雷達(dá)系統(tǒng)中的信號(hào)處理技術(shù)

1、雷達(dá)系統(tǒng)中的信號(hào)處理技術(shù)摘要 本文介紹了雷達(dá)系統(tǒng)及雷達(dá)系統(tǒng)信號(hào)處理的主要內(nèi)容，著重介紹與分析了雷達(dá)系統(tǒng)信號(hào)處理的正交采樣、脈沖壓縮、MTD和恒虛警檢測幾種現(xiàn)代雷達(dá)技術(shù)，雷達(dá)系統(tǒng)通過脈沖壓縮解決解決雷達(dá)作用距離和距離分辨力之間的矛盾，通過MTD來探測動(dòng)目標(biāo)，通過恒虛警（CFAR）來實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)的檢測。關(guān)鍵詞 雷達(dá)系統(tǒng) 正交采樣 脈沖壓縮 MTD 恒虛警檢測1雷達(dá)系統(tǒng)概述 雷達(dá)是Radar（Radio Detection And Ranging）的音譯詞，意為“無線電檢測和測距”，即利用無線電波來檢測目標(biāo)并測定目標(biāo)的位置，這也是雷達(dá)設(shè)備在最初階段的功能。雷達(dá)的任務(wù)就是測量目標(biāo)的距離、方位和仰

2、角，還包括目標(biāo)的速度，以及從目標(biāo)回波中獲取更多有關(guān)目標(biāo)的信息。典型的雷達(dá)系統(tǒng)如圖1，它主要由雷達(dá)發(fā)射機(jī)、天線、雷達(dá)接收機(jī)、收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)、信號(hào)處理機(jī)、數(shù)據(jù)處理機(jī)、終端顯示等設(shè)備組成。圖 1雷達(dá)系統(tǒng)框圖隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、超大規(guī)模集成數(shù)字電路技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的告訴發(fā)展，現(xiàn)代雷達(dá)信號(hào)處理技術(shù)正在向著算法更先進(jìn)、更快速、處理容量更大和算法硬件化方向飛速發(fā)展，可以對(duì)目標(biāo)回波與各種干擾、噪聲的混疊信號(hào)進(jìn)行有效的加工處理，最大程度低剔除無用信號(hào)，而且在一定的條件下，保證以最大發(fā)現(xiàn)概率發(fā)現(xiàn)目標(biāo)和提取目標(biāo)的有用信息。雷達(dá)發(fā)射機(jī)產(chǎn)生符合要求的雷達(dá)波形，然后經(jīng)饋線和收發(fā)開關(guān)

3、由發(fā)射天線輻射出去，遇到目標(biāo)后，電磁波一部分反射，經(jīng)接收天線和收發(fā)開關(guān)由雷達(dá)接收機(jī)接收，然后對(duì)雷達(dá)回波信號(hào)依次進(jìn)行信號(hào)處理、數(shù)據(jù)處理，就可以獲知目標(biāo)的相關(guān)信息。雷達(dá)信號(hào)處理的流程如下：圖 2 雷達(dá)信號(hào)處理流程2雷達(dá)信號(hào)處理的主要內(nèi)容 雷達(dá)信號(hào)處理是雷達(dá)系統(tǒng)的主要組成部分。信號(hào)處理消除不需要的雜波，通過所需要的目標(biāo)信號(hào)，并提取目標(biāo)信息。內(nèi)容包括雷達(dá)信號(hào)處理的幾個(gè)主要部分：正交采樣、脈沖壓縮、MTD和恒虛警檢測。 正交采樣是信號(hào)處理的第一步，擔(dān)負(fù)著為后續(xù)處理提供高質(zhì)量數(shù)據(jù)的任務(wù)。采樣的速率和精度是需要考慮的首要問題，采樣系統(tǒng)引起的失真應(yīng)當(dāng)被限定在后續(xù)信號(hào)處理任務(wù)所要求的誤差范圍內(nèi)，直接中頻數(shù)字正交

4、采樣是當(dāng)代雷達(dá)的主要技術(shù)之一。脈沖壓縮技術(shù)在現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。脈沖壓縮雷達(dá)既能保持窄脈沖雷達(dá)的高距離分辨力，又能獲得脈沖雷達(dá)的高檢測力，并且抗干擾能力強(qiáng)?，F(xiàn)在，脈沖壓縮雷達(dá)使用的波形正在從單一的線性調(diào)頻發(fā)展到時(shí)間、頻率、編碼混合調(diào)制，在盡可能不增加整機(jī)復(fù)雜度的條件下實(shí)現(xiàn)雷達(dá)性能的提升。雜波抑制是雷達(dá)需要具備的重要功能之一。動(dòng)目標(biāo)指示與檢測是通過回波多普勒頻移的不同來區(qū)分動(dòng)目標(biāo)和固定目標(biāo)，通過設(shè)計(jì)合理的濾波器（組），就可以把目標(biāo)號(hào)和雜波分開。一個(gè)完備的雜波抑制系統(tǒng)MTD、雜波圖、CFAR檢測等技術(shù)的綜合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)從雜波和噪聲環(huán)境中檢測目標(biāo)任務(wù)。3雷達(dá)系統(tǒng)信號(hào)處理關(guān)鍵技術(shù)及分析3.1

