景　志　楊立永　張國兵

(91336部隊　秦皇島　066326)

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通用化雷達信號處理系統(tǒng)的參數(shù)化仿真設(shè)計研究*

景志楊立永張國兵

(91336部隊秦皇島066326)

摘要論文主要以線性調(diào)頻脈沖壓縮雷達為例進行雷達信號處理系統(tǒng)的建模與仿真,為了降低雷達信號處理的數(shù)據(jù)量,提高雷達信號處理運行速率,提出了用參數(shù)化實現(xiàn)信號處理系統(tǒng)仿真的方法,同時給出了參數(shù)化仿真的參數(shù)選取依據(jù)分析。參數(shù)化仿真因為精簡了很多雷達信號處理過程,所以運算速度很快,對于實現(xiàn)通用化的雷達信號處理系統(tǒng)模擬是一種可取的方法。

關(guān)鍵詞雷達信號處理系統(tǒng); 信號流仿真; 參數(shù)化仿真; 通用化

Parametric Simulation Design Research of Versatile Radar Signal Processing System

JING ZhiYANG LiyongZHANG Guobing

(No. 91336 Troops of PLA, Qinhuangdao066326)

AbstractThe paper takes the chirp radar as an example to model and simulate radar signal processing system. The parametric simulation method of radar signal processing system is gived out, for what data stream of radar signal processing is decreased, and velocity of radar signal processing is improved. At the same time the parameter of parametric simulation based on selecting analysis is gived out. Because radar signal processing is greatly simplified, the velocity of parametric simulation processing is rapid. It is a feasible method for the realization of versatile radar signal processing system.

Key Wordsradar signal processing system, signal simulation, parametric simulation, versatile

Class NumberTP391.9

1引言

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展,雷達系統(tǒng)仿真技術(shù)有了很大的發(fā)展,其中雷達信號處理系統(tǒng)越來越向著通用化的方向發(fā)展。根據(jù)仿真應(yīng)用目的的不同,雷達信號處理系統(tǒng)可以采用信號流方式進行仿真,也可以對信號處理進行簡化處理。本文通過精簡信號處理過程,提出了通用化雷達信號處理系統(tǒng)的參數(shù)化仿真設(shè)計方法。

2目標回波模擬

2.1雷達發(fā)射信號

雷達信號采用線性調(diào)頻。具體實現(xiàn)的信號為:

(1)

其中雷達重復(fù)周期T=1ms,選擇在中頻進行回波模擬,具體的中心頻率f=30MHz;調(diào)制帶寬B=5MHz;脈沖寬度選擇為τ=0.1ms;則調(diào)制斜率μ=2πB/τ;初相位0;假設(shè)發(fā)射瞬時功率為1W。

2.2目標模型

(2)

(3)

在這種模型下,接收到的回波脈沖與脈沖之間的起伏是統(tǒng)計獨立的。

2.3雜波模型

采用對數(shù)正態(tài)分布建立雜波模型。假設(shè)雜波分布在30km外的連續(xù)20個雷達距離分辨單元內(nèi),我們得到的單周期雜波信號幅度如表1所示。

表1　單周期20個距離單元的雜波回波幅度

3參數(shù)化形式的信號處理仿真

3.1目標回波模擬

參數(shù)化仿真中,回波模擬的工程簡化并不是很多,依然要按照各種模型產(chǎn)生一些數(shù)據(jù),具體過程和信號流的模擬差不多。但是產(chǎn)生的并不是波形數(shù)據(jù),而是參數(shù),最后根據(jù)這些數(shù)據(jù)模擬出回波波形。在參數(shù)化處理中,目標的參數(shù)與格式可以根據(jù)系統(tǒng)的要求來設(shè)定,例如:距離、方位角、俯仰角、幅度等。雜波可以當(dāng)成是目標,參數(shù)的格式也與目標相同。對于欺騙式干擾,格式也是一樣,不過,角度信息要省略(取決于進入波束的位置),假目標最終的方位、俯仰完全與天線主瓣指向一致。對于干擾信號,其參數(shù)可能會比較多,比如干擾機的距離,干擾機的姿態(tài),信號極化方式等,這些也要根據(jù)系統(tǒng)要求來設(shè)定。欺騙式干擾一般是把偵察機偵收到的脈沖進行延時轉(zhuǎn)發(fā),也可能做些處理,加入其他的欺騙手段。那么延時其實就是距離上的變化,可以根據(jù)延時,對重復(fù)周期取模,換算出假目標在重復(fù)周期的位置,即距離。

