【文章內(nèi)容簡介】 ???????????2*)(21)()(21)()(21)(() 輸出信號的形狀是由信號譜和濾波器頻率響應(yīng)的乘積所決定的 。 要控制副瓣的大小 ， 就必須設(shè)法改變信號頻譜或濾波器頻率響應(yīng) ， 即采用加權(quán)或頻譜整形的辦法來得到 。 第 9 章 高分辯力雷達(dá) 求最佳的頻譜函婁來得到所需輸出波形的問題是和低副瓣天線設(shè)計問題相同的 。 在設(shè)計天線時 ， 改變孔徑照射函數(shù)來得到一個低副瓣遠(yuǎn)區(qū)方向圖 ， 同時保持最小的主瓣展寬和增益損失 。 這個關(guān)系可由以下公式求出： dzzjzWE dd??? 2/2/]s i n2e xp[)()( ????式中， E(υ)為遠(yuǎn)區(qū)電場強度； υ為方向角， W(Z)為電流分布函數(shù)， d為天線尺寸。 第 9 章 高分辯力雷達(dá) 遠(yuǎn)區(qū)場 E(υ)由電流分布的傅里葉積分得到 。 所得天線方向圖 E(υ)和 sinυ的關(guān)系與匹配濾波器輸出端波形和時間的關(guān)系相同 。在天線設(shè)計中 ， 研究了許多可能的電流分布 W(Z)， 以得到所需的低副瓣參數(shù) ， 這些結(jié)果完全可以移用到線性調(diào)頻信號壓低副瓣的措施中去 ， 只要令 S(ω)H(ω)=W(ω) () 即可 。 通常均假設(shè)失配集中在振幅特性上 ， 而令濾波器的相位特性和輸入信號譜的相位特性保持共軛 。 第 9 章 高分辯力雷達(dá) 作為一般的原理 ， 對于任一所需輸出時間函數(shù) so(t)， 其所要求的頻譜函數(shù)可由傅里葉變換對得到： dttjtsW o? ??? ?? )e xp ()()( ??根據(jù)這個公式可求所出要求的 W(ω)。 下面借用綜合設(shè)計低副瓣 (1) 泰勒 (Taylor)函數(shù)加權(quán) 。 為簡單計 ， 只取函數(shù)的前二項 ，得到 ????? 2c )( ??TW() () 或者化成歸一化 (即 ω=0時， W(0)=1)的形式為 第 9 章 高分辯力雷達(dá) ????? 2c )( ??TW這種泰勒加權(quán)可以得到 40dB的副瓣 ， 主瓣稍加寬 ， 大約為 倍同樣帶寬矩形函數(shù)的壓縮脈寬 。 (2) 哈明 (Hamming)函數(shù)加權(quán)。與上面的泰勒加權(quán)很接近，其加權(quán)函數(shù)為 ????? 2c )( ??HW() 經(jīng)哈明加權(quán)后 ， 所得時間函數(shù)的副瓣較主峰值低 ， 而 3 dB的主瓣脈沖寬度為不加權(quán)矩形頻譜時的 倍 。 這是目前得到最低副瓣的一種加權(quán) 。 第 9 章 高分辯力雷達(dá) 4. 線性調(diào)頻信號的產(chǎn)生和處理 (1) 線性調(diào)頻的產(chǎn)生 。 有兩種基本的方法產(chǎn)生線性調(diào)頻信號 ， 即有源法和無源法 。 其組成方框見圖 (a), (b)。 有源法是利用線性變化的鋸齒電壓去控制壓控振蕩器的頻率 ， 以得到所需變化規(guī)律的調(diào)頻波 ， 經(jīng)時間整形后送到倍頻和變頻設(shè)備 ， 使之變?yōu)槔走_(dá)工作頻率上的線性調(diào)頻波供發(fā)射系統(tǒng)使用 。 無源產(chǎn)生法則利用脈沖擴(kuò)展濾波器來產(chǎn)生調(diào)頻信號 ， 它是目前用得較多的一種方法 。 