线性调频脉冲压缩技术在雷达系统中的应用分析
来源:用户上传
作者:
摘要：通过对当前雷达系统中应用到的线性调频脉冲压缩技术进行介绍，简单叙述了线性调频脉冲压缩技术的理论基础以及现行调频脉冲信号及其压缩的过程。并根据现行调频脉冲在压缩过程中遇到的问题，简单介绍了用来解决问题的加权处理方法以及脉冲压缩技术在气象雷达中的应用。
关键词：雷达系统;线性调频;脉冲压缩;加权处理
中图分类号：TN974
文献标识码：A
DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.10.068
如今，隨着科学技术的不断突破，人们对雷达技术在距离、分辨能力和测速方面的精准度要求越来越高。根据雷达系统的工作理论可知，雷达系统的监测能力与雷达系统发射的平均功率有关，只有不断提高雷达系统的平均发射功率，才能更好地提升雷达系统的监测能力。
目前，在雷达系统硬件设施的影响下，雷达系统的最高功率受到了一定的限制。
1 脉冲压缩技术
要想提高雷达系统发射的平均功率，就要采用增加发射脉冲宽度的方法，而提高雷达系统的距离分辨能力又是靠降低发射脉冲宽度来实现。这样看来，在提高雷达系统发射的平均功率和距离分辨能力这两方面，存在着矛盾。为了化解这一矛盾，就需要在低频情况下对频道进行调频，以此增大发射脉冲信号时的最大宽度，从而找到一种雷达系统发射脉冲宽度较宽，同时发射功率较低的脉冲，并对接收的回波信号进行压缩，这种处理方法就叫做脉冲压缩。
脉冲压缩技术在降低脉冲宽度、增强雷达系统的距离分辨能力的同时，拥有良好的监测能力。增加脉冲发射的宽度，能有效利用雷达系统发射的平均功率，这样就不再需要提高脉冲发射的最大功率。脉冲压缩技术能够在不需要重复发射脉冲信号的前提下提高雷达系统发射的平均功率，这样一来就能减少雷达的模糊距离，同时减少不同发射信号对雷达系统的干扰，有效提高雷达系统的监测和分辨能力。
2 线性调频脉冲信号和压缩过程
相关研究表明，目前用于脉冲压缩的信号有现行调频脉冲信号、多相编码信号和二相编码信号。在此主要探究现行调频脉冲信号在雷达系统中的应用。前文提到脉冲压缩技术能在增加脉冲宽度的同时有效提高雷达系统的距离分辨能力，而线性调频脉冲信号就是最早出现在脉冲压缩技术中的大宽度高平均功率的信号。在脉冲压缩技术中，线性调频脉冲信号有着容易产生和处理的优势。线性调频脉冲信号主要靠有源法和无源法两种方式产生，主要依靠数字脉冲压缩处理和模拟脉冲压缩处理这两种方式进行压缩处理。同时，比较这两种压缩处理方式，数字脉冲压缩处理有着更快捷的自适应能力，脉冲信号的数字处理也比模拟处理更好，同时模拟处理方式会受到设备配置的种种限制而不能达到更高的水平，而数字处理方式则不会受到设备配置的影响。因此，在接下来的雷达信号的脉冲处理方式的发展上，数字脉冲压缩处理将会占据着主导地位，本文也将主要研究脉冲压缩技术中的数字脉冲压缩处理方式。
2.1 线性调频脉冲信号
目前脉冲压缩技术所应用到的最广泛、最成熟的一种信号就是线性调频脉冲信号。线性调频脉冲信号之所以能受到这么广泛的关注，主要还是其对回波信号的多普勒频移不敏感。因而就可以十分简单地用一个型号相匹配的滤波器来处理接收到的不同多普勒信号，把不需要的信号屏蔽在外，最终只留下自己需要的多普勒信号。如此一来，就不需要重复使用一些不需要的多普勒信号，大大降低了处理系统的工作量，也大大提高了处理系统的工作效率，同时，线性调频脉冲信号在制作和处理的工序上也比较简单。其缺点是，在长距离信号传输过程中，容易与多普勒频信号交叉连接，造成信号干扰。对于这种情况，往往需要利用加权处理将脉冲压缩的时间降低到一定范围内，以减弱其他多普勒频信号对其的干扰。
通常情况下，脉冲宽度很大以及线性调频信号为复包络是设计匹配率波的最重要的两点要求。在满足这两点的基础上，再完成脉冲压缩处理器的工作。根据相关数据记载，可以推算出脉冲信号的即时频率，同时，根据线性脉冲信号的频率的表达式可以看出，现行调频脉冲压缩技术的本质就是接收回波频率进行延迟处理。其中，对于低频率的信号，其中一部分信号会做到延迟时间较长;对于高频率的信号，其中一部分信号会做到延迟时间较短，从而实现在脉冲发射的平均功率较高的前提下，发射的脉冲宽度也较大。
2.2 线性调频脉冲信号的压缩
