雷达系统课程论文(设计) 题目脉冲压缩技术研究学生姓名鲁建彬学号20111227362院系电子与信息工程学院专业信号与信息处理指导教师葛俊祥二〇一二年六月十八日脉冲压缩技术研究鲁建彬11级信号与信息处理 20111227362摘要：脉冲压缩技术是雷达信号处理的关键技术之一。

文中主要从信号形式、优势和不足、应用场合等方面介绍了线性调频、巴克码、多相码、非线性调频等几类常用脉冲压缩信号。

并针对一个雷达应用实例，利用Matlab对线性调频信号的脉冲压缩经行了仿真，对比压缩前后的回波信号，从而直观地看出脉冲压缩对雷达探测能力的改善。

关键词：脉冲压缩调频信号编码信号信号仿真一、引言脉冲压缩技术是雷达信号处理的关键技术之一。

主要是通过发射许多具有脉内调制的足够宽的脉冲，从而在峰值功率不太高的情况下也能给出所需的平均功率，然后，在接收时用解调办法将收到的回波“压缩”起来，解决了距离分辨率与作用距离之间的矛盾。

现代雷达信号处理中常用的脉冲压缩主要有应用最广的线性调频信号脉压、巴克码信号脉压、多相码信号脉压、非线性调频信号脉压等几类。

本文在首先总结了脉冲压缩的基本原理的基础上从信号形式、优势和不足、应用场合等方面介绍这几类常用脉冲压缩信号。

最后就最为普遍的线性调频信号经行了进一步分析，利用Matlab对某个雷达的回波经行了仿真，对比脉冲压缩前后的回波信号，加深了对脉冲压缩的认识。

二、脉冲压缩的基本原理随着雷达技术的发展和雷达应用领域的不断扩大，雷达的作用距离、分辨能力和测量精度等性能指标必须得到相应的提高。

然而，根据已有的分析可知，当噪声的功率谱密度一定时，对信号而言的检测能力取决于信号能量E。

而对简单的恒定载频矩形脉冲信号，其信号能量为其峰值功率与信号能量的乘积，即E=PT。

于是通过加大信号能量以增加雷达的作用距离可以考虑两个途径：提高峰值功率P或增大脉冲宽度T。

由于P的提高受到发射管最大允许峰值功率和传输线功率容量等因素的限制，因此在考虑发射机最大允许平均发射功率范围内，增大脉冲宽度T，这样还有利于测速精度和速度分辨率的提高。

然而对恒定载频单脉冲信号，我们有B=1/T，因此T的增大等效为信号带宽的减小。

根据距离分辨率的表达式∆==（1）R cT c B()/2/(2)可以发现，这样做会导致雷达的距离分辨率和测距精度变差。

按雷达信号的分辨理论，在保证一定信噪比并实现最佳处理的前提下，测量精度和分辨率对信号形式的要求是一致的，即测距精度和和距离分辨率主要取决于信号的频率结构，它要求信号具有大的信号带宽；而测速精度和速度分辨率主要取决于信号的时间结构，它要求信号具有大的时宽。

