線性調頻與相位編碼混合雷達信號處理仿真*

任雪峰，逄 勃，孟慶鵬

(海軍駐南京地區(qū)雷達系統軍事代表室，南京 210003)

0 引言

現代戰(zhàn)爭是以電子戰(zhàn)為先導，以空戰(zhàn)為主體，陸、海、空、天、電子戰(zhàn)融為一體的，多維的，非接觸式的，高科技的戰(zhàn)爭。在現代戰(zhàn)爭中首先進行的電子戰(zhàn)就是雷達與對抗，而且，隨著電子技術的發(fā)展將愈演愈烈。隨著雷達技術的飛速發(fā)展，越來越多的新技術被成功應用，致使雷達的戰(zhàn)術性能得到很大的提高。為了能夠使雷達在復雜的電磁環(huán)境中有效地工作，現代雷達應不僅具備多種抗干擾措施和手段，而且還應該有干擾偵查、處理、決策、控制和對抗管理系統。隨著雷達系統的發(fā)展，雷達信號的形式也越來越復雜化了。

按雷達信號的分辨理論，在實現最佳處理并保證一定信噪比的前提下，測量精度和分辨力對信號形式要求是一致的［1］。測距精度和距離分辨力主要取決于信號的波形結構，要求信號具有大的帶寬。而測速精度和速度分辨力取決于信號的時間結構，它要求信號具有大的時寬。所以，理想的雷達信號應具有大的時寬和帶寬的乘積。大的時寬不僅保證了速度分辨力，也是提高探測距離的手段;大帶寬則是距離高分辨的前提［2］。單載頻脈沖信號的時寬帶寬積近似為1，即同時的大時寬和大帶寬不可兼得。也就是說，若使用這種信號，測距精度和距離分辨力同作用距離以及測速精度和速度分辨力之間存在著不可調和的矛盾。

為了解決這一矛盾，必須采用具有大時寬帶寬乘積的復雜信號形式。其中在雷達脈壓處理中獲得廣泛應用的是線性調頻信號［3］(LFM）和相位編碼信號(PCM）。LFM信號可得到較好的主副比但是容易受到電磁干擾，相位編碼信號具有一定的抗干擾能力但是脈壓后的主副比有限，這又降低了多目標處理的分辨力。現在戰(zhàn)場環(huán)境是復雜的電磁環(huán)境，在這種環(huán)境下必須要求雷達具有很強的抗干擾能力。因此本文利用線性調頻信號和相位編碼信號結合的辦法來構成雷達信號。首先比較了線性調頻信號、相位編碼信號、碼內線性調頻信號、碼間線性調頻信號在脈壓過程中的抗干擾特性。然后針對碼內線性調頻信號進行了常規(guī)的雷達信號處理，然后分析了仿真的結果。

1 雷達信號抗干擾比較

雷達信號有多種形式，隨著電子對抗和雷達技術的發(fā)展，雷達信號正向著復雜化發(fā)展。雷達信號包括簡單單頻信號、線性調頻信號、非線性調頻信號、相位編碼信號等。為了達到較好的信號壓縮效果，則線性調頻信號和相位編碼信號成為較好的信號選擇。但是現在先進的信號干擾機可以較容易地對線性調頻信號形成干擾，相位編碼信號雖然碼型多抗干擾能力強，但是其有限的主副比特性又限制了其多目標的分辨能力。下面就比較一下幾種信號在無干擾和有重發(fā)干擾下的特性。

首先，在沒有信號干擾的情況下，對線性調頻信號、相位編碼信號、碼內線性調頻信號、碼間線性調頻信號進行模擬壓縮，這幾種信號的頻譜寬度一致。其中，碼內線性調頻信號為每位相位編碼內都采用相同的線性調頻信號，碼間線性調頻信號則是整個編碼中信號頻率連續(xù)變化?？梢缘贸鼋Y果如圖1所示。由圖1(a）可知線性調頻信號的脈壓性能優(yōu)越，主副比性能也具有一定優(yōu)勢。由圖1(b）可知相位編碼信號的主副比是有限的。由圖1(c）可知碼內線性調頻信號脈壓比基本可以與線性調頻信號的性能相當，但是也存在主副比有限的問題。由圖1(d）可以看出碼間線性調頻信號的主信號周圍會出現較大的雜散現象，會影響目標的識別和檢測。

