基于混疊脈沖壓縮處理的脈沖簇設(shè)計(jì)

王 剛 ，董曉龍

（1.中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心中國(guó)科學(xué)院微波遙感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室北京100190；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)北京100049）

脈沖時(shí)序的選擇是雷達(dá)系統(tǒng)的關(guān)鍵[1-2]。脈沖時(shí)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(duì)于星載雷達(dá)散射計(jì)來(lái)說(shuō)，從脈沖發(fā)射到脈沖接收的時(shí)間較長(zhǎng)，一般需要幾個(gè)脈沖周期的時(shí)間，同時(shí)脈沖時(shí)序要滿足距離模糊的需求[5]。由于在某個(gè)脈沖接收時(shí)刻，前一個(gè)和后一個(gè)雷達(dá)脈沖回波功率的污染引起的模糊，稱之為距離模糊。當(dāng)提高脈沖重復(fù)頻率，距離模糊的影響愈加嚴(yán)重。因此，本文針對(duì)距離向的模糊混疊，采用不同中心頻率的參考信號(hào)進(jìn)行混疊處理[6-8]，并進(jìn)行matlab進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

1 脈沖時(shí)序的脈沖簇設(shè)計(jì)

在滿足距離模糊要求的前提下，采用脈沖簇的形式可以實(shí)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(xiāo)=8，16或者更多個(gè)脈沖，然后進(jìn)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(shí)長(zhǎng)，等效占空比為一個(gè)脈沖簇總的發(fā)射信號(hào)市場(chǎng)與整個(gè)發(fā)射和接收周期時(shí)長(zhǎng)的比值。

1.1 避開(kāi)星下點(diǎn)回波和發(fā)射脈沖的影響

雷達(dá)平臺(tái)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(diǎn)的回波接收時(shí)間為：

H為衛(wèi)星軌道高度。星下點(diǎn)回波脈沖可以認(rèn)為是一串回波，可以表示為：

圖1 脈沖簇體制設(shè)計(jì)

表1 設(shè)計(jì)的脈沖體制參數(shù)

其中N為脈沖簇內(nèi)脈沖個(gè)數(shù)。星下點(diǎn)回波信號(hào)跟回波信號(hào)不能同時(shí)到達(dá)接收機(jī)引起干擾，可以表示為：

其中Tps為兩組脈沖簇的時(shí)間間隔，Rmin為波束足印近端，Rmax為波束足印遠(yuǎn)端。針對(duì)下一串星下點(diǎn)回波信號(hào)和接收回波信號(hào)不互相干擾這一條件，如圖2所示，有

即可得到：

圖2 避開(kāi)星下點(diǎn)的脈沖簇設(shè)計(jì)

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(diǎn)回波和發(fā)射脈沖的影響以及避開(kāi)發(fā)射脈沖的遮掩，設(shè)計(jì)的脈沖重復(fù)頻率參數(shù)如表1所示。簇內(nèi)脈沖重復(fù)頻率可以達(dá)到12.5 kHz，脈沖個(gè)數(shù)16。

圖3 脈沖簇設(shè)計(jì)的回波考慮

當(dāng)脈沖重復(fù)頻率增大到13 kHz附近時(shí)，信號(hào)最大時(shí)寬會(huì)變?yōu)樨?fù)的，說(shuō)明此時(shí)的脈沖產(chǎn)生了混疊，如圖4所示。如果要提高系統(tǒng)脈沖重復(fù)頻率，需要采用去混疊處理。

圖4 信號(hào)最大時(shí)寬和脈沖重復(fù)頻率的關(guān)系

2 脈沖壓縮處理

脈沖壓縮處理是雷達(dá)經(jīng)常采用的處理技術(shù)[11-13]。雷達(dá)發(fā)射寬脈沖信號(hào)，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(huì)采取編碼形式，并在接收機(jī)中經(jīng)過(guò)匹配濾波器的處理。脈沖壓縮雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)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(jì)發(fā)射信號(hào)為L(zhǎng)FM-Chirp信號(hào)：

設(shè)某散射點(diǎn)的雙程回波時(shí)間τ=2R/c，則該散射點(diǎn)的回波信號(hào)為：

經(jīng)混頻后輸出為：

式中e(t)為噪聲。根據(jù)信號(hào)與濾波器的重疊情況，在兩段區(qū)間內(nèi)分別進(jìn)行積分，其中一段區(qū)間內(nèi)的信號(hào)位于匹配濾波器左側(cè)，而另一段區(qū)間則位于右側(cè)。改變相應(yīng)的積分限，并經(jīng)過(guò)代數(shù)運(yùn)算后，輸出sout(τ)的實(shí)函數(shù)可以表示為：

根據(jù)仿真的線性調(diào)頻參數(shù)，帶寬為1 MHz，脈沖寬度為40 μs，點(diǎn)目標(biāo)與雷達(dá)分別距離為786 km、788 km、790 km，加噪線性調(diào)頻信號(hào)的脈沖壓縮處理如圖5所示。通過(guò)脈沖壓縮處理，可以獲得高分辨率觀測(cè)，將目標(biāo)區(qū)分開(kāi)。如圖5（b）所示，雖然信噪比較低，但通過(guò)脈沖壓縮處理，可以有效分辨目標(biāo)，得到高分辨率結(jié)果，因此脈沖壓縮處理是一個(gè)有效提高雷達(dá)觀測(cè)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(fù)頻率，考慮距離向上脈沖展寬時(shí)間（天線距離向-3 dB波束寬度為1.46°時(shí)，距離向脈沖展寬時(shí)間為128 μs）比較寬，如果接收脈沖之間沒(méi)有混疊，那么系統(tǒng)的PRF不會(huì)顯著提高。若系統(tǒng)PRF較高，必然會(huì)帶來(lái)接收信號(hào)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(jìn)行調(diào)制，接收時(shí)分別進(jìn)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(diǎn)與天線電軸的夾角為39°，系統(tǒng)PRF設(shè)置為9 kHz，接收窗開(kāi)啟時(shí)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(zhǎng)度里包含的混疊脈沖個(gè)數(shù)為3個(gè)。如圖6（a）所示，經(jīng)過(guò)混疊脈沖壓縮處理，可以將回波信號(hào)在一個(gè)接收窗內(nèi)有效分離，然后通過(guò)低通濾波器將信號(hào)濾除，得到理想結(jié)果，電壓信號(hào)如圖6（b）所示，功率信號(hào)如圖6（c）所示。

