信号脉压的技术分析

信号脉压的技术分析

^{刘思蕙，孔令辉，林鹏飞，刘腾元}

（中国船舶集团有限公司第八研究院，南京 211153）

摘要:传统的雷达系统中存在探测距离和分辨率之间的矛盾，脉冲压缩技术为解决这一问题提供有效的解决方法。本文介绍了脉冲压缩的基本原理，对数字脉冲压缩和模拟脉冲压缩分别做了介绍,并对两种脉压方式做了对比,分析了各自的优缺点。

关键词：脉冲压缩；数字脉压；模拟脉压；线性调频信号

0引言

当代雷达体制及技术的快速发展，雷达的距离探测范围、目标距离最小分辨率及测量精度都是衡量雷达系统的关键性能指标，传统的设计方法已经无法解决相互之间的矛盾，通过雷达原理公式，我们可以得出增加雷达发射机的平均功率可以增加探测距离，在峰值功率一定的情况下，增加平均功率就需要加大脉冲宽度，但一味的加大脉冲宽度，则就降低了雷达距离分辨率和测量精度，所以要求检测处理的脉冲尽量小，这样就出现了雷达作用距离和距离分辨率之间的矛盾性，通过脉冲压缩技术，将宽脉冲信号压缩成窄脉冲进行处理，这样既满足雷达的探测距离又提高了雷达的作用距离和距离分辨率。

1脉冲压缩的原理

脉冲压缩的过程其实就是匹配滤波,脉冲压缩的基本原理如图1所示。图1(a)~图1(c)表示脉冲宽度为T的线性调频信号,也即回波信号。其中,(a)为输入信号的波形;(b)为输入信号的包络;(c)为信号的载频调制特性;(d)表示压缩滤波网络的延时频率特性;(e)为压缩滤波器输出信号的包络。(e)表示了理想的输出信号包络，低频分量最先进入网络，延时为，高频分量最后进入网络，延时为，其中为最长延时，为最短延时，因此，线性调频信号的不同频率分量几乎同时输出，压缩为单一窄频脉冲信号，脉冲宽度为。

（a）线性调频信号（b）信号包络

（c）信号载频调制特性（d）压缩网络的频率-时延特性

（e）压缩网络输出的信号包络

图1线性调频信号脉冲压缩基本原理

设回波信号的频率特性为:

压缩网络的频率特性为H(ω),根据匹配条件应满足下式：

=

式中，K为比例常数，使幅频特性归一化，为压缩网络的固定延时。经压缩后输出信号包络宽度被压缩成，峰值被提高了。脉冲压缩的输出表达式为:

它的时域表达式:(t)=d

最后化简可得:A

由上式可以看出输出信号具有sinc函数的包络，如图2所示。4dB主瓣宽度为1/B，第一旁瓣高度约为-13.2dB。如果匹配滤波器在通带内增益为1，则输出脉冲幅度为D＝Bτ，这里D＝Bτ表示输入脉冲和输出脉冲的宽度比，即为压缩比。

图2经脉冲压缩后输出信号示意图

在图2中,主副瓣比约为13.2dB(第一副瓣),第二副瓣再降低约4dB,以后依次下降。太大的副瓣会影响对邻近弱目标的检测,所以通常需要采取措施来降低副瓣。最常用的方法是窗函数加权。引入加权网络的实质是对信号进行失配处理。因此，它在使旁瓣得到抑制的同时也使输出信号包络的主瓣降低、展宽。也就是说，旁瓣抑制是以信噪比损失及距离分辨力下降为代价的。常用加权函数的一般形式可表示为：

（）

图3所示为以海明窗作为加权函数的脉压结果,加权处理的旁瓣抑制效果比较明显，与理论分析一致。

图3经海明加权后脉压输出示意图

2数字脉冲压缩和模拟脉冲压缩的实现方法

2.1数字脉冲压缩

用数字技术实现脉冲压缩可采用时域方法和频域方法。一般而言,对于小时宽带宽积信号,都使用时域脉压。

时域脉冲压缩的过程是通过对接收信号s(t)与匹配滤波器脉冲响应h(t)求卷积的方法实现的。根据匹配滤波理论h(t)= s(- t),即匹配滤波器是输入信号的共轭镜像,并有相应的时移。用数字方法实现时,输入离散信号为s(n),其匹配滤波器为h(n),匹配滤波器的输出为输入离散信号s(n)与其匹配滤波器h(n)的卷积:

Y(n)= = 式中:N为信号采样点数。

按方程式中构成的滤波器如图4所示。这是一种非递归的横向滤波器。由方程式中可以排列出其他的计算方法,图4所示的横向滤波器结构还有许多其他的等效网络结构。应当指出,图4所示仅是原理性的,在实际应用中往往在复数域进行滤波处理,因此实际应用中应采用正交双通道滤波器,按方程式完成复卷积运算。

图4经典横向滤波器

2.2模拟脉冲压缩

模拟脉冲压缩一般采用声表面波（SAW）色散线来实现。声表面波色散延迟线是在经过精密抛光的压电材料表面选取一定的切割方向,真空蒸发上一层数千埃厚的金属薄膜,然后用平面工艺光刻一对镜象排列、叉指由疏到密的叉指换能器制成。这对换能器一个是发射换能器,一个是接收换能器。当发射换能器接上一个交变电信号后,互相交错的金属指条交替出现正负电位,在金属指条下面的压电材料内部便存在电场,压电材料表面发生形变,产生出与外加交流信号频率相同的表面波,并向两边传去,当表面波传到接收换能器下面时,又转换成交变电信号,由电极两端输出。这种器件是怎样实现信号色散展宽和压缩的呢?由叉指换能器激发的波是一种名叫瑞利波的表面声波,它的频率与传播速度无关。不同叉指宽度能激发不同频率的声表面波,而不同频率的声表面波也只能在不同叉指宽度的叉指换能器处被转换成电信号。高频成分的表面波是在叉指间隙或宽度小的部分被产生和检测。信号从输入变成表

面波传播,最后又转换成电信号输出,其低频成分所经过的路程比高频部分经过的路程短,因此延迟时间也短,这样当器件被频谱丰富的窄脉冲激励后,就得到了色散展宽信号,色散特性是由低频到高频的正斜率线性调频波。色散规律取决于叉指换能器中指条的空间位置的变化规律,显然,若将指条宽度和间距按线性规律改变,则可得到线性色散的调频波。压缩原理也一样,当正斜率线性调频信号输入到压缩器件时,信号低频分量最先进入,但延迟较长时间后才输出而高频分量延后一段时间才输入,却延迟较短时间就抽出。因此信号中原来相隔时间较长的高频和低频的信号能量,被集中在一个很短的时间里,同时转换成电信号输出,从而使宽脉冲获得了压缩。图5所示声表面波色散延迟线结构图。

图5声表面波色散延迟线结构图

若将线性（或非线性）调频信号加到一个调频斜率相反的色散线，即该色散线的时域响应与输入信号共轭，输出信号每个频率分量延时一样，时域上将出现一个窄的压缩脉冲，称该色散线为压缩线，为了抑制压缩时间旁瓣，通常压缩线需频谱加权，例如采用海明函数加权，可获得较大的旁瓣抑制。

3结束语

脉冲压缩既可以用模拟的方法实现，又可以用数字的方法实现。数字脉压由于数字器件的可编程性，对于系统以后的兼容或是升级都非常灵活，所以现在广泛应用的都是数字脉压技术，但是模拟脉压仍然有它独特的优势，模拟式脉冲压缩主要是依靠硬件直接实现，系统简单，尺寸小，由于是无源器件，稳定，无功耗。

参考文献：

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