圖1 4 種信號時域相關壓縮

假設敵方偵測到我方的雷達信號基本特性，但是不能判斷出相位編碼的具體碼型，這種情況下釋放出的重復有源干擾。通過脈沖壓縮處理可以得到這幾種受到干擾的信號的壓縮結果，其中碼間線性調頻信號采用數字兩次脈壓技術進行。如圖2所示:

圖2 4 種信號受到有源干擾時域相關壓縮

由圖2(a）可知線性調頻信號在受到這樣干擾的情況下出現了多個相關目標根本無法分辨。由圖2(b）可知單頻相位編碼信號雖然可以探測出目標的位置，但是主副比受到了很大的影響。由圖2(c）可知碼內相位編碼信號經過全相參處理數字脈壓后可以消除有源干擾。由圖3(d）可知碼間相位編碼信號受到這種干擾后會出現較強的非目標信號，容易造成誤判現象。綜上所述，碼內相位編碼信號可以得到較好的抗干擾性能。

2 仿真過程介紹

下面就以碼內線性調頻信號為雷達信號，對整個雷達信號處理過程進行仿真，信號都采用中頻信號形式。仿真程序框圖如圖3所示。下面簡要介紹幾個主要的處理過程。

圖3 綜合信號仿真框圖

2.1 脈沖壓縮處理

脈沖壓縮處理方法分為兩種，一種是模擬信號脈沖壓縮，另一種是數字脈沖壓縮。本文采用的是數字脈沖壓縮方法。數字脈壓又可以分為時域卷積法和頻域FFT 法［4］。

本文采用的就是頻域分析方法。這種方法基于頻譜分析的正、反離散傅里葉變換(DFT）法，即用DFT將離散輸入時間序列變換成數字譜，然后乘以匹配濾波器的數字頻率響應函數，再用反離散傅里葉變換(IDFT），還原成時間離散但已經是壓縮之后輸出的信號序列。為了實時處理需要，一般是用FFT和其對應的IFFT來實現這一匹配濾波。

這里首先設原始信號為s(n），輸入時域離散信號為si(n），則脈壓匹配濾波器的沖擊響應為si(n）的時間倒置的復共軛，即

其DFT 變換分別為Si(k）和H(k），DFT 變換點數為N，則si(n）和h(n）的循環(huán)卷積為

so(n）的DFT 變換為

則

若采用FFT算法則上式可寫成

將匹配沖擊響應表示式代入上式得

2.2 固定雜波對消

在雷達的一個距離分辨單元內，當同時存在有固定目標、地雜波等和運動目標時，前者的回波通常較運動目標強，導致運動目標的判決比較困難，必須設法對二者進行區(qū)分［5］。因為固定目標回波的多普勒頻率為零，慢速運動雜波中所含的多普勒頻移也多集中在零頻附近，它們的回波經相位檢波后，信號的相位將不隨時間變化或隨時間緩慢變化，反映在幅度上則為其幅度不隨時間變化或隨時間緩慢變化。因此若將同一距離單元在相鄰重復周期內的相位檢波輸出作相減運算，則固定目標回波由于其幅度和相位沒有變化而被完全對消，慢速雜波也將得到很大程度的衰減，只有運動目標的回波，由于其幅度和相位沒有發(fā)生快速變化，因此作相減運算后仍可以得以保存。由此可將固定目標、慢速運動雜波和運動目標區(qū)別開來。這就是基本的動目標對消原理如圖4所示。

2.3 MTD 多普勒濾波和求模

圖4 固定雜波對消框圖

MTD 在經過固定雜波對消處理之后動目標的回波基本被提取出來了［6］。但是，每一個脈沖回波信號提取出的目標回波還有差別。為了進一步提取動目標信息，消除其余雜波干擾，首先將整個脈沖串劃分為單個脈沖每個單個脈沖都進行FFT 變換，然后求模運算，最后提取出模值最大的信息為目標信息。由于動目標多普勒信息基本集中在同一頻率點上，經過這樣提取出的信息基本可以去除一些雜波的干擾。處理框圖如圖5所示。