5、數(shù)字正交相干檢波隨著數(shù)字電路技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)在高性能雷達(dá)等系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。在這些應(yīng)用中，對(duì)接收通道的要求越來越高，數(shù)字正交相干檢波技術(shù)成為了提高現(xiàn)代雷達(dá)性能的重要技術(shù)之一。傳統(tǒng)的模擬正交接收機(jī)由于模擬器件的不一致性，且受到環(huán)境溫度、電源電壓等影響較大，其I/Q通道存在較大的幅度和相位正交誤差，并因此嚴(yán)重影響雷達(dá)的整機(jī)性能。而基于直接中頻采樣的數(shù)字正交相干檢波技術(shù)具有鏡頻抑制比高、體積小、一致性好等優(yōu)點(diǎn)。它基于帶通信號(hào)采樣理論，在欠采樣情況下保證信號(hào)的有用頻譜不發(fā)生混疊，從而恢復(fù)得到正確的I/Q信號(hào)，因此得到了廣泛的應(yīng)用。正交雙通道處理就是中頻回波信號(hào)經(jīng)過兩個(gè)相似的支路分別處理

6、，其差別僅是其基準(zhǔn)的相參電壓相位差90°，這兩路稱為： 同相支路(Inphase  Channel)I支路 正交支路(Quadrature Channel)Q支路 傳統(tǒng)方法使用的是模擬正交雙通道處理，正交I、Q通道處理是將接收機(jī)輸出的中頻回波信號(hào)分別與正交的兩路相參信號(hào)混頻（采用模擬乘法器），然后進(jìn)行低通濾波，從而得到I、Q兩路基帶信號(hào)，再通過A/D變換給出同相分量和正交分量的數(shù)字量，如圖3所示：圖 3 正交雙通道采樣結(jié)構(gòu)圖正交雙通道處理的優(yōu)點(diǎn)(相對(duì)于單通道處理)： Ø （1）可區(qū)分±

7、，以確定目標(biāo)相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向； （2） 能消除盲相（單通道MTI時(shí)目標(biāo)多普勒信號(hào)的相位取樣對(duì)消導(dǎo)致零輸出）。3.2雷達(dá)脈沖壓縮技術(shù)雷達(dá)是通過對(duì)回波信號(hào)做一些相應(yīng)的處理來識(shí)別復(fù)雜回波中的有用信息的。因此，波形設(shè)計(jì)有著相當(dāng)重要的作用，不同的波形將影響雷達(dá)發(fā)射機(jī)形式的選擇、信號(hào)處理方式、雷達(dá)的作用距離及抗干擾、抗截獲等很多重要問題?，F(xiàn)代雷達(dá)為了提高雷達(dá)發(fā)射機(jī)平均功率，往往采取了時(shí)寬很寬的發(fā)射脈沖，脈寬甚至達(dá)到了若干毫秒。由雷達(dá)的模糊函數(shù)的概念可知，雷達(dá)的距離分辨率和發(fā)射信號(hào)的有效帶寬成反比，為了能達(dá)到要求的距離分辨力，必須提高發(fā)射信號(hào)的有效帶寬，常用的方法是采用脈沖壓縮處理方式。脈沖

8、壓縮技術(shù)可以獲得較大的時(shí)寬帶寬信號(hào)，使雷達(dá)同時(shí)具有作用距離遠(yuǎn)、高測距、高測速精度和好的距離、速度分辨率的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，在密集的有源電磁環(huán)境中，雷達(dá)之間的相互干擾會(huì)成為嚴(yán)重的問題。采用脈沖壓縮技術(shù)的雷達(dá)發(fā)射端可以采用不同的調(diào)制波形，接收端采用不同的匹配濾波器，從而減少了雷達(dá)之間的相互干擾。線形調(diào)頻信號(hào)是一種典型的脈沖壓縮信號(hào)，也是研究最早而又應(yīng)最廣泛的一種脈沖壓縮信號(hào)。它具有對(duì)目標(biāo)回波信號(hào)多普勒頻移不敏感，技術(shù)較成熟等優(yōu)點(diǎn)。但是為獲得低副瓣，需要加權(quán)，這樣會(huì)帶來信噪比損失。在數(shù)字信號(hào)處理方法廣泛應(yīng)用之前，常采用模擬脈壓方法。如今數(shù)字技術(shù)的不斷提高使得數(shù)字脈壓正在取代傳統(tǒng)的模擬脈壓方法。數(shù)字脈壓相當(dāng)

