高距离分辨成像雷达的信号分析与处理_图文

1、西安电子科技大学硕士学位论文高距离分辨成像雷达的信号分析与处理姓名:刘晓宏申请学位级别:硕士专业:信号与信息处理指导教师:邢孟道20060101 离距离分辨成像雷达的信号分折与处理主要波形参数:宽带信号中心频率为IOGI'Iz,信号带宽为150MI"Iz,宽带信号脉冲时宽为2us,子带宽为75Ml-lz,子脉冲时宽为1甜,子脉冲个数为2(我们先以最简单的情况进行仿真,点目标到雷达的距离为1500m。仿真结果见下面: 图3.5宽带回波信号混频后的频谱图3.6宽带回波信号的相位谱 图3.7宽带回波信号的脉压结果图3.8脉压主瓣 图3.9子脉冲l的回波信号频谱图3.IO子脉冲2的回

2、波信号频谱第三章步进频率技术的合成带宽处理方法 图3.11合成宽带回波信号的频谱图3.12合成宽带回波信号的相位谱 图3.13合成宽带回波信号的脉压结果图3.14脉压主瓣对比图3.5和图3.1l,图3.6和图3.12可见,由两个子脉冲合成而得到的信号的频谱和相位基本上和宽带宽信号的频谱和相位完全一致,再观察图3.7和3.13,从两种信号的形式的匹配滤波结果可以看出,它们的距离像都具有sinc函数的形状,且峰值主瓣宽度也一样,由此可知,用多个窄带子脉冲串可以合成所需的宽带宽信号,二者具有相同的有效带宽和距离分辨率。实验2:多点目标仿真由实验l可知采用步进频率技术用子脉冲串来合成宽带宽信号的方法是

3、可行的,下面采用多个点目标来验证步进频率技术运用子脉冲合成波形的高距离分辨能力,实验主要参数如下:宽带信号中心频率为10GI-Iz,信号带宽为800MHz,宽带信号脉冲时宽为4us,子带宽为200MHz,子脉冲时宽为l us,子脉冲个数为4,假设三个静止点目标斜距上间距为l米。雷达与目标的距离分别为1999、2000、2001。雷达直接发射带宽为800MHz的线性调频信号经3个点目标散射后的基带回波谱见图3.15,脉冲压缩后的点目标距离像如图3.16所示。采用4个子脉冲带宽为200MHz的窄带信号经3个点目标散射后的回波信号合成的频谱见图3.17,匹配滤波结果见图3.18。高距离分辨成像雷达的

4、信号分析与处理 3.15多目标宽带信号回波频谱图3.16宽带回波脉压结果 图3.17子脉冲回波合成频谱图3.18子脉冲台成脉压结果由以上结果对比可知,子脉冲信号的合成频谱、脉压结果和宽带信号的频谱、脉压结果完全一致,这就说明了合成信号具有与等效的宽带宽信号相同的距离分辨率,完全可以用于高距离分辨率的雷达成像系统中。3.5小结本章首先从步进频率合成带宽技术的基本原理出发,介绍了什么是合成带宽技术,以及合成带宽技术的优点,接下来我们从算法实现的角度,详细分析了子脉冲串合成宽带信号的原理和方法,并给出了子脉冲回波合成宽带宽信号的具体步骤,最后,通过仿真实验验证了窄脉冲合成谱与宽带频谱的一致性。通过以

5、上的原理分析和实验验证,我们可以得出步进频率技术运用窄带合成的方法可在降低接收机瞬时带宽的前提下获得高距离分辨率所需的大有效带宽,在现有的硬件水平限制下,此种信号形式比同样带宽的线性调频信号具有更好的可实现性,此种方法在工程上容易实现,设计灵活,极适用于高分辨率成像雷达系统。 第四章步进频率合成带宽中的运动补偿技术雷达接收的第H个子脉冲回波发生了变化。相对于静止的情况,接收的回波信号时延了f:,并且多了两个相位项,其中时延和第二个相位项是目标运动所引起的相位偏移,容易使距离像偏移静止目标;第三个相位项为速度与频率的耦合项,容易造成目标距离像幅值下降,主瓣展宽甚至波形发散失真。这些因素势必将对子

6、脉冲时域合成产生影响,如果我们还是按照第三章中所述的基本合成带宽方法处理,必将影响合成带宽的质量。为此,我们有必要对径向速度1,所形成的误差进行补偿。为了补偿相对运动所形成的误差,首先我们必须补偿频域偏移项和耦合相位项,也就是给式(4.7乘以式exp02矾f:expU2月V(t以消除由相对运动所引起的相位项误差;接着,我们对式(4.7再进行时移f:,补偿由相对运动所形成的时域偏移,时移的处理我们可以转化到频率域通过乘以线性相位项来完成;通过上述的补偿处理,我们就可以按照第三章中介绍的合成方法对接收的子脉冲信号再进行合成处理,得到我们需要的宽带宽信号。当然,我们也可以把补偿和合成步骤综合在一起进

