CN106908768A - 一种超低旁瓣的脉冲压缩方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及数字信号处理技术领域，公开了一种超低旁瓣的脉冲压缩方法。具体包括以下过程：步骤1、发射端根据发射的线性调频信号s(t)，设计加权窗函数w(t)，将发射信号变为s(t)×w(t)；步骤2、根据发射信号，在接收端设计对应的脉冲压缩匹配滤波器h(t)和旁瓣抑制滤波器w(t)，所述旁瓣抑制滤波器w(t)是根据加权窗函数w(t)设计；步骤3、根据接收端匹配滤波器h(t)和旁瓣抑制滤波器w(t)，计算回波信号的脉冲压缩结果y(t)＝[s(t)×w(t)]*[h(t)×w(t)]；步骤4、将发射端的加权窗函数取消，在接收端设计等效的滤波器hw(t)，并根据频域实现方法计算等效滤波器hw(n)；步骤5、在发射端发射线性调频信号s(t)，接收端设计脉冲压缩等效滤波器hw(n)，获得超低旁瓣。在发射端和接收端分别加窗函数，有效降低旁瓣。
Description
技术领域
本发明涉及数字信号处理技术领域，特别是一种超低旁瓣的脉冲压缩方法。
背景技术
场面监视雷达是监视机场中飞行区域的飞机及车辆等地面移动目标或固定障碍物的雷达，帮助塔台和站坪的管制员借助场面监视雷达显示器清楚地了解地面飞机和车辆的位置，为机场复杂变化的态势提供全天时全天候的状态感知。
场面监视雷达要求覆盖范围为6km，距离分辨力为12m，根据雷达方程计算，为增加雷达作用距离，需要提高雷达发射能量，对于采用发射单脉冲信号的雷达来说，意味着提升发射功率或加宽发射信号，而脉冲功率的增加受到硬件系统的限制，而仅仅增加脉冲宽度，则会导致雷达距离分辨力随之变差。
脉冲压缩技术是一种能同时提高雷达的作用距离和距离分辨率的技术，具有大时宽大带宽。在发射端设计采用大时宽信号，通过增加发射信号的时宽来降低发射功率，减小对发射机的要求，降低成本，并易于工程实现；在接收端通过脉冲压缩处理将大带宽信号转为窄脉冲，达到较高的距离分辨能力。脉冲压缩技术解决了雷达的距离分辨能力和作用距离之间的矛盾，但是脉压通过匹配滤波后，无法避免的会在主瓣的两侧出现幅度低于主瓣的一系列的距离旁瓣。旁瓣是脉冲压缩处理中最不乐见却又无法避免的问题，旁瓣是有害的，如果大目标的旁瓣较高，在信号处理时会被误认为是主瓣，从而造成虚假目标的误判；并且较强散射点(大目标)的旁瓣会压制或者掩盖临近的弱散射点(较小目标)的主瓣，导致小目标被淹没，从而引起目标漏判。因此如何降低旁瓣，提高主旁瓣比，成为脉冲压缩的重点和难点。
普通脉冲压缩降低旁瓣的方法是加窗函数，即在脉冲压缩滤波器后面级联一个具有某种锥削函数频率响应的旁瓣抑制滤波器。通过加窗函数进行加权处理可以降低旁瓣，然而不可避免会对主瓣展宽，牺牲一定的距离分辨和信噪比，主瓣展宽会降低雷达探测距离的分辨能力，而信噪比损失会降低雷达作用距离。为了减少匹配滤波后旁瓣对系统性能的影响，需要获得最优的幅频特性函数，在对造成干扰的旁瓣信号进行最大抑制的同时，最小限度地影响到距离分辨力和信号检测能力。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供了一种超低旁瓣的脉冲压缩方法。
本发明采用的技术方案如下：一种超低旁瓣的脉冲压缩方法，具体包括以下过程：
步骤1、发射端根据发射的线性调频信号s(t)，设计加权窗函数w(t)，将发射信号变为s(t)×w(t)；
步骤2、根据发射信号，在接收端设计对应的脉冲压缩匹配滤波器h(t)和旁瓣抑制滤波器w(t)，所述旁瓣抑制滤波器w(t)是根据加权窗函数w(t)设计；
步骤3、根据接收端匹配滤波器h(t)和旁瓣抑制滤波器w(t)，计算回波信号的脉冲压缩结果y(t)＝[s(t)×w(t)]*[h(t)×w(t)]；
步骤4、将发射端的加权窗函数取消，在接收端设计等效的滤波器hw(t)，并根据频域实现方法计算等效滤波器hw(n)；
步骤5、在发射端发射线性调频信号s(t)，接收端设计脉冲压缩等效滤波器hw(n)，获得超低旁瓣。