圖5 多普勒濾波求模對比

2.4 CFAR處理

雷達信號的恒虛警率(CFAR）處理是雷達信號處理的重要內容之一［7］，在雷達自動檢測理論中占有不可或缺的地位。在此按照恒虛警率處理分類方法，可以分為雜波恒虛警和噪聲恒虛警。

本文仿真信號中所加的雜波類型服從瑞利分布，所以采用雜波恒虛警率處理。對于瑞利雜波不同方向上的雜波強度有所不同，有的甚至差別很大;在一個掃掠周期中(不同距離），雜波強度也會有明顯的變化，對這些時變而又有一定分布范圍的雜波的平均值作為估計就不能以多個掃掠周期為基礎來進行，也不應該在一次距離掃掠的全程進行，而應當以檢測點附近的若干個單元為基礎來進行，因為在這些單元內，上述雜波的強度基本一致。

下面介紹鄰近單元平均CFAR處理的基本原理，如圖6所示。用延遲寄存器或隨機存儲器(抽頭延遲線）同時得到檢測點和鄰近檢測點單元的輸出，我們把鄰近單元稱為參考單元或采樣單元。對參考單元的輸出加以平均，即可獲得恒虛警率的效果。

由于鄰近單元平均恒虛警率電路的參考單元不多，且平均值估值起著門限的作用，它可以隨雜波強度的變換而快速變化而迅速改變，所以又稱它為快門限調節(jié)電路，簡稱快門限電路。

圖6 雜波鄰近單元恒虛警處理

3 仿真結果分析

根據雷達中頻信號的一般特性，仿真參數見表1。

表1 仿真參數設置

由圖7 可以看出，經過脈壓處理的中頻回波信號，基本可以分辨出雷達目信號，但是還存在較強的雜波，并不能準確判決出目標的位置。

圖7 脈沖壓縮結果

由圖8 可以看出，經過固定雜波對消之后，基本消除了固定的地物雜波，但是目標周圍仍然存在著一些未消除的雜波。

由圖9 可知，經過FFT 濾波比較求模之后，目標更加突出了，經過處理動目標的信號更加凸顯。

從圖9 圖10 比較，可以看出經過恒虛警率處理后，得到了一個門限值，將這個門限值與信號作對比可以消除大部分微弱的信號，從雷達顯示來講，即可以清楚顯示器上的底層回波。

圖8 固定雜波對消結果

圖9 MTD 頻率濾波求模結果

圖10 恒虛警處理結果

4 結束語

本文采用線性調頻信號與相位編碼信號相結合的碼內線性調頻信號作為雷達信號，比較了4 種信號的抗干擾性能，得出碼內線性調頻信號抗干擾特性最強。針對這個信號進行了整個雷達信號處理的仿真。從仿真結果可以看出，常用的雷達信號處理方法可以對這種信號進行處理，并且可以達到理想的效果。

［1］M I Skolnik.雷達手冊［M］.王軍，林強，等譯.北京:電子工業(yè)出版社，2003.

［2］張賢達.現代雷達信號處理［M］.北京:清華大學出版社，1995.

［3］Delay Devices for Pulse Compression Radar，IEE(London）Conf.Publ.20，February 1966.

［4］Hartt J K，L F Sheats.Application of Pipeline FFT Technology in Radar Signal and Data Processing，EASCON Rec，1971:216-221.

［5］Ludloff A，M Minker.Reliability of Velocity Measurement by MTD Radar［J］.IEEE Trans.On AES-21，1985:522-528.

［6］Taylor J W，Jr，H J Blinchikoff［C］.The Quadriphase Code-A Radar Pulse Compression Signal with Unique Characteristics，IEE Conf.publ 281，London，1987:315-319.

［7］Richard J T，G M Dillard.Adaptive Detection Algorithms for Multiple-Target Situation［J］.IEEE Trans，on AES-13，1977:338-343.