pd雷达信号处理若干问题的优化方法.pdf
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1、西安电子科技大学 硕士学位论文 PD雷达信号处理若干问题的优化方法 姓名:滕飞 申请学位级别:硕士 专业:信号与信息处理 指导教师:李明 201201 摘要 I 6 8 2 3 惝5Y 2 0 雷达信号处理的发展一直是雷达技术发展的核心。脉冲多普勒( P D ) 雷达的信 号处理单元包括正交采样、脉冲压缩、动目标检测( M T D ) 、恒虚警检测( C F A R ) 、 解模糊等,其中每步处理的精度与速度直接影响到雷达信号处理最终结果的好坏。 本文工作的重点就是讨论如何提高处理效率、改善处理精度、减d , N 量误差,以 满足随着技术进步,雷达信号处理性能指标日益增加的要求。 本文分析了数
2、字正交采样的基本原理,以低通滤波法为基础,讨论了多相结 构对其性能的改善;结合滤波器设计理论,分析了参数对滤波器性能的影响,为 正交采样的优化设计提供参考;研究了窄过渡带宽度的滤波器设计方法;针对常 规线性调频脉冲压缩雷达中存在频移距离耦合而导致的距离误差,利用正负斜率 调频的方法进行补偿,同时对速度进行粗铡:针对因量化导致的测距测速误差, 提出了一种基于插值法的测量方法,仿真证明了该方法能够有效提高测距测速精 度;结合常规的一维集解模糊和余差法解模糊的优点,提出了两种改进算法,在 保证解算正确的条件下降低计算量,通过D S P 汇编实现并验证了其优势;提出了 一种利用先验速度的单重频解速度模
3、糊方法,仿真验证了其有效性。 关键词:正交采样滤波器设计距离测量速度测量解模糊 A B S T R A C T 一_ 一 T h ed e v e l o p m e n to fr a d a rs i g n a lp r o c e s s i n gh a sb e e nt h ec o r eo f t h ed e v e l o p m e n t o fr a d a rt e c h n o l o g y T h eu n i t so ft h ep u l s e D o p p l e rr a d a rs i g n a lp r o c e s s i n g
4、i n c l u d e q u a d r a t u r es a m p l i n g ,p u l s ec o m p r e s s i o n , m o v i n gt a r g e td e t e c t i o n ( M T D ) ,c o n s t a n t f a l s e - a l a r m r a t e ( C F A R ) ,a m b i g u i t yr e s o l u t i o n ,t h ep r e c i s i o na n de f f i c i e n c yo f p r o c e s s i n g
5、i ne a c hu n i td i r e c t l ya f f e c tt h ef m a lr e s u l to ft h er a d a rs i g n a lp r o c e s s i n g T h i s p a p e rm a i n l yd i s c u s s e sh o wt or e d u c et h e p r o c e s s i n gp e r i o d 、i n c r e a s ep r o c e s s i n g e f f i c i e n c y 、i m p r o v ep r o c e s s i
6、 n gp r e c i s i o n 、d e c r e a s em e a s u r e m e n te r r o r , i no r d e rt o s a t i s f yt h ei n c r e a s i n gr e q u i r e m e n to fp e r f o r m a n c ei nr a d a rs i g n a lp r o c e s s i n gw i t ht h e d e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g y T h i st h e s i sa n a l y s e
7、sf u n d a m e n t a lo fd i g i t a l q u a d r a t u r es a m p l i n g ,d i s c u s s e st h e i m p r o v e dp e r f o r m a n c eo f m u l t i p h a s es t r u c t u r ew i t hl o wp a s sf i l t e r C o m b i n i n gw i t ht h e t h e o r ya n dm e t h o do ff i l t e rd e s i g n i n g ,t h e
8、e f f e c to ft os i g n a la n df i l t e rd e s i g n i n gh a s b e e nr e s e a r c h e d ,o p t i m u mp a r a m e t e rW a sg i v e n b ys i m u l a t i n g ,w h i c hc a l lp r o v i d e r e f e r e n c et ot h eo p t i m i z i n gd e s i g no fq u a d m t u r es a m p l i n g P o s i t i v e