进一步的，所述步骤1的具体过程为：
步骤11、根据系统要求的覆盖范围，设计发射线性调频信号s(t)，设计时宽为T，带宽为B，中心频率为f0的线性调频信号；
步骤12、在发射端设计加权窗函数w(t)；通过加权窗函数进行加权，经过加窗处理，除去发射信号中原有的线性调频的频谱特点；
步骤13、将设计的线性调频信号经过加权窗函数w(t)之后再发射，即发射信号设置为s(t)×w(t)。
进一步的，所述步骤2的具体过程为：
步骤21、根据发射信号，设计接收端的脉冲压缩匹配滤波器h(t)，匹配滤波器的单位脉冲响应h(n)为输入信号s(n)的镜像再共轭，即h(n)＝s*(N－l－n)，0＜n＜N-1，所述N为匹配滤波器的阶数，取自然数；
步骤22：在脉冲压缩滤波器h(t)后面级联一个具有锥削函数频率响应的旁瓣抑制滤波器w(t)，设计旁瓣抑制滤波器w(t)是与发射端的加权窗函数w(t)相同。
进一步的，所述加权窗函数为海明窗或者凯撒窗或者布莱克曼窗。
进一步的，所述步骤3的具体过程为：将发射端发送来的信号通过脉冲压缩匹配滤波器h(t)和旁瓣抑制滤波器w(t)后输出，将回波信号与脉冲压缩滤波器进行时域线性卷积运算，获得回波信号的脉冲压缩信号输出
y(t)＝[s(t)×w(t)]*[h(t)×w(t)]。
进一步的，所述步骤4的具体过程为：
步骤41、将发射端加权窗函数取消，发射信号恢复为线性调频信号s(t)；
步骤42、在接收端设计等效的滤波器hw(t)，时域实现时，将脉冲压缩信号输出等价为y(t)＝s(t)*hw(t)；
步骤43、通过离散傅里叶变换在频域完成循环积，时域卷积对应频域相乘，所以在频域实现脉冲压缩输出，则
FFT[y(n)]＝FFT[s(n)×w(n)]×FFT[h(n)×w(n)]＝FFT[s(n)]×FFT[hw(n)]
其中，FFT为快速傅氏变换，y(n)、s(n)、w(n)、h(n)分别为y(t)、s(t)、w(t)、h(t)在频域时的函数表达式，获得等效滤波器hw(n)的傅里叶变换
FFT[hw(n)]＝FFT[s(n)×w(n)]×FFT[h(n)×w(n)]/FFT[s(n)]
求傅里叶逆变换可以得出
hw(n)＝IFFT{FFT[s(n)×w(n)]×FFT[h(n)×w(n)]/FFT[s(n)]}。
与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：
1.本发明提出了脉冲压缩技术，在发射端设计采用大时宽信号，通过增加发射信号的时宽来降低发射功率，减小对发射机的要求，降低成本，并易于工程实现；在接收端通过脉冲压缩处理将大带宽信号转为窄脉冲，达到较高的距离分辨能力；
2.在发射端和接收端分别设计窗函数进行加权，降低信号的边缘阶跃效应，有效降低旁瓣，并提高被大旁瓣淹没的较弱散射点(较小目标)的目标识别概率，降低目标闪烁；
3.将在发射端和接收端分别加窗函数进一步改进设计为在发射端不加窗函数加权，发射信号仍为LFM信号，只在接收端将发射的窗函数进行等效加权，通过频域实现方法计算等效滤波器，保障超低旁瓣性能的同时有利于工程的实际应用。
附图说明
图1是本发明超低旁瓣的脉冲压缩方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
如图1所示，一种超低旁瓣的脉冲压缩方法，具体包括以下过程：
步骤1、发射端根据发射的线性调频信号s(t)，设计加权窗函数w(t)，将发射信号变为s(t)×w(t)；
步骤2、根据发射信号，在接收端设计对应的脉冲压缩匹配滤波器h(t)和旁瓣抑制滤波器w(t)，所述旁瓣抑制滤波器w(t)是根据加权窗函数w(t)设计；
步骤3、根据接收端匹配滤波器h(t)和旁瓣抑制滤波器w(t)，计算回波信号的脉冲压缩结果y(t)＝[s(t)×w(t)]*[h(t)×w(t)]；
步骤4、将发射端的加权窗函数取消，在接收端设计等效的滤波器hw(t)，并根据频域实现方法计算等效滤波器hw(n)；
