现代雷达系统分析与设计(陈伯孝)第5章

15.1雷达信号处理的任务与分类5.2雷达回波信号模型5.3数字中频正交采样5.4脉冲压缩处理5.5拉伸信号处理5.6步进频率信号的合成处理5.7FFT在雷达信号处理中的应用5.8窗函数及其在雷达信号处理中的应5.9多脉冲积累的处理方法5.10MATLAB程序清单第5章雷达信号处理的基本方法2在雷达系统中，信号处理扮演着十分重要的角色。它既是区分老式雷达与现代雷达的重要标志，也是各种新体制雷达中的核心技术。雷达信号处理是指对观测信号进行分析、变换、综合等处理，抑制干扰、杂波等非期望信号，增强有用信号，并估计有用信号的特征参数，或是将信号变成某种更符合要求的形式。信号处理的方式也从早期的模拟域发展到几乎都采用数字域。数字信号处理以数字或符号序列表示信号，用数值计算的方法完成对信号的各种处理。3数字信号处理的主要方法有数字卷积(时域处理)、数字谱分析(频域处理)、数字滤波(包括有限冲激响应滤波器(FIR)和无限冲激响应滤波器(IIR))等。特别是随着微电子技术的迅速发展，高性能的数字信号处理器不断出现，这为实时处理带来了方便，过去在模拟域的处理现在都可以在数字域实现。未来雷达将向“全数字化”的方向发展。本章主要介绍雷达中信号处理常用的方法，包括数字中频正交采样、脉冲压缩、步进频率综合、拉伸处理及快速离散傅立叶变换(FFT)、窗函数在雷达信号处理中的应用。在介绍处理方法之前先给出接收信号模型。4有关抑制杂波的信号处理方法(如MTI、MTD等)将在第6章介绍，而抑制干扰的信号处理方法(如SLC、SLB等)将在第7章介绍。数字波束形成(DBF)、与阵列相关的信号处理方法将在第10章介绍。5雷达信号处理的任务就是最大程度地抑制噪声和干扰，提取与目标属性有关的信息。从狭义上讲，雷达信号处理是指对雷达天线接收到的经接收机处理后的信号进行处理，以在多种干扰背景中完成目标检测与信息的初步提取，5.1雷达信号处理的任务与分类6主要包括干扰抑制、目标检测、信息提取。从广义上讲，雷达信号处理涉及各种不同发射波形的选择、检测理论、性能评估以及天线和显示终端或数据处理计算机之间的电路装置(硬件和软件)，以完成所要求的信号之间的变换和参数提取。具体来说，信号处理包括信号产生、信号提取、信号变换三大类，其中信号产生包括调制、上变频、倍频、合成、放大和波束形成等；信号提取包括解调、下变频、分频、滤波、检测和成像等；7信号变换包括频率变换、AD变换、相关、放大及延时等。根据雷达的任务及其工作环境，对雷达信号处理的要求是：(1)能够处理海量信息，即不仅能够获取目标的位置和数量等常规信息，还能获取目标的属性或图像信息。(2)实时性强，使完成一次处理所用的时间与雷达的数据率相匹配。(3)鲁棒性好，能够在复杂的电磁环境(特别是强电磁干扰环境)下正常工作。8实现上述要求取决于五种能力：(1)杂波和干扰的有效抑制能力，具体措施分别在第6、7章介绍。(2)目标回波能量的有效收集能力，主要措施有：①改善天线的主瓣增益，降低旁瓣；②降低天线转速，增加每个波位的驻留时间；③选择能量利用率高的信号形式；④提高雷达发射信号的峰值功率；⑤距离维匹配滤波(脉冲压缩)；⑥方位维一次扫描周期内对一个波位的多个脉冲的相干和非相干积累；⑦扫描周期间的积累(航迹提取)；⑧其它，如双多基地、变极化、扩充工作频段等。9(3)高效的空间搜索能力。(4)良好的空间分辨能力，主要措施有：①尽可能地增大天线的功率孔径积，提高角分辨能力；②改进测角方式，提高角度测量精度；③使用距离波门(时域滑窗)进行距离跟踪，减小多目标在频域的混叠；④使用大带宽信号和脉冲压缩技术，提高距离分辨能力；⑤采用频率滤波，提高速度分辨能力；⑥通过合成孔径，提高方位分辨能力；⑦两幅天线干涉合成，提高俯仰角分辨能力。10(5)良好的环境适应能力：①自适应杂波抑制(自适应滤波、自适应CFAR、杂波图等)；②自适应数字波束形成；③智能化特征抽取和目标识别算法；④多模式协同工作(例如预警机、多模式SAR)。