王 剛 ，董曉龍

（1.中國科學院國家空間科學中心中國科學院微波遙感重點實驗室北京100190；2.中國科學院大學北京100049）

脈沖時序的選擇是雷達系統(tǒng)的關鍵[1-2]。脈沖時序的選擇決定了脈沖占空比和平均發(fā)射功率，從而影響系統(tǒng)的信噪比SNR及系統(tǒng)傳遞誤差[3-4]。

對于星載雷達散射計來說，從脈沖發(fā)射到脈沖接收的時間較長，一般需要幾個脈沖周期的時間，同時脈沖時序要滿足距離模糊的需求[5]。由于在某個脈沖接收時刻，前一個和后一個雷達脈沖回波功率的污染引起的模糊，稱之為距離模糊。當提高脈沖重復頻率，距離模糊的影響愈加嚴重。因此，本文針對距離向的模糊混疊，采用不同中心頻率的參考信號進行混疊處理[6-8]，并進行matlab進行了仿真驗證。

1 脈沖時序的脈沖簇設計

在滿足距離模糊要求的前提下，采用脈沖簇的形式可以實現(xiàn)更高的PRF。如圖1所示，連續(xù)發(fā)射一串脈沖，比如連續(xù)發(fā)射N=8，16或者更多個脈沖，然后進行脈沖的接收，脈沖簇的具體參數(shù)如表1所示。τp為脈沖寬度，Tp單脈沖時長，等效占空比為一個脈沖簇總的發(fā)射信號市場與整個發(fā)射和接收周期時長的比值。

1.1 避開星下點回波和發(fā)射脈沖的影響

雷達平臺軌道高度一般為幾千公里，根據(jù)軌道幾何參數(shù)可以得到星下點的回波接收時間為：

H為衛(wèi)星軌道高度。星下點回波脈沖可以認為是一串回波，可以表示為：

圖1 脈沖簇體制設計

表1 設計的脈沖體制參數(shù)

其中N為脈沖簇內脈沖個數(shù)。星下點回波信號跟回波信號不能同時到達接收機引起干擾，可以表示為：

其中Tps為兩組脈沖簇的時間間隔，Rmin為波束足印近端，Rmax為波束足印遠端。針對下一串星下點回波信號和接收回波信號不互相干擾這一條件，如圖2所示，有

即可得到：

圖2 避開星下點的脈沖簇設計

1.2 發(fā)射脈沖的遮掩的影響

為了確保接收回波之前的發(fā)射脈沖和接收窗口不混疊，如圖3所示有：

為了保證接收回波之后的發(fā)射脈沖和接收窗口不混疊，有：

可以表示為：

根據(jù)星下點回波和發(fā)射脈沖的影響以及避開發(fā)射脈沖的遮掩，設計的脈沖重復頻率參數(shù)如表1所示。簇內脈沖重復頻率可以達到12.5 kHz，脈沖個數(shù)16。

圖3 脈沖簇設計的回波考慮

當脈沖重復頻率增大到13 kHz附近時，信號最大時寬會變?yōu)樨摰模f明此時的脈沖產生了混疊，如圖4所示。如果要提高系統(tǒng)脈沖重復頻率，需要采用去混疊處理。

圖4 信號最大時寬和脈沖重復頻率的關系

2 脈沖壓縮處理

脈沖壓縮處理是雷達經常采用的處理技術[11-13]。雷達發(fā)射寬脈沖信號，接收和處理回波，輸出窄脈沖。為了能夠提高脈沖壓縮的處理效果，發(fā)射的寬脈沖一般會采取編碼形式，并在接收機中經過匹配濾波器的處理。脈沖壓縮雷達的優(yōu)點是能獲得大的作用距離和具有很高的距離分辨力[14-18]。散射計發(fā)射信號為LFM-Chirp信號：

設某散射點的雙程回波時間τ=2R/c，則該散射點的回波信號為：

經混頻后輸出為：

式中e(t)為噪聲。根據(jù)信號與濾波器的重疊情況，在兩段區(qū)間內分別進行積分，其中一段區(qū)間內的信號位于匹配濾波器左側，而另一段區(qū)間則位于右側。改變相應的積分限，并經過代數(shù)運算后，輸出sout(τ)的實函數(shù)可以表示為：

根據(jù)仿真的線性調頻參數(shù)，帶寬為1 MHz，脈沖寬度為40 μs，點目標與雷達分別距離為786 km、788 km、790 km，加噪線性調頻信號的脈沖壓縮處理如圖5所示。通過脈沖壓縮處理，可以獲得高分辨率觀測，將目標區(qū)分開。如圖5（b）所示，雖然信噪比較低，但通過脈沖壓縮處理，可以有效分辨目標，得到高分辨率結果，因此脈沖壓縮處理是一個有效提高雷達觀測的方法。

3 接收回波混疊處理

脈沖簇形式的發(fā)射和接收固然能提高脈沖重復頻率，考慮距離向上脈沖展寬時間（天線距離向-3 dB波束寬度為1.46°時，距離向脈沖展寬時間為128 μs）比較寬，如果接收脈沖之間沒有混疊，那么系統(tǒng)的PRF不會顯著提高。若系統(tǒng)PRF較高，必然會帶來接收信號的混疊。因此，可采用接收混疊，將脈沖的中心頻率相差幾MHz進行調制，接收時分別進行去斜處理。

仿真采用的參數(shù)：衛(wèi)星高度為600 km，衛(wèi)星天底點與天線電軸的夾角為39°，系統(tǒng)PRF設置為9 kHz，接收窗開啟時間為5.2 ms，仿真脈沖簇的具體參數(shù)如表1所示，接收窗長度里包含的混疊脈沖個數(shù)為3個。如圖6（a）所示，經過混疊脈沖壓縮處理，可以將回波信號在一個接收窗內有效分離，然后通過低通濾波器將信號濾除，得到理想結果，電壓信號如圖6（b）所示，功率信號如圖6（c）所示。

圖5 加噪線性調頻信號處理結果

圖6 加噪去混疊的脈沖壓縮處理結果

當系統(tǒng)PRF設置為12.5 kHz，接收窗長度里包含的混疊脈沖個數(shù)為5個，可以進一步提高脈沖簇內的PRF。如圖7（a）所示，經過混疊脈沖壓縮處理，可以將回波信號在一個接收窗內有效分離，然后通過低通濾波器將信號濾除，得到理想結果，電壓信號如圖7（b）所示，功率信號如圖7（c）所示。

圖7 加噪去混疊的脈沖壓縮處理結果

4 結 論

采用脈沖簇體制設計，可以提高系統(tǒng)脈沖重復頻率。在發(fā)射脈沖時寬不變的情況下，PRF可以提高1～5倍，對于星載雷達觀測數(shù)提高具有重要意義。但是高PRF的設計，會帶來距離向模糊，可以采用混疊處理方式。雖然具有不同中心頻率的回波信號會產生混疊效應，利用具有不同中心頻率的去斜參考信號進行對應處理，可以將不同中心頻率的信號進行分離，然后通過低通濾波器可以將信號濾除掉，獲得觀測信號。通過混疊脈沖壓縮處理技術，可以有效提高PRF，并且能夠將混疊信號進行分離，對星載雷達觀測具有重要意義。

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