线性调频连续波雷达信号处理技术研究与硬件实现_图文

1、西安电子科技大学硕士学位论文线性调频连续波雷达信号处理技术研究与硬件实现姓名：包敏申请学位级别：硕士专业：电路与系统指导教师：史林20090101摘要根据线性调频连续波雷达的工作特点，本文推导了线性调频连续波雷达回波信号的基本关系式，并以此为基础，分析了线性调频连续波雷达的回波特性、距离和速度分辨率；并对动目标回波差拍信号在频域上出现的距离一速度耦合现象进行了研究。本文还对多周期对称三角线性调频连续波雷达回波差拍信号特性进行了分析。在上面分析的基础上，提出了利用动目标和固定目标回波差拍信号在频域上不同的特点，实现线性调频连续波雷达的，并在目标运动发生越距离单元走动情况下对运动目标进行了运动补偿

2、，避免了对消后目标分裂现象的产生。根据线性调频连续波雷达回波差拍信号频谱峰值受多普勒频率的调制，提出了利用多周期回波多普勒信号区分不同速度的运动目标的方法，本文给出了相应的处理方法。并介绍了线性调频连续波雷达相参积累、恒虚警检测和提高测距精度的方法。对于目标密集的场合，为了消除弱小目标被邻近强目标遮盖的现象，提出了基于和变换的弱目标提取算法。在以上算法分析和仿真结果的基础上，结合项目的实际要求，研制了以公司的通用数字信号处理器为处理仫心的线性调频连续波雷达信号处理机，本文作者主要讨论了信号处理机系统的硬件设计与实现。关键词：线性调频连续波雷达动目标检测数字信号处理器，：独创性（或创新性）声明本

3、人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成功。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所作的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。本人签名：日期沙、？、日期鲨：垄关于论文使用授权的说明本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定。即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于西安电子科技大学。本人保证毕业离校后，发表论文或使用论文（与

4、学位论文相关）工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。（保密的论文在解密后遵守此规定）本人签名：望红显遮叁日期导师签名：同期第一章绪论第一章绪论连续波雷达体制概述及其基本特点连续波雷达体制概述连续波雷达是一种以连续波信号为发射信号来获得目标的距离或者速度信息的雷达体制。这种雷达技术有着悠久的历史，由于连续波雷达体制上的特点，决定了它不能在发射信号期间关闭接收机，而只能采取其它技术途径来实现收、发间的隔离，连续波雷达收、发问的隔离都难于做得很好，限制了连续波雷达的发

5、射功率，因此连续波雷达的作用距离难于做的很大，限制了它在军事上的运用，从而不能像脉冲雷达那样得到广泛的研究。有关理论和技术的发展水平也大大落后于脉冲雷达。而今，连续波雷达以其独特的技术优势越来越受到重视和发展，主要原因有以下三个方面。首先，调频连续波的最主要的优点是其调制很容易与大多数固态发射机兼容；其次，数字信号处理器的应用使得连续波雷达中通过完成频率测量来得到距离信息的工作变得很容易；最后，调频连续波雷达使用低截获概率波形，而传统的截获接收机很难检测。连续波雷达大致可以分为两种，简单未调制连续波和调制连续波，简单未调制连续波只能测量目标速度，不能测量距离信息，为获得目标距离信息常采用频率调

6、制的方式，其中线性频率调制连续波又是运用最广泛的，而且当使用数字信号处理器来得到目标的距离信息时，这种方式又是最为合适的。因此对调频连续波雷达的兴趣都集中在线性调频连续波雷达。调频连续波雷达以其独有的优点在诸如海军战术导航雷达以及汽车用雷达等相对恶劣的环境下得到应用。本章主要介绍线性调频连续波雷达的基本原理、有关线性调频连续波雷达的研究及发展动态，以及本论文的主要内容。线性调频连续波雷达的优缺点根线性调频连续波雷达的优点，主要有如下几个方面：一、容易实现极高的距离分辨率根据雷达距离分辨理论，雷达系统的理论分辨率由雷达信号带宽决定。在线性调频连续波雷达中，利用调谐振荡器或变容管调谐耿式振荡器等压

7、控振荡器，可以很容易产生大带宽信号，而接收机视频部分的带宽却远远小于信号带宽，因而也易于工程实现。例如，在以上频段，的扫频带宽是容易实现的（理论距离分辨率），而相应的接收机视频带宽却在数十以下，而在一般脉冲体制的雷达中，要获得这么大的信号带宽，需要产生和处理时宽为线性调频连续波雷达信号处理技术研究与硬件实现的窄脉冲，这在工程实现中是比较困难的。另一方面，在实际应用中往往需要对雷达输出信号进行数字处理以提高雷达检测目标信息的能力和实现智能化终端显示输出。因此需要把雷达视频信号转化为数字信号，然后由数字信号处理器或计算机进行处理。在脉冲雷达中，距离轴与时间轴呈线性关系。因此，系统的距离分辨率越高，

