CN1776449A - 构造低峰值旁瓣雷达脉冲压缩波形的方法 - Google Patents

Abstract

构造低峰值旁瓣雷达脉冲压缩波形的方法通过把雷达脉冲压缩波形的选择范围从仅仅针对正弦波的线性调频信号扩展到能够适用任意波形的线性伸缩信号，得到了一种用于提高脉冲压缩雷达性能的波形优化设计方法。该方法为：1)从任意波形的线性伸缩信号中，筛选、构造更合适的雷达脉冲压缩波形，而不局限于只针对正弦波的线性调频信号；2)将这类线性伸缩信号分解成多分量线性调频信号，使得线性伸缩信号的距离模糊函数由单分量线性调频信号的距离模糊函数叠加而成；3)通过选择线性伸缩信号中的单分量线性调频信号的个数，以及每一个单分量线性调频信号的幅度，构造出距离模糊函数优于线性调频信号的线性伸缩信号，作为低峰值旁瓣雷达脉冲压缩波形。

Description

构造低峰值旁瓣雷达脉冲压缩波形的方法

技术领域

本发明是一种用于提高脉冲压缩雷达性能的波形优化方法，属于雷达技术领域。

背景技术

常规的雷达脉冲压缩(以下简称脉压)的发射波形为线性调频(LFM)信号或相位编码信号。其中：

LFM信号的模糊函数具有倾斜刀刃的形状，特点为：

1)发射波形的产生与接收机匹配滤波器的实现都比较容易；

2)目标的多普勒速度已知时，可以有很高的距离分瓣力；多目标的速度相同时，可以有较高的速度分瓣力；

3)对目标的多普勒频移不敏感；

4)匹配滤波输出波形的峰值旁瓣只有-13.2dB，容易掩盖弱信号目标。

相位编码信号的模糊函数为图钉型，特点为：

1)具有良好的距离-速度二维分瓣力；

2)对目标的多普勒频移敏感，需要用一组匹配在各个不同频率上的滤波器来搜索和发现目标。

本发明提出一种构造新的雷达脉压波形的方法，示例设计波形的匹配滤波输出主瓣宽度只有相同参数LFM信号的 且峰值旁瓣电平低达-33dB，距离分瓣力和抗干扰性能比LFM信号更好，还兼具常规LFM信号与相位编码信号的优点。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种具有良好距离分辨参数的构造低峰值旁瓣雷达脉冲压缩波形的方法，其主瓣宽度更窄，峰值旁瓣更低，兼具有常规LFM信号与相位编码信号脉压波形的优点，以提高雷达的目标检测性能。

技术方案

1.技术思路

1)考虑到LFM信号是对正弦波在时间轴上的线性伸缩，所以我们首先设法导出任意信号波形的线性伸缩表达式；

2)再分析任意信号波形线性伸缩后的距离模糊特性，以指导雷达脉压波形的优化设计；

3)通过将线性伸缩波形的选择范围从只针对正弦信号的LFM单一脉冲压缩方式，推广(或拓展)到可以针对任意信号的线性伸缩脉冲压缩方式，就可望在大大扩展后的线性伸缩波形信号空间中，优选(或构造)出优于LFM波形的雷达脉压波形。

2.任意信号的线性伸缩表达式

设f(τ)为[0，T₀]内的任意波形，将其周期延拓后得周期为T₀的信号

$f_{T_0}\left(\mathrm{\τ}\right)=\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{c}_n\exp \left(j2\mathrm{\π}\frac{n}{T_0}\mathrm{\τ}\right)---\left(1\right)$

其中，

$c_n=\frac{1}{T_0}{\∫}_0^{T_0}f\left(\mathrm{\τ}\right)\exp (-j2\mathrm{\π}\frac{n}{T_0}\mathrm{\τ})\mathrm{d\τ}---\left(2\right)$

在式(1)中，令 $\mathrm{\τ}=t+\frac{1}{2}K{T}_0{t}^2,$ 我们便得到线性伸缩波形的一般形式为

$f_s\left(t\right)=f_{T_0}(t+\frac{1}{2}K{T}_0{t}^2)=\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{c}_n\exp \left(j2\mathrm{\π}\frac{n}{T_0}(t+\frac{1}{2}K{T}_0{t}^2)\right)---\left(3\right)$

特别地，令τ＝0.5KT₀t²，代入式(1)，得到线性伸缩波形的另一形式

$f_s\left(t\right)=f_{T_0}\left(0.5K{T}_0{t}^2\right)=\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{c}_n\exp \left(j2\mathrm{\π}\frac{n}{T_0}\left(0.5K{T}_0{t}^2\right)\right)=\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{c}_n\exp \left(\mathrm{j\πnK}{t}^2\right)---\left(4\right)$

由式(3)和(4)，我们可以把线性伸缩信号看成是多个LFM信号的叠加，或多分量的LFM信号；而由式(1)、(3)和(4)可以看出，原始波形f(t)的谐波分量与线性伸缩信号的各个LFM分量一一对应。

3.线性伸缩信号的距离模糊特性

下面考察如式(4)所表示的线性伸缩信号f_s(t)的距离模糊特性。

计算该f_s(t)的距离(时间)模糊函数或者说匹配滤波输出，得到

${\mathrm{\χ}}_{\mathrm{fs}}\left(\mathrm{\τ}\right)={\∫}_{-\∞}^{\∞}{f}_s\left(t\right)f_s^{*}(t+\mathrm{\τ})\mathrm{dt}$

其中

φ_n＝-π(nKτ(T-|τ|-nKτ²)             (6)

