脉冲压缩技术及其在气象雷达中应用.docVIP

脉冲压缩技术及其在气象雷达中应用 　　【摘 要】 介绍了脉冲压缩技术的原理及实现方法，重点阐述了线性调频、非线性调频以及相位编码三种典型脉冲压缩技术的特点。分析了脉冲压缩技术应用于气象雷达中的优势及存在的主要问题，对脉冲压缩技术应用于气象雷达具有指导意义。 　　【关键词】 脉冲压缩 气象雷达 　　1 引言 　　现代技术的发展对雷达的作用距离、分辨力和测速精度等性能指标提出了越来越高的要求，雷达系统的检测能力与雷达发射的平均功率成正比，在峰值功率受器件载荷限制的情况下，提高平均功率一般通过增加发射脉冲宽度来实现。另一方面，要提高雷达系统的距离分辨力，又要求发射脉冲尽量窄。所以对峰值发射功率一定的简单脉冲雷达来说，提高雷达系统的探测能力和距离分辨力是一对矛盾，为了在低峰值功率的条件下处理这一问题，通常的解决办法是通过对载频进行调制，增加发射波形的带宽来获得大时宽带宽积信号，从而使雷达系统发射宽度相对较宽而峰值功率较低的脉冲，并在接收处理过程中对回波波形实施压缩，这一过程称为脉冲压缩。 　　脉冲压缩保持了窄脉冲的高距离分辨力，又能获得宽脉冲雷达系统的强探测能力。发射宽脉冲能更有效的利用雷达所具有的平均功率，避免了产生高峰值功率信号。雷达可以在不需要增加脉冲重复频率的情况下提高平均功率，从而减少雷达的距离模糊；此外，脉冲压缩雷达较少受和发射编码信号不同的干扰信号影响。 　　2 脉冲压缩技术的基本原理 　　2.1 距离分辨力 　　典型脉冲雷达的距离分辨力由下式确定[1] 　　其中，为系统经过脉冲压缩后的有效脉冲宽度。由此可知，对于脉冲压缩雷达，可以通过发射经调制的脉宽为的脉冲，来获得发射脉宽为的普通脉冲雷达所达到的距离分辨力，而。 　　对脉冲压缩雷达来说，实际发射脉冲宽度T与有效脉冲宽度的比值称为脉冲压缩比（CR，Compression Ratio）。 　　2.2 匹配滤波器 　　其中为信号，为平稳白噪声，信号的频谱为，当滤波器的频率响应为，此时滤波器输出端能够得到最大的信噪比。该滤波器称为最大信噪比准则下的最佳滤波器，即匹配滤波器。 　　信号的各频率分量在某些频率上较强，在另外一些频率上较弱，而噪声频谱的分布是均匀的。滤波器对不同的频率分量进行加权，增大用信号的增益，抑制噪声的干扰信号，提高了输出信号的信噪比。另一方面，输入信号中各频率分量的相位是按照分布的，如果滤波器的相频特性正好与之相反，则通过此滤波器后，各频率成分的相位一致，只保留一个线性相位项。这表示不同频率分量在特定时间同相相加，在输出端形成峰值；而输入噪声和输出噪声各频率分量的相位是随机的，因而滤波器的相频特性并不改变其相位的随机性。 　　2.3 相干积累 　　在脉冲压缩体制的雷达中，回波脉冲经过匹配滤波器后被压缩成窄脉冲，此时得到的窄脉冲信号还要进行相干积累。相干积累是将已压缩的回波信号进行累积叠加，进一步提高雷达接受信号的信噪比。假设信号回波为幅度为的复回波，噪声功率为，单个脉冲的信噪比为[2] 　　由此可见，N次回波信号相干积累可以将信噪比提高N倍。在相干积累中，信号分量是同相相加的，信号分量的幅度增加到原来的N倍，能量增加到原来的倍，而噪声信号相位是随机变化的，正是信号相位的一致性使信号功率在积累的过程中增长高于噪声功率的增长，从而提高了信噪比。 　　2.4 脉冲压缩的实现 　　在实际的雷达系统中，由射频产生宽度为的窄脉冲，该脉冲通过色散延迟线，输出为宽度T的脉冲，而信号的带宽为，即输入脉冲的带宽。此信号经放大后即通过雷达天线向外辐射。接收时，信号经过适当处理后通过脉冲压缩滤波器。此滤波器常采用和发射波形匹配的滤波器，结果便形成宽度为的压缩脉冲。被压缩的信号进行相干积累等处理，再经适当变频和放大后被显示出来。 　　压缩脉冲是宽度为T的信号在通过其匹配滤波器后产生的。在匹配滤波器之外的响应时间范围大致为2T，在宽度为2T的脉冲内部偏离中心点之外的响应被称为距离旁瓣。脉冲压缩处理时必须解决距离旁瓣问题，否则强信号脉冲压缩的旁瓣会掩盖弱信号的反射回波。采用加权的方法可以降低旁瓣，理论上旁瓣可以达到小于-40dB的量级。但用模拟技术实现时实际结果与理论值相差很大。而用数字技术实现脉冲压缩时实际输出的距离旁瓣与理论值非常接近。 　　脉冲压缩既可以用模拟的方法实现，又可以用数字的方法实现。模拟式脉冲压缩主要是依靠硬件直接实现。目前主要的脉冲压缩器件有：具有大带宽、小时宽的声表面波器件（SAW，Surface Acoustic Wave）；中等时宽和中等带宽的体声波反射阵列压缩器等。若要处理大时宽大带宽信号的脉冲压缩，只有采用综合技术，利用这类器件的组合来实现大时带积信号的脉冲压缩。 　　相对于模拟方法，数字脉冲压缩具有一系列的优点，