8、要求的时域采样频率也越高。例如，当距离分辨率为时，在脉冲雷达中，要求数据采集系统具有以上的时域采样频率，为此需要付出高昂的代价。因此，从数字处理的角度而言，脉冲雷达难于在工程实现中获得极高的实际距离分辨率。由于线性调频连续波雷达的时域采样率远远小于具有同样信号带宽的脉冲雷达，两者相差的倍数为最大回波时延与有效信号时宽之比。在前面的例子中，线性调频连续波雷达的时域采样率仅在数十以下。事实上，线性调频连续波雷达对距离维的采样是在差拍信号的频域内进行的，而频域的采样率是由信号的有效时宽决定的，而且其频域采样间隔总是与理论距离分辨率相对应。或者说，线性调频连续波雷达的距离维采样间隔总是等于系统的理论距

9、离分辨率。所以在线性调频连续波雷达中，只要满足采样定理的时域采样频率对有效时宽内的差拍信号进行采样，经运算后，既可在距离维获得极高的距离分辨率。线性调频连续波雷达易于产生和处理极大带宽信号的特点使其特别适合用于需要极高距离分辨率的场合。二、不存在距离盲区线性调频连续波雷达的发射信号时宽远远大于目标回波延时，而发射机与接收机是同时工作的，不像脉冲雷达那样需要在发射机工作期间关闭接收机，所以线性调频连续波雷达不存在距离盲区。这是所有连续波雷达的共同性质。对于极近距离（数十米内）目标（例如地雷、埋地管道、地下建筑）的探测来说，这无疑是一个极有价值的特点。三、发射功率低，抗截取能力强根据雷达统计检测理

10、论，在噪声功率一定的情况下，雷达的检测能力由信号能量决定。线性调频连续波雷达采用的是超大时宽带宽积信号，所以它具有远远大于具有同等信号电平和信号带宽的脉冲信号能量。设线性调频连续波雷达的发射信号功率为，那么它的信号能量由尸给出；而一个具有相同信号带宽和距离分辨力的脉冲雷达信号的能量为只，为脉冲雷达的发射功率。于是，线性调频连续波雷达的等效脉冲功率为：，其中，为线性调频连续波雷达的发射信号时宽带宽积，通常在数量级。所以它的等效峰值功率比它的实际发射功率要高万倍左右，或者说，它比具有相同信号带宽（和距离分辨率）及相同发射功率尸的脉冲雷达的信号能量要大厅倍。第一章绪论例如，一个持续时间为的扫频带宽的

11、线性调频连续波信号的能量是具有相同电平和信号带宽（即距离分辨率）的脉冲信号能量的万倍。换句话说，在同等距离分辨率（）的条件下，具有功率时宽的线性调频连续波信号与具有峰值功率时宽的脉冲信号有相同的检测能力。线性调频连续波雷达的上述特点，使其在工程实现中容易获得给定作用距离所需的信号能量。由于线性调频连续波雷达的平均功率低且具有相当高的时宽带宽积，因此不易被系统或者截取设备检测到，特别是当截取接收机依赖于一个脉冲结构去产生一个声频或视频显示的时候尤其如此。警用雷达和人体检测雷达具有这种功能。即使是一个阻塞式接收机，在最简单的视频形式下，在足够的距离范围内也不会给出警告信息。四、超过其他调制的连续波

12、波形的优势其他的波形，比如说相移键控，一直被提议作为连续波雷达的一种波形。这种波形具有线性调频连续波的大多数优点，比如说与固态发射机兼容和不易被截取，但是线性调频连续波由于它的波形的确定而具有很重要的实际优势。作为相关器：用来从差拍信号中发现距离信息的处理器与脉冲压缩中使用的相关器比较起来相对更简单。事实上目标距离与差拍频率成比例意味着处理的距离单元数可以简单地通过对差拍信号滤波来进行限制，使得处理信号带宽仅仅覆盖所感兴趣的距离，这样可使数字处理器的复杂性得到极大的简化。抗干扰：线性调频连续波是高度确定的这一事实在对消噪声时确实是一个优势，因为它允许对任何有用信号的确定预测，使得与希望的回波信