$\mathrm{Cross}\left(\mathrm{\τ}\right)=\underset{m\≠n}{\overset{\∞}{\underset{m=-\∞}{\mathrm{\Σ}}}}\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{c}_n{c}_m^{*}\underset{D}{\∫}\exp \left(\mathrm{j\πnK}{t}^2\right)\exp (-\mathrm{j\πmK}{(t+\mathrm{\τ})}^2)\mathrm{dt}---\left(7\right)$

式中，D为积分域。对比式(3)可知，f_s(t)的模糊函数由其谐波分量的模糊自项及交叉项Cross(τ)组成。通常，交叉项Cross(τ)比自项小很多，当其可以忽略时，f_s(t)的距离(时间)模糊函数就简化为

4.对于脉压波形优化设计的启示

由式(8)可见：

1)线性伸缩信号f_s(t)的距离模糊函数，由单分量LFM信号的距离模糊函数叠加而成；

2)模糊函数χ_fs(τ)的表达式中求和符号右边各分量的包络均为sinc函数，均在τ＝0处有最大值，但高次分量衰减快，主瓣窄，低次分量衰减慢，主瓣宽。

由此指导波形优化：若选择f(t)的波形，合理安排其谐波分量，使其线性伸缩波形f_s(t)的距离模糊函数中高次分量占主导因素，且副瓣又被宽的低次分量有所抵消，则这种伸缩波形的距离分辨参数就可能优于同样持续时间、同样调频率的LFM信号。

有益效果：对比传统的线性调频脉压波形，新的线性伸缩波形具有如下优点：

①主瓣宽度更窄。新的线性伸缩波形的主瓣宽度仅为线性调频脉压波形的

②峰值旁瓣更低。传统线性调频脉压波形的峰值旁瓣只有-13.4dB，而新的线性伸缩波形的峰值旁瓣可低达-33dB；

③模糊函数兼有线性调频信号与相位编码信号模糊函数的优点。

附图说明

图1同时给出了线性伸缩信号(按式(11)设计的f_s(t))和线性调频信号(按式(9)作为对照的u(t))在10μs内的波形：图1(a)和图1(b)分别为两信号的实部和虚部。

图2是本发明所设计的信号f_s(t)和参考信号u(t)在2倍过采样下的距离模糊函数|χ_fs(τ)|及|χ_u(τ)|。

图3是本发明所设计信号f_s(t)的距离-速度二维模糊函数χ_fs(ξ，τ)。

具体实施方式

1.线性伸缩信号的波形设计

1)取LFM信号u(t)作为参考：

u(t)＝exp(jπK₀t²)，0≤t≤T                       (9)

设计参数为：带宽B＝2.5MHz，脉冲持续时间T＝20μs，则线性调频率K₀＝125GHz/s。

2)限定f(t)的谐波分量的最高次数为N，即令式(4)中|n|≤N；

3)为了与u(t)在等带宽前提下公平比较，在线性伸缩信号f_s(t)的表达式(4)中令

K＝K₀/N                        (10)

例如，取N＝2，则c₁＝0.12，c_-1＝-0.06，c₂＝1，c_-2＝-0.76，代入式(4)，得到设计波形

$f_s\left(t\right)=0.12\exp \left(\mathrm{j\π}\frac{1}{2}{K}_0{t}^2\right)-0.06\exp (-\mathrm{j\π}\frac{1}{2}{K}_0{t}^2)-0.76\exp (-\mathrm{j\π}{K}_0{t}^2)+\exp \left(\mathrm{j\π}{K}_0{t}^2\right),$

0≤t≤T                (11)

1)由图1可见：在相同的时宽下，f_s(t)和u(t)的瞬时振荡频率相同，因而带宽相同，但f_s(t)的振荡幅度也在周期性变化。

2)由图2可知：

①|χ_fs(τ)|的归一化峰值旁瓣电平为0.025即-33.0dB，对比|χ_u(τ)|的峰值旁瓣-13.3dB，降低了近20dB；

②|χ_fs(τ)|的4dB主瓣宽度为|χ_u(τ)|的0.53。这说明通过适当的波形设计，确实能够达到既提高距离分辨率，又降低最高副瓣的效果。

3)由图3可见：

①|χ_fs(ξ，τ)|中心的“图钉”立在两条在中心交叉的“刀刃”上，所以说兼有线性调频信号与相位编码信号的特点；

②|χ_fs(ξ，τ)|似乎类似于V调频信号，但又有本质不同，因为V调频压缩信号的距离旁瓣和主瓣宽度相对于LEM脉压信号并未改善。

Claims (2)

1、一种构造低峰值旁瓣雷达脉冲压缩波形的方法，其特征在于该方法为：

1)从任意波形的线性伸缩信号中，筛选、构造更合适的雷达脉冲压缩波形，而不局限于只针对正弦波的线性调频信号；

2)将这类线性伸缩信号分解成多分量线性调频信号，使得线性伸缩信号的距离模糊函数由单分量线性调频信号的距离模糊函数叠加而成；

3)通过选择线性伸缩信号中的单分量线性调频信号的个数，以及每一个单分量线性调频信号的幅度，构造出距离模糊函数优于线性调频信号的线性伸缩信号，作为低峰值旁瓣雷达脉冲压缩波形。

2、一种根据权利要求1所述构造低峰值旁瓣雷达脉冲压缩波形的方法，其特征在于具体波形的设计为：只包含两个频率不同的单分量线性调频信号，用复指数表示时其4个幅度系数分别为0.12，-0.06，1，-0.76；该波形距离模糊函数的副瓣低达-33dB，主瓣宽度仅为同等时间-带宽积下常规线性调频信号的一半。

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