金德亞，張 瑋

(解放軍93448部隊(duì)，天津 300270)

0 引 言

最初，脈沖雷達(dá)一般使用矩形脈沖信號。這種信號的優(yōu)點(diǎn)是簡單，缺點(diǎn)是無法兼顧探測能力和最大作用范圍。寬脈沖信號同時包含了頻率和相位兩部分信息，對二者進(jìn)行調(diào)制，便可增加信號中的寬帶

B

，從而克服探測能力和作用范圍不能兼顧的缺點(diǎn)。采取調(diào)制的目的是將這樣的信號用專門的接收器調(diào)制處理之后，可以有效地將脈沖壓縮到一個適宜的寬度，也就是1

/B

，如此便能增強(qiáng)信號的能力。這樣的處理不僅可以增加雷達(dá)探測的最大距離，還可以提升其精度。這種信號被稱為脈沖壓縮信號，是一種線性調(diào)頻信號，在當(dāng)前各國使用的雷達(dá)中，它也是使用頻率最高的一種信號。

1 線性調(diào)頻脈沖壓縮信號

線性調(diào)頻信號與普通信號不同，它的帶寬更大，這是通過對非線性相位或線性頻率的調(diào)制而實(shí)現(xiàn)的。

線性調(diào)頻信號可表示為：

(1)

(2)

線性調(diào)頻信號實(shí)質(zhì)上是一種矩形脈沖信號，該信號具有特定的寬度

τ

，但該寬度在載頻的瞬間會隨時間

t

的變化而變化。計(jì)算其瞬時角頻率的公式為：

(3)

(4)

線性調(diào)頻信號進(jìn)入雷達(dá)接收系統(tǒng)時需要特殊的接收器進(jìn)行壓縮，該接收器將信號接收、壓縮處理后，會進(jìn)行匹配濾波，其經(jīng)過濾波匹配后的信號輸出增益與時間關(guān)系，利用MATLAB進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖1所示。

圖1 線性調(diào)頻壓縮信號濾波匹配后輸出波形

雷達(dá)接收機(jī)在使用線性調(diào)頻壓縮信號后，不僅在距離方面有所增加，在高度上也得到很大提升。該信號具備一些其他脈壓信號不具備的長處，比如：對于多普勒頻移的敏感度很低，很多回波信號都可以用同一個濾波器進(jìn)行處理，這就使得信號的處理系統(tǒng)不需要像之前那樣復(fù)雜；線性調(diào)頻信號的生成和處理難度都得到很大降低，且技術(shù)上比較成熟；加之，由于其發(fā)射功率的峰值不高，該信號的隱蔽性極高，不會輕易被對手截獲。但線性調(diào)頻壓縮信號也不是完美無缺的，其不完美之處在于距離和多普勒頻移的耦合與相應(yīng)濾波器的輸出旁瓣不夠低。

2 旁瓣抑制處理分析仿真

濾波器所接收和處理的信號是線性調(diào)頻信號，在被接收系統(tǒng)壓縮之后，形成具有辛克函數(shù)特征的窄脈沖，然后輸出。輸出脈沖包含2個部分：主瓣及多個旁瓣，旁瓣是在時間軸之上延伸而出的。眾多旁瓣的峰值具有一定的規(guī)律：離主瓣越近，峰值越高，比如最近的峰較主峰的差距為13.46 dB，距離次之的峰較前者差4 dB，余者依此類推，各瓣間隔1

/B

。雷達(dá)工作時會接收回波信息，其中反射面積存在巨大差異的地方就是需要重點(diǎn)關(guān)注之處。旁瓣會對返回信號造成干擾，所以，雷達(dá)運(yùn)行時，這種干擾絕對不能出現(xiàn)。只有成功排除旁瓣的干擾，才能將該信號成功運(yùn)用在雷達(dá)上。失配處理(旁瓣抑制或加權(quán)技術(shù))可以對付這種情況。加權(quán)可以分為許多種，比如：時域加權(quán)，為得到多普勒響應(yīng)而對波的形狀加以控制；頻域加權(quán)，為得到壓縮脈沖形狀，對頻譜的幅度加以調(diào)整。但不論是哪一種方法，其根本目的都是將其涉及到的旁瓣消除。

