高频雷达测距仿真.docx

摘要测量目标是雷达的基本任务之一。当雷达探测到目标后，就要对目标回波信号进行处理以便提取有关信息。本文基于高频地波超视距雷达，主要进行相位编码及复合相位编码雷达信号处理方面的研究。雷达信号处理的主要内容包括最佳检测原理、匹配滤波及模糊函数。其中匹配滤波技术是雷达信号处理中的核心技术，它的应用几乎覆盖整个雷达领域，经常在雷达信号的处理中被频繁的应用。基于相位编码信号具有易于工程实现和处理、不存在距离-多普勒耦合、可获得高的信号处理增益以及良好的抗干扰性能等优点，本文主要采用基于P4码的相位编码信号作为发射信号，并由此生成了模拟回波信号。之后对发射信号和回波信号进行相关运算即匹配滤波处理，仿真得出信号的距离信息。但相位编码信号不能很好的兼顾距离、速度分辨率、多普勒敏感等特性，所以本文在研究P4码信号的基础上结合基本相位编码信号的特点研究了脉内相位编码脉间准随机跳频信号与多载频相位编码信号等复合相位编码信号，主要进行发射信号和回波信号的设计，并通过匹配滤波处理仿真得出信号的距离信息。 关键词：相位编码信号；P4码；跳频信号；匹配滤波；多载频相位编码AbstractTo detect target is one of the basic tasks of radar. When the target is detected, it is time to process the echo signal in order to get correlative information. This thesis mainly studies the processes of phase-coded signal and hybrid phase-coded signal that base on a High Frequency Surface Wave Radar. Radar signal processing includes prime detection theory, matched filtering and ambiguity function. Matched filtering is the key technic in radar signal processing, which covers almost every field of radar and applies in signal processing frequently. Phase coded signal has drawn attention due to a lot of advantages, such as easy to creat and process, no coupling of distanc-doppler, high processing gain and anti-interference characteristic. In this paper, the waveform of radar signal with P4 code is designed according to the system parameters and the echo waveform of phase coded signal is given. Then correlation process in range of these two signals is made and the simulation result is given. Due to P4 code can not equipe all the advantages at the same time, the frequency hopping signal and the multicarrier phase coded(MCPC)radar