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1、信号 / 数据处理提高非相参雷达发射信号相干性的研究王乐周子超李春化( 西安电子工程研究所 西安710100)【摘要】接收相干算法为磁控管脉冲体制雷达实现动目标检测提供了依据。本文分析了几种相干接收处理算法，根据雷达系统结构和发射信号的特点，评述了各算法之间的适用性和优缺点，通过 仿真分析研究各算法对 MTI 改善因子的限制。采用接收相干算法，可以实现准相参系统，其 MTI 性能不低于全相参雷达。关键词: 磁控管脉冲振荡体制雷达; 改善因子; 数字补相; 接收相干处理算法中图分类号: TN95; TP301. 6文献标志码: A文章编号: 1008-8652( 2012) 02-030-04S
2、tudy on Improving Coherence of Non-coherent Radar Transmitting SignalWang Le，Zhou Zichao，Li Chunhua( Xian Electronic Engineering Research Institute，Xian 710100)Abstract: Coherent-on-receiving processing ( CORP) algorithm provides a basis for the magnetron pulse system ra- dar to detect moving target
3、 This paper analyzes several kinds of CORP algorithm On basis of the radar system structure and characteristics of the transmitting signal，adaptability among algorithms and their advantages and dis- advantages are discussed The limitations of each algorithm on MTI improvement factor are studied via
4、simulation and analysis Adopting coherent-on-receiving algorithm can implement quasi-coherent system，whose MTI perform- ance is not less than full coherent radarKeywords: magnetron oscillation pulsed system radar; improvement factor; digital phase compensation; coherent- on-receiving processing algo
5、rithm高磁控管发射信号的相干性，同时，若将此方法应用到全相参体制雷达，其发射信号的相参性也会大大 提高。1引言电真空器件雷达发射机分为单级振荡式和主振放大式发射机。在早期的雷达中，很多采用磁控管 作为发射机。由于磁控管发射信号频率、幅度不稳， 相邻发射脉冲的初始相位是随机的，因此磁控管体 制雷达为非相参工作方式，无法进行多普勒检测，这 是它的缺点。但是磁控管发射机也有很多优点，诸 如发射功率大、设备简单、效率高且成本低等。目 前，电真空器件发射机朝着两个方向发展: 一是降低 主振式发射机的成本和体积，二是提高磁控管发射 机的性能，而后面一个方向多是通过信号处理来实 现的。本文主要介绍如何通
6、过相干接收的方法来提接收相干处理算法的发展和比较22. 1注入锁相法注入锁相算法是最早的相干处理( Coherent-on- receiving，CORP) 算法。当雷达采用单级振荡式发 射机时，它的每一个发射脉冲起始相位是随机的，为 了得到与发射脉冲起始相位有严格关系的基准信 号，我们可以利用相参振荡器对发射信号进行锁相， 然后利用基准信号对回波信号比相，消除随机相位，收稿日期: 2011-12-21作者简介: 王 乐，男，1986 年生，硕士研究生。研究方向为雷达信号处理。王 乐等: 提高非相参雷达发射信号相干性的研究第 2 期31这是注入锁相算法的基本原理。注入锁相体制中需要实现相干振荡
7、器频率的稳定和高质量的相位锁 定，这是注入锁相体制是否能实现的关键所在。注 入锁相体制可以分为在射频段锁相和中频段锁相两 种方法: Gary 比较两种锁相方法的特点和实现难易 程度后指出: 直接用发射机输出的高频脉冲锁相难 以同时满足定相与稳频的要求，而中频锁相会降低 上述难度1。在早期的磁控管雷达中，大多采用的 是中频注入锁相体制，其原理框图如图 1 所示。在 注入锁相体制中，使用锁相振荡器对发射信号锁相。 当中频锁相用于动目标检测时，改善因子不仅与系 统多普勒滤波性能有关，还和系统的高、中频系统的 稳定性有关。影响该体制雷达系统稳定性的因素 有: 稳定本振的频率、相干振荡器的稳频和定相以及