13、息不相关的杂波能被有效的抑制掉。这特别适用于抗脉冲雷达的干扰和窄带干扰。灵敏度时间控制：（）在脉冲雷达中是一个基本技术，它被用来控制回波的动态范围，与此类似可以在线性调频连续波雷达中在频域实现该技术。线性调频连续波雷达允许使用距离增益控制来控制回波信号的动态范围，而对于其它的波形来兑是做不到的。五、工作电压低，结构简单由于线性调频连续波雷达是依靠大时宽来获得信号能量的，一般不需要很高的峰值功率。所以线性调频连续波雷达的工作电压很低，在近距离应用时通常只需要数十伏特即可正常工作。而这一参数在脉冲雷达中通常在数千伏特以上。低工作电压使线性调频连续波雷达避免了高功率、高压器件的使用，从而使系统容易实

14、现固态化，体积减小、重量减轻、成本降低，同时由于线性调频连续波雷达通常采用将发射信号的一部分直接与回波信号进行差拍后再进行进一步处理，所以射频部分结构简化，整个雷达系统的结构也大大简化，使工程实现难度线性调频连续波雷达信号处理技术研究与硬件实现大大降低。除上述优点外，线性调频连续波雷达也存在一些缺点。主要表现在：一、作用距离有限线性调频连续波雷达属于连续波体制，发射机和接收机是同时工作的。但要求的作用距离增大时，所需的信号功率也随之增大，在单天线结构的线性调频连续波雷达中由于环形隔离器隔离度的因素，发射机泄漏到接收机的功率也增加，影响到接收机正常工作，甚至损坏接收机。限制线性调频连续波雷达作用

15、距离的另一个重要原因，是接收机信号处理设备的规模和实时处理能力。可以证明，差拍信号的采样点数等于作用距离与分辨率之比的两倍，当分辨率要求一定时，作用距离增大，采样点数将成线性增长，在数字处理结构中，处理运算量按快于线性的规律增长，所需存储空间也大大增大。二、距离一速度耦合问题线性调频连续波雷达采用的是大时宽带宽积调频信号，根据雷达信号模糊函数理论，它必然存在距离与速度耦合的问题，这不仅导致系统的实际分辨力下降，而且引起运动目标测距误差。虽然在脉冲雷达中有类似的问题存在，但脉冲雷达的时宽相当小，同时考虑到线性调频连续波雷达的应用通常都注意它的高分辨率和测距精度，所以因为距离一速度耦合引起的问题就

16、更为严重。国内外研究与发展动态由于前面提及的有关因素的影响，在相当长的段时间里，线性调频连续波雷达仅仅用于雷达高度表，有关线性调频连续波雷达的理论问题一直没有受到重视，直到八十年代中期，荷兰的等人在用线性调频连续波雷达进行气象观测的研究中【】，才对线性调频连续波雷达的理论问题进行了分析，对线性调频连续波信号的模糊函数、分辨力、接收机灵敏度以及线性调频连续波雷达的特点进行了初步分析；与此同时，美国的等人在的资助下，对线性调频连续波雷达中由旁瓣和速度距离耦合所引起的距离串扰问题进行了研究【】，德国联邦大学（）的：、荷兰的等人进行了近区杂波抑制问题的研究工作【儿；德国的、美国的等人对线性调频连续波雷

17、达的动目标显示问题进行了探索【】【】；八十年代未，国外研究者们在把线性调频连续波雷达与脉冲体制和有关技术（如极化、自适应波束形成、逆合成孔径等）相结合的方面进行了尝试】。国内外研究者们还在线性调频连续波雷达信号处理方面进行了研列叫，这些第一章绪论研究集中在声波表面傅立叶变换器和高分辨率算法等方面。进入九十年代，线性调频连续波雷达的发展显示出的显著特点是将线性调频连续波雷达的独特优点与毫米波技术相结合，并采用毫米波集成技术，使得毫米波线性调频连续波雷达的成本和体积大幅度下降而可靠性提高。近年来由于超大规模集成电路和阵列处理技术促进了数字信号处理器的迅速发展，可利用微型数字信号处理器实现来代替模拟

18、窄带滤波器组结构，从而大大减小了线性调频连续波雷达的设备量；同时，固态微波和毫米波器件的发展使得线性调频连续波雷达可采用全固态化甚至全集成化结构。这两方面结合起来，已使线性调频连续波雷达的工程实现变得容易，并具备了结构简单，体积小重量轻和成本低的特点。另一方面，由于导弹在现代战争中的重要地位，也需要对导弹进行精密末制导和设置雷达引信以提高导弹的命中精度和杀伤力，为此需要一种成本低、精度和分辨力高的小型雷达；在民用中也需要一种能无损伤探测埋地管道或其它物件的轻型、经济的具有近距离探测能力的雷达，同时交通管制、机场地面目标和港口的全天候监测也需要一种轻型高分辨力和能近距离探测目标的雷达。由于线性调