signal are studyed further more. The parameters of signal are designed and the distance simulation result is given.Keywords phase coded signal; P4 code; frequency hopping signal; matched filtering; multicarrier phase coded目录第1章 绪论11.1 课题研究背景11.1.1 高频地波超视距雷达简介11.1.2 雷达波形设计的意义21.2 国内外研究状况综述31.2.1 超视距雷达的发展与应用31.2.2 雷达信号处理的发展31.3 本课题主要研究内容41.4 本文章节安排5第2章 相位编码信号理论62.1 相位编码信号简介62.1.1 P4码特性分析62.1.2 互补P4码72.2 相位编码信号波形参数设计102.2.1 设计原则112.2.2 设计过程及步骤122.2.3 设计结果132.3 本章小结14第3章 相位编码信号的距离处理153.1 相位编码信号的测距原理153.2 脉内相位编码脉间跳频信号的处理163.2.1 脉内相位编码脉间跳频信号介绍163.2.2 相关函数193.2.3 匹配滤波处理193.3 本章小结22第4章 多载频相位编码信号234.1 多载波调制技术234.2 MCPC的信号形式及其编码方式244.2.1 MCPC信号的结构244.2.2 MCPC信号的相位编码方式254.3 MCPC信号特性分析264.4 信号参数设计和仿真结果274.4.1 信号参数设计274.4.2 MCPC脉冲串的处理294.5 本章小结30结论31参考文献32附录34谢辞40第1章 绪论1.1 课题研究背景1.1.1 高频地波超视距雷达简介雷达是英文Radar的音译，源于Radio Detection and Ranging的缩写，原意是“无线电探测和测距”，即利用无线电方法发现目标并测定它们在空间的位置1。随着雷达技术的发展，雷达的任务不仅是测量目标距离、方位和仰角，而且还包括测量目标的速度，以及从目标回波中获取更多有关目标的信息。从雷达工作频段来看，现代雷达的发展有两个趋势：其一是由于精密测量、精密跟踪及制导技术的要求以及器件水平的不断提高，使雷达的工作频段越来越高，已从微波频段扩展到毫米波段，甚至到光波段2。这类雷达对目标的测量精度相当高，有的还可以成像。然而，由于雷达的探测波束扫掠地面时引起强大的地物杂波，同时又由于地球曲率的存在，这类雷达探测不到“超视距”的目标，即使是低空目标的探测也很困难，因此采用“低空偷袭”已成为对付这类雷达的基本战术。另一方面，由于“超视距”探测目标的需要，工作在短波低端，中波高端的高频(HF)雷达的研究十分活跃3。随着雷达技术的飞速发展，近些年来高频超视距雷达OTHR(Over the Horizon Radar)逐步成为新体制雷达的研究热点。高频超视距雷达工作在3-30MHz的高频波段，利用这一频段电波传播的特殊性来实现超视距探测。地波超视距雷达的主要优点是能克服地球曲率的限制，探测地平线以下的目标。按电波传播方式不同，高频雷达分为高频天波（Sky Wave）超视距雷达和高频地波超视距雷达HFSWR(High Frequency Surface Wave Radar)4。天波超视距雷达诞生于60年代初的美国，它利用电离层对短波的反射效应使电波传播到远方来探测目标，作用距离为1000-4000公里，主要用于对远程战略进攻进行早期预警；高频地波超视距雷达是利用雷达波束在地表面（包括海面）的绕射效应使电波沿地球曲面传播的雷达,由于垂直极化电磁波沿海面传播损耗低且海水具有良好的导电特性，因而电波通过导电海面的绕射能探测到300公里以外的舰船、低空飞机和巡航导弹。