2.1 加權(quán)窗函數(shù)

將加權(quán)這一技術(shù)應(yīng)用到本領(lǐng)域，雖然可以很好地降低旁瓣影響，但也會對輸出信號造成影響，比如主瓣變寬、降低等。信噪比本身就存在一定的損失，而采用此技術(shù)會將損失加大，-3 dB主瓣加寬系數(shù)也會增大。各種窗函數(shù)性能比較如表1所示。

表1 各種窗函數(shù)性能比較

海明窗函數(shù)可以對升余弦加以改進(jìn)，用公式可以表示為：

(5)

漢寧窗函數(shù)可以用來計(jì)算余弦平方，用公式可以表示為：

(6)

2.2 加窗處理的分析仿真

對單路信號進(jìn)行處理時，不管是脈沖壓縮還是加窗，在處理時是不分先后的。處理之后，將二者合并便得到了雷達(dá)所需波形。信號在實(shí)際應(yīng)用中，都要對壓縮后的波形進(jìn)行處理，也就是加窗。這種處理有很多種，比如加布拉克曼窗、矩形窗、凱塞窗等。不同旁瓣與主瓣的距離不同，窗函數(shù)也會出現(xiàn)相應(yīng)的變化，甚至加權(quán)后在-3 dB處主瓣加寬的程度出現(xiàn)巨大的差異。圖2為分別使用了漢寧窗和海明窗處理后，利用MATLAB進(jìn)行仿真的波形圖。

圖2 信號經(jīng)過漢寧窗和海明窗處理后的波形圖

從局部放大圖中可以看出，加漢寧窗后，最高距離旁瓣可以抑制到30 dB以下，大約為31 dB。加海明窗后，最高距離旁瓣可以抑制到40 dB以下，大約為41 dB。

加窗處理可以采用2個或3個窗函數(shù)串聯(lián)，它們可以是同一個窗函數(shù)，也可以是不同的窗函數(shù)。旁瓣電平得到進(jìn)一步降低，隨之而來的是，-3 dB主瓣的加寬系數(shù)和信噪比的損失都有明顯的上升。將2個海明窗串聯(lián)在一起，可以看出旁瓣能降低到-50 dB以下，要比單獨(dú)用1個海明窗時效果好，另外2個數(shù)值的變動也極為突出，比如：信噪比(dB)的損失一開始只有1.34，在串聯(lián)之后增加了1.16；而-3 dB主瓣加寬系數(shù)原來只有1.47，在串聯(lián)之后，數(shù)值明顯上揚(yáng)了0.566。若用海明窗和漢寧窗串聯(lián)，也可得到同樣的結(jié)論。比較其它窗函數(shù)相互串聯(lián)抑制距離旁瓣的效果，可見旁瓣電平降低的同時，-3 dB主瓣的加寬系數(shù)和信噪比損失都有明顯的上升。圖3為信號經(jīng)過加2個海明窗串聯(lián)和加海明窗與漢寧窗串聯(lián)處理后的波形圖。

圖3 信號經(jīng)過加2個海明窗串聯(lián)和加海明窗與漢寧窗串聯(lián)處理后的波形圖

3 結(jié)束語

為了改善脈沖壓縮雷達(dá)的檢測性能，提高分辨多目標(biāo)的能力，對線性調(diào)頻信號脈沖壓縮輸出波形中的干擾因素(比如旁瓣)，采取加窗的方式加以抑制。通過模擬分析可以發(fā)現(xiàn)，去除旁瓣干擾是以主瓣變寬和信噪比損失變多為代價的。這就導(dǎo)致雷達(dá)距離分辨率大大下降。為了提高距離分辨率和降低旁瓣，只能在旁瓣抑制、主瓣加寬、信噪比損失、旁瓣衰減速度以及技術(shù)實(shí)現(xiàn)難易等方面折衷考慮，選擇合適的加權(quán)函數(shù)，從而提升其技術(shù)方面的需求。