19、频连续波雷达具有结构简单、体积小、重量轻、成本低、分辨力极高、不存在距离盲区和特别适合于近距离应用的特点，正好适应了这些应用的需要，所以在近十余年间，受到了一定的重视并得到了相应的发展。本文主要工作本文的主要工作背景为“超低截获概率雷达技术研究项目信号处理技术研究国防预研项目，根据线性调频连续波雷达的工作特点，结合项目的实际要求，负责某线性调频连续波雷达信号处理的研制，主要包括信号处理方法研究，信号处理板的硬件设计，软件框架设计，具体工作如下：信号处理算法设计首先对单周期线性调频连续波雷达信号和多周期线性调频连续波雷达信号进行了推导和分析，在此基础上研究了线性调频连续波雷达中的一些关键技术：线

20、性调频连续波雷达的，信号积累，恒虚警检测和提高测距精度的方法。信号处理算法的仿真根椐所设计的信号处理算法，在高斯白噪声背景下，进行了仿真，验证了算法的有效性。信号处理板卡的硬件设计在理论分析基础上，研制线性调频连续波雷达信号处理机。作者主要完成了信号处理机的硬件设计和软件框架的设计。功能模块由本项目的其他同学完成。第二章对称三角线性调频连续波雷达信号分析第二章对称三角线性调频连续波雷达信号分析近年来由于固态微波器件和数字信号处理技术的推动和军事实用的需要，促使线性调频连续波雷达逐渐应用于多目标场合。距离一速度耦合引起的距离偏移在单一调频斜率的雷达中是很难消除的，由于对称三角线性调频连续波可以实

21、现距离一速度解耦合，达到目标距离与速度检测的目的。本章采用对称三角形调频连续波分析线性调频连续波雷达的工作原理和回波特性，并且讨论了线性调频连续波信号的距离和速度的分辨率和距离一速度耦合问题对系统性能的影响。对称三角线性调频连续波雷达基本工作原理对称三角线性调频连续波雷达发射信号为线性调频连续波信号，每一周期都包含上扫频段和下扫频段，其时宽远远大于作用距离所对应的回波延时，从而保证了可以用大的带宽来获得高的距离分辨率，并且对每一扫频段采用解线调的方式（即把发射信号的一部分和回波信号分别馈入混频器的本振输入端和信号输入端进行基带混频）获得回波差拍信号，这样处理系统的带宽可以很小，便于后续的信号处

22、理。系统利用在时间上改变发射信号的频率并测量接收信号和发射信号频率差的方法来测定目标距离。在任何给定的瞬间，发射频率与接收频率的差拍不仅可以测量目标距离，同时还可以测量目标径向速度，可以用发射信号和运动目标散射的回波信号频率随时间的变化来说明，如图所示。图（）中的实线厶时频率五（）图对称三角线性调频连续波雷达：作原理图代表线性调频连续波的发射信号，而虚线则代表运动目标的回波信号，回波信号与发射信号的时间一频率图具有相同的形状，只是在时间上有一个延迟（为光速）：并且两条曲线上峰值之间的差就是动目标加在回波信号上面的多普勒频移厶。两个连续峰值之问的时间差就是从雷达发射到目标然后返回雷达接收机的时间

23、。因此，如果发射机和接收机在同一位置，则目标距离由给线性调频连续波雷达信号处理技术研究与硬件实现出。将发射信号与回波信号进行混频后得到回波差拍信号，其瞬时频率如图（）所示，由图可以看出，在回波有效区间内，其为一单频信号，信号的频率就表征了目标的距离和速度信息。由于目标多普勒频率的影响，上下扫频段回波差拍信号频率不一样，由下节分析可以得到，差拍信号近似为一单频信号，对于固定目标而言其频率和目标距离成正比看出，但对于动目标来说该频率除了和目标距离成正比的部分外，还包含了目标的多普勒频率成份，这就是线性调频连续波雷达的距离一速度耦合问题。单周期对称三角线性调频连续波信号分析由对称线性调频连续波雷达的