由于不受电离层的影响，地波超视距雷达往往比天波超视距雷达更容易探测到目标5。但地波传输损耗随着距离的增大而成指数规律衰减，所以作用距离比天波雷达的作用距离近，这样地波超视距雷达就可以弥补微波雷达和天波超视距雷达探测不到的盲区。当需要监视海面目标时，地波超视距雷达更显出其潜在的应用价值。高频地波超视距雷达在现代战争和民用事业中发挥着越来越重要的作用。民用上，超视距雷达可对指定海区实施全天候连续监视，及时发现作用范围内的船只和低空飞行目标。此外，通过对高频地波超视距雷达回波谱结构的分析可为海洋环境探测，海洋气象预报等方面提供有效的研究工具。军用上，超视距雷达具有常规雷达所不能比拟的优点：首先，超视距探测能力可获得较长的预警时间。其次，由于高频地波雷达工作波长较长、电波传播稳定，对现有的隐身技术不敏感，因而具备抗隐身能力。此外，反辐射导弹不能携带与地波雷达的工作波长相适应的大口径天线，而使地波雷达具备了抗反辐射导弹的能力6。高频地波超视距雷达研制上的低成本和应用上的高效益，使其日益受到各国军方的重视。1.1.2 雷达波形设计的意义二十世纪五十年代 P.M.Woodward 提出著名的雷达模糊原理，定义了模糊函数及分辨常数等新概念，并首次提出了波形设计问题7。指出距离分辨力和测量精度取决于信号的带宽而非时宽，从而大大推动了雷达信号理论的发展。第二次世界大战期间，关于如何设计雷达接收机使之对脉冲和连续波(CW)传输信号获得最佳的信噪比曾进行了大量的研究。这些发送信号基本上都是简单信号，因此，主要工作是解决当时器件对性能的限制问题。1945 年以后的十年，大多数工作集中在大功率发射机和天线，以及低噪声系数的接收机-混频器。现代雷达中对雷达信号的研究主要集中于脉冲压缩信号 。脉冲压缩一般采用线性调频(LFM)、非线性调频(NLFM)、相位编码、频率编码和极化编码等方式。由于雷达的波形不仅决定了信号处理方法，而且直接影响系统的分辨力、测量精度以及抑制杂波能力等潜在性能8，雷达波形设计就成了雷达系统最佳综合的重要内容，逐渐成为现代雷达理论的重要分支。雷达波形设计的任务是针对给定用途和应用场合的雷达，设计和选择合适的发射信号波形。因此首先我们要知道雷达的用途与环境，主要包括目标的类型与特性、需要测定目标的哪些信息、测量的精度和分辨力要求、目标的雷达截面积和目标可能存在的距离、速度、角度的分布范围9。关于雷达工作环境要求知道主要的杂波干扰类型与分布、热噪声和气象情况等，还有在此环境下的虚警概率的要求。在实现最优处理的前提下，测量精度和分辨率对信号形式的要求是一致的。测距精度和距离分辨率主要取决于信号的频率结构，这要求信号具有大的带宽；测速精度和速度分辨率取决于信号的时间结构，这要求信号具有大的时宽；为了提高发现目标的能力，还要求信号具有较大的能量；为充分利用发射管的平均功率，希望信号具有矩形包络和长的持续期以增大信号能量；并且无论采用什么信号，都需要保证所要探测的目标在最大速度时不出现速度模糊，所关心的距离内所有目标不出现距离模糊。因此，进行波形设计时首先要掌握上述条件和要求中的主要内容。1.2 国内外研究状况综述1.2.1 超视距雷达的发展与应用据国内外技术文献资料和资料报道，国际上少数发达国家（美国、俄国、加拿大、英国）已在此领域进行了几十年的理论研究。但由于这种雷达工作在电磁环境极其恶劣的短波段，给微弱目标回波的信息提取带来很大的困难。直到八十年代，地波超视距雷达的发展和应用才成为现实。由于地表波超视距雷达投资小，见效快，目前，美国、英国、俄罗斯、法国、中国、加拿大、澳大利亚、德国、日本等国家都在积极地进行高频地波超视距雷达的研制。美国和俄国已实际装备了部队10。中国国防报报道：美军已研制成功一种海军用的小型可机动战术超视距雷达，另一种舰载超视距反隐形雷达也在研制中。澳大利亚的“金达里”超视距雷达现已能探测到美国的隐形飞机。我国对高频地波超视距雷达的研究始于1982年，经过多年努力，已经掌握了该雷达的各项关键技术。