步骤5、在发射端发射线性调频信号s(t)，接收端设计脉冲压缩等效滤波器hw(n)，获得超低旁瓣。
在接收端和发射端分别设计窗函数进行加权，降低信号的边缘阶跃效应，有效降低旁瓣，并且处理的主瓣展宽幅度很小，几乎没有展宽，主副瓣比得到了明显的提升，有效降低由旁瓣引起的虚假目标的误判概率，并提高被大旁瓣淹没的较弱散射点(较小目标)的目标识别概率，降低目标闪烁接收端通过脉冲压缩处理将大带宽信号转为窄脉冲，达到较高的距离分辨能力。
进一步的，所述步骤1的具体过程为：
步骤11、根据系统要求的覆盖范围，设计发射线性调频信号s(t)，设计时宽为T，带宽为B，中心频率为f0的线性调频信号；在发射端设计采用大时宽信号，通过增加发射信号的时宽来降低发射功率，减小对发射机的要求，降低成本，并易于工程实现；
步骤12、在发射端设计加权窗函数w(t)；通过加权窗函数进行加权，经过加窗处理，除去发射信号中原有的线性调频的频谱特点；发射信号通过加权窗函数处理后不再具有原LFM的频谱特点，边缘的阶跃性大大减小，菲涅尔纹波也减小，从而有效降低旁瓣；
步骤13、将设计的线性调频信号经过加权窗函数w(t)之后再发射，即发射信号设置为s(t)×w(t)。
所述步骤2的具体过程为：
步骤21、根据发射信号，设计接收端的脉冲压缩匹配滤波器h(t)，匹配滤波器的单位脉冲响应h(n)为输入信号s(n)的镜像再共轭，即h(n)＝s*(N－l－n)，0＜n＜N-1，所述N为匹配滤波器的阶数，取自然数；
步骤22：由于脉冲压缩会不可避免的引起旁瓣，在脉冲压缩滤波器h(t)后面级联一个具有锥削函数频率响应的旁瓣抑制滤波器w(t)，设计旁瓣抑制滤波器w(t)是与发射端的加权窗函数w(t)相同。
所述加权窗函数为海明窗或者凯撒窗或者布莱克曼窗等，可以采用的加权窗函数优选但不限于上述3种。
所述步骤3的具体过程为：将发射端发送来的信号通过脉冲压缩匹配滤波器h(t)和旁瓣抑制滤波器w(t)后输出，将回波信号与脉冲压缩滤波器进行时域线性卷积运算，获得回波信号的脉冲压缩信号输出
y(t)＝[s(t)×w(t)]*[h(t)×w(t)]。
所述步骤4的具体过程为：
步骤41、将发射端加权窗函数取消，发射信号恢复为线性调频信号s(t)；在实际工程中，发射信号需要通过功放放大后输出，而功放的工作点在很多情况下设在饱和或者接近饱和区，所以加窗函数后发射信号回出现严重的幅度失真，因此，需要将发射端加权窗函数取消，达到降低旁瓣的目的；
步骤42、在接收端设计等效的滤波器hw(t)，时域实现时，将脉冲压缩信号输出等价为y(t)＝s(t)*hw(t)；
步骤43、通过离散傅里叶变换在频域完成循环积，时域卷积对应频域相乘，所以在频域实现脉冲压缩输出，则
FFT[y(n)]＝FFT[s(n)×w(n)]×FFT[h(n)×w(n)]＝FFT[s(n)]×FFT[hw(n)]
其中FFT为快速傅氏变换，y(n)、s(n)、w(n)、h(n)分别为y(t)、s(t)、w(t)、h(t)在频域时的函数表达式，由于线性调频信号为大时宽带宽积信号，其时宽T与带宽B都比较宽，需要使用高阶复数滤波器实现数字压缩处理，实现比较麻烦，时域线性卷积效率较低，转化成频域能提高效率；获得等效滤波器hw(n)的傅里叶变换
FFT[hw(n)]＝FFT[s(n)×w(n)]×FFT[h(n)×w(n)]/FFT[s(n)]
求傅里叶逆变换可以得出
hw(n)＝IFFT{FFT[s(n)×w(n)]×FFT[h(n)×w(n)]/FFT[s(n)]}。
