雷达线性调频信号的脉冲压缩处理
一种线性调频信号超低旁瓣脉冲压缩方法
一种线性调频信号超低旁瓣脉冲压缩方法李涛【摘要】雷达脉冲压缩希望具有超低距离旁瓣的特征,线性调频信号采用加窗方式可达到约-35 dB的距离旁瓣电平.基于超低旁瓣电平信号设计方法,在不考虑信噪比损失条件下,提出了一种新的超低旁瓣的脉冲压缩方法,基本思想是针对给定线性调频信号,频率滤波权值采用超低频旁瓣频域信号与线性调频信号频域的比值,可以将接收端旁瓣电平输出最低到-120 dB.同时,从理论上和数值结果中分析了信噪比损失、延迟敏感性等问题.%A radar system desires low range sidelobes and Linear Frequency Modulated(LFM) waveforms can reach a-35 dB Peak Sidelobe Level(PSL) with a window in range compression. Based on a waveform design method for extraordinarily-low range sidelobes and ignorant of signal-to-noise ratio(SNR) loss, this paper proposes a novel range compression method for extraordinarily-low range sidelobes. The concept is to use a range compression weight as the ratio of the frequency domain signal to the LFM frequency do-main,yielding a -120dB sidelobe output. The SNR loss and sensitivity to delay are also analyzed accord-ing to theory and numerical simulations.【期刊名称】《电讯技术》【年(卷),期】2018(058)005【总页数】7页(P545-551)【关键词】线性调频信号;脉冲压缩;超低旁瓣【作者】李涛【作者单位】中国电子科技集团公司航空电子信息系统技术重点实验室,成都610036【正文语种】中文【中图分类】TN957.511 引言雷达通过发射信号和接收信号工作，为了解决发射信号能量与目标距离分辨率之间的矛盾，大时宽带宽积信号受到广泛重视，比如线性调频(Linear Frequency Modulation,LFM)信号[1]。
脉冲压缩
“雷达原理”作业报告西安电子科技大学2011年11月摘要简单介绍了脉冲压缩技术的原理和类型，并对线性调频脉冲压缩进行了详细的分析推导。
引言雷达是通过对回波信号进行接收再作一些检测处理来识别复杂回波中的有用信息的。
其中，波形设计有着相当重要的作用，它直接影响到雷达发射机形式的选择"信号处理方式"雷达的作用距离及抗干扰"抗截获等很多重要问题。
现代雷达中广泛采用了脉冲压缩技术。
脉冲压缩雷达常用的信号有线性调频信号和二相编码信号。
脉冲压缩雷达具有高的辐射能量和高的距离分辨力，这种雷达具有很强的抗噪声干扰和欺骗干扰的性能。
对线性调频信号有效的干扰方式是移频干扰(对二相编码信号较有效的干扰方式是距离拖引干扰。
1脉冲压缩简介雷达的基本功能是利用目标对电磁波的散射而发现目标，并测定目标的空间位置。
雷达分辨力是雷达的主要性能参数之一。
所谓雷达分辨力是指在各种目标环境下区分两个或两个以上的邻近目标的能力。
一般说来目标距离不同、方位角不同、高度不同以及速度不同等因素都可用来分辨目标，而与信号波形紧密联系的则是距离分辨力和速度(径向)分辨力。
两个目标在同一角度但处在不同距离上，其最小可区分的距离称为距离分辨力，如图1．1所示，雷达的距离分辨力取决于信号带宽。
