相控阵雷达系统中的脉冲压缩处理仿真

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下文节选自专栏《程序集 | 多功能相控阵雷达仿真系统》，点击文末的“阅读原文”查看详情。

在相控阵雷达系统中，广泛采用脉冲压缩处理技术，可以获取较长脉冲的平均发射功率，同时得到的距离分辨率对应于一个短脉冲。考虑一个采用LFM调制的长脉冲，并假设一个匹配滤波器接收机。匹配滤波器的输出（沿着时间轴、距离向）比其输入幅度要窄得多。

通过使用长脉冲、宽带线性调频调制，能够获取很大的压缩比。如果采用完全的信号级仿真方法，为了避免采样失真，需要采用较高的采样频率。当采用正交双通道采样时，最小采样率为信号带宽；当采用单通道采样时，最小采样率将需要达到信号带宽的两倍（针对带通信号采样而言）。

例如通过LFM实现了较高的发射带宽，假如为100MHz，此时采用正交双通道采样的最小采样率为100MHz，而单通道的最小采样率将达到200MHz，这样高的采样频率，将会对后续的信号处理环节带来极大的计算负担，从而影响整个系统的执行效率和时效性，尤其是将系统接入反导研发平台后，将对整个系统的时间同步带来很大的困难。

为了最大限度地提高系统解算效率，在建模仿真中采用“功能级+解析模型”的混合仿真方法来模拟实际的脉冲压缩处理过程。本节对这种仿真方法的原理进行详细描述，以验证其技术可行性和正确性。


雷达系统通常工作（包括搜索、跟踪阶段）在一个规定的距离窗中，这里的距离窗特指接收窗，它是由雷达系统的最大探测距离和最小作用距离（即距离盲区）之间的差值确定的。接收窗内所有的回波都将被收集并使之通过一个匹配滤波器电路来进行脉冲压缩处理。

由于数字计算机的快速发展，传统的模拟匹配滤波处理逐渐地被数字相关处理器所代替，通常是采用FFT来进行数字化处理和解算，这种数字实现方法通常也被称为快速卷积处理（FCP），它能够在基带上进行。这也就是我们通过解析模型来实现脉冲压缩处理的本质所在。在图 5.2中，给出了FCP的原理框图。


FCP的处理包括：
1.进行采样序列的FFT变换操作；
2.将信号的频域序列乘以匹配滤波器脉冲响应的FFT；
3.进行合成频域序列的快速IFFT变换，以产生时域压缩脉冲值（即为HRR图形）。当然，还需要进行加权，以及天线增益和距离衰减的补偿。

为了验证上述技术方案的有效性，借助于MATLAB工具，开发了快速卷积处理算法，用来实现数字脉冲压缩处理。该函数的输出包括脉压过程中压缩后和未压缩信号复制的图形，如图 5.3所示。

图 5.3  仿真结果

下面对图 5.3所示的仿真结果进行简要叙述。采用的信号带宽为100MHz，此时对应的距离分辨率为。在图中给出了用于脉冲压缩的实部和幅度谱的复制，然后给出了未经过压缩处理的原始回波信号，以及经过脉冲压缩处理后的频率调制输出值。注意，在接收窗中，散射幅度的衰减是散射距离的反比函数。

更改仿真条件，设置三个目标，相对距离分别为70m，71m和120m，其它仿真条件不变，最终的脉冲压缩结果为图 5.4所示。

图 5.4  目标不可分辨时脉压波形

从图 5.4可看出，因为采用的信号样式对应的距离分辨率为1.5m，在距离分别为70m和71m处的两个目标，将无法有效地分辨开来。当进行后续的CFAR检波处理后，将会产生错误的检测判决。上面的仿真结果，充分地验证了这种“功能级+解析模型”的混合仿真方法的有效性。


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