我国公开展示过的JY-27全固态米波远程监视雷达，测量精度150米，对目标的探测距离为330公里，可在10秒内处理128个目标，能够较为有效地探测隐身目标，并能抗反辐射导弹攻击，有可靠性高、维护性好等特点。超视距雷达在使用上也存在不少问题，其一，只能获得目标的方位和距离信息，很难获得仰角信息；其二，测量精度低、分辨率差；电波通道不稳定，干扰因素多，气候变化、北极光和太阳黑子直接影响天波超视距雷达的性能，甚至使它不能正常工作；其三，工作在中波、短波波段，频谱拥挤，带宽窄，互相干扰严重。1.2.2 雷达信号处理的发展1943年诺斯（North）提出匹配理论，大大推动了雷达监测能力的提高。1950年俉德沃德（Woodward）把香农（Shannon）基础信息论推广应用与雷达信号检测，稍后出现了基于统计判决的许多最佳准则检测方法，它们标志着经典雷达信号检测理论的形成11。1953年俉德沃德又在其著名的概率论和信息论在雷达中的应用著作中提出了雷达模糊原理，并首次建立波形设计思想，这不仅有利促进了雷达信号理论的发展，也为雷达信号处理奠定了基础。但正式使用雷达信号处理这一术语，已是20世纪50年代末了。其间，在实现了雷达信号最优统计处理的前提下，典型的脉冲雷达在同时提高作用距离、距离测量精度及分辨率方面愈来愈呈现不可克服的矛盾，这就导致了今日通称的脉冲压缩技术的需求。更广义地讲，为了解决作用距离与距离分辨率的矛盾，必须采用所谓“复杂波形”代替传统的简单脉冲信号。最早获得实际应用的是线性调频（Chirp）脉压信号，以后又相继产生了相位编码等脉压信号形式。脉冲压缩技术在雷达的成功运用，标志着雷达信号处理自立为一门科学的开始。雷达信号处理的主要内容包括最佳检测原理、匹配滤波及模糊函数。实际上，雷达信号处理的发展是极其迅速的，其内容正在不断地外研扩展，其作用正显得越来越重要12。在50年代就实现了一直杂波的时（频）域滤波和对复杂信号的匹配滤波，60年代提出并逐渐开展了抑制有源干扰的空域滤波和对付环境变化的自适应滤波方面的研究。随着以VLSI为代表的数字技术的迅猛发展，雷达信号处理的进展与实际应用也进入了新纪元。早期雷达只利用了回波时延和波束方向性的信息对目标进行定位，后来MTI等利用了多普勒信息，如现在已有可能用这些信息对目标成像或识别，这当然对信号处理提出了更高的要求。现代雷达所面临的环境十分复杂，形势十分严峻，它要求雷达能够承担更加繁重的任务，必须有新的突破性发展。其中主要的突破方向之一乃是基于信号处理的在复杂环境中的更多信息的提取能力。1.3 本课题主要研究内容在现代战争中，不仅要求雷达有较高的检测能力，而且还要有低截获概率性能和极强的电子反对抗能力。针对高技术局部战争的特点，特别是低可观测目标的大量出现，给防御方的防御能力提出了更高的要求，而且高频雷达在工作频段内存在严重的电磁干扰。因此开展先进高频雷达信号设计及信号处理方法的研究，提高现有高频雷达的灵敏度、增强检测能力及恶劣电磁环境下的抗干扰性能十分重要。以伪随机码(伪噪声序列)或随机码(噪声序列)作为码字的相位编码雷达，正具有这种优势，使其在当代依然是一个热门的研究课题。本文以高频地波超视距雷达为背景，主要研究了P4码信号的性能，尤其是P4码的互补性能，之后把P4码运用到高频雷达信号之中，并根据相位编码信号的波形设计方法和给定的系统参数要求，设计出了理论上满足要求的波形，给出了其对应的相位编码信号的回波形式，采用匹配滤波技术，对发射信号和模拟的回波信号做距离维的相关处理，累加得到距离维的信息，并对其信号处理结果进行了仿真。最后本文在研究P4码信号的基础上结合基本相位编码信号的特点设计了复合相位编码雷达信号，即将脉内调制与脉间调制相结合，将相位编码与频率调制相结合，设计了脉内相位编码脉间准随机跳频信号与多载频相位编码信号，主要对雷达信号的处理算法进行研究，给出了各种信号的距离处理方法与仿真处理结果。 