对于给定的雷达系统，可达到的距离分辨力为B c r 2=δ式中，c 为光速，B=f ∆可为发射波形带宽。
图1．1脉冲压缩雷达原理示意图雷达的速度分辨力可用速度分辨常数表征，信号在时域上的持续宽度越大，在频域上的分辨能力就越好，即速度分辨力越好。
对于简单的脉冲雷达，B=f ∆=1／τ，此处，τ为发射脉冲宽度。
因此，对于简单的脉冲雷达系统，将有τδ2c r =在普通脉冲雷达中，由于雷达信号的时宽带宽积为一常数(约为1)，因此不能兼顾距离分辨力和速度分辨力两项指标。
雷达对目标进行连续观测的空域叫做雷达的探测范围，也是雷达的重要性能参数，它决定于雷达的最小可测距离和最大作用距离，仰角和方位角的探测范围。
线性调频(LFM)信号脉冲压缩仿真
随机信号处理实验————线性调频（LFM）信号脉冲压缩仿真姓名：***学号： **********一、实验目的：1、了解线性FM 信号的产生及其性质；2、熟悉MATLAB 的基本使用方法；3、利用MATLAB 语言编程匹配滤波器。
4、仿真实现FM 信号通过匹配滤波器实现脉压处理，观察前后带宽及增益。
5、步了解雷达中距离分辨率与带宽的对应关系。
二、实验内容：1、线性调频信号线性调频矩形脉冲信号的复数表达式为：()()2001222j f t j f t ut lfmt t u t Arect S e e ππτ⎛⎫+ ⎪⎝⎭⎛⎫== ⎪⎝⎭ ()211,210,2j ut t t t u t Arect rect t e πττττ⎧≤⎪⎪⎛⎫⎛⎫==⎨ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎪>⎪⎩为信号的复包络，其中为矩形函数。
0u f τ式中为脉冲宽度,为信号瞬时频率的变化斜率，为发射频率。
当1B τ≥（即大时宽带宽乘积）时，线性调频信号特性表达式如下：0()LFM f f f B S -⎛⎫=⎪⎝⎭幅频特性： 20()()4LFM f f f u ππφ-=+相频特性：20011222i d f f t ut f ut dt ππ⎡⎤⎛⎫=+=+ ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦信号瞬时频率：程序如下：%%产生线性调频信号T=10e-6; %脉冲宽度B=400e6; %chirp signal 频带宽度400MHz K=B/T; %斜率Fs=2*B;Ts=1/Fs; %采样频率与采样周期N=T/Ts %N=8000t=linspace(-T/2,T/2,N); %对时间进行设定St=exp(j*pi*K*t.^2) %产生chirp signalfigure;subplot(2,1,1);plot(t*1e6,real(St));xlabel('Time in u sec');title('线性调频信号');grid on;axis tight;subplot(2,1,2)freq=linspace(-Fs/2,Fs/2,N); %对采样频率进行设定plot(freq*1e-6,fftshift(abs(fft(St))));xlabel('Frequency in MHz');title('线性调频信号的幅频特性');grid on;axis tight;Matlab 程序产生chirp 信号，并作出其时域波形和幅频特性，如图：2、匹配滤波器在输入为确知加白噪声的情况下，所得输出信噪比最大的线性滤波器就是匹配滤波器，设一线性滤波器的输入信号为)(t x ：)()()(t n t s t x +=其中：)(t s 为确知信号，)(t n 为均值为零的平稳白噪声，其功率谱密度为2/No 。
脉冲压缩技术在雷达信号处理中的应用
脉冲压缩技术在雷达信号处理中的应用雷达简介雷达是Radar（RAdio Detection And Ranging）的音译词，意为“无线电检测和测距”，即利用无线电波来检测目标并测定目标的位置，这也是雷达设备在最初阶段的功能。