从技术理论上来讲，实现线性调频脉冲信号的压缩就是对接收回波的频率进行延迟，将部分低频率信号的延迟时间加长，高频率信号的延迟时间减短，最终使脉冲宽度变窄，以增强雷达系统的距离监测能力。从另一个方面来说，如果不考虑工作过程中的器材损耗，脉冲压缩后的脉冲幅度也将大大提高。
对于模拟处理方式而言，由于模拟脉冲的参数已经设定，不再更改，因而就无法实现雷达系统在复杂环境下的适应调配。而对于数字处理方式而言，因为其是借助于计算机处理系统对发射波形进行调控，因此数字处理方式更容易改变系统参数，对复杂环境做出及时的调整，以适应相关环境。此外，压缩技术中的数字处理方式还容易在宽脉冲波形等条件下达到稳定状态，对雷达系统工作过程中的工作元件配置的要求也较低。因此，采用压缩技术时才会更倾向于选择数字脉冲处理的方式。
根据线性调频脉冲信号频率的特性不难看出，在脉冲宽度大的情况下，线性调频脉冲信号的振幅规律更接近于矩形函数，调频变化的范围和脉冲信号的变化范围是相似的，同时线性调频脉冲信号的相位谱也具有平方规律的特点。根据这些特性，更容易设计出满足脉冲压缩处理的匹配滤波器。对于实现数字脉冲处理方式，一般情况下，靠的是相关处理器，对任何雷达所发射的波形都能成功匹配滤波功能，另一种方式就是利用展宽的处理器。
在这两种处理方式中，相关处理器利用的是频率领域的大小，根据相关波形领域的具体参数具体规划出相关处理器的参数，以顺利完成线性调频信号的脉冲压缩工作，从而完成多普勒的匹配滤波，该相关处理器同时也能处理其他任何波形。而对于展宽处理器，其能够在任何时间对脉冲波形进行压缩或者扩展，展宽处理器也能处理其他任何波形。对于线性调控脉冲压缩技术中的数字处理方式，运用展宽处理器能够更加简单、便捷地处理。对于时域的压缩，将对压缩脉冲有着更大宽度接收波形的要求。 3 线性调频脉冲压缩信号的加权处理
线性调频脉冲信号在结合匹配滤波器后，将脉冲宽度压缩到一定宽度，从而实现在不降低雷达系统发射的平均功率的前提下，尽可能地提高雷达系统距离的监测能力。但是，在目前科研技术方面，在实现线性调频脉冲压缩的过程中，还是容易在窄脉冲的两边产生辛格函数包络的逐渐递减的旁瓣。而这些旁瓣的存在又会影响雷达系统的距离监测能力。最常见的现象就是，在雷达系统监测范围内出现多个目标，使雷达系统无法过滤掉其他影响目标，从而分辨出真正的目标，同时也可能会出现一个目标的距离超过监测距离限定而产生虚假报警。
为了限制这些不便的情况，我们必须采取一些措施来减少窄脉冲两边旁瓣的产生。压缩比、多普勒容限以及输出信号相对旁瓣的性能参数将直接影响到脉冲压缩处理系统的性能。通常，对于减少窄脉冲两边旁瓣，多采取加权技术进行处理。关于加权处理方式，简单理解就是将匹配滤波器的频率和适当的推销函数进行相乘。而对于加权技术来说，又分为频域加权和时域加权。频域加权是通过调整频谱的大小来实现压缩脉冲宽度，时域加权是通过控制波形包围形状，以获得更多的多普勒响应来实现压缩脉冲宽度。对于这兩种加权方式而言，二者目标都是一致的，都是为了降低在窄脉冲两侧产生的旁瓣。
4 结语
本文介绍了在调频中，脉冲压缩技术是通过脉冲信号经过匹配滤波器而使信号达到所需要求。雷达监测的信号频率是多种多样的，对于不同的信号频率也都有着其相应的脉冲压缩性能。而针对线性调频脉冲信号对回波信号的多普勒频移不敏感，可以十分简单地用一个型号相匹配的滤波器来处理接收到的不同多普勒信号，把不需要的信号屏蔽在外，最终只留下自己需要的多普勒信号。正因为线性调频的这种特性，才使得线性调频能成为脉冲压缩信号的首选，被广泛关注。在雷达发射功率受到限制的情况下，脉冲压缩技术能更好地提高雷达的距离监测能力，同时还能使雷达保持优秀的分辨能力。这种技术是实现雷达反隐身、对多种目标进行精确检测、排除外界干扰的重要途径，在雷达系统的应用中，脉冲压缩技术受到广泛应用。
参考文献：
[1]徐鹏，刘东青，黎波涛.脉冲压缩雷达跨周期相位调制干扰技术研究[J].计算机与数字工程，2018，46（ ll）：2234-2238.
[2]姜旭恒，郑政，胡胜男.基于脉冲压缩的高频超声信号实时增强系统[J].电子科技，2017，30（9）：8-11.
[3]林海洋.高强度宽频超声换能器研究及其探测系统设计[D].广州：华南理工大学，2016.
[4]吴恙.线性调频信号及其脉冲压缩系统的FPGA实现[D].武汉：湖北大学，2014.
转载注明来源:https://www.xzbu.com/1/view-14992100.htm
