通用化雷达信号处理系统的参数化仿真设计研究*

景　志　杨立永　张国兵

(91336部队　秦皇岛　066326)



通用化雷达信号处理系统的参数化仿真设计研究*

景志杨立永张国兵

(91336部队秦皇岛066326)

摘要论文主要以线性调频脉冲压缩雷达为例进行雷达信号处理系统的建模与仿真,为了降低雷达信号处理的数据量,提高雷达信号处理运行速率,提出了用参数化实现信号处理系统仿真的方法,同时给出了参数化仿真的参数选取依据分析。参数化仿真因为精简了很多雷达信号处理过程,所以运算速度很快,对于实现通用化的雷达信号处理系统模拟是一种可取的方法。

关键词雷达信号处理系统; 信号流仿真; 参数化仿真; 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

随着现代科学技术的迅速发展,雷达系统仿真技术有了很大的发展,其中雷达信号处理系统越来越向着通用化的方向发展。根据仿真应用目的的不同,雷达信号处理系统可以采用信号流方式进行仿真,也可以对信号处理进行简化处理。本文通过精简信号处理过程,提出了通用化雷达信号处理系统的参数化仿真设计方法。

2目标回波模拟

2.1雷达发射信号

雷达信号采用线性调频。具体实现的信号为:

(1)

其中雷达重复周期T=1ms,选择在中频进行回波模拟,具体的中心频率f=30MHz;调制带宽B=5MHz;脉冲宽度选择为τ=0.1ms;则调制斜率μ=2πB/τ;初相位0;假设发射瞬时功率为1W。

2.2目标模型

(2)

(3)

在这种模型下,接收到的回波脉冲与脉冲之间的起伏是统计独立的。

2.3杂波模型

采用对数正态分布建立杂波模型。假设杂波分布在30km外的连续20个雷达距离分辨单元内,我们得到的单周期杂波信号幅度如表1所示。

表1　单周期20个距离单元的杂波回波幅度

3参数化形式的信号处理仿真

3.1目标回波模拟

参数化仿真中,回波模拟的工程简化并不是很多,依然要按照各种模型产生一些数据,具体过程和信号流的模拟差不多。但是产生的并不是波形数据,而是参数,最后根据这些数据模拟出回波波形。在参数化处理中,目标的参数与格式可以根据系统的要求来设定,例如:距离、方位角、俯仰角、幅度等。杂波可以当成是目标,参数的格式也与目标相同。对于欺骗式干扰,格式也是一样,不过,角度信息要省略(取决于进入波束的位置),假目标最终的方位、俯仰完全与天线主瓣指向一致。对于干扰信号,其参数可能会比较多,比如干扰机的距离,干扰机的姿态,信号极化方式等,这些也要根据系统要求来设定。欺骗式干扰一般是把侦察机侦收到的脉冲进行延时转发,也可能做些处理,加入其他的欺骗手段。那么延时其实就是距离上的变化,可以根据延时,对重复周期取模,换算出假目标在重复周期的位置,即距离。

3.2方向图

在参数化处理模式中,方向图用函数近似,本文用辛克函数来运算,根据目标、杂波、干扰机的角度与雷达主瓣指向的差值应用公式进行计算加权值,这样可实现参数的可变性。在参数化仿真过程中,判断干扰的主天线增益与辅助天线增益的值大小,如果辅助天线的值大于主天线的值,可以根据系统的设定决定是否采取旁瓣对消,或者旁瓣消隐,做旁瓣对消就将加权值直接相减,做旁瓣消隐可直接关闭主通道,参数幅度全部置零。

3.3数字脉冲压缩

脉冲压缩过程简化为计算脉压增益,调整脉冲位置,对输出脉冲幅度加权。线性调频信号脉冲压缩增益理论值为

(4)

对于脉冲压缩来说,脉压增益应该与理论增益基本相等,在进行参数化处理时,直接取理论值对信号幅度进行加权即可。但是对于干扰信号,要作不同的处理,前面讨论的是干扰信号与目标回波信号完全相同的情况,即所有干扰信号特征都与目标回波一致,但这只是理想状态。现实中的欺骗式干扰信号还是与目标回波信号有一定的差别,其中最可能出现不同的就是频率,所以下面对假目标频率与目标回波不同的情况作以讨论。

设匹配滤波器输入为si(t),匹配滤波器为h(t),输出为so(t)则输出关系式为

(5)

而匹配滤波器的脉冲响应h(t)=ksi(to-t),故

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

(6)

(7)

经过积分得到脉压结果的隐式如下:

(8)

其中t′=t-to(to为匹配滤波器的物理延时),|t′|≤τ。从上式可以看出线性调频信号经过脉冲压缩后的输出信号是一个固定载频fo的信号,其包络在t′≪τ时近似一个辛克函数:

(9)