综合考虑以上两个方面，理想的雷达信号应具有大的时宽带宽积。

大时宽不仅保证了速度分辨率，更重要的也是提高探测距离的手段；大带宽则是提高距离分辨率的前提。

而普通的单载频脉冲信号的时宽带宽积近似为1，也就是说大的时宽和大的带宽不可能同时兼得。

也就是说，若使用这种信号，测距精度和距离分辨率同作用距离以及测速精度和速度分辨率之间存在着不可调和的矛盾。

为解决这一矛盾，必须采用具有大时宽带宽乘积的复杂信号形式，脉冲压缩就是为了解决这一矛盾而提出的。

脉冲压缩雷达的工作原理是，采用调制宽脉冲发射，以提高发射机的平均功率，保证雷达的最大作用距离以及测速精度和速度分辨率。

接收时利用脉冲压缩技术，获得窄脉冲，从而提高测距精度和距离分辨率。

因而脉冲压缩能很好地解决作用距离和距离分辨率之间的矛盾。

在脉冲压缩系统中，发射波形往往在相位上或频率上被调制，使得B>>1/τ。

令τ=1/B，则由式（1）可以得到R cτ∆=（2）()/2τ表示经脉冲压缩后的有效脉冲宽度。

因此，脉冲压缩雷达可用宽度T的发射脉冲来获得相当于发射脉冲宽度为T的简单脉冲雷达的距离分辨率。

发射脉冲宽度T与系统有效（经压缩的)脉冲宽度τ的比值定义为压缩比D，并由下式表示=（3）/D Tτ因为τ=1/B，有D=TB，即压缩比也等于系统的时宽带宽积。

在许多应用场合，脉冲压缩系统可用其时宽带宽积来表征。

脉冲雷达系统的平均功率用PT表示，此处P为峰值功率，T为脉冲宽度。

由此可知，假定发射相同的峰值功率并获得相同的距离分辨率，则脉冲压缩系统的平均功率是简单脉冲系统发射的平均功率的D倍。

图1 脉冲压缩处理示意图图1说明了在雷达系统中进行脉冲压缩处理的方法。

射频信号源产生宽度为τ的窄脉冲，并让它通过色散延迟线。

色散延迟线的输出为宽度T(T>>τ)的脉冲，而信号带宽B为1/τ，即输入脉冲的带宽。

此信号经放大后通过雷达天线向外发射。

接收时，信号经适当处理后通过脉冲压缩滤波器。

此滤波器常采用跟发射波形匹配的滤波器;结果便形成宽度为τ=1/B的压缩脉冲。

被压缩的信号经适当降频放大后便被显示出来。

脉冲压缩信号是宽度为T的信号在通过其匹配滤波器后形成的。

在匹配滤波器之外的响应时间范围大致为2T，而不是压缩脉冲宽度τ，如图1所示。

在|t|<τ之外的响应被称为距离副瓣。

因为从给定距离分辨单元来的距离副瓣可能会像信号那样出现在邻近距离分辨单元内，所以在任何脉冲压缩系统中都必须对副瓣进行抑制。

副瓣电平可以由峰值副瓣电平(PSL)和累积副瓣电平（ISL)来表示。

其中PSL=10log 最大副瓣功率峰值副瓣电平（）峰值响应（4）ISL=10log 副瓣总功率积累副瓣电平（）峰值响应（5）另外还可以用增益处理损失（LPG）来衡量接收机因采用失配滤波器而引入的信噪比损失。

LPG=10log 压缩比增益处理损失（）峰值响应（6）峰值副瓣电平(PSL)跟特定距离分辨单元内由于在邻近距离单元内有目标出现而产生的虚警概率密切相关。

峰值副瓣电平在可能会出现各种散射截面的高密度雷达目标背景时特别重要。

累积副瓣电平(ISL)是测量副瓣中能量分布的一个尺度，在密集目标背景和有分布杂乱回波出现时，累积副瓣电平比较重要。

在接收机中通常采用失配的脉冲压缩滤波器来减小累积副瓣电平和峰值副瓣电平。

与匹配滤波相比，由失配引起的信噪比损失称为系统的增益处理损失。

三、几种常用的脉冲压缩信号脉冲压缩系统的选择依赖于选择波形的类型和产生处理的方法。

现代雷达信号处理中常用的脉冲压缩主要有应用最广的线性调频信号脉冲压缩、巴克码信号脉冲压缩、多相码信号脉冲压缩、非线性调频信号脉冲压缩等几类。

下面在相关文献和教材的基础上总结了几类常用脉冲压缩信号，并从信号形式、优势和不足、应用场合等方面对这几类脉冲压缩信号进行了对比。

1.线性调频信号线性调频信号是搜索和跟踪雷达中最常用的脉压波形，这种信号的复数表达式是20012()22()()()j f t t j f t LFM t s t u t e Arect e πμπτ+== （7）式中，τ为脉冲宽度；μ =B/τ为信号瞬时频率的变化斜率；B 是信号带宽；0f 是发射频率；2()()j t t u t Arect e πμτ= 为信号的复包络，()t rect τ为矩形函数。

