一種相位編碼信號的處理方法*

張　放　張　磊

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所　揚州　225001)

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一種相位編碼信號的處理方法*

張放張磊

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所揚州225001)

論文針對相位編碼信號距離旁瓣較高的問題,采用了失配濾波的方法來降低距離旁瓣,通過迭代加權最小二乘法求解了失配濾波器的系數;針對相位編碼信號多普勒敏感的問題,采用了多普勒通道補償的方法來進行處理。通過仿真對處理方法進行了驗證。

距離旁瓣; 失配濾波; 多普勒敏感; 多普勒通道補償

Class NumberTN911.7

1　引言

線性調頻信號[1]的優點是匹配濾波對回波信號的多普勒不敏感,即回波信號的多普勒較大時匹配濾波仍能起到不錯的效果,但是輸出響應會出現與多普勒頻移成正比的時延,從而導致了距離多普勒耦合,距離誤差Δs=vfτ/B。當目標的速度為3Ma時,對于C波段帶寬5M、時寬40μs的雷達信號,距離誤差最大可達到65.25m。對高速目標的探測,采用線性調頻信號就會產生較大的距離誤差,而相位編碼信號不存在距離多普勒耦合的問題,具有良好的抗干擾性能,但存在著距離旁瓣較高以及對多普勒敏感的問題[2]。本文首先采用失配濾波的方法來降低距離旁瓣,在這基礎上,采用多通道補償來降低信號處理的損失[3],這樣經過綜合處理后為探測高速目標提供了一種方案,仿真結果為工程的實現提供了基礎。

2　失配濾波

相位編碼信號按照調制碼字的不同可以分為二相碼和多相碼。多相碼的相位在多個數值之間變化,而二相碼的相位在0和π之間變化。多相碼的碼字有較多的選擇,但在實現上比二相碼復雜的多,所以工程上一般采用二相編碼信號。二相編碼采用的碼字主要有巴克碼、m序列、Gold序列等[4～5],本文采用了m序列作為相位編碼信號的碼字。利用失配濾波的方法來降低距離旁瓣的關鍵是如何求解失配濾波器的系數,下面是利用迭代加權二乘法求解失配濾波器系數的過程。

對帶寬P、時寬為T的相位編碼信號以碼元速率采樣,得到長度為N=TB的復序列{Sk},其中k=1,2,…,N。失配濾波器的階數為P≥N,失配濾波器的權用h表示。為了使濾波器輸出波形對稱,將輸入信號兩頭補零成P階向量:

ST=[0…0s0s1…sN-10…0]

hT=[h0h1…hP-1]

(1)

脈壓濾波器輸出為

(2)

其中m=-(P-1),…,(P-1)。

式(2)可以表示為

y=XHh=[y1y2…yp…y2P-1]T

(3)

(4)

副瓣電平指標有兩種[6～7]:峰值副瓣電平(PSL)和積分副瓣電平(ISL)。

(5)

(6)

其中式(5)峰值副瓣電平的最大副瓣位置是變化的,難以直接處理,采用式(6)積分副瓣電平進行分析。積分副瓣電平表示如下:

ISL=yHWy

W=diag(w1…wP…w2P-1)

(7)

在保持主峰值不變的條件下使得ISL極小,此約束可表示為

yP=SHh=N

(8)

其中N為序列碼的長度。

約束脈壓濾波器的輸出積分副瓣電平最小,同時在主瓣方向上的輸出為常數,這就成了帶約束的最小二乘問題。

(9)

該方程的解為

h=B-1S(SHBS)-1N

(10)

其中:B=XWXH。

因為噪聲輸出和濾波器能量成正比,為了避免h=0要歸一化濾波器的能量,對權值歸一化如式(11):

(11)

而(SHBS)-1N為數值,歸一化之后不起作用,等效為h=B-1S。這樣處理后,輸出的主瓣電平不再是一常數,有一些損失。

上面求得的解針對積分副瓣電平,實際上目的是峰值副瓣電平最小。可以通過加權迭代搜索來尋找權矢量,權矢量通過對高的副瓣值賦以較大的權值,基于此構造出了兩種迭代方法。

第一種:

(12)

采用上式求得的權矢量可以獲得較小的信噪比損失,不過副瓣一般不是很平坦。

第二種:

(13)其中δ為一足夠小的任意常數,加上該常數以避免出現病態(副瓣中的零點),采用上式求得的權矢量獲得的信噪比較大,但副瓣比較平坦,但是參數調整比較困難,因為濾波器輸出對參數比較敏感。

通過調整加權矩陣W以及失配濾波器階數P,同時采用迭代算法可以得到滿意的失配濾波器設計結果。如果允許放寬主瓣寬度,則可以按以下調整:

wp=0,wk=1,wp+1=wp-1=β

k=1,…,2P-1,k≠P-1,P,P+1

(14)

選擇合適的μ,β,以及迭代次數,在主瓣展寬寬度和信噪比損失能接受的情況下,盡量提高主副比。

以采樣頻率5M的長度128的序列為例(將127位的m序列末位補零)。

濾波器的階數為128,迭代次數100次,得到的匹配濾波和失配濾波輸出如圖1所示(歸一化脈壓值),未歸一化脈壓值下的匹配濾波和失配濾波輸出如圖2所示,局部放大圖如圖3所示。