設(shè)激勵脈沖為 δ(t)， 其相應(yīng)頻譜為 Sδ(ω)， 而擴(kuò)展濾波器的頻率特性為 H(ω)， 則濾波器輸出波形 si(t)為 ???? ?? deHSts tji )()(2 1)( ?? ? ???第 9 章 高分辯力雷達(dá) 圖 (a) 有源法； (b) 無源法 電壓控制振蕩器波門選通倍頻器線性鋸齒波產(chǎn)生器方波產(chǎn)生器同步信號送變頻器及高功率發(fā)射機T( a )擴(kuò)展濾波器H ( ? )波門及限幅 混頻及濾波 功率放大器s i n x / x脈沖產(chǎn)生器收發(fā)開關(guān)( b )本振信號si( t )s? ( f )第 9 章 高分辯力雷達(dá) si(t)波形經(jīng)整形和混頻后 ， 就是發(fā)射機的輸出波形 。 激勵脈沖的選擇應(yīng)當(dāng)使擴(kuò)展以后的信號合乎線性調(diào)頻的要求 ， 即在擴(kuò)展濾波器頻帶范圍內(nèi)具有均勻的頻譜 。 例如激勵脈沖具有以下波形： ttttttppp0c os22s i n)( ???? ??式中 ， ω0為擴(kuò)展濾波器的工作頻率 。 產(chǎn)生線性調(diào)頻信號時 ， 擴(kuò)展濾波器常采用色散延遲線 ， 其振幅頻率特性在頻帶范圍內(nèi)是均勻的 ， 呈矩形狀 ， 而相位特性在頻帶范圍內(nèi)應(yīng)具有平方特性 ， 以便得到線性延遲性能 ［ 參看 ()式 ］ 。 第 9 章 高分辯力雷達(dá) 當(dāng)發(fā)射機用無源法產(chǎn)筆線性調(diào)頻信號時 ， 接收系統(tǒng)的匹配濾波器可以采用和擴(kuò)展濾波器頻率特性呈復(fù)共軛的壓縮濾波器 。 如果想在收發(fā)系統(tǒng)中采用相同頻率特性的濾波器分別作擴(kuò)展和壓縮之用 ， 則可在接收機中匹配濾波器之前 ， 加一個旁頻反轉(zhuǎn)電路 ， 如圖 所示 。 旁頻反轉(zhuǎn)電路實際上就是一個混頻器 ， 它的本振頻率高于信號頻率 ， 輸出取差頻部分 ， 濾去和頻部分 。 差頻信號的調(diào)頻斜率和原輸入信號正相反 ， 故可利用原來的擴(kuò)展濾波器作為壓縮的匹配濾波器用 。 第 9 章 高分辯力雷達(dá) 圖 用一種濾波器的無源線性調(diào)頻系統(tǒng) 收發(fā)開關(guān)混頻器濾波器壓縮濾波器H ( ? )旁頻反轉(zhuǎn)電路由發(fā)射機來f ＝ f0－ ?? tfi＋ ?? t本振 ?L＝ ?0＋ ?第 9 章 高分辯力雷達(dá) 線性調(diào)頻信號在雷達(dá)中使用時 ， 常需要在脈沖與脈沖間進(jìn)行有效的相參積累 ， 例如在目標(biāo)成像達(dá)及其它地面雷達(dá) 。 常規(guī)雷達(dá)的距離延遲是相對主脈沖而言的 ， 因此脈沖重復(fù)頻率觸發(fā)與模氦示產(chǎn)生線性調(diào)頻信號時的壓控振蕩器 (VCO)或脈沖展寬濾波器之間的任何時間抖動 ， 都會變換成相鄰脈沖間的相位誤差數(shù)據(jù) 。 由于電路不穩(wěn)所產(chǎn)生的時間抖動具有隨機性 ， 它所引起的相位誤差是一種相位噪聲 。 經(jīng)過分析研究知 ， 當(dāng)相位噪聲的均方值大于 10176。 時會造成顯著的相參積累損失 。 下面舉例說明高分辨力雷達(dá)對電路時間抖動的要求：雷達(dá)工作頻率 f0=10GHz (λ=3 cm)， 中頻為 750 MHz、 線性調(diào)頻信號帶寬為 pst 136010 129 ???????? ??