发射电磁波对目标进行照射并接收其回波，由此获得目标至电磁波发射点的距离、距离变化率（径向速度）、方位、高度等信息。
它主要由发射机，天线，接收机，数据处理，定时控制，显示等设备组成。
利用雷达可以获知目标的有无，目标斜距，目标角位置，目标相对速度等。
现代高分辨雷达扩展了原始雷达概念，使它具有对运动目标(飞机，导弹等)和区域目标(地面等)成像和识别的能力。
通过前段的学习，我们学习了雷达的简史，发射机，接收机，显示器等。
对其工作原理有了大致了解。
在第二章中我们学习了雷达的常用信号形式，有简单脉冲，脉冲压缩，连续被等等。
当雷达发射一个脉冲后一段时间，接收机会接收到回波，其探测距离为R=CTr/2。
Tr为发射脉冲周期，当两个回波脉冲相接处时将会出现分辩模糊，其距离分辨率为 Ct/2，t为脉冲宽度。
我们发现，t越大则雷达探测距离也越大，此时需要t越大越好。
然而t越大将造成雷达分辨能力的降低，产生矛盾。
为了解决这个问题，引入脉冲压缩技术。
脉冲压缩技术1.问题引出雷达不仅要对目标位置，速度信息提取，同时要对目标进行分析和识别，这要求雷达发射的信号具有大的带宽。
脉冲压缩雷达能同时提高雷达的作用距离和距离分辨率，这种体制采用宽脉冲以提高发射的功率，增加雷达的探测距离，接收时采用脉冲压缩技术获得窄脉冲，以提高分辨率。
很好的解决了雷达作用距离和分辨率之间的矛盾。
2.脉冲压缩技术原理随着雷达应用的不断扩大，对雷达的作用距离，分辨精度等的要求相应提高。
增大雷达作用距离可以提高其脉宽或峰值功率，但由于发射管的限制，增大功率往往不容易，于是可以用增大脉冲宽度的方法。
对于恒定载频单脉冲信号，脉宽的增大意味着带宽的减小，B=1/T。
脉冲压缩
公式 2
2
变化到 2f 0
2
。
匹配滤波器是指输出信噪比最大准则下的最佳线性滤波器。根据匹配理论， 匹配滤波器的传输特性：
H ( ) KS * ( )e jt0
其中， K 为幅度归一化常数， S ( ) 为信号 S ( ) 的复共轭。传输特性 H ( )
*
公式 3
还可用它的冲激响应 h(t ) 来表示（时域表示） ：
图 3 回波信号
1）MATLAB 中时域脉压与频域脉压结果及其差别
图 4 回波信号的时域压缩
图 5 回波信号的频域压缩
图 6 时频域脉压差别
5
从上面三幅图可以看出，时频域脉压结果差别很小，绝对误差停留在 10-13 数量级上。其实， 二者结果应该是相等的。由于 MATLAB 与 DSP 软件处理平台及编程函数的计算精度和中间结果 处理的差异，才出现以上很小的误差。由数字信号处理理论，M 点时域离散信号与 N 点时域离散 信 号 做 线 性 卷 积 后 的信 号 长 度 为 N+M-1 。 设 a(n) ， b(n) 为 数 字 信 号 ， 长 度 分别 为 M 和 N ， A(k)=DFT(a(n)); B(k)=DFT(b(n));如果 A(k), B(k)的长度 L≥N+M-1，则 a(n)*b(n)=IDFT(A(k)×B(k))。 回波数据 echo 长为 7680 点，脉压系数 coeff 长为 84 点，N+M-1=7680+84-1=7763，取 L=8192，对 回波数据、脉压系数做 FFT 完全可以还原时域数据，实现脉冲压缩。 2）时频域脉压处理时间的比较 经统计，在 DSP 上频域脉压处理（从 FFT 到 IFFT）的时钟数为 2560923。 设两个卷积的序列长度分别为 M 和 N，且 N>M，则卷积乘加运算次数总和为 NM，而 N 点 FFT 的运算量为 N/2log2N 次复数乘加运算。当序列长度 N、M 很大时，频域的总运算量将大大低 于时域 的运算量。在本实验中，回波数据的长度 N=7680，脉压系数长度 M=84，时域脉压的运算 量为 N×M=7680×84×4=2580480 次实数乘加运算。 由于 L>N+M-1， 将 x(n)， h(n)分别补 L-N 和 L-M 个零变成两个长度均为 L 的序列 xL(n)、hL(n)，分别做 L 点 FFT，点积后再做逆 FFT，可以实现频 域脉压。频域脉压做了三次 L 点 FFT 和 L 点的点积运算，其运算量为 4×8192×log28192=393216 次 实数乘加运算和 4×8192 次实数乘运算。可以看出，用频域脉压节省了 84.6% 的运算量，当序列长 度很大时，用 FFT 进行运算的优势更明显。 3）MATLAB 与 DSP 处理结果的比较
