CN101097255A - 谱线增强式脉冲多卜勒雷达回波信号预处理器 - Google Patents

Abstract

本发明《谱线增强式脉冲多卜勒雷达回波信号预处理器》较常规的脉冲多卜勒雷达信号处理增加了一个核心部件：《脉冲多卜勒雷达回波信号谱线增强器》。《脉冲多卜勒雷达回波信号谱线增强器》用于多卜勒谱线分析之前，对脉冲多卜勒雷达回波视频信号进行预处理。本发明《谱线增强式脉冲多卜勒雷达回波信号预处理器》通过对多卜勒雷达回波信号视频基带中的多根多卜勒谱线进行相参积累，在相加器中，对相参的回波信号谱线以电压相加的方式进行相加，谱线的功率则以相加后的电压值的平方增加。而对不相参的噪声或杂波，则以功率方式进行相加。通过本发明《谱线增强式脉冲多卜勒雷达回波信号预处理器》的处理后，系统输出的多卜勒雷达回波信号的信号/噪声比获得提高。

Description

谱线增强式脉冲多卜勒雷达回波信号预处理器

一、回顾

1.脉冲多卜勒频谱〖1〗

脉冲多卜勒雷达的发射频谱由载频f₀和边频f₀±if_R若干条离散谱线组成，这里的f_R是脉冲重复频率，i是整数。而各谱线构成的包络由脉冲的形状决定。通常采用的矩形脉冲串，频谱的包络为Sinx/x形状(其中x＝iπτ/T，τ是脉冲宽度，T是脉冲周期)。

由一个孤立的反射体产生的接收频谱具有正比于雷达站和反射体之间的径向速度V的多卜勒频移的谱线。双程多卜勒频移为f_d＝2V/λ，其中，λ是雷达的波长。图1.示出诸如大地或云层等连续目标和诸如飞机、汽车、坦克等离散目标回波的脉冲串频谱。

现在的脉冲多卜勒雷达中，只利用频谱中与某一根谱线(通常是载波)相关联的部分。通常由单边带滤波器滤出。图2.示出这一部分频谱。

一个高重复频率(高PRF)脉冲多卜勒雷达模拟处理机的示意图如图3.所示。

2.脉冲多卜勒雷达回波信号的频谱要点：

(1)与发射信号的频谱相同。运动目标的回波信号频谱是发射信号频谱经多卜勒偏移后的复制品，它包含一些间隔为f_R的谱线。但是，发射信号频谱与接收信号频谱的能量是大不相同的。

(2)孤立目标的谱线，可能落入无杂波区，因而会被窄带多卜勒滤波器组分析与检测。

(3)为了尽量增加回波载波谱线的能量，均力求有较大的发射脉冲占/空比。

二、脉冲多卜勒雷达回波信号的谱线增强

1.问题的提出

目标回波的多卜勒谱线由于脉冲重复频率取样的结果，被分别平移至发射信号频谱各条谱线的两侧，它们具有相同的特性，携带有目标回波的相同的全部信息。通常用单边带谱线滤波器，只提取出与主谱线两边有关的信号进行多卜勒分析，从而达到对移动目标的多卜勒频率的检测目的。

现在我们要问，雷达回波信号的多根谱线的出现，除了能给我们带来目标的距离信息之外，还具有哪些潜在的功用？我们对这些重复出现的具有相同信息量的回波信号(能量)作进一了解可知：

(1)脉冲多卜勒雷达回波信号的谱线与发射信号的谱线是相同的，目标回波的各条谱线是相关的，且相关系数为1。当我们不考虑各条谱线在频率域上的差别时，它们也都是相同的，即我们可以把各条谱线相加合起来，不言而喻，这种信号是可以按电压的方式相加的。

(2)假如目标回波信号出现在无杂波区，目标回波的各条谱线只需与出现在其背景上的噪声相对抗，这时，存在于目标回波各条谱线上的背景噪声是分布在不同频域的，它们是彼此不相关的，即使它们被变换到同一频率上也是不是不相关的，因而，它们只能按功率方式进行相加。

从上述两点可知，当我们把回波信号的多条谱线通过相参源变换到同一频率上进行相加时，动目标回波的多卜勒信号将按电压方式相加，而噪声则只按功率方式相加。由于能量正比于电压的平方，所以通过这种变换后的相加必定能获得信号/噪声比的提高。这表明，多条多卜勒谱线的存在有可能为我们提供更大的检测概率。

为了把分布在不同频率域(相隔f_R)的同一目标的多卜勒信号的能量以电压方式相加，可用频率为if_R的相参信号作参考信号，通过相参变换器把各条谱线平移至多卜勒频率fd上即可。这样处理，可以保证平移后的多卜勒信号的各条谱线的是同频、同相的，经电压方式相加后，获得多卜勒谱线的增强。