24、工作原理可以看出，线性调频连续波雷达的主要分析对象是发射信号和目标回波信号的差拍信号。由于上下扫频段产生的回波特性接近，下面信号分析主要以上扫频段为例，定量分析差拍信号的表达式及其特性，从而为多目标检测提供理论基础。在上扫频段周期内，线性调频连续波雷达发射信号在有效区间乃胛【一，】可以表示为：墨即（），（寺）死坤】疋，妒二（）其中，彳。，成胛分别代表发射信号的振幅和随机初相；为发射信号的有效时宽；厶是时发射信号的瞬时频率，也就是信号有效区间发射信号的中心频率，驯（为发射信号的有效带宽）为调频斜率，；有效区间内时宽带宽积。一般来说，线性调频信号时宽带宽积，从而可以获得高的距离分辨率。设在电磁波所

25、覆盖的空域内，一个匀速运动目标，以径向速度接近雷达（以远离雷达方向为正方向），在时刻目标斜距为风，回波延迟为（），多普勒频率为厶；（五（为光速）称为工作波长），则接收到的目标回波信号坤）在有效区间印内可以表示为：妒），）寺）丸。妒伊妒】），印二（）其中，常与目标反射强度和传播衰减有关，舢代表目标反射引起的附加相移，（）（）为目标的延时函数。将母柙）和坤）混频，得到回波差拍信号咒坤）：（）硝一圭）厶）一印）将（）（蜀）扣带入上式可得：坤（）第二章对称三角线性调频连续波雷达信号分析即（力圭群万眦孕一等警五）（警一毗孕一等）】圭墨万（五以一九。妒）】妒印）三吾墨刀似兰墨睾石弦型：，一死柙）（）”一由

26、以上分析可知，运动目标的回波差拍信号仍为一线性调频信号，该信号参数如下：中心频率：，孕一詈警二碍孕詈石调频斜率：朋了一了：坐艿调频带宽：忍：竺一。（）（）（）初始姚叩石孕一等埔印石等城叩（）由调频带宽反，时宽带积最，容易知道，虽然发射的线性调频信号的时宽带宽积比较大，但是由于“，因此差拍信号的时宽带宽积仇是很小的，例如，当线性调频连续波雷达发射信号的时宽带宽积，相对应的。，所以。（）是一个时宽带宽积很小的线性调频信号，故可以近似为单频信号，如式（）所示：叩（）：以，万【（堡）五堡】一砘印）疋坤（）由正交双通道可以获得倍于单通道的检测性能并且可以同时得到信号的幅度和相位信息，所以通常都是对复差拍

27、信号进行处理。对其进行下交变换，差拍复信号表示为：印（）：，。研（鱼兰）一脱，叩）叩。（）下面分析回波差拍信号的谱，（）可以表示为一连续单频信号经过嘶）截取有效区段之后的部份：“垆，冰孕等肿五孕】碱洲）（）线性调频连续波雷达信号处理技术研究与硬件实现其中，窗函数以）为矩形窗扑￥对。矽（）进行傅立叶变换：譬坤乏疋咿，、，印（）。印（）（）巴，印）（万）斑兰墨名阢幼万。）咆黜（咖（孕一警门毛群名幼（；）吨孕一警伊】（）上式表明，印（）的频谱屯，印（厂）是一单边谱，包括了一个由回波信号能量决定的实常量因子、一个由目标反射附加相移确定的复指数因子和一个由目标回波时延决定的复指数因子，其包络是一个中心频

28、率偏离频率轴原点的辛克函数，主瓣宽度为，与窗函数基波频率相同。所以其频率分辨率为，由采样数据时长决定。利用频率轴和距离轴的转换关系，可以得到其距离分辨率为，所以为了获得高的距离分辨力常用大带宽的信号。利用多普勒频率和速度的关系厶五，可以得其速度分辨率为五。线性调频连续波雷达上扫频段差拍信号的回波中心频率是五即，可以看出，回波中心频率由两部分组成，一部分是由目标距离产生的频率差，第二部分是由于目标的运动而产生的多普勒频率讥，对应在距离轴上其峰值出现在讥处，所以测距误差为讥，当目标向雷达运动时，其速度为负数，表示当线性调频连续波雷达的调频斜率时，测量到的目标距离比实际距离偏近，这就是线性调频连续波

29、雷达的距离一速度耦合现象。瓯。（厂）的中心频率包含了目标的距离和速度信息，可以通过谱估计的方法来获得其频率的估计，常用的方法是基于的谱估计方法，下一章将介绍几种高精度的频率估计方法。同理可以证明，在发射信号一个扫频周期内，三角线性调频信号下扫频段可以表示为：在有效区间幽。【一叫，吖】可以表示为：，如。，）（一言）九咖帅】瓦。二（）同样一个匀速运动目标，以径向速度接近雷达（以远离雷达方向为币方向），在时刻目标斜距为风，回波延迟为），多普勒频率为厶五（旯（为光速）称为工作波长），则接收到的目标回波信号母厕。（）在有效区问互砌。可以第二章对称三角线性调频连续波雷达信号分析表示为：母。（）（）一寺（）