1.4 本文章节安排本文具体研究内容如下：第一章主要介绍了本课题研究的背景和意义、国内外在该领域的研究情况及本文研究的主要内容。第二章主要对基于P4码的相位编码信号的性质进行分析和研究，重点研究了P4码的互补特性，最后介绍了相位编码信号波形参数设计原则和设计过程。第三章以第二章研究的P4码为基础，结合准随机跳频原理，并根据系统性能参数要求，设计出脉内相位编码脉间跳频信号，重点给出相位编码信号的处理算法，应用匹配滤波原理对其处理，仿真得出距离处理结果。第四章基于相位编码信号的优良特性，研究了多载频相位编码信号的信号形式和MCPC脉冲串参数的设计，与距离处理方法。第2章 相位编码信号理论第二次世界大战以来，雷达技术突飞猛进，应用领域不断扩大，各种反雷达的侦察技术也得到了空前发展。相位编码雷达是用码子对载频信号进行调相后发射的雷达，不仅具有较高的检测能力和低截获概率性能，而且有极强的电子反对抗能力，使其成为当代一个热点研究课题。2.1 相位编码信号简介相位编码信号是一种相位调制函数成离散的有限状态的脉冲压缩信号。实际中，相位编码信号是将宽度为的雷达发射脉冲均匀分成个子脉冲，每个子脉冲的宽度为，然后用高频载波的相位对这些子脉冲进行编码，振荡的初相是有限的个可能值，相位区间为。若采用匹配滤波技术对相位编码信号进行接收处理，将会产生有效峰值幅度比输入脉冲幅度高倍，且分辨率和脉冲宽度为时的分辨率相同的压缩脉冲。相位编码复包络表达式如下： （2-1）其中， 是个相位编码。相位编码雷达信号分为二相码和多相码。二相码采用对载波信号进行0、二调相来实现，而多相码则让相位在多个数值之间变化，能得到良好的自相关特性。常见的二相码主要有Barker码、m序列、互补序列等；常见的多相码主要有Frank码、霍夫曼码、互补多相码、P1码和P2码、P3和P4码。P1码和P2码是对阶梯FM信号按采样定律采样相位得到的多相码。P3码和P4码是对线性调频信号(LFM)按采样定律采样相位得到的多相码。下文主要对P4码、互补P4码的特性进行分析12。2.1.1 P4码特性分析P4码是一种chirp-like编码，是通过对线性调频信号(LFM)按采样定律采样相位得到的多相码，它最初的设计目的是出于接收机中预压缩带宽的限制，因此在Frank、P1、P2、P3、P4这一系列chirp-like编码中，这种多相码不仅继承了低旁瓣的自相关性，而且保持了阶梯 FM 信号和线性调频信号(LFM)的多普勒特性，还具备抗预压缩带宽限制的优点。P4码是采用一个本地振荡器对一个转到基带上的线性频率调制波形以奈奎斯特采样频率进行采样得到的13。假设线性调频的脉冲宽度为T，信号带宽为，k为常数，则脉冲压缩比为。P4码的相位表达式为：， （2-2） （2-3）代表第个P4码元的值。P4码的码间最大相位增量出现在码序列的两端，而预压缩带宽限制会平均码元相位增量，从而降低 P4 码序列的两端码元间的相位增量，这样会提高压缩脉冲的峰值旁瓣功率比。 P4码有良好的自相关特性，自相关函数有较低的旁瓣。长度为25位P4码的自相关函数如图2-1所示：图2-1 25位P4码自相关函数Figure2-1 Autocorrelation function of the 25-element P4 coded pulse2.1.2 互补P4码互补码序列是利用两个或多个编码序列自相关函数之和呈现理想的非周期自相关特性所提出的，具体定义为：设有一对长度相同的有限二元序列，；，和；，其非周期自相关函数分别为： (2-4) (2-5)如果，就称序列A和B互补，或称A、B为互补序列14。在设计雷达信号波形时，为满足波形参数间的制约关系和减小近距离遮挡，信号通常以脉冲串形式发送，且在回波信号处理时是对一个信号周期的每个脉冲分别进行脉压处理再将一个信号周期内的各个脉压结果叠加得到最终的脉压结果。