在脉冲宽度τ范围内，信号的瞬时频率为0i f f t μ=+ （8） 由（8）式可以看出，只要μ不变, 信号的频率变化就是线性变化, 故称为线性调频信号。

对于线性调频信号, 作匹配滤波即完成了脉冲压缩；信号压缩脉冲具有sinc 函数形状, 其主旁瓣比仅为-13.4dB, 这将严重影响旁瓣附近小目标的检测或造成虚假目标, 因而必须抑制旁瓣, 通常采用加权处理, 即失配滤波。

失配带来的负面影响是输出峰值下降，主瓣 展宽，距离分辨率变差。

加权函数有Hamming 函数、Taylor 函数、Gauss 函数及余弦平方函数等。

综合失配带来的各种影响, 工程实现中经常采用Hamming 函数作加权函数。

抑制旁瓣加权处理可采用频域加权技术和冲激响应加权法。

对于这两种方法来说, 主旁瓣比均随时宽带宽积B τ的增加而增加。

仿真结果是随着B τ的增加, 主旁瓣比收敛于Hamming 加权所能达到的理想值(理想值为-42.8dB), 大大提高了主旁瓣比。

线性调频(LFM)信号是通过非线性相位调制获得大时宽带宽积的典型例子, 是研究最早、应用最广泛的一种脉冲压缩信号。

这种信号的突出优点是匹配滤波器对回波信号的多普勒频移不敏感。

因此LFM 信号是现代高性能雷达体制经常采用的信号波形之一。

2. 巴克码信号有这样一种二进制相位编码, 长度为τ的相对比较长的脉冲被分成N 段比较短的子脉冲，每个子脉冲的宽度是Δτ=τ/N,。

然后，相对于某个CW 信号，每个子脉冲的相位随机选择0或者π。

习惯上，我们把相位为0的子脉冲（幅度为+1V ）记为“1”或者“+”。

另一方面，把相位为π的子脉冲（幅度为-1V ）记为“0”或者“-”。

这种编码的压缩比等于D=τ/Δτ，其峰值比长脉冲峰值大N 倍。

压缩后的二进制相位编码波形的好坏，很大程度上由每个子脉冲的随机相位序列决定。

二进制相位编码信号具有理想的“图钉型”模糊函数, 具有很高的时延和多普勒分辨能力, 且易于用数字方法产生和处理。

巴克码是最常用的一种二进制相为码, 特点是匹配滤波器输出的压缩脉冲电压为N, 而距离副瓣全都为1, 主副瓣比为20lgN 。

如今已找到的只有7种巴克码具有这样的独特属性，它们列于表1中。

因为只有7种巴克码，所以当雷达的安全性需要考虑时，往往不使用巴克码信号。

表1 巴克码一般情况下，巴克码BN的自相关函数的宽度为2NΔτ（其自相关函数近似等于其匹配滤波器的输出）。

主瓣宽度为2Δτ，峰值为N。

主瓣两边各有（N-1）/2个旁瓣。

图3给出了B13的自相关函数，注意到13位的巴克码是长度最长的巴克码，其主瓣等于13，而所有的旁瓣都等于1。

巴克码能够提供的最大旁瓣衰减为-22.3dB，这对于期望的雷达应用来说可能是不够的。

比如说应用于气象雷达，由于气象目标大多是分布式的，这要求更高的旁瓣衰减，往往要求气象雷达中的脉压信号旁瓣衰减达到40dB。

为解决上述问题，人们提出了许多抑制旁瓣的方法。

主要从两个方面入手：一方面是对波形进行该进，巴克码能够组合以获得长得多的编码。

在这种情况下，编码Bm可以用到编码Bn中（m在n中），以生成长度为mn的编码。

这样得到的组合码Bmn的压缩比等于mn。

这样主瓣就会达到mn。

比如说B组合码B54如下： B54={11101，11101,00001,11101} （9）另一方面是从滤波器入手，设计新的副瓣抑制滤波器来代替原来的匹配滤波器。

比较经典的滤波器有最小综合副瓣（反向）滤波器，可以将主副瓣比提高近10dB。

另外，随着研究的进一步深入，越来越多的旁瓣抑制算法被提出，比如文献【3】中利用谱修正技术对Kaiser 窗加权的脉冲压缩算法进行了改进，从而实现了超低旁瓣，文献【4】中用非递归的横向滤波器来逼近理想的滤波器传递函数，也能有效抑制旁瓣。