线性调频信号的脉冲压缩处理性能研究
线性调频信号的脉冲压缩处理性能研究朱若菡，任腊梅，李增元(陕西黄河集团有限公司设计所，陕西西安 710043)摘要：线性调频信号以其优良的性能成为现代雷达中普遍使用的脉冲压缩波形，本文通过理论分析和仿真实验，对线性调频信号的脉冲压缩性能进行了研究，给 出了影响处理性能的关键因素。
关键词：线性调频信号；脉冲压缩；主副比；主瓣宽度1引言对于现代战争的雷达，如何从复杂的杂波和噪声背景中提取信号目标的信息成为现代雷 达研究的一个重要部分，雷达信号处理的关键在于设法提高回波信号的功率信噪比。
在普通 脉冲雷达中，雷达的时宽带宽积为一常量，不能兼顾距离分辨力和速度分辨力两项指标。
脉冲 压缩（PC )雷达体制，采用宽脉冲发射以提高发射的平均功率保证足够大的作用距离，而在接 收时则采用相应的脉冲压缩法获得窄脉冲，以提高距离分辨力，因而能较好地解决作用距离和 分辨力之间的矛盾。
现代雷达通常可以采用发射大时宽带宽的信号进行脉冲压缩的方法来提 髙信噪比，脉冲压缩是对信号进行信噪比放大的重要手段。
线性调频脉冲信号具有近似矩形 的频谱特性、平方律的相频特性和可以选择的”时宽带宽乘积"，通过压缩可提供良好的距离分 辨力和径向速度分辨力，因而成为目前雷达信号采用的主要波形。
本文通过对线性调频信号 脉冲压缩处理过程的理论分析和仿真实验，研究其对系统的影响。
2线性调频信号的脉压原理2.1线性调频信号一个线性调频信号可表示为如下公式（1)所示：i .(f ) = A .咐(十).exp 丨j (2丌/〇Z + 亨■)公式⑴中：A 为信号幅度;"为调频斜率加[f ]为矩形函数:>12. 2 主副瓣比(1)(2)线性调频信号经过压缩滤波器后输出脉冲具有Sine 包络，有较大的时间旁瓣，其中第一 旁瓣高度为一 13. 6dB ，其他旁瓣按固定零点间隔高度有所衰减。
这样在多目标情况下，旁瓣会覆盖主瓣附近较小目标的回波信号，造成目标丢失或者不可检测。
lfm信号脉冲压缩的处理过程
lfm信号脉冲压缩的处理过程
LFM（线性调频）信号脉冲压缩的处理过程如下：
1. 发射LFM线性调频信号。
该信号的频率会随时间线性变化，例如从起始频率到终止频率呈线性增加或减小。
2. 信号遇到目标后，目标会回波，产生返回信号。
3. 由于LFM信号具有宽带特性，在接收到的目标回波中，不同距离的目标回波可能会在时间域上存在混叠现象。
4. 利用接收到的目标回波与原始发射信号进行相关运算，得到一个衰减的压缩脉冲。
5. 通过滤波去噪声和杂散信号，得到经过压缩处理的目标回波。
脉冲压缩可以减小目标回波在时间域的宽度，从而提高信号的空间分辨率；同时可以增加接收到的目标回波的信噪比，提高目标检测的能力。
在实际应用中，脉冲压缩通常会涉及到一系列的信号处理操作，如乘积运算、滤波等。
这些操作可根据具体需求和系统特性进行调整和优化，以获得更好的脉冲压缩效果。
雷达线性调频信号的脉冲压缩处理
题目：雷达线性调频信号的脉冲压缩处理线性调频脉冲信号，时宽10us ，带宽40MHz ，对该信号进行匹配滤波后，即脉压处理，脉压后的脉冲宽度为多少？用图说明脉压后的脉冲宽度，内差点看4dB 带宽，以该带宽说明距离分辨率与带宽的对应关系。
分析过程：1、线性调频信号（LFM ）LFM 信号(也称Chirp 信号)的数学表达式为：式中c f 为载波频率，()t rect T为矩形信号， 上式中的up-chirp 信号可写为：当TB>1时，LFM 信号特征表达式如下：对于一个理想的脉冲压缩系统，要求发射信号具有非线性的相位谱，并使其包络接近矩形；其中)(t S 就是信号s(t)的复包络。
