较大的时宽带宽信号，使雷达同时具有作用距离远、高测距、高测速精度和好的距离、速度分辨率的优点。同时，在密集的有源电磁环境中，雷达之间的相互干扰会成为严重的问题。采用脉冲压缩技术的雷达发射端可以采用不同的调制波形，接收端采用不同的匹配滤波器，从而减少了雷达之间的相互干扰。线形调频信号是一种典型的脉冲压缩信号，也是研究最早而又应最广泛的一种脉冲压缩信号。它具有对目标回波信号多普勒频移不敏感，技术较成熟等优点。但是为获得低副瓣，需要加权，这样会带来信噪比损失。在数字信号处理方法广泛应用之前，常采用模拟脉压方法。如今数字技术的不断提高使得数字脉压正在取代传统的模拟脉压方法。数字脉压相当于FIR匹配滤波，滤波器系数就是对应于发射的调频信号的参考信号。脉冲压缩有基于时域相关法和频域FFT法两种方式。采用频域算法的优点是大时宽信号时间可采用高效FFT算法，大大减少运算量（时域FIR滤波器实现数字脉压，对于N点长度的信号，需要进行2N次复数乘法运算，而频域卷积法仅需要NN2log22次复数乘法运算）；采用专用FFT芯片，可实现大压缩比和最佳性价比。但在小压缩比、距离单元数较大时，相对于时域脉冲压缩法成本较高，运算过程较复杂。采用时域匹配滤波法，等效于求离散接受信号与发射波形理算样本之间的负相关运算，这种方法在压缩比较小时，电路简单，实现方便。至于两种方法的脉压性能，研究表明：频域处理方法得到的脉压主副比（RMS）指标高于时域方法4dB以上，但时域处理方法得到的信噪比（SNR）损失要略小于频域方法，而多普勒频移（fd）对两种方法的影响基本上一致。脉冲压缩的目的是集中单个雷达发射信号的所有能量，获的最大输出信噪比。方法是进行匹配滤波，在接收机中设置一个与发射信号频率相匹配的压缩网络，使经过调制的宽脉冲的回波信号变成窄脉冲，保持良好的距离分辨力。脉冲压缩网络实际上就是一个匹配滤波器网络。匹配滤波器是指输出信噪比最大准则下的最佳线性滤波器。脉冲压缩的程度用脉冲压缩系数D表示，它定义为：0DD即压缩后的脉冲宽度τ比发射脉冲宽度0缩小的倍数，亦称脉压比。它是衡量脉压处理的主要技术指标之一。雷达脉冲压缩技术在今后的应用中有着更为广泛的前景。它是提高现代雷达在未来战争中竞争力的重要手段之一，在整个雷达系统中，发挥着及其重要的作用，同时，脉冲压缩技术也是现代雷达信号处理技术的重要发展方向。3.3动目标检测MTDMTD也就是一种相参积累和多普勒滤波的结合，相干积累的目的为：1、集中多个脉冲重复周期/调频周期内雷达发射的所有信号所有能量，获取最大输出信噪比。2、减小目标RCS起伏对目标检测的影响。动目标检测（MTD）即MovingTargetDetection，根据最佳线性滤波理论，在杂波背景下检测运动目标回波，除了杂波抑制滤波器外，还应串接有对脉冲串信号匹配的滤波器。MTD利用了回波脉冲串的相参性进行相参积累。实际工作中，采用一组相邻且部分重叠的滤波器组覆盖整个多普勒频率范围，这就是窄带多普勒滤波器组。N个相邻的多普勒滤波器组的实现是由N个输出的横向滤波器（N个脉冲和N-1根迟延线）经过各脉冲不同的加权并求和后形成的。结构如图4：图4MTD滤波器组成框图图5MTD滤波器频率响应N=8设加在第k个滤波器的第i个输出端头的加权值为：1,1,0,ew]/)1(2[-jikNiNki，k表示标号从0到N-1的滤波器，每一个k值对应一组不同的加权值，相应地对应一个不同的多普勒滤波器响应。