圖1　歸一化脈壓值下的匹配濾波和失配濾波的輸出

可以看出:歸一化脈壓值時的最大距離旁瓣值由-18dB變為-27dB。未歸一化脈壓值時的脈壓增益由21.07dB變為20.02dB,損失了1.05dB。

濾波器的階數為228,迭代次數100次,其余參數不變,得到的匹配濾波和失配濾波輸出如圖4所示(歸一化脈壓值),未歸一化脈壓值下的匹配濾波和失配濾波輸出如圖5所示,局部放大圖如圖6所示。

圖2　未歸一化脈壓值下的匹配濾波和失配濾波輸出

圖3　局部放大圖

圖4　歸一化脈壓值下的匹配濾波和失配濾波的輸出

圖5　未歸一化脈壓值下的匹配濾波和失配濾波輸出

圖6　局部放大圖

可以看出:歸一化脈壓值時的最大距離旁瓣值由-18dB變為-31.5dB。未歸一化脈壓值時的脈壓增益由21.07dB變為19.86dB,損失了1.21dB。隨著濾波器階數的增加,最大距離旁瓣進一步降低,不過脈壓增益損失變大。

3　多通道補償

相位編碼雷達存在著多普勒敏感的問題[8],多普勒會影響相位編碼信號的脈壓增益和主副比,相關器長度(脈壓長度)決定著系統的多普勒容限。當已知回波信號的多普勒頻率時,可以在回波信號下變頻時,采用混頻的方法消除多普勒頻移的失配。實際應用中一般難以事先得知目標的速度,可以通過多通道補償的方法來減小失配損失。多普勒失配補償取決于匹配濾波器對該碼信號的多普勒容限帶寬[9～10]。

以采樣頻率5M的長度128的序列為例(將127位的m序列末位補零),其中失配濾波采用的是100階濾波器,求解系數采用的是100次迭代。匹配濾波以及失配濾波的脈壓輸出和多普勒的關系如圖7所示。

圖7　匹配濾波、失配濾波脈壓輸出和多普勒的關系

可以看出:隨著多普勒的增加,脈壓輸出增益損失逐漸變大,由于采樣率的限制,使得匹配濾波的脈壓輸出增益損失曲線和理論上的有偏差,而失配濾波和匹配濾波相比,在0～50kHz范圍內,脈壓輸出增益損失較小。

匹配濾波以及失配濾波的主副比和多普勒的關系如圖8所示。

圖8　匹配濾波、失配濾波的主副比和多普勒的關系

可以看出:隨著多普勒的增加,匹配濾波和失配濾波的主副比逐漸變小,而在0～10kHz的范圍內,失配濾波的主副比要優于匹配濾波的主副比。

基于上面的分析,在一定的頻率范圍內,多普勒對相位編碼信號的脈壓增益和主副比影響較小,所以可以選擇在失配濾波的基礎上進行多通道處理[11],經過脈壓后,選擇各個通道中信號最大的一路,可以估算出多普勒的范圍。根據公式:

(15)

得到某工程的多普勒范圍為(-47600Hz,47600Hz),47600/9520=5,所以可以分成5路來補償,圖9為補償流程圖。

圖9　多通道補償流程圖

不同的通道上的脈壓系數分別加上不同的多普勒頻率,這樣把回波經過不同通道匹配,選出結果最大的一路。對于高速目標,不經過補償處理,得到的脈壓增益、主副比很低,不利于目標的檢測,經過補償處理,得到和零多普勒時接近的脈壓增益、主副比,有利于目標的檢測。

某目標距離雷達15km,多普勒為45kHz,經過多通道處理,第1個通道到第4通道處理結果如圖10所示。

可以得到,目標的多普勒范圍為47.6kHz～28.16kHz,將第一通道的信號進行后續處理,從而得到目標的速度。

圖10　各個通道處理結果

4　結語

本文主要針對相位編碼信號存在的高距離旁瓣以及多普勒敏感問題,分別通過失配濾波、多通道補償的方法進行處理,采用了迭代加權最小二乘法求解失配濾波器系數。綜合了失配濾波和多通道補償對高速目標進行了仿真驗證,仿真結果為以后工程應用提供了基礎。

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A Method of Processing Phase Coded Signal

ZHANG FangZHANG Lei

(723 Research Institute, CSIC, Yangzhou225001)

In view of the problem of the high range sidelobe of phase coded signal, the method of mismatched filter is adopted to reduce the distance sidelobe, the iterative least square method is used to solve the coefficient of the mismatch filter. Doppler channel compensation method is adopted to solve the problem of doppler sensitivity. The correctness of the method is verified by simulation.

range sidelobe, mismatch filter, doppler sensitivity, doppler channel compensation

2016年4月5日,

2016年5月25日

張放,男,助理工程師,研究方向:雷達總體工程。張磊,男,碩士,助理工程師,研究方向:雷達信號處理。

TN911.7

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.10.016