式(8)为输入信号与参考信号完全匹配的结果。下面推导频率出现偏差时的脉压结果。当频率出现偏差时上面介绍的输入信号就要做相应的改变:

(10)

那么经过同样的积分过程,最终的脉冲压缩结果为

*cos[2π((fo+fΔ)t′)]

(11)

当t′≪τ时包络信号变成

(12)

由此可以看出对于频率存在一定偏差的干扰信号的脉冲压缩其调制频率增加了fΔ,包络依然保持了sinc函数的特征,但是包络有一定的平移,这说明频率偏差会对雷达的假目标距离检测造成一定的误差,如果干扰频率比雷达的频率大,则距离变小,如果干扰频率比雷达频率小,则距离变大。同时频率偏差也会导致幅度降低。

图1为干扰频率存在偏差时的仿真图片,右侧信号为与发射信号频率相等的转发式干扰信号,左侧信号为比发射信号频率大1.25MHz的转发式干扰信号。

图1　有、无频率偏差的两个信号脉压后的结果

3.4MTI

MTI过程主要用来消除杂波和噪声干扰,对于MTI滤波器的一个重要指标就是信杂比改善值,其定义如下:

(13)

其中So为输出信号功率,Si为输入信号功率,Ci输入杂波功率,Co输出杂波功率,Ni为输入噪声功率,No为输出噪声功率。

从公式可以看出信杂比的改善值等于杂噪比的变化量。那么实际MTI滤波器相当于要降低杂噪比,就是降低杂波回波功率与噪声的功率比。这样在参数化处理过程中,只需降低杂波功率,使杂噪比变小,来取得理想的信杂比。

对于二次对消器,其改善因子的范围为20dB～40dB。对于杂波,将进行适当的衰减。对于欺骗式假目标,如果假目标具有速度欺骗能力,对假目标不进行衰减,并根据欺骗的速度值,判断MTI滤波器的增益值。如果不具有速度欺骗能力则看成固定目标进行20dB～40dB的衰减。

图2　MTI前、后的时域波形

由仿真结果可知回波在MTI前的杂噪比为45.9dB,在MTI后杂噪比衰减为14dB,经过MTI使杂噪比下降了大概31.9dB,在理论范围之内。假目标还存在,这是因为假目标带有速度欺骗,并没有被对消掉。

在作参数化处理时,对于杂波进行20dB～40dB的衰减;对于具有速度欺骗的干扰,计算滤波器增益,进行加权;对于目标回波幅度,计算滤波器增益,进行加权。

3.5MTD

MTD的信噪比改善理论为

GMTD=20log(M)(dB)

(14)

理论上8点FFT相参积累信噪比改善值为18dB。对于雷达回波脉冲,其幅度会有增加;对于欺骗式干扰信号(具有速度欺骗特性),其幅度也会增加。

图3　MTD后目标通道的时域波形

仿真过程中取M=8,理论信噪比改善值应为18dB。由仿真得出,回波的信噪比改善大概为17.6dB;假目标增益大概为17.3dB,基本都与理论值相同。

在作参数化处理时,对于目标幅度进行理论值加权;对于具有速度欺骗的假目标干扰,同样进行理论值加权。

3.6非相参积累

非相参积累的理论处理增益为

(15)

本文的仿真采用10个脉冲的积累,那么理论的增益值为10dB～20dB。对于目标回波脉冲,使其幅度增加10dB～20dB;对于欺骗式干扰信号同样进行积累。

通过仿真可以得到目标回波信号的非相参积累的信噪比改善值为11.1dB,假目标的积累增益为10.9dB,在理论范围之内。

图4　非相参积累后的时域波形

3.7CFAR

CFAR处理采用改进的邻近单元平均选大恒虚警检测方法。它采用抽头迟延线同时检测被检测单元(中点)及其两侧各参考单元的杂波,将各单元输出平均后选大,然后用平均值对检测单元归一化。仿真过程中采用16单元平均方案,即N=8。为了保证一定的虚警概率,以及仿真数据的“真实性”,CFAR处理不采用参数化的处理,在CFAR前将目标、杂波、干扰还原到重复周期的数据中去,合成了仿真的信号。最后进行CFAR处理。

4结语

要实现对通用化雷达信号处理系统的参数化仿真,参数选用要合理,这就需要更多的理论支撑,例如:如何得到更多更合理的参数,如何使这些参数应对仿真者不断变化的设置与要求。参数化仿真的关键就在参数上,所以要想使自己仿真的雷达信号处理系统“通用”还有很多工作要做。

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中图分类号TP391.9

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.02.021

作者简介:景志,男,硕士,工程师,研究方向:雷达仿真。杨立永,男,硕士,助理工程师,研究方向:雷达仿真。张国兵,男,硕士,工程师,研究方向:雷达仿真。

*收稿日期:2015年8月10日,修回日期:2015年9月27日