图5中所示滤波器响应是N=8时加权所得各标记k的滤波器频率响应，k取0~7。该滤波器的频率覆盖范围为0到fr。在仿真实验中，通常是通过快速傅里叶变换FFT来实现的。动目标检测是为了弥补MTI的缺陷，并根据最佳滤波器理论发展起来的。由于MTI对地物杂波的抑制能力有限，因此在MTI后串接一窄带多普勒滤波器组来覆盖整个重复滤波的范围，以达到动目标检测的目的，其实质是相当于对不同通道进行相参积累处理。3.4恒虚警检测CFAR恒虚警是雷达信号处理的的重要组成部分，雷达信号的检测总是在干扰背景下进行的，这些干扰包括接收机内部的热噪声，以及地物、雨雪、海浪等杂波干扰。在自动检测系统中，对于一定的检测门限，如果干扰电频增大了几分贝，将大量的增大虚警概率。这时即使有足够大的信噪比，也不可能做出正确的判断。因此，在强干扰中提取信号，不仅要求有一定的信噪比，而且必须有恒虚警处理设备。恒虚警处理目的是保持信号检测时的虚警概率恒定，这样才能使处理器不致因虚警太多而过载，有时是为了经过虚警处理达到反饱和或损失一点检测能力而在强干扰的情况下仍能工作的目的。党门限VT确定后，由于噪声电平的变化，将明显的改变虚警概率。应该强调指出，恒虚警处理一般是不能提高信噪比的，相反在处理过程中还会使信噪比有不同程度的损失，即通常称为恒虚警率损失。因为恒虚警处理是用有限个参考单元来估计杂波干扰的平均功率，由于参考单元有限，引起平均估计产生起伏，单元数越少，起伏越大。检测门限一定时，噪声起伏加大将引起虚警概率的增加，如果要维持输出恒虚警概率不变，则应根据参考单元数适当的提高检测门限，这是要保持原来的检测概率，必须要提高输入的信噪比，这个所需的信噪比称为恒虚警损失Lcfar。在进行恒虚警处理时，根据处理对象的不同分为慢门限恒虚警和快门限恒虚警。在对雷达回波信号作了脉冲压缩、MTI、MTD滤波后，接着就要对目标的存在进行判决：过门限检测。这里采用的恒虚警概率检测，即CFAR，将检测门限计算成使雷达接收机能保持恒定的预定虚警率。检测的原则如下:图6CFAR检测原理图恒虚警检测的重点就是确定恒虚警检测的门限。下式给出了门限值TV和虚警概率faP之间的关系：fa21ln2PVT其中，2为噪声的功率，由于噪声的功率是一直变化的，为了保持恒定的虚警概率，必须依据噪声方差的估计连续更新门限值。连续改变门限值以保持恒定虚警概率的过程叫做恒虚警概率（CFAR）。4结语随着现代电子技术的不断发展，特别是数字信号处理技术、超大规模集成数字电路技术、计算机技术和通信技术的告诉发展，现代雷达信号处理技术正在向着算法更先进、更快速、处理容量更大和算法硬件化方向飞速发展，可以对目标回波与各种干扰、噪声的混叠信号进行有效的加工处理，最大程度低剔除无用信号，而且在一定的条件下，保证以最大发现概率发现目标和提取目标的有用信息。正交采样、脉冲压缩、MTD和恒虚警检测是雷达系统中几种关键信号处理技术。雷达系统通过脉冲压缩解决解决雷达作用距离和距离分辨力之间的矛盾，通过MTD来探测东目标，通过恒虚警（CFAR）来实现整个系统对目标的检测。参考文献【1】熊孝华，杨安会，现代雷达信号处理及发展趋势研究【2】丁璐飞，张平。雷达系统。西安：西北电讯工程学院出版社，1984【3】向敬成，张明友。雷达系统。北京：电子工业出版社，2001【4】赵树杰。信号检测与估计理论。西安：西安电子科技大学出版社，2002