2.脉冲多卜勒雷达回波信号的谱线增强方法：

(1)模拟处理方法

图(4-1)示出了模拟处理方法的原理方块图。

图(4-2)示出图(4-1)中的相参检波器输出的频谱，它含有多根多卜勒谱线，其各条谱线的包络为Sinx/x形状，由于在1/τ之外的谱线有相位的反转以及幅度的下降问题，所以，我们只关注在1/τ内的N根谱线，他们分别为fd，fd+f_R，fd+2f_R，+……+fd+Nf_R。把这些回波信号同时加到后接的i个变换器的输入端，而分别在i个变换器的另一个输入端口加入频率为系统时钟频率的i次倍频的本振信号E₀(t)＝Sin(i2πf_Rt)，其中i＝1，2，3，……i，此i个本振信号与f_R时钟频率是相参的。这样：

在第“0#”变换器的输出口含有输入信号的全部谱线，当然亦有fd谱线。

在第“1#”变换器的输出口含有把谱线(fd+f_R)变换到fd的多卜勒谱线fd及高次差拍谱线。

在第“2#”变换器的输出口含有把谱线(fd+2f_R)变换到fd的多卜勒谱线fd及高次差拍谱线。

同理，

在第“i#”变换器的输出口含有把谱线(fd+if_R)变换到fd的多卜勒谱线fd及高次差拍谱线。

所以，每个变换器的输出，除含有fd多卜勒谱线外，还有变换器产生的各次分量，但它们均落在高于f_R的频域以外。

正如前面所强调的，i个变换器的本振是与系统的时钟信号是相参的，所以它们也与多卜勒回波信号是相参的。这就保证了，通过i个相参变换器，把i根多卜勒回波的谱线变换成频率均为fd的谱线。由于相参的原因，这些i个fd在频率上、相位上是完全相同的，所以，它们是可以用后接的相加器，以电压方式相加，从而获得多卜勒谱线的增强。

相加器后接的低通滤波器(LPF)，其带宽为1/2f_R，它可以滤除频率大于1/2f_R的各种分量，只允许零基带的多卜勒频率fd通过。然而，变换到零基带的噪声，在各个变换器的输出口上是不相关的，因而在相加器中，它们只能以功率方式相加。

图(4-3)是本发明《谱线增强式脉冲多卜勒雷达回波信号预处理器》的一个实施方案的方框图，与图(4-1)进行比较可知，四象限乘法器取代了i个相参变换器；相关函数产生器产生一个与系统时钟信号相参的多谐波的等幅信号E₀(t)。

E₀(t)＝E₀{1+Sin(2πf_Rt)+Sin(2×2πf_Rt)+Sin(3×2πf_Rt)+……+Sin(i2πf_Rt)}

其中，E₀：恒定的幅度；

f_R：发射脉冲重复频率；

i：0，1，2，3……i

通过多卜勒回波基带视频信号与设置的相关函数E₀(t)在四象限乘法器中进行相乘(同时又相加)，则可获得信号/噪声比的提高。

四象限乘法器与相关函数产生器，此两者组成了本发明《谱线增强式脉冲多卜勒回波信号预处理器》的核心，我们称它为《脉冲多卜勒雷达回波信号谱线增强器》。

(2)数字处理方法：

《脉冲多卜勒雷达回波信号谱线增强器》的数字实现方法从原理上讲并无困难，它需要实现：

①四象限乘法器的数字乘法运算；

②产生相关函数E₀(t)的数字多谐波信号产生器。

数字化的视频回波信号与数字化的相关函数E₀(t)，通过四象限乘法器进行相关运算即可。

四象限数字乘法器是已商品化的成熟部件，而数字化相关函数产生器比较模拟相关函数产生器在实现上更为简单。有关这一点将在下面讨论。

(3)《脉冲多卜勒雷达回波信号谱线增强器》中相关函数产生器的实现：

我们所需要的相关函数可表示为：

E₀(t)＝E₀{1+Sin(2πf_Rt)+Sin(2×2πf_Rt)+Sin(3×2πf_Rt)+……+Sin(i2πf_Rt)}

它实际上是一组等幅的多谐波产生器，其基波为时钟频率f_R。需要强调的是：

①各谐波之间是相参的；

②f_R是可变的；

③谐波次数i是可任意设置的。

所幸的是，现代的频率合成技术-《直接数字频率合成》(DDS)是完全满足本发明对相关函数的要求。

《直接数字频率合成》技术智能信号源有很多突出的优点：高的频率分辨率；高的频率切换速度，对频率的切换仍能保持相位的连续性。它本身是数字化的产品，易于实现全数字化的设计。〖3〗