7、行处理。实际中我们都是这样做的。4.2.2仿真实验为了更好的分析相对运动对子脉冲合成谱和脉压结果的影响。以及进行运动幸偿的必要性和有效性,下面我们通过几组参数进行仿真实验,具体见下文;实验l:直接发射一个宽带宽信号,其中心频率为10GI-Iz,信号带宽为400 MHz,宽带信号脉冲时宽为2ua,雷达和目标之间的相对径向速度为50m/s。其频谱图和脉压结果分另q如图4.1和图4.2所示。 图4.1宽带信号频谱图4.2宽带信号脉压结果实验2:设中心频率为10GHz,信号带宽为400MHz,信号脉冲时宽为2us的宽带宽信号由子脉冲信号合成而成,子脉冲带宽为20QMHz,子脉冲对宽为I埘,子脉冲个数为

8、2,子脉冲重复频率PRF为2000,相对径向速度为50m/s。在没有补偿相对运动的情况下的合成频谱图和脉压结果如图43和图4,4所示。商距离分辨成像雷达的信号分析与处理 图4.3合成带宽频谱图(未补偿图4.4合成带宽脉压结果(未补偿实验3:设中心频率为10GHz,信号带宽为400MI-IZ,信号脉冲时宽为4us的宽带宽信号由子脉冲信号合成而成,子脉冲带宽为100MHZ,子脉冲时宽为l硼,子脉冲个数为4,子脉冲重复频率PRF为2000,相对径向速度为50rids。在没有补偿相对运动的情况下的合成频谱图和脉压结果如图45和图4.6所示。 图4.5合成带宽频谱图(未补偿图4.6合成带宽脉压结果(未补

9、偿 图4.7合成带宽频谱图(未补偿图4.8合成带宽脉压结果(未补偿实验4:设中心频率为10GI-Iz,信号带宽为400MHZ,信号脉冲时宽为8淞的宽带宽信号由子脉冲信号合成而成,子脉冲带宽为50MHz,子脉冲时宽为l姗,子脉冲个数为g,子脉冲重复频率PRF为2000,相对径向速度为50m/s。在没有补偿相对运动的情况下的合成频谱图和脉压结果如图4.7和图4.8所示。第四章步进频率合成带宽中的运动补偿技术通过以上4组实验结果的对比发现:随着子脉冲个数的增加,子脉冲合成谱偏离矩形幅度谱的程度加大,在子脉冲频谱合成边沿,误差也越来越大,脉压结果中旁瓣增加,主瓣展宽,使得脉冲压缩比急剧减小。可见,雷达

10、和目标之间的相对运动对合成带宽的影响非常明显,必须对此进行运动补偿,下面我们再通过几个实验验证补偿方法的正确性。实验5:具体参数和实验2相同,我们进行了运动补偿,补偿结果的频谱图见图4.9,脉压结果见图4.10。 图4.9合成带宽频谱圆(补偿后图4.10合成带宽脉压结果(补偿后 图4.1l合成带宽频谱图(补偿后图4.12合成带宽脉压结果(补偿后 图4.13合成带宽频谱图(补偿后图4.14合成带宽脉压结果(补偿后实验6:具体参数和实验3相同,我们进行了运动补偿,补偿结果的频谱图见图4.11,脉压结果见图4.12。 高距离分辨成像重达的信号分析与处理4.3。3仿真实验在这节,我们通过对一组数据进行

11、仿真,以验证我们所述的补偿办法的可行性,具体仿真参数见表4,l表4.1仿真参数中心频率Z10e9子脉冲宽度E30e6子脉冲个数栉8子脉冲长度乙10e-6重复频率P珏20采样率只40e6合成带宽B120e6目标垂距R日5000斜视角岛刀,3载机速度V100 图4.17速度为0m/s图图4.18速度为100rids补偿前 图4.19速度为1001/s补偿后 竺苎里堕坌鲞盛堡重鲨塑堕三坌塑兰竺里 图4.20机场跑道部分截图(放大 图4.2l机场跑道J兑像玺| 第四章步进频率合成带宽中的运动补偿技术完成了上述四步以后,我们就把目标的高速运动所形成的误差进行了补偿,接下来我们再按第三章中所述的合成的基本步骤进行处理,就可得到合成宽带宽信号,进而得到对目标的高距离分辨率成像。同样如前面所述,补偿和合成可以综合在一块进行处理,为了讨论方便,我们才分开来处理的,实际中我们都是一起进行处理的。为了验证上述方法的正确性和有用性,接下来我们进行仿真实验。4.4.2仿真实验下面我们通过对一个单点目标进行仿真实验,以验证所述方法的有用性和正确性,同时通过对比,也突出了进行运动补偿的必要性。 图4.22速度为0m/s 图4.24速度为2000m/s补偿后图4.25速度为2000rids补偿后实验参数:设中心频率为10GHz,信号带宽为400MHZ,信号脉冲时宽为4us 的宽带宽信