線性調頻信號主瓣不展寬旁瓣抑制方法

郭 瑞 蔡志明 姚直象

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線性調頻信號主瓣不展寬旁瓣抑制方法

郭 瑞*蔡志明 姚直象

(海軍工程大學電子工程學院 武漢 430033)

以漢明窗為代表的加權方法在抑制線性調頻信號的匹配濾波輸出峰值旁瓣的同時展寬主瓣，致使距離分辨力下降。為兼顧旁瓣抑制和高距離分辨力的需求，該文提出一種新的主瓣不展寬旁瓣抑制方法。該方法首先將匹配濾波和加權處理的輸出幅度進行歸一化處理，然后逐點進行比較，再取各點對應的最小值作為最終的輸出數據。該方法兼取了匹配濾波和加權處理的優點，其-3 dB主瓣展寬系數與匹配濾波相比僅為1，而旁瓣抑制性能和對應的加權處理相當。仿真結果和湖上試驗驗證了該方法的有效性。

信號處理；線性調頻信號；旁瓣抑制；主瓣寬度；匹配濾波；漢明加權

1 引言

LFM的固有缺陷是通過匹配濾波器之后的輸出有較高的距離旁瓣。在多目標環境中，強目標回波的輸出旁瓣很可能混淆或者掩蓋弱目標回波的主峰，影響對弱目標的探測和分辨。為了提高分辨多目標的能力，必須采用旁瓣抑制或簡稱加權技術[12,13]。加權可以在發射端，接收端或收、發兩端上進行，為了保持系統的發射效率，通常在匹配濾波器輸出之后采用頻域幅度加權。

常規加權處理在降低旁瓣的同時，輸出主瓣有不同程度的展寬，造成距離分辨力下降[14]。在多亮點目標的要害部位定位、目標精確成像、多目標分辨等應用場合中，對距離分辨力要求苛刻。為了兼顧旁瓣抑制和高距離分辨力需求，本文提出了一種新的主瓣不展寬旁瓣抑制方法。該方法對于距離分辨力要求苛刻場合下的多目標分辨、定位和識別具有重要應用價值。

2 LFM的常規加權方法性能

LFM通常表示為

加權方法的傳輸函數一般表示為[16]：

常規加權方法的峰值旁瓣級和主瓣展寬系數如表1所示。

常規加權方法在抑制旁瓣的同時，均會造成不同程度的主瓣展寬。在多亮點探測、分辨和識別應用中，人們不僅希望探測系統具有較低的輸出距離旁瓣，還希望系統保持較高的距離分辨力。主瓣展寬造成距離分辨力下降，這在分辨力要求苛刻的場合是難以被接受的。

表1加權函數性能

加權方法漢明3:1錐比余弦平方 峰值旁瓣級(dB)-42.56-25.70-31.70 主瓣展寬系數1.471.211.62

3 主瓣不展寬旁瓣抑制方法

匹配濾波處理具有與發射信號帶寬直接相關的距離分辨力，而加權處理具有較好的旁瓣抑制效果。為了兼顧距離分辨力和旁瓣抑制效果，本文提出一種將匹配濾波處理和加權處理相結合的非線性處理方法，該方法的信號處理框圖如圖1所示。

圖1 本文方法的處理框圖

3.1 主瓣寬度分析

本文方法輸出曲線和漢明加權輸出曲線的-3 dB主瓣展寬比較如圖3所示，參數設置與圖2相同。圖3表明，本文方法的-3 dB的主瓣展寬明顯低于常規加權方法，因此在等強度近鄰目標分辨上較常規加權方法有優勢。

3.2旁瓣水平分析

由式(7)可知，本文方法的輸出旁瓣總是不高于對應加權方法的輸出旁瓣，保持了加權方法的旁瓣抑制性能。

本文方法輸出曲線和漢明加權輸出曲線的旁瓣水平比較如圖4所示，參數設置與圖2相同。圖4表明，本文方法同漢明加權類似，可以較好地抑制主瓣范圍外的旁瓣。

3.3檢測性能分析

綜合主瓣寬度、峰值旁瓣級和檢測性能分析結果，文中提出的非線性處理方法與對應的加權處理相比，在保持加權處理旁瓣抑制效果的同時，保持了匹配濾波處理的-3 dB主瓣寬度，而且檢測性能得到了小幅度提高。此外，該方法僅對匹配濾波輸出數據和加權處理輸出數據做了歸一化和取小值處理，附加的存儲空間代價和計算代價均較小，具有較好的工程適用性。

圖2 漢明加權的主瓣展寬

圖3 本文方法和漢明加權的主瓣比較

圖4 本文方法和漢明加權的輸出旁瓣比較

圖5 兩種假設下R的概率密度函數曲線

圖6 檢測性能比較

4 仿真分析和試驗結果

為評估本文方法性能，以聲吶應用為例分別進行了仿真分析和湖上試驗。

4.1仿真分析

為評估本文方法的旁瓣抑制性能，重新設置目標參數為：在時延41.5 ms處存在強度為0 dB的強目標，在時延41.8 ms處存在強度為-24 dB的弱目標。其它設置不變。仿真得到發射LFM信號時，匹配濾波、漢明加權、3:1錐比加權、余弦平方加權以及以上述3種加權處理為基礎的本文方法的弱目標探測結果，如圖8所示。圖8中的仿真結果驗證了本文方法的旁瓣抑制效果和對應的加權方法一致，能夠克服匹配濾波輸出旁瓣較強從而掩蓋弱目標的缺陷。從旁瓣抑制的角度，本文方法保留了加權處理輸出旁瓣低的優點，克服了匹配濾波輸出旁瓣較高的缺點。