8、 发射机的频率和振幅，其中稳定本振的频率稳定性 是中频锁相方法的技术瓶颈，中频注入锁相体制雷 达的改善因子大约能做到 20dB。目的。随着高速器件的发展，我们可以用数字器件实现相位校正算法，因此这种算法又称之为数字补 相，数字补相方法的原理框图见图 2。在数字补相 体制中，对于初始相位随机漂移问题，不在利用锁相 振荡器进行锁相，而是用发射信号与相干振荡器比 相，求出相位差值，在接收通道中对回波信号进行 补相。图 2 数字补相原理框图为了便于实现，我们先得到发射中频信号的复包络( 相对于相干振荡器) Aej ，振幅归一化后取共 轭，得到 e j ，与回波包络相乘，便消去了随机相位。 数字补相体制
9、要求在一个采样间隔内，进行一次复 数乘法，在数字器件高速发展的今天，是很容易做到 的。利用类似方法也可以补偿磁控管发射信号的频 率漂移和振幅不稳。数字补相利用补相的方式解决了锁相和稳频之 间的矛盾，使得改善因子可以达到 30dB 以上。此 时，发射信号脉间和脉内的频率漂移，成为了限制改 善因子进一步提高的问题。若想得到更高的 MTI 改善因子，需要解决这个问题。2. 3接收相干校正算法发射脉冲脉间、脉内频率不稳以及振幅变化， 均可以归结为是发射脉冲复包络变化的问题。 回 波信号是发射信号的延迟( 不存在多普勒频率的 情况下) ，发射脉冲复包络变化会导致接收回波相 干性变差。 可以设置一个滤波器
10、，当发射脉冲经 过时，其输出为标准波形。 当然这个滤波器的系 数是时变的，每次的发射脉冲不同，滤波器的系数 也随之改变。 由此看出，当基于发射脉冲设计的 滤波器对相应的回波脉冲处理的话，其输出也应 该是一个标准波形，而与发射脉冲复包络变化无 关，这就提高了回波信号的相干性。 我们称之为图 1 中频注入锁相体制随着倍频和锁相技术的发展，人们制作了高精度的稳定本振。但是，由于雷达技术的不断发展，特 别是低空搜索雷达和航管雷达，对改善因子也提出 了更高的要求。此时，相干振荡器稳频与锁相之间 的矛盾又限制了改善因子的提高。相干振荡器的频 率在中频段，比本振低很多，如果单纯要求稳频的 话，较易做到，然而
11、锁相与稳频同时要求的话，即使 在中频段，也很难符合。电路上的折衷设计会牺牲 指标，不能解决根本问题。因此，中频注入锁相体制 现处于逐步淘汰状态，或仅应用于对动目标检测要 求低的雷达。2. 2 数字补相算法针对中频锁相精度不高的问题，Reedy 提出了 相位误差校正型相干处理算法2。其原理是: 首先 测得发射信号和相参信号之间的相位差 ，然后用 对回波信号进行校正，达到消除随机初相的火 控 雷 达 技 术第 41 卷32接收相干。s( t) = A( t) cos ( 2*t + ( t) )( 1)( f0 + ( B / ) t ) *式中，f0 为中频频率值; B 为调频带宽; 为脉冲持续
12、时间。假定 A( t) = 1 不变，则对于上述不稳定矩形 包络，用 ADC 进行采样，测得 N 个采样值 s( 1) ， s( 2) ，s( N) ，则匹配滤波器的系数:w( k) = s* ( N + 1 k) ，k = 1，2，N将固定点目标的回波信号通过此滤波器，由于固定 点回波信号与发射信号之间只相差一个比例系数 c，因此当它们重合时，输出信号为:N图 3 脉冲串示意图为了实现接收相干，需要知道发射脉冲的包络，并基于此包络设计时变滤波器。首先，发射脉冲一 经发射，包络就已确定，将发射信号下变频到中频， 用 AD 采样，便可以得到脉冲复包络的实部和虚部( 即 IQ 数据) 。接下来的任
13、务就是设计滤波器，为 了便于实现，我们设计发射信号的匹配滤波器。假 定发射脉冲如图 3 所示，为作图方便，忽略信号脉内 和脉间持续时间的比例。假如脉内只是单纯正弦波 的话，则复包络相位特性为线性变化，若脉内也存在 频率漂移的话，则包络的相位特性较为复杂。综合 考虑，我们对脉内正弦波频率加一线性调频分量，以 模拟发射信号脉间和脉内频率不稳现象。此时，假 定发射信号表示为:y = cs( k) *k = 1Ncs( k) *w( N + 1 k) =Ns* ( k) = c | s( k)| 2( 2)k = 1k = 1可见，此时输出仅与复包络的振幅有关，与发射信号的相位变化无关，这恰恰是我们想
14、要得到的。当然， 我们不可能得到完全相干的信号，上式是在两个信 号重合时得到的，当它们不重合时，滤波器输出的非 峰值信号依然受 s( t) 的相位影响，匹配滤波器输出 信号示意图如图 4 所示。图 4 作相关输出示意图对于匹配滤波器滤波，可以理解为信号的自相ej ，则必然存在 e j 与之对应，因此回波信号相位为零。当回波信号在滤波器内滑动时，输出信号的相 位仍然存在上述的对偶关系，即存在 ej ，则必然存 在 e j ，可以想象，无论脉内信号频率如何改变，这 种对偶关系仍旧存在。因此，卷积运算可使输出信号 的相位为零，这一点上，卷积运算优于自相关。但是，卷积运算输出幅值是受输入信号相角影 响