基于《直接数字频率合成》技术的任意波形(函数)产生器，目前已可进行商品化生产，无需在此讨论。

再次强调，由于本发明《谱线增强式脉冲多卜勒雷达回波信号预处理器》是把在基带带宽为BW＝1/τ内的i根多卜勒谱线相加，所以必须把本发明的核心部件《谱线增强式脉冲多卜勒雷达回波信号预处理器》放在相参检波器、距离门及杂波对消器之后，多卜勒滤波器之前。

三、问题讨论

1.《脉冲多卜勒雷达回波信号谱线增强器》信号/噪声比提高的计算我们知道，当对应于载波的多卜勒回波信号的谱线幅度为1时，除载波多卜勒回波信号的谱线外，第N条多卜勒回波信号的谱线幅度可用如下公式表达(如图(4-2)所示)：

U_N＝{SinNπ(τ/T)}/Nπ(τ/T)

其中，τ：为雷达发射脉冲的宽度；

T：为雷达发射脉冲的周期；

N：为回波信号多谱卜勒谱线的序号。

《脉冲多卜勒雷达回波信号谱线增强器》的工作就是把上述表达中的(N+1)条谱线幅度线性相加。当然，包含在各谱线所处位置上的噪声功率也相加，但它们的相加是按功率方式相加的。

当我们把相对于载波的多卜勒谱线的幅度归一化为1，则多卜勒回波信号的谱线按电压相加，相加后的多卜勒回波信号的谱线幅度则为：

U_∑N＝1+{Sinπ(τ/T)}/π(τ/T)+{Sin2×π(τ/T)}/2×π(τ/T)+{Sin3×π(τ/T)}/3×π(τ/T)+……+{SinNπ(τ/T)}/Nπ(τ/T)

而对于不相关的噪声是按功率相加的，归一化后，(N+1)条谱线位置上的噪声总能量为(N+1)。

《脉冲多卜勒雷达回波信号谱线增强器》输出端的信号/噪声比的提高G_C/N可表示为：

G_C/N＝{U_∑N}²/(N+1)

用对数表示为：

G_C/N＝2×10×log10(U_∑N)-10×log10(N+1)……(dB)

其中N为除载波多卜勒频谱之外，被相加的多卜勒回波信号的谱线的根数。

由图(4-2)可知，在频带为1/τ的宽度内，多卜勒谱线的幅度是随N的增加而递减的。这就是说，不可能通过任意增加N来不断地提高信号/噪声比。N存在一个最佳值，它对应最大的输出信号/噪声比。通常这数值N_最佳的谱线位于略高于1/2τ的谱线上。

图5示出，获得最大信号/噪声比时所对应的被相加的谱线数N_最佳与τ/T值的关系。

图6示出，《脉冲多卜勒雷达回波信号谱线增强器》所获得的信号/噪声比提高G_C/NMax与τ/T值的关系。对于不同的设计，G_C/N可能在2dB至20dB之间。

2.旁办杂波区问题

当系统工作在固定目标回波的旁办杂波区时，移动目标的多卜勒谱线所要抗衡的，除了机内噪声外，更多的是旁办杂波的多次重叠。初步分析可知，这些旁办杂波在移动目标回波的所有谱线上都是相同的。

表面看来，可把这些旁办杂波视为相关的“信号”，《脉冲多卜勒雷达回波信号谱线增强器》也会对其以电压方式相加，结果，《脉冲多卜勒雷达回波信号谱线增强器》并不能改善输出的信号/杂波比。

所幸的是，正如文献〖2〗所指明的，可以通过：设计低旁办的天线；减小发射脉冲宽度，因而减小距离门的宽度；用脉冲压缩技术，提高发射峰值功率以及采用更窄的多卜勒滤波器带宽等措施，可降低旁办杂波，使它在脉冲间隔周期的端点处低于机内噪声电平。这样，出现在此处的目标的探测距离仅受到机内噪声的限制。不言而喻，在此基础上，再使用本发明《谱线增强式脉冲多卜勒雷达回波信号预处理器》，是有效的。

特别值得提出的是，由于上述多项措施的使用，会造成雷达作用距离的减小，采用本发明《谱线增强式脉冲多卜勒雷达回波信号预处理器》后，雷达作用距离将得到补偿，甚至还可以大大超过。

3.对抗电子对抗中的“宽带快速调频干扰”

我们知道，“宽带快速调频干扰”的频谱在一个相当宽的频率范围内表现为一个均匀杂波谱。这些杂波谱，通过本发明《谱线增强式脉冲多卜勒雷达回波信号预处理器》而变换到同一个区域上的杂波不可能是相关的，这就意味着，这种干扰的杂波功率在本发明《谱线增强式脉冲多卜勒雷达回波信号预处理器》中，也只能是近似地以功率相加。