30、唬，棚如删】）枷（）将墨加（）和瓯棚）混频，忽略和。有关的较小项，并且其也可近似为一单频信号，得到下扫频段差拍信号翩（）：加：，￥砸（叫堡型石一丝）。一死加）对棚（）进行正交变换，复信号表示为：（），棚（）：三墨：栅堡堡石一丝弘。一，棚）（）对屯（）进行傅立叶变换得：屯加：丢墨鬈酬眠监欢棚）】黜【万（厂堡一型石丝）刀比，通常是对五。棚的相反数作分析即，一以咖。一甄（）线性调频连续波雷达下扫频段差拍信号的回波中心频率是以加氓【，其通常为负数，为了方便和上扫频的频谱作对（）由上式可以看出，回波中心频率由三部分组成，一部分是目标距离产生的频率差，第二部分是由于目标的运动而产生的多普勒频率氓，第三部分

31、是由于目标在上扫频区间内已经移动了，的距离，造成实际距离变化，对应在距离轴上其峰值出现在一饥处，所以测距误差为一氓，当线性调频连续波雷达的调频斜率时，目标向雷达运动时，其速度为负数，测量到的目标距离比实际距离偏远。注意，当目标速度，为正值时（运动方向为远离雷达站），差拍信号在上扫频段向正方向偏移而在下扫频段向负方向偏移。多周期对称三角线性调频连续波雷达信号分析我们在前面都是对线性调频连续波雷达点目标在一个调频周期内的回波差拍信号的分析。在此基础上，我们对线性调频连续波雷达在多个调频周期内的回波差拍信号表达式及其特点做进一步的分析。多周期线性调频连续波发射信号、回波信号以及差拍信号的瞬时频率如图

32、，信号分析仍以上扫频段为例。为信号重复周期，线性调频连续波上扫频段在第个信号重复周期内的发射信号墨舰。（）可以表示为：线性调频连续波雷达信号处理技术研究与硬件实现墨带。（）万兀（一豇）（一七霉）依，印）呱【三饵鲻三进行变量代换令，并将改写为得：（）墨。（）万（三）败，妒】互【一，】（）设时刻点目标距离为，以径向速度，接近雷达（以远离雷达方向为正方向）。则目标的瞬时回波延时为（）（）知气一勋，气为时刻占目标回波时延。瓜、一盥贸黔图多个二角调频连续圾调频周删百号狈率图则点目标在第个调频周期内的回波信号母。（）在，可以表示为：帆。（；）墨其中，吒（）：（）。万五（一饵一气（，）（；一饵一（们终。印苁

33、印（），一三坶鲻吾崛】坤。（）与墨岍。（）混频得到差拍信号：既却。）圭，万【一丢。（）厶。）（）卜。丸胛）卜，】的表达式为：（）进行变量代换令，并将改写为得信号在有效区间第二章对称三角线性调频连续波雷达信号分析最即（）三墨名砸一三气（饵），（）小一噍，妒）（）将气（），妒（；），；窍【詈！芋二缸，（警一马（），一讹辱一）（呲）妒咄。”对式（）进行正交变换，复信号表示为：名泓。（，）彳加吾詈五舡了乃“詈一声等弦（。一等七警五）】磁邑胁互印州驰警甜，（）由上式可知，多周期回波差拍信号仍为一时宽带宽积很小的线性调频信号，一埠，）一印）（）对有效调频时宽疋上的差拍信号昆泓。（）进行傅立叶变换得其频谱：

34、，（）臣吾巧名刀（一等）一磁坤】（万。）硝（三型五，霉）】）砸彤）衍；，和“万业劬亿。，、万（一三一型五一础）】我们可以看到胁。（厂）是以厶附氓话霉为中心，其形状接近辛克函数。在兀。舭。处。（厂）取得其峰值：最坤，。（以。印。）圭：【，万（。一等）一么坤）】（万，。，）（）最坤。（厂）的中心频率以包含三部分，第一项是由目标初始距离所产生的频移，第二项由运动目标的多普勒效应产生的距离一速度耦合。第三项则表示以。印。会线性调频连续波雷达信号处理技术研究与硬件实现由于连续波照射的周期数而发生移动，反应在距离轴上，对应大小为，显然这是因为当第个周期开始照射时，目标已经朝着雷达站运动了加这么长的距离的缘

