雷达相位编码信号的研究和应用1.pdf
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西安电子科技大学硕士学位论文雷达相位编码信号的研究和应用姓名:
张艳艳申请学位级别:
硕士专业:
信号与信息处理指导教师:
吴顺君20070101摘要摘要当今,电子对抗日益激烈。
相位编码雷达因其固有的优势:
反隐身特性、良好的抗干扰性和低截获概率,得到人们的广泛关注和研究。
然而,相位编码雷达存在距离旁瓣较高和对多普勒敏感的问题。
文中首先介绍了相位编码信号的特点,分析距离旁瓣产生的原因,推导了多普勒频率和脉压输出增益损失的关系,还研究了多普勒容限问题。
其次,讨论了旁瓣抑制方法:
迭代加权最dx-乘法。
并采用了迭代加权最小二乘算法来设计失配滤波器以达到相位编码信号优化的副瓣抑制目的,且给出了相应的仿真结果。
接着,讨论了三种多普勒补偿方法。
基于MTD的二相编码多普勒补偿算法,基于正交双通道处理的多普勒消去算法及多路补偿技术。
最后,介绍DSP以及多路补偿技术在DSP中的实现。
关键词:
相位编码旁瓣抑制失配滤波多普勒补偿DSPABSTRACTABSTRACTNowadays,ElectroniccountermeasuresarebecomingincreasinglydrasticOwingtoitsadvantages:
goodantihidingcharacteristic,anti-jammingcapabilityandlowprobabilityofinterceptproperty,phase-codedradarisbecomingmorepopularandreceivingmoreattentioninthefieldofresearchHoweverphase-codedradarhasthedisadvantagesofhigherrangesidelobeandsensitivitytODopplershiftsInthispaper,thecharacteristicsofphasecodedsignalarefirstlydiscussed,whichincludethefindingoftheoriginofthesidelobe,therelationshipbetweenDopplershiftsandthelossofgainduringthepulsecompression,aswellastheintroductionofthetoleranceofDopplershiftsSecondly,themethodofusingiterativelyreweighedleast-squaremismatchedfilterdesignforsidelobereductionisdescribedandthefavorableexperimentalresultsarealsogivenThirdly,threemethodstoeliminatetheimpactofDopplershiftsarediscussed,includingthemethodbasedonDMTD,themethodfound011twocrossedchannels,andthelastonebaseduponseveralchannelsFinally,DSPanditsapplicationinthepulsecompressiongroundedonseveralchannelsarepresentedKeyword:
Phase-codedSidelobesuppressionPulsecompressionMismatchedfilterDopplercompensation西安电子科技大学学位论文独创性(或创新性)声明秉承学校严谨的学风和优良的科学道德,本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果;也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。
