影响线性调频脉冲压缩效果的因素分析

王小林,杨财文

(四川电子军工集团 081电子集团有限公司,四川广元 628017)

为了抵抗各种电磁干扰,现代雷达采取了各种各样的抗干扰措施,概括起来,可以归纳为时域抗干扰、频域抗干扰和空域抗干扰。其中,线性调频脉冲压缩技术是一种时频域抗干扰技术,采用宽脉冲发射以提高发射的平均功率,保证足够大的作用距离和速度分辨力;在接收时采用相应的脉冲压缩算法获得窄脉冲,以提高距离分辨率。在线性调频脉冲压缩过程中,有很多因素影响脉冲压缩效果,严重影响了雷达检测目标和抗干扰能力。本文重点分析影响线性调频脉冲压缩效果的因素,并给出衡量雷达脉冲压缩性能的指标,为装备研制阶段如何提高雷达目标检测和抗干扰能力提供理论依据。

1 LFM脉冲压缩性能分析

1.1 LFM脉冲压缩时频特征分析

脉冲压缩雷达最常见的调制信号是 LFM信号,接收时采用匹配滤波器(Matched Filter)压缩脉冲。

LFM信号的数学表达式为:

式中,fc为载波频率,为矩形信号,是调频斜率。

将(1)式重写为

式中

式(3)是信号的复包络。由傅立叶变换性质,S(t)与s(t)具有相同的幅频特性,仿真如图1所示。

图1 LFM时域波形和幅频特性图

信号 s(t)的匹配滤波模型如图2所示,s(t)经过系统h(t)得输出信号 so(t)

图2 LFM信号的匹配滤波

LFM信号的压缩前脉冲宽度T和压缩后的脉冲宽度 τ之比通常称为压缩比D。

式(5)表明,压缩比也就是LFM信号的时宽频宽积。Matlab仿真结果如图3所示。

图3 脉冲压缩后的回波全图和局部图

图3的时间轴进行了归一化 (t/(1/B)=t×B)。图中反映出第一零点出现在 ±1(即)处,此时相对幅度-13.4 dB,压缩后的脉冲宽度近似为此时相对幅度-4 dB。从中可以看出,LFM信号脉冲压缩后旁瓣较高,需经加权滤波处理,以提高压缩脉冲的主副比。但信噪比会损失,所以在雷达波形设计时适宜于大时宽脉冲压缩信号。

1.2 影响脉冲压缩性能的因素分析

1.2.1 射频对信号失真的影响

在线性调频脉冲压缩系统中,射频部分可能造成线性调频信号失真,致使接收机输出的压缩脉冲展宽或伴随不应用的成对回波(时间副瓣),这些失真可能是由于射频路径的反射或振幅或相位的非线性(色散)造成的,也可能是由于调制器对射频管的影响造成的。

1.2.2 实时处理回波数据算法对信号的影响

为实现实时处理,对回波数据 x(n)采用重叠保留法代替线性卷积运算,如图4所示。首先将 x(n)分段,每段长为M,取重叠处时的有效检测,L的取值应满足L≥TFs,其中,T为信号的有效时宽,Fs为系统的采样率。

图4 分段重叠循环卷积示意图

当雷达回波信号出现在分段的非交叠处时,系统可以有效地检测出雷达回波信号,当回波信号出现在交叠处时,包含完整回波信号的分段脉冲压缩与设计相同,但包含不完整信号的分段脉冲压缩的输出会出现一特殊距离旁瓣。在雷达恒虚警自动检测时,如果恒虚警率较大或系统噪声较小时,此特殊旁瓣将影响雷达系统自动信号检测。

1.2.3 加窗对信号的影响

目前雷达常用频域加权函数的性能如表1所示。

表1 各种频域加权函数的性能

1.3 失配输出分析

对于LFM脉冲压缩雷达来讲,压缩后的信号失配的因素是存在多普勒频移,当存在多普勒频移时,压缩输出的主瓣宽度和压缩脉冲最大值出现的时刻都要发生变化,其中,最能反映多普勒频移的是压缩脉冲最大值出现的时刻,两者之间存在着确切的关系。设雷达回波存在频率偏移 fd,则压缩输出信号的包络为:

载频为f0+fd/2,所以,压缩输出最大值出现的时刻为fd+kt=0,即

可见,当fd＞0时,t导前于理想回波压缩输出,当fd＜0时, t滞后于理想回波压缩输出。

2 LFM脉冲压缩性能评价指标和功能检测

理想的压缩后脉冲所具有的幅度谱应和频率加权函数完全匹配,这些频率加权函数是根据需要满足的时间副瓣要求选定的,它的相位谱是线性的,相当于频带上的群延迟固定。所有雷达组件都有潜在的失真源,它们都构成雷达系统积累失真的组成部分。失真导致副瓣电平的增大,从而使雷达性能下降,最严重时会使信噪比降低并增大脉宽。所以,从以上分析,在评价雷达系统脉冲压缩效果时,主要有三项指标:脉压比、多普勒容限和距离旁瓣抑制能力。

脉冲压缩性能测试的原理是先将仿真的标准线性调频信号预先装订在信号源中,然后通过相应时序读入采样板中进行中频正交采样,再送入 DSP运算板中进行脉冲压缩运算,运算结果通过仿真器读出并存成数据文件,并在数据分析系统中通过计算机编程进行运算绘图,最后在显示器上观察主副瓣比及脉冲压缩后的主瓣宽度,由此得到测试指标值。

数字脉冲压缩的测试原理框图和数据采集模块原理框图分别如图5和图6所示。

例如,某雷达 LFM持续脉宽 64 μs,调频带宽为5MH z,采样率为 24MH z,根据采集到的数据,脉冲压缩输出脉宽取 3 dB处,此时取样点数 7点,所以脉宽为 7/24 μs,则脉压比为

主瓣幅度量值为 10125.5,副瓣幅度量值为 147.822,则主副瓣比为 36.71 dB。

3 结束语

本文对脉冲压缩处理的时频特征进行分析,对影响脉冲压缩效果的因素进行讨论,通过分析影响因素,可以为装备的研制提供理论依据。由于篇幅所限,本文没有提出解决方法,只给出脉冲压缩效果的评价指标和测试方法,该方法可用于对现代雷达脉冲压缩性能的测试,以检验雷达是否达到技术指标要求。

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