杨剑;祝忠明
【摘 要】对雷达系统中普遍使用的线性调频信号进行时域频域分析,介绍了线性调频信号匹配滤渡器的时频特性,重点计算和分析了此类信号经匹配滤波压缩处理的过程和结果,最后对线性调频信号匹配滤波器输出过程进行建模,分析了雷达目标回波信号的接收方法以及经过匹配滤波器后的输出结果.
【期刊名称】《现代电子技术》
【年(卷),期】2008(031)013
【总页数】3页(P79-80,89)
【关键词】匹配滤波器;线形调频信号;回波信号;脉冲调制 【作 者】杨剑;祝忠明
【作者单位】成都理工大学信息工程学院,四川成都,610059;成都理工大学信息工程学院,四川成都,610059
【正文语种】中 文
【中图分类】TN713
1 引 言
早期的雷达信号,多采用简单的矩形脉冲调制。但随着对雷达性能要求的不断提高,传统的简单脉冲调制方式已远不能适应雷达发展的需要,而信号的调制形式对雷达的性能具有决定性作用,尤其在功率一定的情况下。
线性调频信号是通过非线性相位调制获得大时宽带宽积的典型例子,是研究最早、使用最广泛的脉冲压缩信号。这种信号的突出优点是匹配滤波器对回波信号的多普勒频移不敏感,因此线性调频信号是现代雷达中经常采用的信号波形之一。
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当前,雷达系统中,在雷达距离方程中往往强调应该是信噪比最大,所以需要使用匹配滤波器将雷达接收机输出端的噪声功率减至最小。
本文通过对线性调频信号频谱特性的分析,讨论目标的回波通过匹配滤波器之后频谱特性的变化,更加详细地理解此类信号的特点,对实际应用具有一定的参考价值。
2 线性调频信号及其频谱
2.1 线性调频信号的产生
线性调频(Chirp)信号是雷达中常用的信号。线性调频信号定义为:
(1)
由于这种信号的相位是t2的函数,其频率是t的线性函数,因此LFM信号是线性频率调制的基带信号。同时LFM信号是脉冲信号,其时宽为T,扫描范围为-ω/2～ω/2。
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2.2 线性调频信号的时域、频域特性
线性调频脉冲压缩体制发射信号表达式为:
(2)
由此可求得线性调频信号的幅频和相频特性,如图1所示。
图1 线性调频信号的时域、频域特性
将时宽缩小为T=10 μs时,由于Tω不变,因此相应的ω变大,而又要使p不变,因此fs=pω应该增大,如图2所示。
图2 T=10 μs时域、频域特性
通过比较可以看出,当调频信号时宽变窄时,其频谱变宽。
综上所述,线性调频脉冲信号具有以下特点：
(1) 具有近似矩形的幅频特性。
(2) 具有平方律的相频特性,它是设计匹配滤波器时主要考虑的部分。
(3) 具有可以选择的时宽带乘积。普通脉冲雷达的信号是单一载频脉冲信号,它的时宽乘积是固定的,大约等于1,而线性调频脉冲信号的时宽带乘积可以做得很宽。
3 线性调频信号匹配滤波器的设计
3.1 匹配滤波器理论原理
设输入信号s(t)的频谱为S(ω),匹配滤波器的传递函数为H(ω),如果H(ω)满足：
H(ω)=kS*(ω)exp(-jωt0)
(3)
当一个线性系统的传递函数服从式(3)时,把这个系统叫做匹配滤波器。这里的匹配是指系统的频率特性,要与信号的频谱成共轭的关系。匹配滤波器输出的信号噪声比是最大的,雷达接收机的频率特性应当按匹配滤波器的要求来设计,现代雷达都是这样做的。对于脉冲雷达用谐振电路作为负载的中频放大器,它的频率特性基本上是匹配的。
3.2 线性调频脉冲信号匹配滤波器的频率特性
线性调频脉冲信号匹配滤波器的频率特性可近似写成:
存取一体机H(ω)=ej[(ω-ω0)/2μ-π/4-ωtd0] |ω-ω0|≤Δω/2
动力电池模拟电源如图3所示。
由匹配滤波器的频域波形可以看出,频谱宽度为7～13 MHz,中频10 MHz,振幅80个单位。由此可见,匹配滤波器的频谱是输入信号频谱函数S(ω)的复共轭,振幅频率特性,和信号的频谱绝对值只差一个常数,形状完全一样。具有平方律的相位特性,它与信号的平方律相位谱相同而符号相反,另有一附加相位项。
单眼3d图3 线性调频脉冲信号匹配滤波器的频率特性
3.3 线性调频脉冲信号匹配滤波器的输出
由输出波形看出,脉冲宽度25 μs,振幅500个单位,频宽7～13 MHz,中频10 MHz,调频信号经过匹配滤波器后,对信号进行了加强,有利于后续检测。
图4 线性调频信号经匹配滤波器后的输出信号
4 雷达目标回波信号的接收
设有两批目标位于接收窗内,目标间距离为50 m,目标RCS为1 m2。设计的雷达系统的Rmin
=150 km,Rrec=200 m,发射的调频信号起始频率f0=14 MHz,带宽B=16 MHz,压缩前脉宽τ′=0.005 ms,匹配滤波器采用Kaiser窗函数。
图5 匹配滤波器的时域和频域特性
由图6和图7可以看出,当不进行脉冲压缩时,无法区分这两个目标信号,而经过匹配滤波器后,在时间域0.002 5 ms和0.003 ms处可以清晰地分离这两个目标回波信号,由此进一步证明了匹配滤波器的作用。
图6 压缩前的目标回波
图7 压缩后的目标回波
5 结 语
平板电脑手机本文从理论上初步探讨了线性调频信号的时频特性以及匹配滤波和压缩处理过程,重点分析和计算了目标回波在处理过程中,时域和频域上的特性和差异。在一定场合下,为针对此类雷达信号的干扰波形设计提供了一定的理论参考依据,有助于下一步的研究,在雷达信号处理领域应用前景十分广阔。
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