為評估本文方法的檢測性能，參數設置為：在時延41.5 ms處存在強度為0 dB的強目標；發射信號、采樣率和聲速參數不變；輸入信噪比-10 dB。仿真得到發射LFM信號時，匹配濾波和以3種典型加權處理為基礎的本文方法的弱輸入信噪比下的目標探測結果，如圖9所示。圖9中的仿真結果驗證了本文方法的檢測性能與匹配濾波處理基本相當。

4.2湖上試驗

試驗中在距聲源31.1 m(對應時延約為41.5 ms)附近放置兩個間距0.15 m(對應時延間距0.2 ms)的球目標，目標強度相差1.5 dB。LFM參數與仿真設置相同。試驗中的發射LFM波形如圖10所示。接收波形受到背景噪聲、干擾目標散射和信道傳輸畸變等多種因素的影響，與發射波形相比產生了明顯畸變。接收波形如圖11所示，直接由接收波形難以分辨兩個目標亮點。由湖上試驗數據得到的匹配濾波輸出、漢明加權輸出和本文方法輸出的時間-幅度曲線如圖12所示。

圖7 等強度鄰近目標分辨

圖8 弱目標探測

圖9 低輸入信噪比下的輸出波形

由圖12的湖上試驗結果可明顯看出，本文方法輸出曲線的-3 dB主瓣寬度和匹配濾波處理相同，明顯窄于相應加權方法的主瓣寬度；而該方法的輸出旁瓣水平和相應加權方法相當，可以有效降低匹配濾波的輸出旁瓣。試驗結果表明本文方法兼顧了主瓣寬度不展寬和旁瓣抑制需求，驗證了理論分析結論的正確性。

5 結束語

LFM信號是雷達和聲吶系統中常用的脈沖壓縮信號，但是經過匹配濾波處理之后的脈沖壓縮輸出具有較高旁瓣。為了抑制LFM對應的輸出旁瓣，人們采用了多種窗函數加權旁瓣抑制方法，但是這些加權方法在抑制旁瓣的同時造成了輸出主瓣不同程度的展寬，降低了系統距離分辨力。

為了抑制LFM輸出旁瓣的同時，兼顧匹配濾波處理的高分辨力，本文提出了一種主瓣不展寬旁瓣抑制方法。該方法匹配濾波輸出和加權輸出在幅度歸一化之后，進行非線性逐點取小值處理。理論分析和試驗結果表明，該方法兼取了匹配濾波處理的高距離分辨力和加權方法的旁瓣抑制性能。此外，該方法附加的存儲空間代價和計算代價均較小，便于工程應用。在多亮點目標要害部位定位，目標精確成像，多目標分辨等應用場合中，該方法具有重要價值。

圖10 湖試中的發射LFM波形

圖11 湖試中的接收波形

圖12 湖試的時間-幅度曲線

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郭 瑞： 男，1980年生，博士生，講師，研究方向為主動信號設計.

蔡志明： 男，1962年生，博士，教授，博士生導師，研究方向為水聲信號處理.

姚直象： 男，1976年生，博士，副教授，碩士生導師，研究方向為水聲信號處理.

Sidelobe Suppression Method of Linear Frequency Modulated Signal without Mainlobe Widening

Guo Rui Cai Zhi-ming Yao Zhi-xiang

(,,430033,)

Weighting methods, such as Hamming window, can suppress the peak sidelobe level of matching filter output of Linear Frequency Modulated (LFM) signal, but they also cause obviously mainlobe widening which results in range resolution worsening. Considering requirements of both sidelobe suppression and range resolution, a novel sidelobe suppression method without mainlobe widening is proposed. The amplitude outputs of matching filter and weighting window are firstly normalized, and then compared point by point, finally the minimum value of each point is chosen as the output data. This method fuses both merits of matching filter and weighting processing. The -3 dB mainlobe widening coefficient of the proposed method is only 1 compared with matching filter, and sidelobe suppressing performance is equivalent with the employed weighting window. Simulation results and lake experiment demonstrate the validity of the proposed method.

Signal processing; Linear Frequency Modulated (LFM) signal; Sidelobe suppression; Mainlobe width; Matching filter; Hamming weighting

TN911.7; TB56

A

1009-5896(2014)02-0298-06

10.3724/SP.J.1146.2013.00421

郭瑞 arys66@sina.com

2013-04-01收到，2013-11-07改回

國家自然科學基金(51109218, 60902071)，東南大學水聲信號處理教育部重點實驗室開放研究基金(UASP1303)和海軍工程大學科研基金(HGDQNEQJJ12008, HGDQNJJ11027)資助課題