影響線性調(diào)頻脈沖壓縮效果的因素分析

王小林,楊財(cái)文

(四川電子軍工集團(tuán) 081電子集團(tuán)有限公司,四川廣元 628017)

為了抵抗各種電磁干擾,現(xiàn)代雷達(dá)采取了各種各樣的抗干擾措施,概括起來,可以歸納為時(shí)域抗干擾、頻域抗干擾和空域抗干擾。其中,線性調(diào)頻脈沖壓縮技術(shù)是一種時(shí)頻域抗干擾技術(shù),采用寬脈沖發(fā)射以提高發(fā)射的平均功率,保證足夠大的作用距離和速度分辨力;在接收時(shí)采用相應(yīng)的脈沖壓縮算法獲得窄脈沖,以提高距離分辨率。在線性調(diào)頻脈沖壓縮過程中,有很多因素影響脈沖壓縮效果,嚴(yán)重影響了雷達(dá)檢測(cè)目標(biāo)和抗干擾能力。本文重點(diǎn)分析影響線性調(diào)頻脈沖壓縮效果的因素,并給出衡量雷達(dá)脈沖壓縮性能的指標(biāo),為裝備研制階段如何提高雷達(dá)目標(biāo)檢測(cè)和抗干擾能力提供理論依據(jù)。

1 LFM脈沖壓縮性能分析

1.1 LFM脈沖壓縮時(shí)頻特征分析

脈沖壓縮雷達(dá)最常見的調(diào)制信號(hào)是 LFM信號(hào),接收時(shí)采用匹配濾波器(Matched Filter)壓縮脈沖。

LFM信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

式中,fc為載波頻率,為矩形信號(hào),是調(diào)頻斜率。

將(1)式重寫為

式中

式(3)是信號(hào)的復(fù)包絡(luò)。由傅立葉變換性質(zhì),S(t)與s(t)具有相同的幅頻特性,仿真如圖1所示。

圖1 LFM時(shí)域波形和幅頻特性圖

信號(hào) s(t)的匹配濾波模型如圖2所示,s(t)經(jīng)過系統(tǒng)h(t)得輸出信號(hào) so(t)

圖2 LFM信號(hào)的匹配濾波

LFM信號(hào)的壓縮前脈沖寬度T和壓縮后的脈沖寬度 τ之比通常稱為壓縮比D。

式(5)表明,壓縮比也就是LFM信號(hào)的時(shí)寬頻寬積。Matlab仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 脈沖壓縮后的回波全圖和局部圖

圖3的時(shí)間軸進(jìn)行了歸一化 (t/(1/B)=t×B)。圖中反映出第一零點(diǎn)出現(xiàn)在 ±1(即)處,此時(shí)相對(duì)幅度-13.4 dB,壓縮后的脈沖寬度近似為此時(shí)相對(duì)幅度-4 dB。從中可以看出,LFM信號(hào)脈沖壓縮后旁瓣較高,需經(jīng)加權(quán)濾波處理,以提高壓縮脈沖的主副比。但信噪比會(huì)損失,所以在雷達(dá)波形設(shè)計(jì)時(shí)適宜于大時(shí)寬脈沖壓縮信號(hào)。

1.2 影響脈沖壓縮性能的因素分析

1.2.1 射頻對(duì)信號(hào)失真的影響

在線性調(diào)頻脈沖壓縮系統(tǒng)中,射頻部分可能造成線性調(diào)頻信號(hào)失真,致使接收機(jī)輸出的壓縮脈沖展寬或伴隨不應(yīng)用的成對(duì)回波(時(shí)間副瓣),這些失真可能是由于射頻路徑的反射或振幅或相位的非線性(色散)造成的,也可能是由于調(diào)制器對(duì)射頻管的影響造成的。

1.2.2 實(shí)時(shí)處理回波數(shù)據(jù)算法對(duì)信號(hào)的影響

為實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理,對(duì)回波數(shù)據(jù) x(n)采用重疊保留法代替線性卷積運(yùn)算,如圖4所示。首先將 x(n)分段,每段長為M,取重疊處時(shí)的有效檢測(cè),L的取值應(yīng)滿足L≥TFs,其中,T為信號(hào)的有效時(shí)寬,Fs為系統(tǒng)的采樣率。