雷达信号处理的分类方法较多，按处理域分为时域信号处理、空域信号处理、频域信号处理、极化域信号处理和多域联合信号处理。按实现方式分为基于通用数字信号处理器(DSP)的软件算法编程的信号处理实现方式；基于专用集成电路设计(ASIC)的全硬件的信号处理实现方式；11基于DSP、FPGA或ASIC相结合的并行高速信号处理实现方式。尽管DSP芯片已由单核发展到双核甚至多核，例如：德州仪器公司开发的TMS320C67XX包括6个内核，我国中电集团第三十八研究所自主开发的高性能DSP芯片(BWDSP100)有4个乘法器，但对一些需要同时完成数百个甚至数千个乘法运算的场合，DSP的运算能力仍不能满足要求，就需要采用FPGA或ASIC设计更多的乘法器运算模块。12表5.1常用雷达信号处理方法13雷达接收信号可以表述为x(t)＝S(t)＋N(t)＋C(t)＋J(t)(5.2.1)其中S(t)为目标回波信号，常称为有用信号；N(t)为噪声，包括接收机内部噪声及其天线和外部环境噪声；C(t)和J(t)分别为杂波和干扰。5.2雷达回波信号模型14雷达杂波是指自然环境中不需要的回波，即传播路径中客观存在的各种“不需要”物体散射的回波信号。杂波包括来自地物、海洋、天气(特别是雨)、鸟群等的回波。在较低的雷达频率，电离的流星尾迹和极光的回波也能产生杂波。干扰是指人类活动过程中所发出的电磁波对雷达的影响。它包括两种类型：一类是人为有意造成的，其目的是为了影响雷达的正常工作而实施的敌对活动所发出的电磁波信号；另一类是人类活动过程中所发出的电磁波无意识地对雷达工作造成的影响，15例如，电台等，对某些低频段雷达可能造成干扰，导致雷达在电台方向不能正常工作。人们通常说的干扰指第一种，即人为实施的。在有的书籍中也将杂波称为无源消极干扰。由于二者产生的机理不同，雷达抑制的措施也不同，表5.2简单地比较了杂波和干扰的不同，本书将在第6、7章分别对其特征和抑制方法进行介绍。16表5.2杂波和干扰的对比17雷达信号处理的目的就是抑制杂波和干扰，同时提高目标回波的信噪比，再进行目标检测与跟踪等。对目标回波信号S(t)而言，它包含与目标距离相对应的时延信息、与目标的径向速度对应的多普勒频率信息，以及目标的方向和信号的强度等信息。对一般警戒雷达，在模拟产生目标回波信号时，通常不考虑目标的方向与天线的方向图函数(认为目标在方向图函数最大值方向)，这时18(5.2.2)其中se(t)为发射信号的复包络；A为信号幅度，通常根据SNR设置；τ(t)＝2R(t)/c＝2R0－vrt/c，为目标时延，R0为一个CPI内目标的初始距离；fd＝2vr/λ，为多普勒频率。因此，在产生目标回波时，可以直接按时变的时延来产生，也可以直接用多普勒频率来模拟产生多个脉冲重复周期的目标回波信号。如果考虑目标回波的幅度起伏，则第m个脉冲重复周期的目标回波信号可以近似为19(5.2.3)对多普勒敏感信号(如相位编码信号等)，建议直接用式(5.2.2)中第1个等式产生。读者可以从给出的MATLAB程序中体会。20而对方向测量和跟踪雷达，例如，单脉冲雷达需要模拟和、差通道的目标回波，这时需要考虑天线的方向图函数G(θ，j)，目标回波信号的基带复包络可表示为(5.2.4)其中(θ0，j0)为目标的方位角和仰角。215.3.1模拟正交相干检波器的不足传统雷达对接收信号经过模拟混频、滤波得到中频信号，再经过模拟正交相干检波器得到基带I、Q信号。模拟正交相干检波器如图5.1所示。5.3数字中频正交采样22再利用两路模-数变换器(ADC)同时对I、Q分量进行采样。根据奈奎斯特(Nyquist)采样定理，要求采样频率fs至少是信号最高频率fmax的2倍。然而，如果信号的频率分布在某一有限频带上，而且信号的最高频率fmax远大于信号的带宽，此时仍按Nyquist定理采样的话，则其采样频率会很高，以致难以实现，或是后续处理的速度不能满足要求。