第 9 章 高分辯力雷達(dá) 即允許時間抖動 Δt=3ps， 時間抖動是由 PRF源的頻率不穩(wěn)以及線性調(diào)頻信號形成電路時間不穩(wěn)所引起的 。 由于 PRF源不穩(wěn)而要求達(dá)到的穩(wěn)定度為 是容易達(dá)到的 。 而對模擬電路 ， 如脈沖產(chǎn)生器 、 鋸齒波產(chǎn)生器等 ， 要達(dá)到小于 3 ps的時間抖動則是件較困難的事 。 除了對電路穩(wěn)定性的要求外 ， 用模擬法產(chǎn)生線性調(diào)頻信號另一個不足是很難獲得所期望的頻率線性度和波形平坦度 ， 特別是在成像雷達(dá)需要大的時間 —帶寬積時 。 不然 ， 就需要附加的頻率線性化 、 溫控及標(biāo)準(zhǔn)方法 ， 這就會使設(shè)備復(fù)雜并使可靠性下降 。 ??????? tfff ??第 9 章 高分辯力雷達(dá) 圖 DDS Chirp產(chǎn)生器 頻率累積器相位累積器相位加法器器件 1存儲器(RO M )器件 2 器件 3DAC第 9 章 高分辯力雷達(dá) (2) 線性調(diào)頻信號使用的匹配濾波器 。 線性調(diào)頻信號用的匹配濾波器有多種形式 ， 下面舉出模擬處理和靈敏字處理的例子 。 用表面聲波器件做成的色散濾波器是模擬濾波器的一個代表 。 表聲器件是 20世紀(jì) 60年代以后發(fā)展起來的一種新型器件 ， 它的突出優(yōu)點是體積小 ， 工作可靠 ， 器件制作的重復(fù)性好 。 表面聲波延遲線的結(jié)構(gòu)示意如圖 所示 。 基片的材料具有壓電效應(yīng) ， 例如常用的 LiNbO5， 在基片上用金屬化光刻方法做了兩個換能器 ， 左邊接輸入信號 ， 右邊接負(fù)載 。 換能器的形狀像交叉的手指 ， 故稱為叉指換能器 。 當(dāng)交流信號輸入時 ， 由于壓電效應(yīng)使指條之間材料產(chǎn)生形變 ， 這種周期性形變成為超聲波傳播 ， 其頻率等于信號頻率 。 向右傳播的超聲波到達(dá)接收換能器后 ， 轉(zhuǎn)換為電信號輸出 ， 這就產(chǎn)生了輸出信號的延遲 。 第 9 章 高分辯力雷達(dá) 為了達(dá)到色散延遲 (即不同頻率具有不同的延時 )的目的 ， 叉指換能器應(yīng)做成參差形的 ， 發(fā)射和接收端的參差互為鏡像 。 恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計叉指的寬度和間隔 ， 就可以獲得所需色散特性 。 高頻成分在換能器的稠密部分產(chǎn)生和接收 ， 而在叉指的稀疏部分則產(chǎn)生和接收較低的頻率分量 。 帶寬是通過指間隔的變化來決定的 。 用表聲器件做成的色散濾波器 ， 還具有容易加權(quán)的優(yōu)點 。 在濾波器時 ， 改變指條的交叉長度 ， 就可達(dá)到加權(quán)的目的 。 常用這種加權(quán)濾波器來抑制壓縮后的距離副瓣強度 。 表面聲波色散濾波器具有簡單 、 尺寸小 、 制造時器件的再現(xiàn)性高等基本優(yōu)點 ， 是應(yīng)用最廣泛的器件之一 。 第 9 章 高分辯力雷達(dá) 圖 表面聲波色散遲延線 輸入 輸出叉指換能器基片第 9 章 高分辯力雷達(dá) 匹配濾波順的壓縮輸出 s0(t)可以表示為 ??? dsthtsthts io ? ???? ????? )()()()()(() 濾波器的沖擊響應(yīng) h(t)=s*i(t0t), si(t)為有限長度 。 