通用化雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)的參數(shù)化仿真設(shè)計(jì)研究*

景　志　楊立永　張國(guó)兵

(91336部隊(duì)　秦皇島　066326)

?

通用化雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)的參數(shù)化仿真設(shè)計(jì)研究*

景志楊立永張國(guó)兵

(91336部隊(duì)秦皇島066326)

摘要論文主要以線性調(diào)頻脈沖壓縮雷達(dá)為例進(jìn)行雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)的建模與仿真,為了降低雷達(dá)信號(hào)處理的數(shù)據(jù)量,提高雷達(dá)信號(hào)處理運(yùn)行速率,提出了用參數(shù)化實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理系統(tǒng)仿真的方法,同時(shí)給出了參數(shù)化仿真的參數(shù)選取依據(jù)分析。參數(shù)化仿真因?yàn)榫?jiǎn)了很多雷達(dá)信號(hào)處理過程,所以運(yùn)算速度很快,對(duì)于實(shí)現(xiàn)通用化的雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)模擬是一種可取的方法。

關(guān)鍵詞雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng); 信號(hào)流仿真; 參數(shù)化仿真; 通用化

Parametric Simulation Design Research of Versatile Radar Signal Processing System

JING ZhiYANG LiyongZHANG Guobing

(No. 91336 Troops of PLA, Qinhuangdao066326)

AbstractThe paper takes the chirp radar as an example to model and simulate radar signal processing system. The parametric simulation method of radar signal processing system is gived out, for what data stream of radar signal processing is decreased, and velocity of radar signal processing is improved. At the same time the parameter of parametric simulation based on selecting analysis is gived out. Because radar signal processing is greatly simplified, the velocity of parametric simulation processing is rapid. It is a feasible method for the realization of versatile radar signal processing system.

Key Wordsradar signal processing system, signal simulation, parametric simulation, versatile

Class NumberTP391.9

1引言

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展,雷達(dá)系統(tǒng)仿真技術(shù)有了很大的發(fā)展,其中雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)越來越向著通用化的方向發(fā)展。根據(jù)仿真應(yīng)用目的的不同,雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)可以采用信號(hào)流方式進(jìn)行仿真,也可以對(duì)信號(hào)處理進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。本文通過精簡(jiǎn)信號(hào)處理過程,提出了通用化雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)的參數(shù)化仿真設(shè)計(jì)方法。

2目標(biāo)回波模擬

2.1雷達(dá)發(fā)射信號(hào)

雷達(dá)信號(hào)采用線性調(diào)頻。具體實(shí)現(xiàn)的信號(hào)為:

(1)

其中雷達(dá)重復(fù)周期T=1ms,選擇在中頻進(jìn)行回波模擬,具體的中心頻率f=30MHz;調(diào)制帶寬B=5MHz;脈沖寬度選擇為τ=0.1ms;則調(diào)制斜率μ=2πB/τ;初相位0;假設(shè)發(fā)射瞬時(shí)功率為1W。

2.2目標(biāo)模型

(2)

(3)

在這種模型下,接收到的回波脈沖與脈沖之間的起伏是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的。

2.3雜波模型

采用對(duì)數(shù)正態(tài)分布建立雜波模型。假設(shè)雜波分布在30km外的連續(xù)20個(gè)雷達(dá)距離分辨單元內(nèi),我們得到的單周期雜波信號(hào)幅度如表1所示。

