基于混叠脉冲压缩处理的脉冲簇设计

2018-03-29董晓龙

电子设计工程 2018年2期

王刚，董晓龙

（1.中国科学院国家空间科学中心中国科学院微波遥感重点实验室北京100190；2.中国科学院大学北京100049）

脉冲时序的选择是雷达系统的关键[1-2]。脉冲时序的选择决定了脉冲占空比和平均发射功率，从而影响系统的信噪比SNR及系统传递误差[3-4]。

对于星载雷达散射计来说，从脉冲发射到脉冲接收的时间较长，一般需要几个脉冲周期的时间，同时脉冲时序要满足距离模糊的需求[5]。由于在某个脉冲接收时刻，前一个和后一个雷达脉冲回波功率的污染引起的模糊，称之为距离模糊。当提高脉冲重复频率，距离模糊的影响愈加严重。因此，本文针对距离向的模糊混叠，采用不同中心频率的参考信号进行混叠处理[6-8]，并进行matlab进行了仿真验证。

1 脉冲时序的脉冲簇设计

在满足距离模糊要求的前提下，采用脉冲簇的形式可以实现更高的PRF。如图1所示，连续发射一串脉冲，比如连续发射N=8，16或者更多个脉冲，然后进行脉冲的接收，脉冲簇的具体参数如表1所示。τp为脉冲宽度，Tp单脉冲时长，等效占空比为一个脉冲簇总的发射信号市场与整个发射和接收周期时长的比值。

1.1 避开星下点回波和发射脉冲的影响

雷达平台轨道高度一般为几千公里，根据轨道几何参数可以得到星下点的回波接收时间为：

H为卫星轨道高度。星下点回波脉冲可以认为是一串回波，可以表示为：

图1 脉冲簇体制设计

表1 设计的脉冲体制参数

其中N为脉冲簇内脉冲个数。星下点回波信号跟回波信号不能同时到达接收机引起干扰，可以表示为：

其中Tps为两组脉冲簇的时间间隔，Rmin为波束足印近端，Rmax为波束足印远端。针对下一串星下点回波信号和接收回波信号不互相干扰这一条件，如图2所示，有

即可得到：

图2 避开星下点的脉冲簇设计

1.2 发射脉冲的遮掩的影响

为了确保接收回波之前的发射脉冲和接收窗口不混叠，如图3所示有：

为了保证接收回波之后的发射脉冲和接收窗口不混叠，有：

可以表示为：

根据星下点回波和发射脉冲的影响以及避开发射脉冲的遮掩，设计的脉冲重复频率参数如表1所示。簇内脉冲重复频率可以达到12.5 kHz，脉冲个数16。

图3 脉冲簇设计的回波考虑

当脉冲重复频率增大到13 kHz附近时，信号最大时宽会变为负的，说明此时的脉冲产生了混叠，如图4所示。如果要提高系统脉冲重复频率，需要采用去混叠处理。

图4 信号最大时宽和脉冲重复频率的关系

2 脉冲压缩处理

脉冲压缩处理是雷达经常采用的处理技术[11-13]。雷达发射宽脉冲信号，接收和处理回波，输出窄脉冲。为了能够提高脉冲压缩的处理效果，发射的宽脉冲一般会采取编码形式，并在接收机中经过匹配滤波器的处理。脉冲压缩雷达的优点是能获得大的作用距离和具有很高的距离分辨力[14-18]。散射计发射信号为LFM-Chirp信号：

设某散射点的双程回波时间τ=2R/c，则该散射点的回波信号为：

经混频后输出为：

式中e(t)为噪声。根据信号与滤波器的重叠情况，在两段区间内分别进行积分，其中一段区间内的信号位于匹配滤波器左侧，而另一段区间则位于右侧。改变相应的积分限，并经过代数运算后，输出sout(τ)的实函数可以表示为：

根据仿真的线性调频参数，带宽为1 MHz，脉冲宽度为40 μs，点目标与雷达分别距离为786 km、788 km、790 km，加噪线性调频信号的脉冲压缩处理如图5所示。通过脉冲压缩处理，可以获得高分辨率观测，将目标区分开。如图5（b）所示，虽然信噪比较低，但通过脉冲压缩处理，可以有效分辨目标，得到高分辨率结果，因此脉冲压缩处理是一个有效提高雷达观测的方法。