35、故。如式（）所示，对于多周期回波差拍信号频谱峰值的变化，由于目标速度相对于光速而言很小，多周期时间也很短，则周期间由于目标距离变化产生的雷达接收信号强弱变化可以忽略不计，并且忽略反射附加相移，对于一个确知信号和目标来说，回波差拍信号频谱峰值只有（）项是变化的，从中我们可以看出，线性调频连续波雷达差拍信号的频谱峰值是受到多普勒频率丑调制的。也就是说同一运动目标在一串线性调频连续波发射信号照射下，差拍信号频谱峰值的实部随着时间的推移呈现出余弦包络的变化，包络的频率为，在反射信号中心频率一定的情况下，包络的周期和目标的速度成反比。速度越大，包络频率就越高。并且随着扫频信号周期的增加，不仅峰值频谱大小

36、呈现余弦包络，而且峰值出现的位置也按加的规律出现偏移，这就是距离走动现象。当目标距离走动超过一个距离单元时就可以根据需要对其进行运动补偿，否则进行固定目标对消之后会出现目标分裂现象，下一章会具体讨论到。第三章线性调频连续波雷达信号处理算法第三章线性调频连续波雷达信号处理算法本章讨论了调频连续波雷达常用信号处理方法，包括线性调频连续波雷达动目标显示，动目标检测，积累，恒虚警检测和提高测距精度的算法。线性调频连续波雷达的线性调频连续波雷达的的基本原理脉冲雷达中常利用运动目标的多普勒效应而采用相邻周期回波对消技术来实现，但是线性调频连续波信号体制下的却很少有报道。文献【】指出一个动目标和一个静止目标

37、的回波信号与发射信号的差拍信号可以看作是幅度受到调制的信号，该调制信号的包络反映了运动目标的特性，利用这种特性就可以实现线性调频连续波雷达的。文献利用动目标和固定目标回波差拍信号在频域上的不同特点，提出了一种用后一周期的差拍信号频谱减去前一周期差拍信号的频谱的频域对消技术。但文献均未对高速运动目标情况进行讨论，在每个调制周期的差拍信号受到多普勒频率调制的结论基础上，本节采用了一种用后一周期的差拍信号频谱减去前一周期差拍信号的频谱的频域对消技术，并针对目标越距离单元走动的情况提出了一种基于频域对消的改进的线性调频连续波雷达的。由上一章的分析，从中我们可以看出，同一运动目标在一串线性调频连续波雷达

38、发射信号照射下，差拍信号频谱峰值的实部随着时间的推移呈现出余弦包络的变化，而固定目标差拍信号频谱峰值不变。根据脉冲雷达的的处理方法，在线性调频连续波雷达中我们采用后一周期的差拍信号频谱减去前一周期差拍信号的频谱的频域对消技术实现。这里以上扫频为例对进行分析，下扫频段的处理方法相同。上扫频差拍信号在第个周期的信号频谱为：咒班，；（厶孕一等）碱一（弦竽绷二。（）（一兰一堡厶一）】第个周期的信号频谱为：，（班了群名，孕一等“妒】（厂）了群名一半一等）一磁。妒】（），）一，（）（一声，一生厶一（）】线性调频连续波雷达信号处理技术研究与硬件实现忽略相邻两周期之间目标回波产生的附加相移的差异，将（厂）和咒

39、册。（厂）相减，得蝇即（力三墨名刚姚孕一等）一坂肇州艰詈职）孔州刎警解）跚刀一兰风一型石一址型乃明一剐万一三风一型五一舡型乃】）（）由于目标的连续运动，造成两周期间目标距离走动，假设目标移动不超过一距离分辨单元，则，可以忽略不计，则上式可简化为：岱，（），（）（乃）一】（）所以对于静止目标，则饯她。（）；对于运动目标，则饯。（），从而就达到了消除固定目标的目的，并且保留了运动目标。属于带阻滤波器为“单通道”处理。在其后面的检测比较简单，常用邻近单元平均来实现其恒虚警检测，恒虚警检测的原理在节做详细介绍。对于高速运动目标，在相邻两周期间，目标移动的距离在距离谱中对应的频率为厶，当其超过频率分辨率

40、时，对应在距离谱上目标移动超过了一个距离单元，这样如果直接进行频域对消的话，就会产生目标分裂，如图所示。所以有必要对进行改进，方法如下：（）对两周期的回波数据。（），：（）进行目标提取，确定目标个数并分别求出目标距离谱的中心频率厶，并按中心频率由低到高排列，假设上扫频第一周期目标数为。，目标距离谱中心频率为。以，以，五，】，第二周期目标数为：个，距离谱中心频率为：眈：，五：，五：】：（）目标数校正，由于目标运动有可能出现目标距离谱重叠的情况，根据重叠后目标谱峰值大于重叠前的原则，找出两周期间中心频率接近并且峰值差别较大的位置即是重叠的位置的频率五：，若：。，将：在该位置后补上一个五：一这样，和