圖5 加噪線性調(diào)頻信號(hào)處理結(jié)果

圖6 加噪去混疊的脈沖壓縮處理結(jié)果

當(dāng)系統(tǒng)PRF設(shè)置為12.5 kHz，接收窗長(zhǎng)度里包含的混疊脈沖個(gè)數(shù)為5個(gè)，可以進(jìn)一步提高脈沖簇內(nèi)的PRF。如圖7（a）所示，經(jīng)過(guò)混疊脈沖壓縮處理，可以將回波信號(hào)在一個(gè)接收窗內(nèi)有效分離，然后通過(guò)低通濾波器將信號(hào)濾除，得到理想結(jié)果，電壓信號(hào)如圖7（b）所示，功率信號(hào)如圖7（c）所示。

圖7 加噪去混疊的脈沖壓縮處理結(jié)果

4 結(jié) 論

采用脈沖簇體制設(shè)計(jì)，可以提高系統(tǒng)脈沖重復(fù)頻率。在發(fā)射脈沖時(shí)寬不變的情況下，PRF可以提高1～5倍，對(duì)于星載雷達(dá)觀測(cè)數(shù)提高具有重要意義。但是高PRF的設(shè)計(jì)，會(huì)帶來(lái)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(hào)會(huì)產(chǎn)生混疊效應(yīng)，利用具有不同中心頻率的去斜參考信號(hào)進(jìn)行對(duì)應(yīng)處理，可以將不同中心頻率的信號(hào)進(jìn)行分離，然后通過(guò)低通濾波器可以將信號(hào)濾除掉，獲得觀測(cè)信號(hào)。通過(guò)混疊脈沖壓縮處理技術(shù)，可以有效提高PRF，并且能夠?qū)⒒殳B信號(hào)進(jìn)行分離，對(duì)星載雷達(dá)觀測(cè)具有重要意義。

[1]張喬，湯俊.基于STAP雜波抑制的天基雷達(dá)PRF設(shè)計(jì)[J].雷達(dá)科學(xué)與技術(shù)，2011，9（5）:441-446.

[2]劉永坦．雷達(dá)成像技術(shù)[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1999.

[3]魏鐘詮.合成孔徑雷達(dá)衛(wèi)星[M].北京:科學(xué)出版社，2001.

[4]徐綿起，李俠.X波段雷達(dá)重復(fù)頻率（PRF）設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代雷達(dá)，2004，26（3）:14-17.

[5]鮑青柳.多普勒雷達(dá)散射計(jì)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真—寬刈幅海洋面流測(cè)量[D].北京：中國(guó)科學(xué)院研究生院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心，2015.

[6]鮑青柳，董曉龍.基于筆形波束掃描雷達(dá)散射計(jì)的海洋表面流測(cè)量[J].電子學(xué)報(bào)，2015，43（6）:1200-1204.

[7]張永軍，李彩萍.合成孔徑雷達(dá)模糊度分析[J].電子與信息學(xué)報(bào)，2004，26（9）:1455-1456.

[8]陳穎穎，高陽(yáng).星載合成孔徑雷達(dá)不同工作模式下的PRF優(yōu)化選取研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（5）:25-28.

[9]許春蕾，宋紅軍.聚束式合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中PRF的優(yōu)化選取[J].現(xiàn)代雷達(dá)，2006，28（5）:1-4.

[10]羅倩，閆鴻慧.天基雷達(dá)的PRF設(shè)計(jì)[J].艦船電子對(duì)抗，2009，32（1）:89-91.

[11]王銳.雷達(dá)脈沖壓縮技術(shù)及其時(shí)頻分析研究[D].西安:西北工業(yè)大學(xué)，2004.

[12]李平，周原.基于FPGA和DDS技術(shù)的信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2014，22（10）:71-74.

[13]卜鋒，姜曉波.基于FPGA的線性調(diào)頻信號(hào)的脈沖壓縮處理[J].雷達(dá)與對(duì)抗，2016，36（1）：36-40.

[14]寧娜，王鵬.調(diào)頻步進(jìn)頻雷達(dá)信號(hào)處理關(guān)鍵技術(shù)研究[J].電子設(shè)計(jì)工程，2015，23（13）：1-4.

[15]徐玉芬.現(xiàn)代雷達(dá)信號(hào)處理的數(shù)字脈沖壓縮方法[J].現(xiàn)代雷達(dá)，2007，29（7）:61-64.

[16]于洪波，王國(guó)宏.一種高脈沖重復(fù)頻率雷達(dá)微弱目標(biāo)檢測(cè)跟蹤方法[J].電子與信息學(xué)報(bào)，2015，37（5）:1097-1103.

[17]吳玲，劉易勇，琚澤立.電快速瞬變脈沖群抗擾度的不確定度評(píng)定方法[J].陜西電力，2016（2）：58-61，67.

[18]郝憲鋒，成向陽(yáng).基于CPLD的雙通道高壓脈沖信號(hào)源[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2014（5）：37-39.