申请学位论文与资料若有不实之处,本人承担一切的法律责任。
本人签名:
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研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。
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同时本人保证,毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。
本人签名:
导师签名:
II,HJJ丝丑:
丝2I剃挲2。
Z丕Z第一章绪论第一章绪论11课题的研究背景第二次世晃大战以来,雷达技术突飞猛进,它作为现代国防的“千里眼”,是一种必不可少的现代军事电子信息装备,担负着敌方来袭目标预警探测、威胁目标跟踪识别、己方拦截战机引导、拦截打击武器跟踪制导等重要任务。
正由于雷达在现代国防中的重要作用,人们也在不断地研究各种对抗雷达的措施,如对雷达的有源和无源干扰、低空进入、反辐射攻击、隐身等,给雷达的正常工作和生存带来了极大的困难和威胁。
雷达的研制和使用人员为了确保雷达更好地发挥作用和有效生存,也不断地在研究相应的反对抗措施。
雷达不被敌方各种截获接收机所截获,就可以避免被侦察、被干扰和被敌方反辐射导弹攻击,这样就大大增强了雷达在战场中的生存能力。
由于侦察接收机是单程工作,而雷达是双程工作,在作用距离方面,侦察接收机占据优势。
但在信号处理方面,雷达有先验知识可用,能获得处理增益,而侦察接收机则不能。
因此,雷达实现低截获概率(Lowprobabilityofintercept,LPI)是可能做到的。
雷达采用LPI和极强的电子反对抗能力(Electroniccountercountermeasures,ECCM)信号形式正在成为一种广泛采用的抗电子侦察、干扰的措旌。
而且,由于数字处理和控制技术等的发展及其在雷达系统中的成功应用,各种低截获概率(LPI)信号在雷达装备系统中的应用必将更加普及和深入,这对电子侦察、干扰来讲,无疑将是必须面对和克服的技术挑战。
雷达实现低截获概率的技术途径一般有以下几个方面:
1)脉内扩谱调制,如脉内频率调制、相位编码调制等;2)信号参数捷变,包括信号载频、重频、脉宽等的捷变:
3)低峰值功率与辐射功率管理,zUSTC等;4)相控阵波束敏捷扫描;51超低旁瓣与笔形波束等。
以伪随机码(伪噪声序列)或随机码(噪声序列)作为鹕”芦的柑f节编码雷达就是上述低截获概率雷达信号之一,现代雷达波形设计也已越术=越;士i耍采用随机变化的编码信号,它不仅具有抗干扰性能,而且由于其模糊阁为刳tJ肜(图11所示),具有很高的时延和多普勒分辨能力,没有距离多普锄耦彳rfLJJ题。
为提高主副瓣比和降低截获概率,最好的方法是采用随机编码信号作为雷达的发射波,诈是具有这雷达相位编码信号的研究和应用种优势,使其在当代依然是一个热门的研究课题。
相位编码雷达是把码字信息调制在载波相位中的一种雷达,即发射的是丈时宽带宽信号。
因此,不仅降低了单位频带内的信号能量,使其不易被敌人察觉;也同时提高了距离分辨力和多普勒分辨力。
J一州图I113位巴克码的模糊函数相位编码信号是通过相位的离散编码得到的,可以分为二相编码和多相编码。
一般二相编码采用对载波信号进tY0、石调相来实现,而多相编码则让相位在多个数值之间变化。
因此,多相编码雷达较二相编码雷达在码字的选择上具有更大的灵活性,在信号处理时更易找到相关性能良好的码字,但多相编码雷达在实现上较二相编码雷达复杂程度大大增加。
故在实践中,一般多采用二相编码雷达。
从模糊函数考虑出发,人们一般选用随机序列调相;但考虑实现和处理的方便,伪随机码调相也是一种优良的选择。
本文研究的主要针对这两种序列作为调制码字的编码雷达。
在电子对抗日益白热化韵今天,相位编码雷达具有的低截获、抗干扰及反隐身特性引起了人们的普遍关注。
其本身的优势,再配以其他技术的应用,必将在现代雷达对抗中发挥重要的作用。