3.2方向圖

在參數(shù)化處理模式中,方向圖用函數(shù)近似,本文用辛克函數(shù)來運算,根據(jù)目標、雜波、干擾機的角度與雷達主瓣指向的差值應(yīng)用公式進行計算加權(quán)值,這樣可實現(xiàn)參數(shù)的可變性。在參數(shù)化仿真過程中,判斷干擾的主天線增益與輔助天線增益的值大小,如果輔助天線的值大于主天線的值,可以根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)定決定是否采取旁瓣對消,或者旁瓣消隱,做旁瓣對消就將加權(quán)值直接相減,做旁瓣消隱可直接關(guān)閉主通道,參數(shù)幅度全部置零。

3.3數(shù)字脈沖壓縮

脈沖壓縮過程簡化為計算脈壓增益,調(diào)整脈沖位置,對輸出脈沖幅度加權(quán)。線性調(diào)頻信號脈沖壓縮增益理論值為

(4)

對于脈沖壓縮來說,脈壓增益應(yīng)該與理論增益基本相等,在進行參數(shù)化處理時,直接取理論值對信號幅度進行加權(quán)即可。但是對于干擾信號,要作不同的處理,前面討論的是干擾信號與目標回波信號完全相同的情況,即所有干擾信號特征都與目標回波一致,但這只是理想狀態(tài)?，F(xiàn)實中的欺騙式干擾信號還是與目標回波信號有一定的差別,其中最可能出現(xiàn)不同的就是頻率,所以下面對假目標頻率與目標回波不同的情況作以討論。

設(shè)匹配濾波器輸入為si(t),匹配濾波器為h(t),輸出為so(t)則輸出關(guān)系式為

(5)

而匹配濾波器的脈沖響應(yīng)h(t)=ksi(to-t),故

h(t-x)=ksi[x-(t-to)]

(6)

(7)

經(jīng)過積分得到脈壓結(jié)果的隱式如下:

(8)

其中t′=t-to(to為匹配濾波器的物理延時),|t′|≤τ。從上式可以看出線性調(diào)頻信號經(jīng)過脈沖壓縮后的輸出信號是一個固定載頻fo的信號,其包絡(luò)在t′?τ時近似一個辛克函數(shù):

(9)

式(8)為輸入信號與參考信號完全匹配的結(jié)果。下面推導(dǎo)頻率出現(xiàn)偏差時的脈壓結(jié)果。當(dāng)頻率出現(xiàn)偏差時上面介紹的輸入信號就要做相應(yīng)的改變:

(10)

那么經(jīng)過同樣的積分過程,最終的脈沖壓縮結(jié)果為

*cos[2π((fo+fΔ)t′)]

(11)

當(dāng)t′?τ時包絡(luò)信號變成

(12)

由此可以看出對于頻率存在一定偏差的干擾信號的脈沖壓縮其調(diào)制頻率增加了fΔ,包絡(luò)依然保持了sinc函數(shù)的特征,但是包絡(luò)有一定的平移,這說明頻率偏差會對雷達的假目標距離檢測造成一定的誤差,如果干擾頻率比雷達的頻率大,則距離變小,如果干擾頻率比雷達頻率小,則距離變大。同時頻率偏差也會導(dǎo)致幅度降低。

圖1為干擾頻率存在偏差時的仿真圖片,右側(cè)信號為與發(fā)射信號頻率相等的轉(zhuǎn)發(fā)式干擾信號,左側(cè)信號為比發(fā)射信號頻率大1.25MHz的轉(zhuǎn)發(fā)式干擾信號。

圖1　有、無頻率偏差的兩個信號脈壓后的結(jié)果

3.4MTI

MTI過程主要用來消除雜波和噪聲干擾,對于MTI濾波器的一個重要指標就是信雜比改善值,其定義如下:

(13)