9、a n dn e g a t i v es l o p e f r e q u e n c ym o d u l a t i o nh a sb e e ng i v e nt oc o m p e n s a t ed i s t a n c er e m o t i o na n dt o lm e a s u r e v e l o c i t yf o rt h eD o p p l e r - 一d i s t a n c ec o u p l i n go nc o n v e n t i o n a lp u l s ec o m p r e s s i o nr a d a r
10、 A i m i n ga tt h ee r r o ro fd i s t a n c ea n dv e l o c i t yc a u s e db yq u a n t i z a t i o no np u l s eD o p p i e r r a d a r , an e wm e t h o dn a m e di n t e r p o l a t i n gm e t h o di sp u tf o r w a r d ,s i m u l a t e dr e s u l t ss h o w t h a tt h ee f f e c t i v e n e s
11、 so ft h ep r o p o s e dm e t h o dt oi m p r o v et h em e a s u r e m e n ta c c u I a c v B a s i ct h e o r ya n da l g o r i t h m so fa m b i g u i t yR e s o l u t i o n a r ep r e s e n t e d ,t w oi m p r o v e d m e t h o d sh a v eb e e nb r o u g h tf o r w a r dd e r i v e df r o mo n
12、e d i m e n s i o n a ls e t a l g o r i t h ma n d r e s i d u e s d i f f e r e n c e m e t h o d ,w h i c hg r e a t l yr e d u c et h ec a l c u l a t i n g 锄o u 】眦w i t l l s u b o p t i m u mp e r f o r m a n c e ,a n dh a v eb e e ni m p l e m e n t e do nD S P s y s t e m An e wm e t h o d o
13、 fv e l o c i t y a m b i g u i t yr e s o l u t i o ni sp r o p o s e d ,s i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t n n et l l e e f f i c i e n c y K e y w o r d :Q u a d r a t u r eS a m p l i n gF i l t e rD e s i g n D i s t a n c eM e a s u r e V e l o c i t y M e a s u r e A m b i g u i t
14、yR e s o l u t i o n 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景及其意义 雷达的发展史可以追溯1 8 8 6 年赫兹所从事的电波传播试验验证了电磁波的发 生,接收和散射。但雷达技术真正开始蓬勃发展并投入使用,实际上发生在上世 纪4 0 年代第二次世界大战期间。战争中发展起来的雷达技术,战后更加扩展了它 的应用领域,加快了前进的步伐,在航空,航天,航海,导弹,气象探测,资源 调查,遥感,测绘和农业国民经济的很多领域,雷达都在发挥着重要的作用I l j 。 自从雷达问世以来,人们对如何增强雷达的功能,更快速、更有效地发现、 识别和跟踪威慑目标问题的探讨,就从来没有停止过,它们始终
15、是雷达技术发展 的重要课题。在实际环境中,雷达目标信号总是淹没在大量的杂波或干扰中,而 且目标信号的功率较杂波或干扰可能还要小的多,这都需要对信号进行有效的处 理。特别地,随着科学技术地不断发展,不论是军用或是民用都对雷达测量结果 性能指标提出更高的要求,同时这也不断促进着雷达信号处理新技术与新方法的 飞速发展。 脉冲多普勒( P D ) 雷达是一般雷达基础上发展起来的一种新体制雷达。这种雷 达有更强的抗干扰能力。同时能够有效利用目标回波的多普勒频移,实现对雷达 信号脉冲串频谱单根谱线滤波( 频域滤波) ,具有较高的速度分辨能力,因而能在较 强的杂波背景中分辨出动目标回波。P D 雷达是一种技
16、术复杂而又应用广泛的先进 雷达,P D 雷达的应用和发展是雷达理论与技术的发展,特别是新型电子器件和数 字信号处理技术发展的结果。一部实际的P D 雷达几乎包含了现代雷达的各种信号 处理技术,采用了各种现代优化的设计思想忙J 。 在P D 雷达中,数字中频正交采样是最常用的一种数字化接收方法。数字中频 正交采样作为P D 信号处理中的第一步,担负着为后续处理提供高质量原始数据的 任务。对实际的正交采样系统来讲,除了要有满足要求的准度和精度,还要性能 充分稳定,并且具有较低的计算量以达到足够的速度和效率进行高速实时处理。 目前己知的数字中频正交化处理的方法很多,其中最普遍的是低通滤波法,而低 通