表1　單周期20個(gè)距離單元的雜波回波幅度

3參數(shù)化形式的信號(hào)處理仿真

3.1目標(biāo)回波模擬

參數(shù)化仿真中,回波模擬的工程簡(jiǎn)化并不是很多,依然要按照各種模型產(chǎn)生一些數(shù)據(jù),具體過程和信號(hào)流的模擬差不多。但是產(chǎn)生的并不是波形數(shù)據(jù),而是參數(shù),最后根據(jù)這些數(shù)據(jù)模擬出回波波形。在參數(shù)化處理中,目標(biāo)的參數(shù)與格式可以根據(jù)系統(tǒng)的要求來設(shè)定,例如:距離、方位角、俯仰角、幅度等。雜波可以當(dāng)成是目標(biāo),參數(shù)的格式也與目標(biāo)相同。對(duì)于欺騙式干擾,格式也是一樣,不過,角度信息要省略(取決于進(jìn)入波束的位置),假目標(biāo)最終的方位、俯仰完全與天線主瓣指向一致。對(duì)于干擾信號(hào),其參數(shù)可能會(huì)比較多,比如干擾機(jī)的距離,干擾機(jī)的姿態(tài),信號(hào)極化方式等,這些也要根據(jù)系統(tǒng)要求來設(shè)定。欺騙式干擾一般是把偵察機(jī)偵收到的脈沖進(jìn)行延時(shí)轉(zhuǎn)發(fā),也可能做些處理,加入其他的欺騙手段。那么延時(shí)其實(shí)就是距離上的變化,可以根據(jù)延時(shí),對(duì)重復(fù)周期取模,換算出假目標(biāo)在重復(fù)周期的位置,即距離。

3.2方向圖

在參數(shù)化處理模式中,方向圖用函數(shù)近似,本文用辛克函數(shù)來運(yùn)算,根據(jù)目標(biāo)、雜波、干擾機(jī)的角度與雷達(dá)主瓣指向的差值應(yīng)用公式進(jìn)行計(jì)算加權(quán)值,這樣可實(shí)現(xiàn)參數(shù)的可變性。在參數(shù)化仿真過程中,判斷干擾的主天線增益與輔助天線增益的值大小,如果輔助天線的值大于主天線的值,可以根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)定決定是否采取旁瓣對(duì)消,或者旁瓣消隱,做旁瓣對(duì)消就將加權(quán)值直接相減,做旁瓣消隱可直接關(guān)閉主通道,參數(shù)幅度全部置零。

3.3數(shù)字脈沖壓縮

脈沖壓縮過程簡(jiǎn)化為計(jì)算脈壓增益,調(diào)整脈沖位置,對(duì)輸出脈沖幅度加權(quán)。線性調(diào)頻信號(hào)脈沖壓縮增益理論值為

(4)

對(duì)于脈沖壓縮來說,脈壓增益應(yīng)該與理論增益基本相等,在進(jìn)行參數(shù)化處理時(shí),直接取理論值對(duì)信號(hào)幅度進(jìn)行加權(quán)即可。但是對(duì)于干擾信號(hào),要作不同的處理,前面討論的是干擾信號(hào)與目標(biāo)回波信號(hào)完全相同的情況,即所有干擾信號(hào)特征都與目標(biāo)回波一致,但這只是理想狀態(tài)。現(xiàn)實(shí)中的欺騙式干擾信號(hào)還是與目標(biāo)回波信號(hào)有一定的差別,其中最可能出現(xiàn)不同的就是頻率,所以下面對(duì)假目標(biāo)頻率與目標(biāo)回波不同的情況作以討論。

設(shè)匹配濾波器輸入為si(t),匹配濾波器為h(t),輸出為so(t)則輸出關(guān)系式為

(5)

而匹配濾波器的脈沖響應(yīng)h(t)=ksi(to-t),故

h(t-x)=ksi[x-(t-to)]

(6)

(7)

經(jīng)過積分得到脈壓結(jié)果的隱式如下:

(8)

其中t′=t-to(to為匹配濾波器的物理延時(shí)),|t′|≤τ。從上式可以看出線性調(diào)頻信號(hào)經(jīng)過脈沖壓縮后的輸出信號(hào)是一個(gè)固定載頻fo的信號(hào),其包絡(luò)在t′?τ時(shí)近似一個(gè)辛克函數(shù):

(9)

式(8)為輸入信號(hào)與參考信號(hào)完全匹配的結(jié)果。下面推導(dǎo)頻率出現(xiàn)偏差時(shí)的脈壓結(jié)果。當(dāng)頻率出現(xiàn)偏差時(shí)上面介紹的輸入信號(hào)就要做相應(yīng)的改變:

(10)

那么經(jīng)過同樣的積分過程,最終的脈沖壓縮結(jié)果為

*cos[2π((fo+fΔ)t′)]

(11)

當(dāng)t′?τ時(shí)包絡(luò)信號(hào)變成

(12)