3 接收回波混叠处理

脉冲簇形式的发射和接收固然能提高脉冲重复频率，考虑距离向上脉冲展宽时间（天线距离向-3 dB波束宽度为1.46°时，距离向脉冲展宽时间为128 μs）比较宽，如果接收脉冲之间没有混叠，那么系统的PRF不会显著提高。若系统PRF较高，必然会带来接收信号的混叠。因此，可采用接收混叠，将脉冲的中心频率相差几MHz进行调制，接收时分别进行去斜处理。

仿真采用的参数：卫星高度为600 km，卫星天底点与天线电轴的夹角为39°，系统PRF设置为9 kHz，接收窗开启时间为5.2 ms，仿真脉冲簇的具体参数如表1所示，接收窗长度里包含的混叠脉冲个数为3个。如图6（a）所示，经过混叠脉冲压缩处理，可以将回波信号在一个接收窗内有效分离，然后通过低通滤波器将信号滤除，得到理想结果，电压信号如图6（b）所示，功率信号如图6（c）所示。

图5 加噪线性调频信号处理结果

图6 加噪去混叠的脉冲压缩处理结果

当系统PRF设置为12.5 kHz，接收窗长度里包含的混叠脉冲个数为5个，可以进一步提高脉冲簇内的PRF。如图7（a）所示，经过混叠脉冲压缩处理，可以将回波信号在一个接收窗内有效分离，然后通过低通滤波器将信号滤除，得到理想结果，电压信号如图7（b）所示，功率信号如图7（c）所示。

图7 加噪去混叠的脉冲压缩处理结果

4 结论

采用脉冲簇体制设计，可以提高系统脉冲重复频率。在发射脉冲时宽不变的情况下，PRF可以提高1～5倍，对于星载雷达观测数提高具有重要意义。但是高PRF的设计，会带来距离向模糊，可以采用混叠处理方式。虽然具有不同中心频率的回波信号会产生混叠效应，利用具有不同中心频率的去斜参考信号进行对应处理，可以将不同中心频率的信号进行分离，然后通过低通滤波器可以将信号滤除掉，获得观测信号。通过混叠脉冲压缩处理技术，可以有效提高PRF，并且能够将混叠信号进行分离，对星载雷达观测具有重要意义。

[1]张乔，汤俊.基于STAP杂波抑制的天基雷达PRF设计[J].雷达科学与技术，2011，9（5）:441-446.

[2]刘永坦．雷达成像技术[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，1999.

[3]魏钟诠.合成孔径雷达卫星[M].北京:科学出版社，2001.

[4]徐绵起，李侠.X波段雷达重复频率（PRF）设计[J].现代雷达，2004，26（3）:14-17.

[5]鲍青柳.多普勒雷达散射计的系统设计与仿真—宽刈幅海洋面流测量[D].北京：中国科学院研究生院空间科学与应用研究中心，2015.

[6]鲍青柳，董晓龙.基于笔形波束扫描雷达散射计的海洋表面流测量[J].电子学报，2015，43（6）:1200-1204.

[7]张永军，李彩萍.合成孔径雷达模糊度分析[J].电子与信息学报，2004，26（9）:1455-1456.

[8]陈颖颖，高阳.星载合成孔径雷达不同工作模式下的PRF优化选取研究[J].现代电子技术，2012，35（5）:25-28.

[9]许春蕾，宋红军.聚束式合成孔径雷达系统设计中PRF的优化选取[J].现代雷达，2006，28（5）:1-4.

[10]罗倩，闫鸿慧.天基雷达的PRF设计[J].舰船电子对抗，2009，32（1）:89-91.

[11]王锐.雷达脉冲压缩技术及其时频分析研究[D].西安:西北工业大学，2004.

[12]李平，周原.基于FPGA和DDS技术的信号发生器设计[J].电子设计工程，2014，22（10）:71-74.