17、滤波法的问题是计算量较大,如何在保证正交采样性能的前提下对其进行简化 和改善,这些都需要进行研究。同时,滤波器设计是正交采样中十分重要的环节, 针对不同系统要求,应选择最合适的滤波器,如何通过不同的设计方法得到最优 化的滤波器,本文也将对其进行讨论分析。 目标的距离测量和速度测量是P D 雷达的基本任务,但是在雷达测量目标的时 2 P D 雷达信号处理若干问题的优化方法 候,受各种因素的影响,不可避免的会产生误差,不能准确地得到真实的目标信 息,对于目前日益增加的对目标测量的要求,如何提高检测精度,减小测量误差, 有着极为重要的意义。 为了提高检测性能,雷达常采用高脉冲重复频率信号,以便在信号
18、频域获得 足够宽的无杂波区,此时对于脉冲测距则会产生模糊现象。P D 雷达一般采取多重 频工作模式的解模糊算法,其原理是孙子定理,主要有一维集算法和余差查表法, 两种方法各有特点,一维集算法对误差的兼容性好,而余差查表法计算量小,如 何在实现中结合两种方法的优点,更精确,更迅速的进行解模糊运算,也是需要 研究的问题。 1 2 国内外研究发展现状 P D 雷达技术于4 0 年代末首先由美国人提出概念,5 0 年代末美国开始研制第 一个P D 雷达,6 0 年代已研制了多种型号样机并开始批量装备部队,最初服役的 P D 雷达采用的是高脉冲重复频率,以消除速度模糊。6 0 年代之后发展起来的P D
19、雷达是由线性动目标显示对消电路加窄带多普勒滤波器所组成。这种雷达通常采 用低脉冲重复频率,因而没有距离模糊。7 0 年代之后,更多技术发展成熟并在P D 雷达中应用,出现了多种多样的P D 体制的雷达,并且大多兼顾距离测量和速度测 量,均具有较高的精度。 采用线性调频信号脉冲压缩体制的P D 雷达便是其中一种,该体制雷达具有的 另一个优点是对多普勒频移不敏感,即使目标有较大的多普勒频移,原来的匹配 滤波器仍能起到脉冲压缩的作用。但是仍会产生多普勒频移距离耦合现象,影响 距离测量精度,文献【3 】分析了距离一多普勒耦合效应对精度的影响。对于补偿多普 勒频移对测距造成的偏差,国内外许多学者做了开展
20、了大量研究,文献 4 】利用发 射信号和回波信号的互相关性,提出了基于修正的循环相关函数包络的多普勒尺 度参数估计算法。文献 5 】给出了在上升下降调频脉冲的基础上构建新的压缩波形 的方法。都可以用来对多普勒频移实行修正。 自6 0 年代以来,数字技术的不断发展并应用于雷达领域,改善了模拟系统的 很多缺陷,使得雷达性能大大提高。从8 0 年代开始,P D 雷达的数字化接收机进 入中频数字处理阶段,消除了模拟器件的不稳定性和不确定性,而且提高了系统 的灵活性和抗干能力,降低系统的体积和成本。通过中频采样不仅可以将模拟信 号变换成数字形式,而且变换后的信号是正交的两路,可以很方便的获得回波信 号的
21、幅度和相位信息。 但是同时,因对模拟信号进行采样会不可避免的带来量化误差,而造成处理 分辨率有限,使其测量精度不能获得有效提高,文献 6 对量化误差做了详细分析, 第一章绪论 3 并提出采用扩展比值插值法提高精度,但是该方法计算量较大;文献 7 提出逐点 插值法和二分插值法,但是需要进行多点插值才能有效提高精度;文献 8 提出相 位差分方法,在时域测量相位并估计频率和初相,但是需要很高的信噪比。 距离模糊与速度模糊是直伴随着P D 雷达发展的问题。对于解距离、速度模 糊,主要有两种思想,一是对发射脉冲加“标签“ ,通过判断回波的“标签“ ,得 知回波隶属于哪一个发射脉冲,从而解决模糊问题。例如
22、对载频进行线性或者正 选调制、在发射脉冲串内“舍脉冲的方法,但是这类方法限制很多而且精度较 低。二是脉冲重复频率切换法,通过发射几个不同重复频率的脉冲测出相应的模 糊距离,再通过计算得出目标的真实距离。 1 3 论文内容安排 本文正是基于P D 雷达信号处理而来,通过对其包含的正交采样、脉冲压缩、 动目标检测,恒虚警检测,解模糊等相关理论的学习,结合某型号机载雷达信号 处理机研制工作中的实际问题和经验总结而完成的。 本文的主要工作和各章内容安排如下: 第一章:介绍了本文研究课题的背景以及意义,阐明了本文研究的方向和内 容安排。 第二章:以采样定理为基础理论,系统的介绍了数字中频正交采样理论,详
23、 细分析了低通滤波法正交采样的原理和意义,并在其基础上讨论了低通滤波法的 多相结构的实现方法与多相滤波器的设计,进行了算法对比并说明了多相滤波对 正交采样效率的改善。 第三章:以有限长脉冲响应数字滤波器( F I R ) 滤波理论为基础,详细分析了两 种典型的滤波器设计的方法和特点,并研究了使用等波纹法滤波器设计时,影响 滤波计算量以及滤波性能的因素,为正交采样中的滤波器参数优化提供参考,并 讨论了基于频率响应屏蔽技术( F R M ) 的窄过渡带滤波器设计。 第四章:以P D 雷达测距测速的相关原理为基础,介绍了脉冲压缩技术,动目 标检测技术和恒虚警技术。对于距离的测量,分析了多普勒频移会对
24、脉压结果产 生影响,并以正负斜率调频脉压法补偿了距离走动,同时进行了速度估计;讨论 了因采样导致的距离量化误差,并提出一种插值法提高测距精度。对于速度的测 量,分析了相参积累时的多普勒通道量化误差,并将插值法进行调整应用到速度 测量中,给予仿真证明了插值法对于测速精度的改善。 第五章:以多重频解模糊为基础,介绍了一维集和余差法解模糊的基本思想 和算法,并提出了两种改进的方法,接着分析了改进算法的计算量与性能,给予 D S P 实现验证了其改善效果,讨论了多目标解距离模糊的问题和解决方法。给出 4 P D 雷达信号处理若干问题的优化方法 了一种单重频解速度模糊的方法,仿真验证了其有效性。 第二章
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- pd 雷达 信号 处理 若干问题 优化 方法
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