由此可以看出對(duì)于頻率存在一定偏差的干擾信號(hào)的脈沖壓縮其調(diào)制頻率增加了fΔ,包絡(luò)依然保持了sinc函數(shù)的特征,但是包絡(luò)有一定的平移,這說明頻率偏差會(huì)對(duì)雷達(dá)的假目標(biāo)距離檢測(cè)造成一定的誤差,如果干擾頻率比雷達(dá)的頻率大,則距離變小,如果干擾頻率比雷達(dá)頻率小,則距離變大。同時(shí)頻率偏差也會(huì)導(dǎo)致幅度降低。

圖1為干擾頻率存在偏差時(shí)的仿真圖片,右側(cè)信號(hào)為與發(fā)射信號(hào)頻率相等的轉(zhuǎn)發(fā)式干擾信號(hào),左側(cè)信號(hào)為比發(fā)射信號(hào)頻率大1.25MHz的轉(zhuǎn)發(fā)式干擾信號(hào)。

圖1　有、無頻率偏差的兩個(gè)信號(hào)脈壓后的結(jié)果

3.4MTI

MTI過程主要用來消除雜波和噪聲干擾,對(duì)于MTI濾波器的一個(gè)重要指標(biāo)就是信雜比改善值,其定義如下:

(13)

其中So為輸出信號(hào)功率,Si為輸入信號(hào)功率,Ci輸入雜波功率,Co輸出雜波功率,Ni為輸入噪聲功率,No為輸出噪聲功率。

從公式可以看出信雜比的改善值等于雜噪比的變化量。那么實(shí)際MTI濾波器相當(dāng)于要降低雜噪比,就是降低雜波回波功率與噪聲的功率比。這樣在參數(shù)化處理過程中,只需降低雜波功率,使雜噪比變小,來取得理想的信雜比。

對(duì)于二次對(duì)消器,其改善因子的范圍為20dB～40dB。對(duì)于雜波,將進(jìn)行適當(dāng)?shù)乃p。對(duì)于欺騙式假目標(biāo),如果假目標(biāo)具有速度欺騙能力,對(duì)假目標(biāo)不進(jìn)行衰減,并根據(jù)欺騙的速度值,判斷MTI濾波器的增益值。如果不具有速度欺騙能力則看成固定目標(biāo)進(jìn)行20dB～40dB的衰減。

圖2　MTI前、后的時(shí)域波形

由仿真結(jié)果可知回波在MTI前的雜噪比為45.9dB,在MTI后雜噪比衰減為14dB,經(jīng)過MTI使雜噪比下降了大概31.9dB,在理論范圍之內(nèi)。假目標(biāo)還存在,這是因?yàn)榧倌繕?biāo)帶有速度欺騙,并沒有被對(duì)消掉。

在作參數(shù)化處理時(shí),對(duì)于雜波進(jìn)行20dB～40dB的衰減;對(duì)于具有速度欺騙的干擾,計(jì)算濾波器增益,進(jìn)行加權(quán);對(duì)于目標(biāo)回波幅度,計(jì)算濾波器增益,進(jìn)行加權(quán)。

3.5MTD

MTD的信噪比改善理論為

GMTD=20log(M)(dB)

(14)

理論上8點(diǎn)FFT相參積累信噪比改善值為18dB。對(duì)于雷達(dá)回波脈沖,其幅度會(huì)有增加;對(duì)于欺騙式干擾信號(hào)(具有速度欺騙特性),其幅度也會(huì)增加。

圖3　MTD后目標(biāo)通道的時(shí)域波形

仿真過程中取M=8,理論信噪比改善值應(yīng)為18dB。由仿真得出,回波的信噪比改善大概為17.6dB;假目標(biāo)增益大概為17.3dB,基本都與理論值相同。

在作參數(shù)化處理時(shí),對(duì)于目標(biāo)幅度進(jìn)行理論值加權(quán);對(duì)于具有速度欺騙的假目標(biāo)干擾,同樣進(jìn)行理論值加權(quán)。

3.6非相參積累

非相參積累的理論處理增益為

(15)

本文的仿真采用10個(gè)脈沖的積累,那么理論的增益值為10dB～20dB。對(duì)于目標(biāo)回波脈沖,使其幅度增加10dB～20dB;對(duì)于欺騙式干擾信號(hào)同樣進(jìn)行積累。

