金德亞,張 瑋

(解放軍93448部隊(duì),天津 300270)

0 引言

最初,脈沖雷達(dá)一般使用矩形脈沖信號(hào)。這種信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單,缺點(diǎn)是無(wú)法兼顧探測(cè)能力和最大作用范圍。寬脈沖信號(hào)同時(shí)包含了頻率和相位兩部分信息,對(duì)二者進(jìn)行調(diào)制,便可增加信號(hào)中的寬帶,從而克服探測(cè)能力和作用范圍不能兼顧的缺點(diǎn)。采取調(diào)制的目的是將這樣的信號(hào)用專門的接收器調(diào)制處理之后,可以有效地將脈沖壓縮到一個(gè)適宜的寬度,也就是1/,如此便能增強(qiáng)信號(hào)的能力。這樣的處理不僅可以增加雷達(dá)探測(cè)的最大距離,還可以提升其精度。這種信號(hào)被稱為脈沖壓縮信號(hào),是一種線性調(diào)頻信號(hào),在當(dāng)前各國(guó)使用的雷達(dá)中,它也是使用頻率最高的一種信號(hào)。

1 線性調(diào)頻脈沖壓縮信號(hào)

線性調(diào)頻信號(hào)與普通信號(hào)不同,它的帶寬更大,這是通過(guò)對(duì)非線性相位或線性頻率的調(diào)制而實(shí)現(xiàn)的。

線性調(diào)頻信號(hào)可表示為:

線性調(diào)頻信號(hào)實(shí)質(zhì)上是一種矩形脈沖信號(hào),該信號(hào)具有特定的寬度,但該寬度在載頻的瞬間會(huì)隨時(shí)間的變化而變化。計(jì)算其瞬時(shí)角頻率的公式為:

線性調(diào)頻信號(hào)進(jìn)入雷達(dá)接收系統(tǒng)時(shí)需要特殊的接收器進(jìn)行壓縮,該接收器將信號(hào)接收、壓縮處理后,會(huì)進(jìn)行匹配濾波,其經(jīng)過(guò)濾波匹配后的信號(hào)輸出增益與時(shí)間關(guān)系,利用MATLAB進(jìn)行仿真,仿真結(jié)果如圖1所示。

圖1 線性調(diào)頻壓縮信號(hào)濾波匹配后輸出波形

雷達(dá)接收機(jī)在使用線性調(diào)頻壓縮信號(hào)后,不僅在距離方面有所增加,在高度上也得到很大提升。該信號(hào)具備一些其他脈壓信號(hào)不具備的長(zhǎng)處,比如:對(duì)于多普勒頻移的敏感度很低,很多回波信號(hào)都可以用同一個(gè)濾波器進(jìn)行處理,這就使得信號(hào)的處理系統(tǒng)不需要像之前那樣復(fù)雜;線性調(diào)頻信號(hào)的生成和處理難度都得到很大降低,且技術(shù)上比較成熟;加之,由于其發(fā)射功率的峰值不高,該信號(hào)的隱蔽性極高,不會(huì)輕易被對(duì)手截獲。但線性調(diào)頻壓縮信號(hào)也不是完美無(wú)缺的,其不完美之處在于距離和多普勒頻移的耦合與相應(yīng)濾波器的輸出旁瓣不夠低。

2 旁瓣抑制處理分析仿真

濾波器所接收和處理的信號(hào)是線性調(diào)頻信號(hào),在被接收系統(tǒng)壓縮之后,形成具有辛克函數(shù)特征的窄脈沖,然后輸出。輸出脈沖包含2個(gè)部分:主瓣及多個(gè)旁瓣,旁瓣是在時(shí)間軸之上延伸而出的。眾多旁瓣的峰值具有一定的規(guī)律:離主瓣越近,峰值越高,比如最近的峰較主峰的差距為13.46 dB,距離次之的峰較前者差4 dB,余者依此類推,各瓣間隔1/。雷達(dá)工作時(shí)會(huì)接收回波信息,其中反射面積存在巨大差異的地方就是需要重點(diǎn)關(guān)注之處。旁瓣會(huì)對(duì)返回信號(hào)造成干擾,所以,雷達(dá)運(yùn)行時(shí),這種干擾絕對(duì)不能出現(xiàn)。只有成功排除旁瓣的干擾,才能將該信號(hào)成功運(yùn)用在雷達(dá)上。失配處理(旁瓣抑制或加權(quán)技術(shù))可以對(duì)付這種情況。加權(quán)可以分為許多種,比如:時(shí)域加權(quán),為得到多普勒響應(yīng)而對(duì)波的形狀加以控制;頻域加權(quán),為得到壓縮脈沖形狀,對(duì)頻譜的幅度加以調(diào)整。但不論是哪一種方法,其根本目的都是將其涉及到的旁瓣消除。