由傅立叶变换性质，S(t)与s(t)具有相同的幅频特性，只是中心频率不同而已。
因此，Matlab 仿真时，只需考虑S(t)。
以下Matlab 程序产生S(t)，并作出其时域波形和幅频特性，程序如下：T=10e-6; %脉冲时宽 10usB=40e6; %带宽 40MHzK=B/T;Fs=2*B;Ts=1/Fs;N=T/Ts;t=linspace(-T/2,T/2,N);St=exp(j*pi*K*t.^2);subplot(211)plot(t*1e6,St);xlabel('t/s');title('线性调频信号');grid on;axis tight;subplot(212)freq=linspace(-Fs/2,Fs/2,N);plot(freq*1e-6,fftshift(abs(fft(St))));xlabel('f/ MHz');title('线性调频信号的幅频特性');grid on;axis tight;仿真波形如下：图2：LFM 信号的时域波形和幅频特性2、匹配滤波器：在输入为确知加白噪声的情况下，所得输出信噪比最大的线性滤波器就是匹配滤波器，设一线性滤波器的输入信号为)(t x ：其中：)(t s 为确知信号，)(t n 为均值为零的平稳白噪声，其功率谱密度为2/No 。
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题目 ： 雷达线性调频信号的脉冲压缩处理
线性调频脉冲信号，时宽 10us ，带宽 40MHz ，对该信号进行匹配滤波后，即脉压处理，脉压后 的脉冲宽度为多少？用图说明脉压后的脉冲宽度， 内差点看 4dB 带宽，以该带宽说明距离分辨 率与带宽的对应关系。
分析过程：
1、线性调频信号( LFM )
LFM 信号(也称 Chirp
对于一个理想的脉冲压缩系统， 要求发射信号具有非线性的相位谱， 并使其包络接近矩形； 其中 S(t) 就是信号 s(t) 的复包络。
由傅立叶变换性质， S(t) 与 s(t) 具有相同的幅频特性，只 是中心频率不同而已。
因此， Matlab 仿真时，只需考虑 S(t) 。
以下 Matlab 程序产生 S(t) ， 并作出其时域波形和幅频特性，程序如下： T=10e-6; % 脉冲时宽 10us B=40e6; % 带宽 40MHz K=B/T;
Fs=2*B;Ts=1/Fs; N=T/Ts; t=linspace(-T/2,T/2,N); St=exp(j*pi*K*t.^2); subplot(211) plot(t*1e6,St); xlabel('t/s');
title(' 线性调频信号 '); grid on;axis tight;
subplot(212) freq=linspace(-Fs/2,Fs/2,N); plot(freq*1e-6,fftshift(abs(fft(St)))); xlabel('f/ MHz');
信号)的数学表达式为：
式中 f c 为载波频率， rect
s(t) rect( t
)e
为矩形信号 ，
j2 (f c t 2t )
rect(T t )
0,
t T el se
上式中的 up-chirp 信号可写为 ：
s(t)
当 TB>1时， LFM 信号特征表达式如下：
S(t)e
j2 fct
S
LFM ( f )
k
2rect ( f B f c ) LFM ( f )
(f
f c )
4
S(t)
rect (T t )e j
Kt
title(' 线性调频信号的幅频特性'); grid on;axis tight;
仿真波形如下：
图2：LFM信号的时域波形和幅频特性
2、匹配滤波器：在输入为确知加白噪声的情况下，所得输出信噪比最大的线性滤波器就是匹配滤波器，
设一线性滤波器的输入信号为x(t) ：
x(t) s(t) n(t)