9、于FIR匹配濾波，濾波器系數(shù)就是對(duì)應(yīng)于發(fā)射的調(diào)頻信號(hào)的參考信號(hào)。脈沖壓縮有基于時(shí)域相關(guān)法和頻域FFT法兩種方式。采用頻域算法的優(yōu)點(diǎn)是大時(shí)寬信號(hào)時(shí)間可采用高效FFT算法，大大減少運(yùn)算量（時(shí)域FIR濾波器實(shí)現(xiàn)數(shù)字脈壓，對(duì)于N點(diǎn)長度的信號(hào)，需要進(jìn)行次復(fù)數(shù)乘法運(yùn)算，而頻域卷積法僅需要次復(fù)數(shù)乘法運(yùn)算）；采用專用FFT芯片，可實(shí)現(xiàn)大壓縮比和最佳性價(jià)比。但在小壓縮比、距離單元數(shù)較大時(shí)，相對(duì)于時(shí)域脈沖壓縮法成本較高，運(yùn)算過程較復(fù)雜。采用時(shí)域匹配濾波法，等效于求離散接受信號(hào)與發(fā)射波形理算樣本之間的負(fù)相關(guān)運(yùn)算，這種方法在壓縮比較小時(shí)，電路簡單，實(shí)現(xiàn)方便。 至于兩種方法的脈壓性能，研究表明：頻域處理方法得到的脈壓主

10、副比（RMS）指標(biāo)高于時(shí)域方法4dB以上，但時(shí)域處理方法得到的信噪比（SNR）損失要略小于頻域方法，而多普勒頻移（fd）對(duì)兩種方法的影響基本上一致。脈沖壓縮的目的是集中單個(gè)雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的所有能量，獲的最大輸出信噪比。方法是進(jìn)行匹配濾波，在接收機(jī)中設(shè)置一個(gè)與發(fā)射信號(hào)頻率相匹配的壓縮網(wǎng)絡(luò)，使經(jīng)過調(diào)制的寬脈沖的回波信號(hào)變成窄脈沖，保持良好的距離分辨力。 脈沖壓縮網(wǎng)絡(luò)實(shí)際上就是一個(gè)匹配濾波器網(wǎng)絡(luò)。匹配濾波器是指輸出信噪比最大準(zhǔn)則下的最佳線性濾波器。脈沖壓縮的程度用脈沖壓縮系數(shù)D表示，它定義為：D即壓縮后的脈沖寬度比發(fā)射脈沖寬度縮小的倍數(shù)，亦稱脈壓比。它是衡量脈壓處理的主要技術(shù)指標(biāo)之一。雷達(dá)脈

11、沖壓縮技術(shù)在今后的應(yīng)用中有著更為廣泛的前景。它是提高現(xiàn)代雷達(dá)在未來戰(zhàn)爭中競爭力的重要手段之一，在整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)中，發(fā)揮著及其重要的作用，同時(shí)，脈沖壓縮技術(shù)也是現(xiàn)代雷達(dá)信號(hào)處理技術(shù)的重要發(fā)展方向。3.3動(dòng)目標(biāo)檢測MTD MTD也就是一種相參積累和多普勒濾波的結(jié)合，相干積累的目的為：1、集中多個(gè)脈沖重復(fù)周期/調(diào)頻周期內(nèi)雷達(dá)發(fā)射的所有信號(hào)所有能量，獲取最大輸出信噪比。2、減小目標(biāo)RCS起伏對(duì)目標(biāo)檢測的影響。 動(dòng)目標(biāo)檢測（MTD）即Moving Target Detection，根據(jù)最佳線性濾波理論，在雜波背景下檢測運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波，除了雜波抑制濾波器外，還應(yīng)串接有對(duì)脈沖串信號(hào)匹配的濾波器。 MTD利用了回

12、波脈沖串的相參性進(jìn)行相參積累。實(shí)際工作中，采用一組相鄰且部分重疊的濾波器組覆蓋整個(gè)多普勒頻率范圍，這就是窄帶多普勒濾波器組。N個(gè)相鄰的多普勒濾波器組的實(shí)現(xiàn)是由N個(gè)輸出的橫向?yàn)V波器（N個(gè)脈沖和N-1根遲延線）經(jīng)過各脈沖不同的加權(quán)并求和后形成的。結(jié)構(gòu)如圖4：圖 4 MTD濾波器組成框圖圖 5 MTD濾波器頻率響應(yīng)N=8設(shè)加在第k個(gè)濾波器的第i個(gè)輸出端頭的加權(quán)值為： -= k表示標(biāo)號(hào)從0到N-1的濾波器，每一個(gè)k值對(duì)應(yīng)一組不同的加權(quán)值，相應(yīng)地對(duì)應(yīng)一個(gè)不同的多普勒濾波器響應(yīng)。圖5中所示濾波器響應(yīng)是N=8時(shí)加權(quán)所得各標(biāo)記k的濾波器頻率響應(yīng)，k取07。該濾波器的頻率覆蓋范圍為0到