12相位编码雷达的发展对相位编码雷达而言,码字的选择无疑很大程度上决定了雷达性能的好坏。
故人们对码字的研究比较重视,特别是相关性能优越的码字寻找,一直是一个比较热门的课题。
因此,相位编码雷达的发展和码字的发展息息相关。
噪声雷达由于其优越的性能,早在60、70年代就受到许多国家研究者的重视。
其中包括美国、德国、英国等许多国家对噪声雷达体制的理论研究和样机试制均丌展了大量的工作。
他们主要侧重于随机调频随机交错脉冲序列,随机频率编码等雷达体制的研究,这中间像CoopaGRf2-51和ForrestJR161等人在随机码雷达平均模糊函数的理论研究以及固态微波噪声雷达实验样机的研制等方面做出了巨第一章绪论大成绩,也推动了随机码雷达的发展。
国内是七十年代开始研究随机信号雷达的。
南京理工大学在这方面进行了长期不懈的努力,取得了许多研究成果。
其中刘国岁教授及其带领的研究小组在随机信号雷达的研究方面丌展了大量的工作,得到国内外专家的肯定。
但是,在实际噪声雷达实现的过程中,无论是发射系统的信号产生,功率放大,还是接收系统的匹配处理都存在相当大的困难,所以噪声雷达研究N70年代后期和80年代就渐渐进入了低潮期。
与此同时,伪随机码由于其良好的相关性能、实现简单、处理方便等特点而受到了众多研究者的关注。
对伪随机码的研究也盛极一时,特别是在码字的选择和信号的处理方面有大量的研究成果。
通过一些学者的研究,获得了许多性能良好的伪随机码,例女HGold码、Barker码、M序列、ITI序列、互补序列、正交序列、勒让德序列等等。
但由于伪随机码具有定的周期性,使得伪码调相雷达本身存在可能被截获、周期性模糊等问题。
为此,人们对伪码做了深入研究,提出了组合码字概念,希望通过延长周期降低截获概率。
所谓组合码字就是把某组性能优越的码字作为一个基本码元,替代某序列,生成一组新的码字。
这种方法对一些周期较短而自相关性能好的码字进行扩展比较有效,例如组合Barker码。
而美国Gilfillan公司研制的FALCON雷达中则采用了脉间伪码捷变的雷达信号以增强伪码雷达信号中的随机性,降低雷达信号的截获概率。
新阶段,由于一些新兴学科的发展,二相码优选的方法也得到了发展。
尽管一些新的方法应用于二相码的优化,但是可实用的结果并不多见,还有待于这些新方法本身的逐步完善。
13相位编码雷达研究概况在相位编码雷达信号处理t扎有两个关键性的问题,即是旁瓣抑制和多普勒敏感。
如何有效抑制趴离旁瓣,f提高多普勒容限一直是该体制雷达主要研究的内容。
长期以来,人们1,j:
这两个方面做了火量的研究工作。
结合本课题,我们主要研究这两方面的LjJ题。
下而介绍卜距离旁豫问题的研究概况。
一般来说,人们抑制旁瓣丰要从两个方面入手:
是通过选择相关特性优越rigaJ__5宁水获得低旁瓣。
1972年,AckroydI,J提出一种有效ft9Huffinan)列,其对脉压雷达输出脉冲的幅度和相位进行调制可得到相当小的旁瓣,但是其南昂的费用限制了其使用,且由于序列固定,不具有普遍意义,特别对需保密和抗干扰的j!
,:
fi境儿乎没有实用价值。
1986年,Keldock和Mayer给出4雷达相位编码信号的研究年应川对既定旁瓣水平的最长二进制脉压码J。
1989年MNCohen,JMBaden$1:
lPECohens提出最小旁瓣峰值的调相码19J。
最佳信号设计的研究在今天仍具有很强的生命力,特别在通信领域得到广泛关注。
另一方面即以信号处理的方式实现旁瓣抑制。
和前一种方法相比,该方法具有对码字无限制的特点,因此成为研究的主流。
这种方法最早是1959年由Key提出的,他采用螺纹延迟线技术来抑制相位反向码的旁瓣I101。
1971年,Rihaczek和Golden提出用反相滤波器对Baker码进行抑制J,取得较好的效果,但由于只考虑对Baker码的抑制,限制了它的广泛应用。
l973年,MartinHAckroyd$1FGhani提出用最佳不匹配滤波器ll2】抑制旁瓣,该方法对给定的序列经求解后均可得到方差最小的最佳滤波器。