另外，由于模拟正交相干检波器需要两路完全正交的本振源、两个混频器和滤波器，如果这两路模拟器件的幅度和相位特性不一致，将导致I、Q不平衡，产生镜频分量，影响改善因子等。23图5.1模拟正交相干检波器24若中频输入信号模型为s(t)＝cos2π(f0＋fd)t，则在理想情况下，正交两路混频器的参考信号和输出的基带信号为(5.3.1)若两个本振信号存在幅度相对误差εA和正交相位误差εj(即相位差不等于90°)，正交两路混频器的参考信号和输出的基带信号为25(5.3.2)则在输出信号x(t)单边带频谱的频率fd相对称的位置(－fd)产生一个频谱分量，称为镜频分量。镜频分量与理想频谱分量的功率之比称为镜频抑制比，用IR表示。当幅度和相位误差分别为εA或εj，IR可以近似计算为(5.3.3)26假设多普勒频率fd＝1000Hz，图5.2给出了幅相误差对IR的影响，其中图(a)上边是不存在幅相误差的基带复信号的功率谱，下边是相位误差εj分别为1°、5°时的功率谱，可见这时的IR分别为－41.2dB、－27.2dB；图(b)是镜频抑制比与幅相误差的关系，图中实线表示只有相位误差(单位：度)，虚线表示同时存在幅度和相位误差，例如，横坐标的幅相误差为“1”表示相位误差为1°和幅度相对误差为1%。27图5.2幅相误差对镜频抑制比的影响28为了达到较高的镜频抑制比，要使得图5.1中模拟正交相干检波器的同相和正交两通道的相位误差小于1°，这是非常困难的。因此，模拟正交相干检波器的镜频抑制比受到限制。现代雷达采用数字正交相干检波的方法得到基带I、Q信号。295.3.2数字中频正交采样的原理为了克服模拟正交相干检波器的不足，通常采用数字正交采样的方法得到基带I、Q信号，而且由于通常需要处理的信号的带宽是有限的，因此可以直接对中频信号进行带通采样。带通采样的采样频率与低通采样不一样，它与信号的最高频率没有关系，只与信号带宽有关，最小可等于信号带宽的2倍，实际中常取信号带宽的4倍或更高。30带通采样定理：设一个频率带限信号为x(t)，其频带限制在(fL，fH)内，如果采样速率满足：(5.3.4)(5.3.5)式中，f0＝fL＋fH2，为带限信号的中心频率；B＝fH－fL，为信号频宽；m取能满足以上两式的正整数，则用fs进行等间隔采样所得到的信号采样值能准确地确定原始信号。31上述带通采样只允许在其中一个频带上存在信号，而不允许在不同的频带上同时存在信号，否则将会引起信号混叠。为满足这样一个前提条件，可以采用跟踪滤波的办法来解决，即当需要对某一个中心频率的带通信号进行采样时，就先把跟踪滤波器调到与之对应的中心频率f0n上，滤出所感兴趣的带通信号，然后再进行采样，以防止信号混叠。该跟踪滤波器也称之为抗混叠滤波器。32一个带通信号可表示为(5.3.6)其中xI(t)、xQ(t)分别是x(t)的同相分量和正交分量；ω0为载频或中频，a(t)、j(t)分别为包络和相位调制函数。它们有如下关系：(5.3.7)(5.3.8)33构成的复包络信号为若采样频率fs满足：(5.3.9)并以采样周期对此信号采样，则采样后的输出为34(5.3.10)35由上式可以看出，可直接由采样值交替得到信号的同相分量I(n)和正交分量Q(n)，不过在符号上需要进行修正。另外I、Q两路输出信号在时间上相差一个采样周期ts，但在信号处理中，要求得到的是同一时刻的I和Q之值，所以需要对其进行时域插值或进行频域滤波，二者是等效的。下面就低通滤波法、插值法和多相滤波法这三种方法进行简单介绍。365.3.3数字中频正交采样的实现方法1.低通滤波法低通滤波法是一种仿照传统的模拟正交采样的实现方法，只是将频移放在了A/D变换之后，混频和滤波都是由数字系统来实现的，其原理框图如图5.3所示。37图5.3低通滤波法实现数字正交采样的原理框图38将中频输出信号x(n)分别与相乘，即数字混频，得到(5.3.11)(5.3.12)39在频域上等同于将频谱左移π2(归一化频率