基于以上设计和处理原理，互补特性在雷达信号设计中具有其他信号形式无法取代的优势。根据以上互补序列的定义，对 P4 码进行合理的构造可生成以下两种互补P4码序列：1. 拆分互补P4码信号将P4 码进行合理拆分可以构成互补 P4 码序列。将长度为 NM 的 P4 码按顺序均匀分为 M 组，每组包含 N 位编码(NM )，则这 M 组编码序列间具有互补特性，将这 M 组序列叫做拆分互补P4 码序列。这 M 组拆分序列的自相关并不理想，但将它们构成的补码集作为互补码便得到了理想的自相关函数。将25位P4码拆分成5组，每组5位编码，拆分后各编码序列的自相关函数以及它们作为互补码集构成的互补码的自相关函数如图 2-2所示，(a),（b）,（c）,（d）,（e）为每个码组的相关结果，(f)为互补码集相关结果。 (a) (b) (c) (d) (e) (f)图2-2 55拆分互补P4码自相关函数Figure 2-2 Correlation function of 55 split complementary P4 code由图 2-2 可以看出，25 位 P4 码均匀拆分为 5 个序列，每个序列包含 5 个子码，5 个序列的非周期自相关函数都不理想，但是将他们构成一个补码集作为互补码便得到了良好的自相关函数，除在移位为 0 的位置取得峰值之外，在其他移位值上都为零。2. 循环移位互补P4码P4 码循环移位可以构成互补码，将 N 位 P4 码进行N 次循环移位后得到 N 组具有互补特性的非周期序列，通常将这 N 组序列叫做循环移位互补P4 码序列 。由5位P4码循环移位形成的编码序列的自相关函数如图 2-3 所示，（a）,（b）,（c）,（d）,（e） 为每个编码序列的相关结果，（f ）为互补码集相关结果。 （a） (b) (c) (d) (e) (f)图2-3 55循环移位互补P4码的自相关函数Figure2-3 Autocorrelation function of 55 cyclic shift complementary P4 code由图2-3可以看出，由5位P4码循环移位形成的这 5 组序列各自的非周期相关特性并不理想，但将它们构成一个补码集，作为互补码便得到了理想的自相关函数。除在移位为 0 的位置取得峰值之外，在其他移位值上都为零。这说明P4码作为具有理想周期自相关特性的多相码，它的循环移位可以构成互补码。2.2 相位编码信号波形参数设计在确定雷达系统采用的的信号形式之后，就应该对波形的具体参数进行设计。本节主要研究相位编码信号波形参数的设计问题。2.2.1 设计原则为满足系统性能指标的要求，无论采用什么形式的信号，都应遵循以下原则：（1）保证所要探测的目标在最大速度时无速度模糊或速度模糊可解；（2）保证所关心的距离甚至更远的距离范围(即实际系统能够探测到的最大距离，甚至需要考虑更远距离的杂波干扰)内的所有目标无距离模糊。在具体讨论之前，我们先给出一些波形参数的表示方法：一个脉冲内的码元个数、码元宽度、脉冲宽度()、一个脉冲周期内的接收时间 、脉冲周期（）、一个信号周期内的脉冲数、码长（）、信号周期（）、一个积累周期内的信号周期数。通常相位编码信号以脉冲串形式发送，将位编码信号分 个脉冲进行发送，每个脉冲内均匀分布位编码信号。相位编码信号形式如图所示：n1n2n3NpTpTrTsr图2-4相位编码信号示意图Figure 2-2 Phase coded signal图2-5单个脉冲信号示意图Figure 2-2 Single Phase coded signal2.2.2 设计过程及步骤设给定系统要求的最大作用距离为，距离分辨率为，所探测目标的最大速度为，使用的工作频率为，则波形参数设计过程如下：1. 根据雷达系统实际情况和具体要求选择合适的编码类型。2. 