这种方法由于其序列的普遍性而得到广泛的应用,但同时其滤波器的长度和权系数随着输入序列的不同而改变,在实现上又有一定困难,1980年,StevenZoraster提出对二进制码旁瓣的峰值进行抑制1131,应该说,这和雷达信号检测的需要相近了一步,但是在远距离检测时对硬件有了成倍增长的要求。
1990年,JMBadenSaMNCohen提出调相码脉冲压缩的最佳峰值滤波器【l引。
1996年,SangCPark和JohnFDoherty提出将不匹配滤波器和匹配滤波器结合使用的方法【I引。
在国内,二相码旁瓣抑制方面的研究工作也在许多单位进行着,比如浙江大学的陈晓华利用线性规划的方法设计巴克码的旁瓣抑制滤波器,成电的向敬成和南航的朱兆达也在这方面做了研究。
尽管有了多种旁瓣抑制方法,但对于相位编码雷达,由于码字采用的不同和实际应用情况的差异,旁瓣抑制仍是个值得研究的领域。
编码信号的多普勒补偿的关键是已知回波信号的多普勒频率,然后通过混频消除多普勒频率的失配。
回波信号中含有多普筝力频移为f,的信号,而把回波信号从中频下变频到视频时,则采用“补偿本振”(频率为厂+厂,f为中频频率)混频,消除了多普勒的失配。
但是,这种方法要求事先已知目标的速度,以设置补偿本振的频率。
实际应用中一般是不能满足这一一要求的。
14本文的研究一l:
作本文主要针对相位编码雷达的距离旁瓣和多普勒补偿问题进行了研究,并对其抗干扰等性能进行了分析,主要所做的工作如下:
首先,分析了相位编码雷达系统的发射佶r07和叫波信号,研究了相关积累,从而找到了距离旁瓣产生的原因。
同时,在分析E承睚过程中,也推导了多普勒频率和脉压输f:
增益损欠的关系,得到了它们的函数火系,还研究了多普勒容限问题。
其次,讨论了旁瓣抑制方法:
迭代加权最小。
:
乘法。
采用该方法失配滤波后,第一章绪论输出的主副比与匹配滤波时相比有显著的提高,且信噪比损失不大,缺点是主瓣有比较大的展宽。
随着失配滤波器长度的增大,脉压后的主副比也将增大,但是信噪比损失也较大。
再次,讨论了三种多普勒补偿方法。
基于MTD的二相编码多普勒补偿算法,基于正交双通道处理的多普勒消去算法及多路补偿技术。
最后,介绍DSP以及多路补偿技术在DSP中的实现。
15本文的内容安排本文主要由六个部分组成,下面对本文的内容安排作一下介绍。
第一章,绪论,主要讲述了本课题的研究背景,简要介绍了相位编码雷达的发展、分类,国内外对旁瓣问题研究的概况以及多普勒补偿中存在的困难。
第二章,介绍了相位编码雷达系统的一些基本概念。
先给出了相位编码雷达系统框图,其次对发射信号和回波信号进行了时频域分析,然后又分析了脉压器的输出,了解了旁瓣产生的原因,最后简单介绍了几种常用的旁瓣抑制方法。
第三章,讨论了失配滤波的旁瓣抑制方法。
首先介绍了该方法的理论基础,接着给出了仿真结果,并对它们进行了分析比较。
第四章,讨论了三种多普勒补偿方法。
基于MTD的二相编码多普勒补偿算法,基于正交双通道处理的多普勒消去算法及多路补偿技术。
重点介绍了多路补偿技术,并给出了仿真结果。
第五章,介绍了DSP及其在多路补偿技术中的应用。
第六章,结束语,对本论文工作进行了总结,并对本课题做了展望。
第-二章相1寺编码雷达系统第二章相位编码雷达系统21引言相位编码雷达是具有扩频特性的“复杂波形”雷达,不仅克服了脉冲雷达在同时提高发现能力、距离和速度测量精度及分辨力方面的矛盾,同时也使其在雷达对抗中独具优势。
因而,在电子对抗激烈的今天,该体制雷达依旧受到研究者们的普遍关注。
本章将以二相编码雷达为例讨论相位编码雷达的基本理论。
首先介绍相位编码雷达系统框图,然后对发射信号和回波信号在时频域进行分析,最后通过对相关积累的分析推导,引出了多普勒敏感、距离旁瓣问题和常见抑制方法。
22相位编码雷达简介及系统框图二相编码雷达系统按码元对载波信号进行0或万移相的方法来形成二相编码波形。
通过混频后的视频信号与参考码字之间的相关处理,获得目标的距离信息,再做FFT获得目标的速度信息。
对于高的距离分辨,发射信号的自相关函数必须具有窄的峰值和低的旁瓣。
二相编码雷达的系统框图如下所示,下面对该系统作简要的说明。
【冬J2I棚墒码甫丛系统框图首先山二一相码产生器产生码。