15、的，对于输出信号峰值幅度的变化，我们可以采用 归一化加以消去，问题在于输出信号各点幅值变化 各不相同，可以预见，当输入信号为矩形包络时，输 出信号包络不是三角形，通过幅值校正，可使峰值稳 定，但是两边序列的幅值还是会受到输入信号相位 的影响，离峰值越远，影响越大，但是此时的序列值 很小，所以对信号总的影响不大。相关或卷积来校正随机初始相位，在输出峰值 处可以得到很高的改善因子，但是这种方法对系统关过程。假设我们将滤波器系数倒置，即 w( k)=s* ( k) ，k= 1，2，N，发射信号仍如上所设，当信号与滤波器窗口重合时，相当于对信号进行卷积运算，输出信号为:NNy =cs( k) * w(
16、 N+1k) =cs( k) * s* ( N+1k)Ncej( 2( f0 + B / * kTs) * Ts + ) * e j( 2( f0 + B / * ( N +1 k) Ts) * Ts + )k = 1N=k = 1k = 1=cej( 2( f0 + B / * kTs) Ts 2( f0 + B / * ( N +1 k) Ts) Ts)k = 1N=cej( 2( f0 + B / ( 2k N 1) Ts) * Ts)=k = 1c( e j( 2( f0 + B / * ( N 1) Ts) Ts) + e j( 2( f0 + B / * ( N 3) Ts) *
17、Ts)+ + ej( 2( f0 + B / * ( N 1) Ts) Ts) + ej( 2( f0 + B / * ( N 3) Ts) Ts)+ )考虑上式相角情况，对于滤波器输出信号，存在王 乐等: 提高非相参雷达发射信号相干性的研究第 2 期33的自频调模块( AFC) 要求较高，当接收信号频率偏移而 AFC 没有及时补偿时，补相的效果急剧下降， 改善因子也随之下降3。为得到更高的改善因子，需要利用幅相联合方 法。即通过自相关运算得到不受相位影响的幅值信 息，通过卷积运算得到与输入信号相位无关的相角 信息，将两者综合成一个复包络信号来处理。幅相 联合算法可以有效的抵制脉间频率抖动对信
18、号相参 性的破坏，降低了对 AFC 系统跟踪精度的要求。当 脉间频率抖动 100kHz 时，卷积或相关法得改善因 子已经降低到 20dB 左右，而幅相联合仍然可以维 持在 60dB 以上4。相干校正算法要求很高的吞吐率，但是以目前数 字器件的处理水平来看，实现起来不是很困难的事情。2. 4数字补相与接收相干算法的比较接收相干与前面的数字补相算法是有区别的， 数字补相算法仅是估计出发射脉冲的初始相位，在 回波中对其补偿而已，而接收相干是对整个脉冲包 络进行校正。下面我们再来研究脉内信号频率不稳 时，采用接收相参体制补相和作卷积时，两种数字相 位校正方法补相的效果。在研究之前，首先应该确定如何衡量
19、回波脉冲 间信号相参性的强弱。我们对回波信号进行多普勒 检测，观察回波信号的功率谱( 见图 5) ，如果回波脉 冲经相位校正后仍然完全是白色的，那么信号的谱 宽就是无穷大，如噪声那样，呈现功率相加特征，此 时可以认为信号是随机的; 如果回波脉冲经校正后 高度相关，则信号频谱很窄，幅值 A 很高，呈现相参 积累，则认为信号是具有高度相干性; 而我们得到的 信号往往介于上述两种情况之间，即存在有限的谱 宽。相邻两次采样之间( 即相邻脉冲之间) 相参性 越强，谱宽越窄，幅值 A 越高; 相参性越弱，谱宽越 宽，能量越分散，A 值越小，由此可知，我们可以用 A 值的大小来衡量相邻脉冲间相参性的强弱。在
20、线性调频分量，即f ( t) = f( 4)+ B / *tkk0其中，B 为调频带宽; 为脉冲持续时间。对于每个脉冲来说 fk0 、k 均是随机的。通过 Matlab 仿真，我们 得到，随着调频带宽的增大，脉内调频分量的影响增 大，通过数字补相方式得到信号的频谱峰值明显下 降，而通过复包络校正方法得到的信号频谱峰值基 本不变。仿真结果如图 6 所示。可见，数字补相结 果会因为脉内频率变化而大打折扣，而自卷积方法 校正相位的效果基本是不受脉内频率改变影响的。图 6 仿真比较数字补相和卷积校正补偿的结果总结3本文介绍并比较了几种接收相干算法的优缺点，这些算法对于加强非相参雷达的反地杂波能力、 低
21、空探测能力是非常有效的。接收相干体制也可以 应用于全相参体制，能够大幅提高全相参雷达发射 信号的相参性，同时，应用接收相干处理算法也能够 解决频率捷变与动目标检测不兼容的矛盾。参考文献:1丁建江，张贤达 接收相干处理算法的分析与评述J 系统工程与电子技术，2002，( 11 ) :25 29吴群 磁控管的研究现状与发展趋势J 哈 尔滨工业大学学报，2000，( 5) : 9 12 俞志强，万山虎，武文，朱剑平 雷达幅 相联 合接收相干处理系统J 现代雷达，2000， ( 5) : 32 36丁建江，张贤达 幅相联合处理算法的分析和 实时实现J 清华大学学报( 自然科学版) ，2002，( 3) : 398 40223图 5 回波信号功率谱设发射信号脉冲串模型为:4j( 2fk( t) t + k)xk ( t) = Ak ( t) e( 3)k 代表第 k 个脉冲，我们假定 Ak ( t) = 1，脉内频率存