确定相位编码信号类型后，需要计算的参数有：一个脉冲内的码元个数、码元宽度、脉冲宽度、一个脉冲周期内的接收时间 、脉冲周期、一个信号周期内的脉冲数、码长、信号周期、一个积累周期内的信号周期数。波形具体参数设计过程：1） 由系统要求达到的距离分辨率，确定信号带宽，从而确定每个码元的最大宽度，即： （2-6）2） 有系统作用的最大距离确定脉冲周期内的接收时间： （2-7）3） 确定一个脉冲内的码元数：的大小既要考虑信号的占空比，又要考虑遮挡距离的影响： (2-8)由2)和3)就可以则得出脉冲周期： （2-9）4） 由已知的目标最大速度确定信号周期： （2-10）5） 根据信号周期，脉冲周期求出： （2-11）通过以上步骤可以计算出、的取值范围，对求得的、分别取整即可。对于常用的相位编码信号通常取，即一个脉冲内的码元数与一个信号周期内的脉冲数相等。6） 根据选取的信号周期，计算出对应的最大不模糊距离： （2-12）在实际系统使用中，还必须考虑模/数变换的参数配合，即：接收机输出信号在A/D变换后应保证特定的整数点关系，假设A/D变换采样时钟为，则必须满足下述两个条件：1) 对相位编码信号，必须保证每个码元内的采样点为整数，即应有： (2-13)2) 必须保证每个脉冲周期内的采样点为整数，或保证接收时间内的采样点为整数： (2-14)按照上述公式设计出来的信号参数，将满足所要探测的目标在最大速度时无速度模糊、所关心的最大距离内的目标无距离模糊的基本要求。2.2.3 设计结果首先我们列出目标的系统参数（见表2-1）。表2-1 系统参数Table 2-1 System parameter目标载频：6MHz系统带宽：25kHZ距离分辨率：6km最大作用距离：450km由此，我们可计算出相位编码信号的参数（见表2-2）。表2-2 信号参数Table 2-2 Signal parameter码元宽度：40um一个脉冲内的码元数：8一个信号周期内的脉冲数：8一个脉冲内的接收时间：3ms脉冲宽度：0.32ms脉冲周期：3.32ms信号周期：26.56ms2.3 本章小结本章首先对相位编码信号进行了简要的介绍，然后重点研究了P4码信号的性能，尤其是P4码的互补性能。之后把P4码运用到高频雷达信号之中，给出相位编码信号的信号形式，并总结了相位编码信号参数设计原则和具体过程。第3章 相位编码信号的距离处理测量目标的距离是雷达的基本任务之一。当探测到目标后，就要对回波信号进行处理并从目标回波中提取信息。经典雷达信号处理的最终目的只有两个：一是信号检测，二是参数估计。前者所要解决的问题是受扰观测中目标有无的判决问题，后者所要解决的问题则是受扰观测中目标信号参数的确定问题。估值总是以检测为前提。本章主要研究了脉内相位编码跳频信号的距离处理方法，解决受扰观测中目标有无的问题。3.1 相位编码信号的测距原理利用电磁波在自由空间传播的速度是一常数，路径是一直线这两个特性，可以测量目标的距离。 设为雷达站到目标的直线距离，为电磁波在自由空间传播的速度() 。电磁波离开天线到达目标，经目标散射之后部分回到天线，所用时间为 ，在这段时间内电磁波走的距离是15。由于电磁波在空气中的传播速度和在自由空间的传播速度是很接近的，因此，我们可认为，于是得出雷达测量目标距离的基本公式为： （3-1）从式(3-1)知道，只要测出时间，就可计算目标的距离。利用相位编码的相关特性，可用发射波和反射波的互相关运算来计算延迟时间，从而提取距离信息。针对本文设计的脉内拆分互补 P4 码调相脉间跳频信号，由于每个脉冲内的相位编码序列间具有互补特性，各序列相关后叠加结果的旁瓣理想，所以对脉内互补码调相脉间跳频信号，采取每个脉冲周期分别压缩，再将各压缩结果叠加得到最终的脉压距离信息。信号发射后，散射回来的回波信号是发射信号时间上的延迟，反射波到达接收天线处延时为个单位。