,i:
耍产生伪随机码或随机码。
码字一路输入调4、器,对本振信号进行渊梢,经J匀牢放人后发射i去:
另一路把码字存储起来,形成参考码,以便与混频后的视频信号进行相关处理。
回波信号经放大后与本振雷达相位编码信号的研究和应用信号混频,得到视频信号;再经过视频放大和AD转换后,变成离散的数字信号:
最后由信号处理机对这些数掘进行处理,获得需要的目标信息。
23二相编码信号波形和频谱分析一般相位编码信号的复数表达式刻意写成:
s(t)=a(t)-exp(j6p(t)exp(j2Jrfot)(21)信号的复包络函数为:
材(,)=口(,)exp(jq(t)(22)其中五为载波信号的频率,缈(f)为相位调制函数。
对二相编码信号来说,缈(f)只有。
和万两个可能取值,可用二进制相位序列吼=o,石表示,也可以用二进制序列Ck=e坤似)=+1,-1表示。
而口(f)为反映雷达发射不同无线电波波形的窗函数。
对于脉冲二相编码信号,该窗函数是一个矩形窗,窗宽为脉冲宽度;对连续波二相编码信号而言,则恒为1。
为了统一两者的形式,都做矩形窗处理。
综上所述,a(t)可表示如下形式:
ll,OtA=pra(t)=(2-3)l0,其他则二相编码信号的复包络可写成:
zf(f)=p,lc七V(卜后r),盾-o0,其它(24)式中v(,)为码元波形,f为码元宽度,P为码长,A=pr为编码信号持续期。
利用艿函数的性质,式(24)可改写成:
“(f)=V(f)oq8(tkT)-Ul“!
(,)苴巾110tfo户埙D=o,!
潍(2-5)(26)(27)L凡一艿川=2甜第二章相位编码雷达系统91电t墨。
薪1fIfV|V一O1200300瑚5006007。
o80D900伽)图2。
2二相编码信号的时域波形魁以上分析了二相编码信号的时域形式,波形如图22所示,图中所用的调制码字是15位(每位采样16个点)M序列伪随机码。
下面分析二相编码信号的频域形式。
应用傅立叶变换对:
rPcf(三)争fsinc(r)f(2-8)5(t一足f)付exp(-j2rcfl【Cf)(29)于是不难得到“、(f)和“:
O)的频谱分别为:
“(,):
,2cf(三竺)七U。
(厂)=r-sinc(厂f)exp(一J万,、f)(2-lo)fP一1Pl甜2(,)=qexp(-j2rckr)HU2(厂)=cexp(-j2srfir)(2-ii)=0冉=O由式(25)再由傅立叶变换卷积定理,可求得-,fl|编码信号的频i普为:
厂)=Uii厂)u2(厂)=inc(ff)exp(一丌厂f)1exp(-j2zkr)l(212)PIllI=0Ij?
是倍号功率请的表达式可以写成:
叭r)12=tu,(r)12tv!
(川2(213)其中lU2(r)12=u:
(厂)u;(厂)=除exp(i2nkr)l-参exp(i2srJL埘=lq一,f,埘lL=“FflJlO宙达相位编码信号的研究和应用,一iP一PI=f叩。
-expj21rf(i-k)r】,-0詹=OI=O,zk:
p+2窆p-|-m一cos(2乃加),一1=p+2(聊)cos(2zcfmr),w=l(2-i4)式中矗(埘)=q乞+。
表示码字的非周期自相关函数,通常它具有很好的相关性,即:
P一1一,fDm:
0(朋)=k-O吒靠+肌=:
二协m=1,2,p-I(2-15)I口lIv)12(2-16)Iu(刊2=卜+2(所)cosr)卜。
(刊2(2-I肿:
I图2313位巴克码的频谱从以上的推导,特别是式(212),可以看出,二相编码信号主要取决于码元信Pl号波形的频谱u。
(厂),而刚加凼予qexp(一j2n肛_f)的作用与所采的码字形式有I,0关,若所采的二元ii45-:
l仃良蚶的非周期自相关特性,则所得二相码信号的功率谱与码元信号的功;冢谱蝰奉铸l司。
13位巴克码的频谱见图23。
而实际的为随机_一柏码连续波信号由于存在周期性,它的频谱图是(216)式的离散化,4、=l(Pf)=lA频谱问隔:
而随
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