本方案步骤1-5的实施例中，在发射端和接收端均加窗函数，通过加双窗函数获得超低旁瓣。对不加窗函数与普通脉冲压缩加单窗函数进行仿真测试，不加窗函数时主副瓣比约17dB，加了单窗函数之后主瓣展宽但副瓣大幅度压缩，主副瓣比明显增加，达到50dB以上，且不同的窗函数主瓣展宽程度和旁瓣的压缩程度不同，过渡带和第一旁瓣的位置也不同。对该实施例中的加双窗函数和加单窗函数进行仿真测试，与加单窗函数比较，加双窗函数时主瓣展宽幅度很小，几乎没有展宽，但主副瓣比继续明显增加，增加20dB以上；并且，与加双海明窗函数比较，加双凯撒窗函数展宽幅度更小，且近距的旁瓣明显降低，过渡带宽更窄，副瓣更加大幅度的压缩。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。如果本领域技术人员，在不脱离本发明的精神所做的非实质性改变或改进，都应该属于本发明权利要求保护的范围。
Claims (6)
1.一种超低旁瓣的脉冲压缩方法，其特征在于，包括以下过程：
步骤1、发射端根据发射的线性调频信号s(t)，设计加权窗函数w(t)，将发射信号变为s(t)×w(t)；
步骤2、根据发射信号，在接收端设计对应的脉冲压缩匹配滤波器h(t)和旁瓣抑制滤波器w(t)，所述旁瓣抑制滤波器w(t)是根据加权窗函数w(t)设计；
步骤3、根据接收端匹配滤波器h(t)和旁瓣抑制滤波器w(t)，计算回波信号的脉冲压缩结果y(t)＝[s(t)×w(t)]*[h(t)×w(t)]；
步骤4、将发射端的加权窗函数取消，在接收端设计等效的滤波器hw(t)，并根据频域实现方法计算等效滤波器hw(n)；
步骤5、在发射端发射线性调频信号s(t)，接收端设计脉冲压缩等效滤波器hw(n)，获得超低旁瓣。
2.如权利要求1所述的超低旁瓣的脉冲压缩方法，其特征在于，所述步骤1的具体过程为：
步骤11、根据系统要求的覆盖范围，设计发射线性调频信号s(t)，设计时宽为T，带宽为B，中心频率为f0的线性调频信号；
步骤12、在发射端设计加权窗函数w(t)；通过加权窗函数进行加权，经过加窗处理，除去发射信号中原有的线性调频的频谱特点；
步骤13、将设计的线性调频信号经过加权窗函数w(t)之后再发射，即发射信号设置为s(t)×w(t)。
3.如权利要求2所述的超低旁瓣的脉冲压缩方法，其特征在于，所述步骤2的具体过程为：
步骤21、根据发射信号，设计接收端的脉冲压缩匹配滤波器h(t)，匹配滤波器的单位脉冲响应h(n)为输入信号s(n)的镜像再共轭，即h(n)＝s*(N－l－n)，0＜n＜N-1，所述N为匹配滤波器的阶数，取自然数；
步骤22：在脉冲压缩滤波器h(t)后面级联一个具有锥削函数频率响应的旁瓣抑制滤波器w(t)，设计旁瓣抑制滤波器w(t)是与发射端的加权窗函数w(t)相同。
4.如权利要求3所述的超低旁瓣的脉冲压缩方法，其特征在于，所述加权窗函数为海明窗或者凯撒窗或者布莱克曼窗。
5.如权利要求4所述的超低旁瓣的脉冲压缩方法，其特征在于，所述步骤3的具体过程为：将发射端发送来的信号通过脉冲压缩匹配滤波器h(t)和旁瓣抑制滤波器w(t)后输出，将回波信号与脉冲压缩滤波器进行时域线性卷积运算，获得回波信号的脉冲压缩信号输出
y(t)＝[s(t)×w(t)]*[h(t)×w(t)]。
6.如权利要求5所述的超低旁瓣的脉冲压缩方法，其特征在于，所述步骤4的具体过程为：
步骤41、将发射端加权窗函数取消，发射信号恢复为线性调频信号s(t)；
步骤42、在接收端设计等效的滤波器hw(t)，时域实现时，将脉冲压缩信号输出等价为y(t)＝s(t)*hw(t)；
步骤43、通过离散傅里叶变换在频域完成循环积，时域卷积对应频域相乘，所以在频域实现脉冲压缩输出，则
FFT[y(n)]＝FFT[s(n)×w(n)]×FFT[h(n)×w(n)]＝FFT[s(n)]×FFT[hw(n)]
其中，FFT为快速傅氏变换，y(n)、s(n)、w(n)、h(n)分别为y(t)、s(t)、w(t)、h(t)在频域时的函数表达式，获得等效滤波器hw(n)的傅里叶变换
FFT[hw(n)]＝FFT[s(n)×w(n)]×FFT[h(n)×w(n)]/FFT[s(n)]
求傅里叶逆变换可以得出
hw(n)＝IFFT{FFT[s(n)×w(n)]×FFT[h(n)×w(n)]/FFT[s(n)]}。
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