因此根据系统带宽对发射信号和回波信号进行合理采样，将一个脉冲周期内的发射信号以脉冲宽度为单位逐个单位延时，各个不同延时后的信号依次与回波信号进行互相关运算，将一个信号周期内的各个脉冲相关结果叠加，检测出互相关函数在第个延时单位的相关系数达到最大，由得出编码信号经发射至接收的时间差为，再由公式(3-1)就可求出目标到雷达的径向距离。3.2 脉内相位编码脉间跳频信号的处理3.2.1 脉内相位编码脉间跳频信号介绍经过几十年的发展，人们对单一雷达信号波形的研究已较为透彻。20世纪末雷达信号研究的一种趋势是通过对已有雷达信号的“适当组合”，研制出性能满足技术要求的一些新的信号形式，称之为复合调制信号，其优点在于可以沿用已有雷达技术的所有成果，又有利于现役雷达的改造。本节将介绍脉内相位编码脉间准随机跳频复合调制信号，简称脉内相位编码脉间跳频信号16。 针对不同体制的雷达系统，信号波形设计时所应考虑的侧重点也不同，脉内相位编码脉间跳频信号主要是针对高频雷达工作频段内电磁干扰严重及有效隐身的角度进行设计。为了提高高频地波雷达的综合电子对抗能力、增强雷达在恶劣电磁环境中的生存能力，S.D.Green 以及俄罗斯学者 V.M.Kutuzov 等人近年发表的文章中提出了一些有益的思想 ，其核心是：高频地波雷达在工作频带的选取上应摆脱连续带宽的限制，使用不连续频段来满足分辨率要求。单站的高频雷达由于工作方式是断续的，采用不连续频带的信号形式会引起脉间载频的跳变，受“寂静”频带分布不确定性的影响，不同时间段内载频跳变的图案是不同的，具有随机性；而为了保持系统的相干性，又常要求信号至少在一个积累周期内保持载频跳变的组合不变，这就是所谓的准随机跳频信号 。从跳频方式来看，准随机跳频信号脉间所进行的跳变往往是不等间隔的、随机的。准随机跳频信号通常在各脉冲间采用频率跳变，在整个信号周期内频率跳变的组合不变，准随机跳频信号示意图如图 3-1所示：f1f2f3f1fnTpTrTsrTprNcTc图3-1 准随机跳频信号示意图Figure3-1 Quasi-random frequency hopping signal一个积累周期内的脉内相位编码相脉间跳频信号的数学表达式为： （3-2）其中，：一个脉冲内的码元个数；：码元宽度；：脉冲宽度()； ：一个脉冲周期内的接收时间；：脉冲重复周期()；：一个信号周期内的脉冲数；：信号周期长度()；：第个编码值；：跳频数；：一个积累周期内的信号周期数。假设目标初始距离为 ，径向速度为，那么回波延迟时间为： （3-3）多普勒频率为： （3-4）可得回波信号形式为： （3-5）参照2.2节波形设计原理，可得脉内相位编码脉间跳频信号的具体设计过程和结果如下：1. 由分辨率确定每个码元的最大宽度： （3-6）取；2. 由最大作用距离确定脉冲周期内的接收时间： （3-7）取；3. 由确定信号重复周期： （3-8）取即可；4. 计算每个脉冲内的最大码元数： （3-9）为达到适合的占空比，通常取。由以上设计可计算出脉内互补P4码脉间跳频信号的参数设计结果如3-1表所示：表3-1 P4码信号参数Table 3-1 Parameter of complementary P4 code参数数值编码长度N8*8码元宽度Tc（us）40脉内码元数Nc8信号周期内的脉冲数Np8脉冲宽度Tp（ms）0.32脉冲内的接收时间Tr（ms）3脉冲重复周期Tpr（ms）3.32信号重复周期Tsr（ms）26.56跳频数Nf8信号带宽B（KHz）25载频f0（MHz）6采样频率fs(KHz)503.2.2 相关函数两个波形和的相关函数是它们之间相互关联程度的量度。当为功率有限波形（如周期信号，起伏噪声）时，其相关函数为两个波形相对时间位移后乘积的长时间平均值，即 （3-10）当和为具有相同周期的周期波形时，则 （3-11）如果为能量有限波形，则有 （3-12）上式的积分限为到，但实际的信号均是有限长度的，积分时间将根据具体情况决定。两个不同信号的相关函数称为互相关函数，而当时所得的相关函数