圖4 分段重疊循環(huán)卷積示意圖

當(dāng)雷達(dá)回波信號(hào)出現(xiàn)在分段的非交疊處時(shí),系統(tǒng)可以有效地檢測(cè)出雷達(dá)回波信號(hào),當(dāng)回波信號(hào)出現(xiàn)在交疊處時(shí),包含完整回波信號(hào)的分段脈沖壓縮與設(shè)計(jì)相同,但包含不完整信號(hào)的分段脈沖壓縮的輸出會(huì)出現(xiàn)一特殊距離旁瓣。在雷達(dá)恒虛警自動(dòng)檢測(cè)時(shí),如果恒虛警率較大或系統(tǒng)噪聲較小時(shí),此特殊旁瓣將影響雷達(dá)系統(tǒng)自動(dòng)信號(hào)檢測(cè)。

1.2.3 加窗對(duì)信號(hào)的影響

目前雷達(dá)常用頻域加權(quán)函數(shù)的性能如表1所示。

表1 各種頻域加權(quán)函數(shù)的性能

1.3 失配輸出分析

對(duì)于LFM脈沖壓縮雷達(dá)來講,壓縮后的信號(hào)失配的因素是存在多普勒頻移,當(dāng)存在多普勒頻移時(shí),壓縮輸出的主瓣寬度和壓縮脈沖最大值出現(xiàn)的時(shí)刻都要發(fā)生變化,其中,最能反映多普勒頻移的是壓縮脈沖最大值出現(xiàn)的時(shí)刻,兩者之間存在著確切的關(guān)系。設(shè)雷達(dá)回波存在頻率偏移 fd,則壓縮輸出信號(hào)的包絡(luò)為:

載頻為f0+fd/2,所以,壓縮輸出最大值出現(xiàn)的時(shí)刻為fd+kt=0,即

可見,當(dāng)fd＞0時(shí),t導(dǎo)前于理想回波壓縮輸出,當(dāng)fd＜0時(shí), t滯后于理想回波壓縮輸出。

2 LFM脈沖壓縮性能評(píng)價(jià)指標(biāo)和功能檢測(cè)

理想的壓縮后脈沖所具有的幅度譜應(yīng)和頻率加權(quán)函數(shù)完全匹配,這些頻率加權(quán)函數(shù)是根據(jù)需要滿足的時(shí)間副瓣要求選定的,它的相位譜是線性的,相當(dāng)于頻帶上的群延遲固定。所有雷達(dá)組件都有潛在的失真源,它們都構(gòu)成雷達(dá)系統(tǒng)積累失真的組成部分。失真導(dǎo)致副瓣電平的增大,從而使雷達(dá)性能下降,最嚴(yán)重時(shí)會(huì)使信噪比降低并增大脈寬。所以,從以上分析,在評(píng)價(jià)雷達(dá)系統(tǒng)脈沖壓縮效果時(shí),主要有三項(xiàng)指標(biāo):脈壓比、多普勒容限和距離旁瓣抑制能力。

脈沖壓縮性能測(cè)試的原理是先將仿真的標(biāo)準(zhǔn)線性調(diào)頻信號(hào)預(yù)先裝訂在信號(hào)源中,然后通過相應(yīng)時(shí)序讀入采樣板中進(jìn)行中頻正交采樣,再送入 DSP運(yùn)算板中進(jìn)行脈沖壓縮運(yùn)算,運(yùn)算結(jié)果通過仿真器讀出并存成數(shù)據(jù)文件,并在數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)中通過計(jì)算機(jī)編程進(jìn)行運(yùn)算繪圖,最后在顯示器上觀察主副瓣比及脈沖壓縮后的主瓣寬度,由此得到測(cè)試指標(biāo)值。

數(shù)字脈沖壓縮的測(cè)試原理框圖和數(shù)據(jù)采集模塊原理框圖分別如圖5和圖6所示。

例如,某雷達(dá) LFM持續(xù)脈寬 64 μs,調(diào)頻帶寬為5MH z,采樣率為 24MH z,根據(jù)采集到的數(shù)據(jù),脈沖壓縮輸出脈寬取 3 dB處,此時(shí)取樣點(diǎn)數(shù) 7點(diǎn),所以脈寬為 7/24 μs,則脈壓比為

主瓣幅度量值為 10125.5,副瓣幅度量值為 147.822,則主副瓣比為 36.71 dB。

3 結(jié)束語

本文對(duì)脈沖壓縮處理的時(shí)頻特征進(jìn)行分析,對(duì)影響脈沖壓縮效果的因素進(jìn)行討論,通過分析影響因素,可以為裝備的研制提供理論依據(jù)。由于篇幅所限,本文沒有提出解決方法,只給出脈沖壓縮效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)和測(cè)試方法,該方法可用于對(duì)現(xiàn)代雷達(dá)脈沖壓縮性能的測(cè)試,以檢驗(yàn)雷達(dá)是否達(dá)到技術(shù)指標(biāo)要求。

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