其中：s(t)为确知信号，n(t)为均值为零的平稳白噪声，其功率谱密度为No/2。
设线性滤波器系统的冲击响应为h(t)，其频率响应为H ( )，其输出响应：
y(t) s o(t) n o(t)
白噪声条件下，匹配滤波器的脉冲响应：
h(t) ks* (t o t)
如果输入信号为实函数，则与s(t) 匹配的匹配滤波器的脉冲响应为：
h(t) cs(t o t)
c 为滤波器的相对放大量，一般c 1 。
匹配滤波器的输出信号：
s o(t) s o(t)*h(t) kR(t t o) 匹配滤波器的输出波形是输入信号的自相关函数的 c 倍，因此匹配滤波器可以看成是一个计算输入信号自相关函数的相关器，通常c=1。
3、LFM信号的脉冲压缩窄脉冲具有宽频谱带宽，如果对宽脉冲进行频率、相位调制，它就可以具有和窄脉冲相同的带宽，假设LFM信号的脉冲宽度为T，由匹配滤波器的压缩后，带宽就变为，且T D 1，这个过程就是脉冲压缩。
信号s(t) 的匹配滤波器的时域脉冲响应为：
h(t) s* (t o t) 3.1
t 0是使滤波器物理可实现所附加的时延。
理论分析时，可令t0 ＝0，重写3.1 式，
h(t) s* ( t)
将3.1 式代入2.1 式得:
图3 LFM信号的匹配滤波
下各图为经过脉冲压缩输出的线性调频信号(模拟雷达回波信号)的matlab 仿真结果：波
形参数脉冲宽度T=10 s ，载频频率f c =0hz，脉冲宽度B=400Mhz
匹配滤波器程序如下：
T=10e-6; B=40e6;
Rmin=8500;Rmax=11500; R=[9000,10000,10200];
RCS=[1 1 1 ]; C=3e8; K=B/T;
Rwid=Rmax-Rmin; Twid=2*Rwid/C; Fs=5*B;Ts=1/Fs; Nwid=ceil(Twid/Ts);
t=linspace(2*Rmin/C,2*Rmax/C,Nwid); M=length(R); td=ones(M,1)*t-2*R'/C*ones(1,Nwid);
Srt1=RCS*(exp(1i*pi*K*td.^2).*(abs(td)<T/2)); Srt=Srt1;
Nchirp=ceil(T/Ts); Nfft=2^nextpow2(Nwid+Nwid-1); Srw=fft(Srt,Nfft); Srw1=fft(Srt1,Nfft); t0=linspace(-T/2,T/2,Nchirp); St=exp(1i*pi*K*t0.^2);
Sw=fft(St,Nfft); Sot=fftshift(ifft(Srw.*conj(Sw))); Sot1=fftshift(ifft(Srw1.*conj(Sw))); N0=Nfft/2-Nchirp/2; Z=abs(Sot(N0:N0+Nwid-1)); figure subplot(211) plot(t*1e6,real(Srt)); axis tight; xlabel('us');ylabel(' 幅度') title([' 线性调频信号压缩前']); subplot(212) plot(t*C/2,Z) xlabel('Range in meters');ylabel('
幅度')
title(['
线性调频信号压缩后']); 仿真波形如下：
仿真表明，线性调频信号经匹配滤波器后脉冲宽度被大大压缩
4、分辨率(Resolution) 仿真改变两目标的相对位置，可以分析线性调频脉冲压缩雷达的分辨率。
仿真
程序默认参数的距离分辨率为：
下图为分辨率仿真结果，可做如下解释：
图为单点目标压缩候的波形；
(a) 图中，两目标相距2m，小于R，因而不能分辨；
(c) 图中，两目标相距3.75m，等于R，实际上是两目标的输出sinc 包络叠加，可以看到他们的副瓣相互抵消；
(d) 图中，两目标距离大于雷达的距离分辨率，主瓣变宽，直至能分辨出两目标。
C
2B
3 108
2 40 106=3.75。