其中So為輸出信號功率,Si為輸入信號功率,Ci輸入雜波功率,Co輸出雜波功率,Ni為輸入噪聲功率,No為輸出噪聲功率。

從公式可以看出信雜比的改善值等于雜噪比的變化量。那么實際MTI濾波器相當(dāng)于要降低雜噪比,就是降低雜波回波功率與噪聲的功率比。這樣在參數(shù)化處理過程中,只需降低雜波功率,使雜噪比變小,來取得理想的信雜比。

對于二次對消器,其改善因子的范圍為20dB～40dB。對于雜波,將進行適當(dāng)?shù)乃p。對于欺騙式假目標,如果假目標具有速度欺騙能力,對假目標不進行衰減,并根據(jù)欺騙的速度值,判斷MTI濾波器的增益值。如果不具有速度欺騙能力則看成固定目標進行20dB～40dB的衰減。

圖2　MTI前、后的時域波形

由仿真結(jié)果可知回波在MTI前的雜噪比為45.9dB,在MTI后雜噪比衰減為14dB,經(jīng)過MTI使雜噪比下降了大概31.9dB,在理論范圍之內(nèi)。假目標還存在,這是因為假目標帶有速度欺騙,并沒有被對消掉。

在作參數(shù)化處理時,對于雜波進行20dB～40dB的衰減;對于具有速度欺騙的干擾,計算濾波器增益,進行加權(quán);對于目標回波幅度,計算濾波器增益,進行加權(quán)。

3.5MTD

MTD的信噪比改善理論為

GMTD=20log(M)(dB)

(14)

理論上8點FFT相參積累信噪比改善值為18dB。對于雷達回波脈沖,其幅度會有增加;對于欺騙式干擾信號(具有速度欺騙特性),其幅度也會增加。

圖3　MTD后目標通道的時域波形

仿真過程中取M=8,理論信噪比改善值應(yīng)為18dB。由仿真得出,回波的信噪比改善大概為17.6dB;假目標增益大概為17.3dB,基本都與理論值相同。

在作參數(shù)化處理時,對于目標幅度進行理論值加權(quán);對于具有速度欺騙的假目標干擾,同樣進行理論值加權(quán)。

3.6非相參積累

非相參積累的理論處理增益為

(15)

本文的仿真采用10個脈沖的積累,那么理論的增益值為10dB～20dB。對于目標回波脈沖,使其幅度增加10dB～20dB;對于欺騙式干擾信號同樣進行積累。

通過仿真可以得到目標回波信號的非相參積累的信噪比改善值為11.1dB,假目標的積累增益為10.9dB,在理論范圍之內(nèi)。

圖4　非相參積累后的時域波形

3.7CFAR

CFAR處理采用改進的鄰近單元平均選大恒虛警檢測方法。它采用抽頭遲延線同時檢測被檢測單元(中點)及其兩側(cè)各參考單元的雜波,將各單元輸出平均后選大,然后用平均值對檢測單元歸一化。仿真過程中采用16單元平均方案,即N=8。為了保證一定的虛警概率,以及仿真數(shù)據(jù)的“真實性”,CFAR處理不采用參數(shù)化的處理,在CFAR前將目標、雜波、干擾還原到重復(fù)周期的數(shù)據(jù)中去,合成了仿真的信號。最后進行CFAR處理。

4結(jié)語

要實現(xiàn)對通用化雷達信號處理系統(tǒng)的參數(shù)化仿真,參數(shù)選用要合理,這就需要更多的理論支撐,例如:如何得到更多更合理的參數(shù),如何使這些參數(shù)應(yīng)對仿真者不斷變化的設(shè)置與要求。參數(shù)化仿真的關(guān)鍵就在參數(shù)上,所以要想使自己仿真的雷達信號處理系統(tǒng)“通用”還有很多工作要做。

參 考 文 獻

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中圖分類號TP391.9

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.02.021

作者簡介:景志,男,碩士,工程師,研究方向:雷達仿真。楊立永,男,碩士,助理工程師,研究方向:雷達仿真。張國兵,男,碩士,工程師,研究方向:雷達仿真。

*收稿日期:2015年8月10日,修回日期:2015年9月27日