所以有理由相信，本发明《谱线增强式脉冲多卜勒雷达回波信号预处理器》对抗“宽带快速调频干扰”是可以有效的。这一点还需实验验证。

四、本发明谱线增强式脉冲多卜勒回波信号预处理器的实验验证

本发明《谱线增强式脉冲多卜勒雷达回波信号预处理器》的原理验证实验方框图示于图7中。

用两只30Mhz晶体振荡器模拟接收回波和相参本振。由于加工误差，晶体振荡器1和晶体振荡器2有一定的频率差，此差值则模拟了接收的多卜勒频率，在本实验中，这频率差约为18KHz。由于晶体振荡器具有较高的短期频率稳定度，故可以认为在一个不长的时间间隔中，此两个晶体振荡器是相参的。

在本实验中，τ/T＝0.1，τ＝1.0μs，f_R＝100KHz。相关信号产生器产生f_R的4次等幅谐波，既N＝4，模拟4+1根多卜勒谱线的相加。

本实验用分别关断晶振及白噪声产生器的输出的方法，在示波器上分别测量出，在N＝0时(相当于只有单根主谱线)及N＝4时(有多根谱线相加的情况)的信号及噪声电平。正如前述，多卜勒分析回波信号预处理器是准线性系统，上述实验步骤是可接受的。实验表明，当N＝4时，G_C/N＝6dB。

这与设计值6.2dB相差不大，这足以证明本发明《谱线增强式脉冲多卜勒雷达回波信号预处理器》的有效性。

上述验证是对无限长脉冲串进行的，但就其效果而言，对有限回波脉冲串应当是等同的。

五、结论

本发明《谱线增强式脉冲多卜勒雷达回波信号预处理器》，应用于脉冲多卜勒雷达回波信号预处理器中，其特点在于：

1.通过对回波的多根谱线能量的回收，并通过多根谱线间的相参积累，达到多卜勒输出谱线的幅度大幅度提高；同时对各条谱线区域上的无规则噪声或无规则的杂波相对抑制，从而提高了输出多卜勒信号的信号/噪声比。本发明《谱线增强式脉冲多卜勒雷达回波信号预处理器》的技术途径有别于以前的任何一种多卜勒雷达信号处理方法，在多卜勒雷达信号处理技术上是一种创新。

2.通过本发明《谱线增强式脉冲多卜勒雷达回波信号预处理器》的处理，其信号/噪声比的提高是有巨大的潜力的，可达到20dB以上，这是前所未见的。

3.本发明《谱线增强式脉冲多卜勒雷达回波信号预处理器》对多卜勒雷达信号的处理是准线性的。把它用于任何一种脉冲多卜勒雷达中均是有效的。本发明《谱线增强式脉冲多卜勒雷达回波信号预处理器》对目前采用的任何一种预处理器，例如，脉冲压缩技术，MTI技术等是兼容互补的。

4.在设计各种脉冲多卜勒雷达时，采用本发明《谱线增强式脉冲多卜勒雷达回波信号预处理器》后，可在如下方面获益：

(1)要求增大作用距离，或是又不能增加发射机功率时；

(2)减轻了多组脉冲多卜勒雷达重复频率设计中的诸多限制，例如，可以尽量小发射脉冲的占空比，由于回收了大部分谱线的能量，则可保存并提高了整机的性能。

(3)本发明《谱线增强式脉冲多卜勒雷达回波信号预处理器》可使各种脉冲多卜勒雷达在电子对抗环境中提高雷达的生存能力。

(4)在固定平台和无杂波区的移动平台(如机载气象雷达中)中的应用是非常有效的。

参考文献：

〖1〗《雷达手册》第八分册

(美国)M.I.斯科尔尼克主编

〖2〗《机载雷达导论》

(美国)George W.Stimson著，吴汉平等译

〖3〗“基于DDS方式的信号发生器的设计”

《电子设计应用》2003年第12期，作者：冯涛等

Claims (1)

1. 本发明《谱线增强式脉冲多卜勒雷达回波信号预处理器》提出一种提取脉冲多卜勒雷达回波相参脉冲串中的多卜勒信号的方式。其特点在于：它不仅利用了脉冲多卜勒雷达回波相参脉冲串所具有的零中频基带单根主谱线信息，同时，把构成回波相参脉冲串的多根多卜勒谱线经过相参处理后，把相间为脉冲重复频率的多根多卜勒谱线叠加在多卜勒主谱线上，使其各谱线的幅度以算术方式相加，而谱线的功率则以相加后的谱线幅度值的平方增加。因此，增加了多卜勒主谱线的能量；然而，对多根多卜勒谱线变换后叠加的噪声及杂波只能以能量相加方式而增加，因而获得多卜勒谱线信号/噪声比的提高。

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