2.1 加權(quán)窗函數(shù)

將加權(quán)這一技術(shù)應(yīng)用到本領(lǐng)域,雖然可以很好地降低旁瓣影響,但也會(huì)對(duì)輸出信號(hào)造成影響,比如主瓣變寬、降低等。信噪比本身就存在一定的損失,而采用此技術(shù)會(huì)將損失加大,-3 d B主瓣加寬系數(shù)也會(huì)增大。各種窗函數(shù)性能比較如表1所示。

表1 各種窗函數(shù)性能比較

海明窗函數(shù)可以對(duì)升余弦加以改進(jìn),用公式可以表示為:

漢寧窗函數(shù)可以用來(lái)計(jì)算余弦平方,用公式可以表示為:

2.2 加窗處理的分析仿真

對(duì)單路信號(hào)進(jìn)行處理時(shí),不管是脈沖壓縮還是加窗,在處理時(shí)是不分先后的。處理之后,將二者合并便得到了雷達(dá)所需波形。信號(hào)在實(shí)際應(yīng)用中,都要對(duì)壓縮后的波形進(jìn)行處理,也就是加窗。這種處理有很多種,比如加布拉克曼窗、矩形窗、凱塞窗等。不同旁瓣與主瓣的距離不同,窗函數(shù)也會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的變化,甚至加權(quán)后在-3 d B處主瓣加寬的程度出現(xiàn)巨大的差異。圖2為分別使用了漢寧窗和海明窗處理后,利用MATLAB進(jìn)行仿真的波形圖。

圖2 信號(hào)經(jīng)過(guò)漢寧窗和海明窗處理后的波形圖

從局部放大圖中可以看出,加漢寧窗后,最高距離旁瓣可以抑制到30 dB以下,大約為31 dB。加海明窗后,最高距離旁瓣可以抑制到40 d B以下,大約為41 dB。

加窗處理可以采用2個(gè)或3個(gè)窗函數(shù)串聯(lián),它們可以是同一個(gè)窗函數(shù),也可以是不同的窗函數(shù)。旁瓣電平得到進(jìn)一步降低,隨之而來(lái)的是,-3 d B主瓣的加寬系數(shù)和信噪比的損失都有明顯的上升。將2個(gè)海明窗串聯(lián)在一起,可以看出旁瓣能降低到-50 dB以下,要比單獨(dú)用1個(gè)海明窗時(shí)效果好,另外2個(gè)數(shù)值的變動(dòng)也極為突出,比如:信噪比(dB)的損失一開始只有1.34,在串聯(lián)之后增加了1.16;而-3 dB 主瓣加寬系數(shù)原來(lái)只有1.47,在串聯(lián)之后,數(shù)值明顯上揚(yáng)了0.566。若用海明窗和漢寧窗串聯(lián),也可得到同樣的結(jié)論。比較其它窗函數(shù)相互串聯(lián)抑制距離旁瓣的效果,可見旁瓣電平降低的同時(shí),-3 dB主瓣的加寬系數(shù)和信噪比損失都有明顯的上升。圖3為信號(hào)經(jīng)過(guò)加2個(gè)海明窗串聯(lián)和加海明窗與漢寧窗串聯(lián)處理后的波形圖。

圖3 信號(hào)經(jīng)過(guò)加2個(gè)海明窗串聯(lián)和加海明窗與漢寧窗串聯(lián)處理后的波形圖

3 結(jié)束語(yǔ)

為了改善脈沖壓縮雷達(dá)的檢測(cè)性能,提高分辨多目標(biāo)的能力,對(duì)線性調(diào)頻信號(hào)脈沖壓縮輸出波形中的干擾因素(比如旁瓣),采取加窗的方式加以抑制。通過(guò)模擬分析可以發(fā)現(xiàn),去除旁瓣干擾是以主瓣變寬和信噪比損失變多為代價(jià)的。這就導(dǎo)致雷達(dá)距離分辨率大大下降。為了提高距離分辨率和降低旁瓣,只能在旁瓣抑制、主瓣加寬、信噪比損失、旁瓣衰減速度以及技術(shù)實(shí)現(xiàn)難易等方面折衷考慮,選擇合適的加權(quán)函數(shù),從而提升其技術(shù)方面的需求。