41、：长度就相同了，都为（。，：）。若：。，则在。中对应位置补一个以：（）计算中心频率差向量，用下一周期的距离谱中心频率位置：减去上一周期的距离谱位置瓦。得，磊：一。必】，其中，蚯五：，。（）对中心频率差向量中不为零的目标，找到它在元：中的频率为五：。，设计一中心频率为五：埘的带通滤波器，对：（）进行滤波滤出频率为五：。的信号：。（），将该信号乘上一系数一，峨，得到该目标校正走动后的回波信号：嘣（）勤加（）觚，用其代替加（），则原始回波。：（）变为：（）。（）知（）一峨，重复这一过程，直到对每一个产生走动的目标都完第三章线性调频连续波雷达信号处理算法成校正。（）对。：（）校正距离走动后，将其和。（

42、）进行频域对消。图目标越距离单元走动对消后产生目标分裂计算机仿真根据以上分析利用相邻周期固定目标差拍信号距离谱相同的而动目标差拍信号距离谱不相同的特点可以消除固定目标，下面以上扫频段为例，进行计算机仿真验证其正确性。仿真系统参数设定如表所示。表仿真系统参数中心频率（）调制带宽（）调制周期（）调制系数采样频率（）频率分辨力（）距离分辨（）率（）点数雷达工作波长为：，最大作用距离为：，目标最大径向速度为：马赫。根据最大作用距离，其对应的最大回波延迟：。，上，下扫频调制周期为：，截取凹口后回波有效时宽为：，则回波数据采样点数为：，为了便于处理，补零后作点。取变换后得到的点离散谱的前点取模得到正频率部

43、分的振幅谱。仿真中共有个目标，其中有个动目标分别位于距雷达，的位置，速度分别为一，一（向雷达方向运动为负），固定目标位于距局雷达的位置。仿真结果如图所示，图（），（）为相邻两周期目标回波差拍信号频谱，可以看出，由于距离一速度耦合，由差拍信号频谱得到的目标距离，在上扫频段比实际距离小，而固定目标多普勒频率为零，所以连续两周期上扫频段差拍信号频谱线性调频连续波雷达信号处理技术研究与硬件实现峰值不变，对消后的频谱如图（）所示，距离雷达的固定目标完全被抵消掉，剩下个动目标共个频谱，由于对消后目标信噪比损失，对于弱目标可能不能满足检测信噪比得要求，所以还需要在后面做积累，提高信噪比。为了进一步消除杂波，

44、需对对消后的振幅谱作恒虚警处理，为了获得精确的目标距离信息还需要消除目标距离一速度耦合。消除目标距离一速度耦合和积累的方法分别在节和节进行介绍。（）目标距离，（）之锄醚佃墨号咖叩目标距离，咖叩（）之趔詈目标距离图对称三角线性调频连续波雷达固定目标对消仿真结果运动目标距离和速度估计单目标情况下的运动目标距离和速度估计由于运动目标的多普勒效应产生的距离一速度耦合，动目标回波差拍信号频谱谱峰值点频率对应的距离并不是目标的实际距离，其包括了目标距离和速度的信息，单靠一周期的回波差拍信号是无法得到目标的实际距离和速度的。这罩我们采用对称三角线性调频连续波上下扫频段的频谱信息来获取运动目标距离和速度的估计

45、。根据上一章的分析，线性调频连续波雷达上扫频段差拍信号的回波中心频率为五。，线性调频连续波雷达下扫频段差拍信号的回波中心频率为五砌。乒，假设目标运动没有发生越距离单元走动则以砌。一，所以动目标在上下扫频段距离偏移是对称的。可以根据动目标在上下扫频段距离偏移的对称性，求出目标实际距离对应的差拍频率值厶：第三章线性调频连续波雷达信号处理算法五（五坤石，棚）所以初始位置为：（）云五又因为厶，所以运动目标的速度为：（）通过上下扫频段的频率差可以得到目标的多普勒频率石（以，妒棚），（印一五棚）通过式（）和（），就可以确定一个运动目标的真实距离和速度。（）目标实际距离谱（）目标距离，（）上扫频目标距离谱之雠口号目标距离，（）下扫频目标距离谱目标距离图三