13、60;fr 。 在仿真實(shí)驗(yàn)中，通常是通過快速傅里葉變換FFT來實(shí)現(xiàn)的。動(dòng)目標(biāo)檢測是為了彌補(bǔ)MTI的缺陷，并根據(jù)最佳濾波器理論發(fā)展起來的。由于MTI對(duì)地物雜波的抑制能力有限，因此在MTI后串接一窄帶多普勒濾波器組來覆蓋整個(gè)重復(fù)濾波的范圍，以達(dá)到動(dòng)目標(biāo)檢測的目的，其實(shí)質(zhì)是相當(dāng)于對(duì)不同通道進(jìn)行相參積累處理。3.4恒虛警檢測CFAR 恒虛警是雷達(dá)信號(hào)處理的的重要組成部分，雷達(dá)信號(hào)的檢測總是在干擾背景下進(jìn)行的，這些干擾包括接收機(jī)內(nèi)部的熱噪聲，以及地物、雨雪、海浪等雜波干擾。在自動(dòng)檢測系統(tǒng)中，對(duì)于一定的檢測門限，如果干擾電頻增大了幾分貝，將大量的增大虛警概率。這時(shí)即使有足夠大

14、的信噪比，也不可能做出正確的判斷。因此，在強(qiáng)干擾中提取信號(hào)，不僅要求有一定的信噪比，而且必須有恒虛警處理設(shè)備。恒虛警處理目的是保持信號(hào)檢測時(shí)的虛警概率恒定，這樣才能使處理器不致因虛警太多而過載，有時(shí)是為了經(jīng)過虛警處理達(dá)到反飽和或損失一點(diǎn)檢測能力而在強(qiáng)干擾的情況下仍能工作的目的。黨門限VT確定后，由于噪聲電平的變化，將明顯的改變虛警概率。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)指出，恒虛警處理一般是不能提高信噪比的，相反在處理過程中還會(huì)使信噪比有不同程度的損失，即通常稱為恒虛警率損失。因?yàn)楹闾摼幚硎怯糜邢迋€(gè)參考單元來估計(jì)雜波干擾的平均功率，由于參考單元有限，引起平均估計(jì)產(chǎn)生起伏，單元數(shù)越少，起伏越大。檢測門限一定時(shí)，噪聲起伏

15、加大將引起虛警概率的增加，如果要維持輸出恒虛警概率不變，則應(yīng)根據(jù)參考單元數(shù)適當(dāng)?shù)奶岣邫z測門限，這是要保持原來的檢測概率，必須要提高輸入的信噪比，這個(gè)所需的信噪比稱為恒虛警損失Lcfar。在進(jìn)行恒虛警處理時(shí)，根據(jù)處理對(duì)象的不同分為慢門限恒虛警和快門限恒虛警。在對(duì)雷達(dá)回波信號(hào)作了脈沖壓縮、MTI、MTD濾波后，接著就要對(duì)目標(biāo)的存在進(jìn)行判決：過門限檢測。這里采用的恒虛警概率檢測，即CFAR，將檢測門限計(jì)算成使雷達(dá)接收機(jī)能保持恒定的預(yù)定虛警率。檢測的原則如下:圖 6 CFAR檢測原理圖恒虛警檢測的重點(diǎn)就是確定恒虛警檢測的門限。下式給出了門限值和虛警概率之間的關(guān)系：其中，為噪聲的功率，由于噪聲的功率是一直變化的，為了保持恒定的虛警概率，必須依據(jù)噪聲方差的估計(jì)連續(xù)更新門限值。連續(xù)改變門限值以保持恒定虛警概率的過程叫做恒虛警概率（CFAR）。4結(jié)語隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、超大規(guī)模集成數(shù)字電路技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的告訴發(fā)展，現(xiàn)代雷達(dá)信號(hào)處理技術(shù)正在向著算法更先進(jìn)、更快速、處理容量更大和算法硬件化方向飛速發(fā)展，可以對(duì)目標(biāo)回波與各種干擾、噪聲的混疊信號(hào)進(jìn)行有效的加工處理，最大程度低剔除無用信號(hào)，而且在一定的條件下，保證以最大發(fā)現(xiàn)概率發(fā)現(xiàn)