數(shù)字卷積運算可用橫向濾波器實現(xiàn) ， 輸入信號 si(nΔt)經(jīng)加權(quán) h(tnΔt)后求和即可得到結(jié)果 ， 這就是時域卷積 。 由卷積定律知： 二個函數(shù)卷積的付氏變換等于各自函數(shù)付氏變換的乘積， 則 )()()]())(([ fHfSthttsF ii ???而 si(t)*h(t)=so(t)=F1［ si(f)H(f)］ 第 9 章 高分辯力雷達(dá) 圖 數(shù)字處理方框圖 (頻率域 ) 移位寄存器FFT乘法器IFFT移位寄存器濾波器頻率特性 H ( f )so( t )( 加權(quán)系數(shù) )輸入信號A / D A / Dsi( t )基準(zhǔn)電壓IQ90 移相176。第 9 章 高分辯力雷達(dá) 用正交雙通道處理時 ， 雷達(dá)中頻回波經(jīng)正交兩路相位檢波后 ， 復(fù)調(diào)制信號被分解成實部與虛部 。 它們分別經(jīng)過模 /數(shù) (A/D)變換后送去做快速傅里葉變換 (FFT)： 得到信號的頻譜 (數(shù)字式頻譜 )。 信號頻譜應(yīng)和匹配濾波器的頻率特性相乘 ， 即信號頻譜應(yīng)乘上相應(yīng)的加權(quán)系數(shù) 。 加權(quán)系數(shù)由濾波器特性所決定 ， 通常包括幅度和相位兩部分 。 信號頻譜經(jīng)過加權(quán)后 ， 得到信號譜與濾波器頻率特性的乘積 ， 然后再送到快速傅里葉反變換 ， 即可在輸出端得到壓縮信號的時間波形 。 濾波器的加權(quán)數(shù)存放在存貯器中 ， 可以用大規(guī)模集成電路做成的只讀存貯器來豐放這些系數(shù) ， 這樣更換系數(shù)值比較方便 ， 便于處理各種不同的波形 。 當(dāng)代高分辨測繪和目標(biāo)成像中使用的一類重要波形稱之為“ 展寬 ” 波形 ， 它是大的時間 帶寬積線性 FM脈沖 ， 對這種信號的處理采用相關(guān)和頻譜分析技術(shù) 。 第 9 章 高分辯力雷達(dá) 圖 寬波形信號處理 (相關(guān)接收 ) ?t / ? sf / M H z本振信號 ( 參考線性調(diào)頻信號 )回波信號相位檢波后的回波信號A B CCBAf0第 9 章 高分辯力雷達(dá) 設(shè)頻率變化率為 μ， 脈沖寬度為 τ， 則其頻寬 B=μτ， 如按匹配壓縮后 ， 則其距離時間分辨力為 1/B。 而相關(guān)接收后 ， 得到單一頻率信號 ， 其時寬為 τ， 此時譜線寬度為 1/τ， 在頻率域上分辨 1/τ的寬度等效于時間上的分辨能力為 ,1 t??? ?即 Bt11 ?????() 這種技術(shù)的優(yōu)點是極大地簡化了信號處理 (特別當(dāng)信號時寬頻寬積甚大時 )。 回波信號經(jīng)過與基準(zhǔn)電壓相乘后得到較低頻率的窄帶信號 ， 容易進(jìn)行處理 。 缺點是距離窗口 (參考電壓的位置 )需要和目標(biāo)距離合理地靠近 。 第 9 章 高分辯力雷達(dá) 編碼信號及其匹配濾波器 二相編碼信號的基本形式如圖 所示 。 一個載波寬脈沖信號被分成 N個寬度為 τ′的單元 ， 每個單元被 “ +”或 “ ”編碼 。其中正號表示正常的載波相位 ， 而負(fù)號相應(yīng)為 180176。 相移 。 波形中第 k單元的振幅用 ak表示 ， 假定每一段的振幅均為 1， 而相位根據(jù)編碼是 0和 π二者之一 。 這時可用離散形式寫出波形的自相關(guān)函數(shù)為 mkNkk aam ??? ??1)(?() 第 9 章 高分辯力雷達(dá) 圖 二相編碼信號 ＋