线性调频信号失配滤波分析

李勇军

(中国航天科工集团 2院 23所,北京 100584)

脉冲压缩是指发射宽脉冲信号并对回波进行处理获得窄脉冲信号,因此脉冲压缩雷达既保持了窄脉冲的高距离分辨力,又能获得宽脉冲的强检测能力。脉冲压缩雷达常用的信号包括线性调频信号、非线性调频信号和相位编码信号,其中线性调频信号对多普勒频移不敏感,是用的最广泛、技术最成熟的一种脉冲压缩信号[1-2]。

有些雷达信号的脉宽较宽,达到一百微妙甚至几百微妙,近距离干扰(SFJ)的干扰机为了能迅速对捷变频雷达实施密集多假目标干扰,有效的保护干扰机后面的目标,有时在采集雷达信号时并不是完全采集,而是采集部分雷达信号并立即以高重复频率转发(即密集假目标),以期达到近距离干扰最大效果。本文从线性调频脉冲压缩雷达密集多假目标干扰原理出发,分析干扰信号在时宽和脉宽失配的情况下的信噪比损失,为雷达抗干扰性能评估提供方法,同时也可为干扰机在设计论证方案时提供参考依据。

1 线性调频信号

线性调频脉冲信号是一种脉内频率调制信号[3]。图1所示为一个中心频率为fo、脉宽为 τ、带宽为B、幅度为A的线性调频脉冲信号。

图1 线性调频信号

线性调频脉冲信号 s(t)可表示为

2 脉冲压缩原理

根据数字信号处理理论,式(5)所示的 si(n)和h(n)的卷积也可以利用快速傅里叶变换将它们变换到频域进行[3-4]。si(n)的离散傅里叶变换(DFT)为其频谱Si(k),即

脉冲响应h(n)的离散傅里叶变换(DFT)为滤波器的传递函数H(k),即

这时,输出信号 so(n)为 Si(k)和H(k)乘积的逆傅里叶变换的结果

为了减少运算量,上述离散傅里叶变换一般用快速傅里叶变换来执行。频域脉冲压缩的方法可用图2来表示:

图2 频域脉冲压缩图

3 失配滤波仿真分析

为了达到最大信噪比,雷达的信号处理一般要求是匹配滤波。对于干扰信号来说,为了满足某项指标的需要,往往可能是信号时宽或带宽不能与雷达接收机匹配,经过雷达信号处理时损失了一定的信号能量,得不到最大信噪比[5-6]。下面分脉宽和带宽两种情况分析失配滤波的信噪比损失:

3.1 脉宽失配分析

假设雷达接收到干扰机的线性调频干扰信号脉冲宽度为 17.5 μs,调频带宽为 7MH z,信号幅度为 1,雷达系统噪声的幅度为 0.5,雷达自身工作信号的脉宽为 35 μs,其它参数与干扰机信号一致,此时的干扰信号经过雷达信号处理时并不是匹配滤波,从而不能的到最大信噪比,对干扰效果由一定的损失。下图干扰信号经过雷达匹配滤波器的脉压图。

图3 线性调频信号+噪声的脉冲压缩

图3是匹配滤波时的脉冲压缩图,由匹配滤波的原理可知当信号匹配滤波时可得到最大信噪比,此时信噪比大约是 14.2 dB。

图4 半脉宽线性调频信号+噪声的脉冲压缩

图4是半脉冲宽度失配滤波时的脉冲压缩图,由匹配滤波的原理可知当信号失配滤波时可得不到最大信噪比,此时信噪比大约是 11 dB。

图5 不同脉冲宽度滤波输出信号幅度图

对比图3、图4可知,信号匹配滤波比失配滤波的信噪比大 1.5 dB左右。图5是线性调频信号在调频斜率和信号幅度相同的情况下,不同脉冲宽度信号进行脉冲压缩后输出信号幅度图,从该图可以看出脉冲压缩后的信号幅度与脉冲宽度成正比。

通过以上的分析可知当干扰机在接收到雷达信号一半时就进行转发干扰时,干扰信号对雷达作用同比接收完整雷达信号再进行转发干扰时信号幅度降低一半(即干扰信号的功率降低一半),因此在干扰机的设计和应用上都要综合考虑两种情况,以便更大的发挥干扰机的干扰效果。

3.2 带宽失配分析

假设干扰机线性调频信号的调频脉宽为10 MH z和 6MH z,脉冲宽度为 35 μs,到达雷达时信号的幅度为 1,雷达系统噪声的幅度为 0.5,雷达接收机带宽为 7MH z,图6是雷达信号带宽与假目标干扰信号带宽示意图和脉冲压缩仿真图。

图6 干扰信号带宽与雷达信号带宽偏差图

图7是雷达信号匹配滤波时的脉冲压缩图,由匹配滤波的原理可知当信号匹配滤波时可得到最大信噪比,此时信噪比大约是 13 dB。

图7 雷达信号匹配滤波脉压图

图8、图9是干扰信号通过雷达滤波脉压图,由匹配滤波的原理可知当信号匹配滤波时可得到最大信噪比,干扰信号 10MHz时信噪比大约是 6 dB,干扰信号 6MHz时信噪比大约是 7.5 dB,此时信号时域上展宽,并且随着干扰信号带宽偏离雷达接收机带宽越大时域上展得越宽。

图10是雷达不同接收机带宽接收到干扰信号进行脉冲压缩后输出信号幅度图,从该图可以看出脉冲压缩后的信号幅度与接收机带宽成正比。

图10 雷达接收机不同带宽时信号滤波输出信号幅度图

通过以上的分析可知当数字频率合成干扰机产生假目标干扰信号时,应该考虑干扰机的测频精度,使得干扰机产生假目标干扰信号能量尽可能的进入雷达接收机,以便最大的发挥干扰机的干扰效率。

4 结束语

本文从电子对抗中的常见现象出发,分析假目标干扰信号与雷达接收机在脉宽和带宽上不匹配时的滤波结果,从中可以看出信号不匹配而带来的功率上的损失,从而降低了干扰效果。对与数字存储转发式干扰信号,滤波后的功率与脉宽成正比,而干扰信号带宽越接近雷达接收机,功率的损失越小,从而可以为我们在研究有针对性的干扰机提供理论参考依据。

[1] 丁鹭飞.雷达原理[M].2版.西安:西安电子科技大学出版社, 2006.

[2] 赵国庆.雷达对抗原理[M].西安:西安电子科技大学出版社, 2003.

[3] 吴顺君.雷达信号处理和数据处理技术[M].北京:电子工业出版社, 2008.

[4] 张明友.雷达系统[M].北京:电子工业出版社,2006.

[5] 罗鹏飞.随机信号分析与处理[M].北京:清华大学出版社, 2006.

[6] 方立.脉冲压缩雷达系统分析与仿真[J].现代防御技术, 2007(3): 90-93.