通過仿真可以得到目標(biāo)回波信號(hào)的非相參積累的信噪比改善值為11.1dB,假目標(biāo)的積累增益為10.9dB,在理論范圍之內(nèi)。

圖4　非相參積累后的時(shí)域波形

3.7CFAR

CFAR處理采用改進(jìn)的鄰近單元平均選大恒虛警檢測(cè)方法。它采用抽頭遲延線同時(shí)檢測(cè)被檢測(cè)單元(中點(diǎn))及其兩側(cè)各參考單元的雜波,將各單元輸出平均后選大,然后用平均值對(duì)檢測(cè)單元?dú)w一化。仿真過程中采用16單元平均方案,即N=8。為了保證一定的虛警概率,以及仿真數(shù)據(jù)的“真實(shí)性”,CFAR處理不采用參數(shù)化的處理,在CFAR前將目標(biāo)、雜波、干擾還原到重復(fù)周期的數(shù)據(jù)中去,合成了仿真的信號(hào)。最后進(jìn)行CFAR處理。

4結(jié)語(yǔ)

要實(shí)現(xiàn)對(duì)通用化雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)的參數(shù)化仿真,參數(shù)選用要合理,這就需要更多的理論支撐,例如:如何得到更多更合理的參數(shù),如何使這些參數(shù)應(yīng)對(duì)仿真者不斷變化的設(shè)置與要求。參數(shù)化仿真的關(guān)鍵就在參數(shù)上,所以要想使自己仿真的雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)“通用”還有很多工作要做。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] R. L. 米切爾編.雷達(dá)系統(tǒng)模擬[M].陳訓(xùn)達(dá),譯.北京:科學(xué)出版社,1982:106-123.

[2] 丁鷺飛,耿富錄.雷達(dá)原理[M].第三版.西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2000:128,138-153,202-225.

[3] 丁鷺飛,張平.雷達(dá)系統(tǒng)[M].西安:西北電訊工程學(xué)院出版社,1984:8-14.

[4] Merrill I. Skolnik.雷達(dá)手冊(cè)[M].第二版.王軍,等譯.北京:電子工業(yè)出版社,2003:87-97.

[5] 楊小牛,樓才義,徐建良.軟件無線電原理及應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2001:53-56.

[6] 趙國(guó)慶.雷達(dá)對(duì)抗原理[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,1999:158-161.

[7] 孫曉聞,張林讓,吳順君.脈沖多普勒雷達(dá)信號(hào)處理仿真[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2002(11):1555-1558.

[8] Wu Feng, Shi Lin, Yang wan-hai. Modeling and simulation of PD radar system Based on System View[C]//2001 CIE International Conference on Radar Proceedings,2001:246-249.

[9] 高梅國(guó),毛二可.雷達(dá)模擬器[J].電子對(duì)抗,1999(1):6-12.

[10] 羅軍輝,羅勇江,白義臣,等.MATLAB7.0在數(shù)字信號(hào)處理中的應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005:205-211.

[11] 何友,關(guān)鍵,彭應(yīng)宇.雷達(dá)自動(dòng)檢測(cè)與恒虛警處理[M].北京:清華大學(xué)出版社,1999:125-187.

[12] 向敬程,張明友.雷達(dá)系統(tǒng)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2001:115-125.

[13] 蘇濤,何學(xué)輝,呂林夏.實(shí)時(shí)信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2006:49-52.

[14] 張偉.雷達(dá)系統(tǒng)仿真的理論、方法與應(yīng)用研究[M].成都:電子科技大學(xué)出版社,2004:11-25.

[15] 張道成.超寬帶雷達(dá)干擾機(jī)理研究[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2005:26-36.

[16] 汪安東.GBR雷達(dá)信號(hào)處理子系統(tǒng)的建模與仿真[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2005:11-19.

中圖分類號(hào)TP391.9

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.02.021

作者簡(jiǎn)介:景志,男,碩士,工程師,研究方向:雷達(dá)仿真。楊立永,男,碩士,助理工程師,研究方向:雷達(dá)仿真。張國(guó)兵,男,碩士,工程師,研究方向:雷達(dá)仿真。

*收稿日期:2015年8月10日,修回日期:2015年9月27日