【深度】雷达间歇调制信号及其性能分析

From 学术plus 学术plus 2019-03-28

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今日荐文

今日荐文的作者为国防科学技术大学专家解东，冯德军和北京电子工程总体研究所专家王俊卿。本篇节选自论文《雷达间歇调制信号及其性能分析》，发表于《中国电子科学研究院学报》第12卷第6期。

摘要：提出雷达间歇调制信号的基本原理，分析了间歇调制信号的模糊函数。在此基础上，提出并实现了一种基于通断编码的间歇调制信号，分析了这种新型信号的分辨率和影响通断编码信号性能的关键因素。进行了相应的理论和数学仿真，结果表明，对于矩形单载频信号，间歇调制能有效改小距离分辨盲区，而对速度分辨率没有影响；另一方面，这种新型调制信号的距离分辨率主要由编码位数决定，且位数越大，距离分辨率越高，而码元排序主要影响信号模糊函数的旁瓣。这些结论对大时宽带宽信号的内场测试与仿真、新型雷达信号设计与应用具有重要的参考价值。

关键词：间歇调制；通断编码；矩形脉冲信号；模糊函数

引言

大时宽带宽信号是雷达最常见的信号形式，具备较远的探测距离和好的速度分辨率，因此在远程预警探测、雷达目标识别等很多领域中应用甚广，国内外的很多雷达均采用了这种信号形式。近几年来，自适应波形设计技术等新技术的应用进一步提高了大时宽带宽信号的探测能力和抗干扰能力，大时宽带宽信号的波形设计和优化也成为雷达信号处理领域关注的热点研究课题之一。在内外场测试、目标特性与仿真等研究领域，也需要经常用到大时宽带宽信号，但是，由于这种信号的时长较长，存在较长的距离盲区，而微波暗室内场的空间受限，无法应用辐射式仿真手段，如何解决这个棘手的问题一直是业内的技术难题之一。

间歇采样转发是一种有效的新型干扰方法，其基本思路是对截获信号高保真地采样一小段后，将该段信号转发出去，然后采样下一段信号并转发，如此交替进行直至信号结束，它能够对目标产生相干假目标串的干扰效果。通过幅度、频率等调制方法，该方法可以控制假目标串的空间和能量特性与真实目标极为相似，从而使雷达难以分辨。当前，已经有很多文献对间歇采样转发干扰的原理、应用和特性进行了深入的研究和分析，其出发点均是从干扰设计的角度。本文借鉴间歇采样的思想，将其应用于雷达波形设计，设计了新型的间歇调制波形，可以有效解决空间受限条件下的长脉冲信号内场辐射式仿真难题。

1 间歇调制信号的基本原理

间歇调制信号的基本原理是：当脉冲信号发射一段时间后，在目标回波未返回前，切换射频开关至接收通道，开始接收目标回波信号，待回波接收结束后，再切换射频开关至发射通道，继续发射脉冲信号，如此交替进行直至信号结束。这种方法把雷达发射的长脉冲信号分成多个短脉冲信号，产生雷达间歇调制信号，这等价于用理想的矩形脉冲串对发射脉冲信号进行了间歇采样调制。间歇调制信号为单位幅度的矩形包络脉冲串信号，表达式为：

2 间歇调制信号的模糊函数

2.1 模糊函数的概念

2.2 矩形脉冲信号的模糊函数

由模糊函数得到距离分辨率函数和速度分辨率函数分别为：

2.3 间歇调制信号的模糊函数

将式的间歇调制信号带入复模糊函数的定义式中得到：

3 基于通断编码的间歇调制信号

从上一节的分析可以知道，间歇控制信号是一系列的矩形脉冲串，当它的重复周期和采样时间确定后，间歇调制信号的波形包络就基本固定，这限制了信号参数的灵活性，且抗干扰能力有限。因此，为了提高间歇调制信号的灵活度，本节应用码元编码的思想，提出一种改进设计方法，即通断编码调制，它通过码元序列控制信号子脉冲幅度值的大小，当码元值为1时，子脉冲的幅度值不变，当码元值为0时，子脉冲的幅度值取0，编码控制生成脉冲内包含伪随机子脉冲串的雷达信号波形。其中，子脉冲为幅度和长脉冲信号相同且脉冲宽度可控的矩形信号。对公式中的简单脉冲信号a（t）经通断编码调制的包络x‘（t）可以表示为

根据模糊函数的卷积性质，可得到通断编码信号x‘（t）的复模糊函数为：

从公式和可以看出，通断编码信号的分辨率函数受到多个参数的调制，其中序列C的编码位数和码元顺序是影响通断编码信号分辨率性能的关键因素。

4 仿真与分析

4.1 矩形脉冲信号的性能验证

首先对矩形脉冲信号的性能进行验证。

图2(a)是模糊函数的仿真结果，它的主瓣呈“三角脊形”，在时延方向上的响应是单瓣的，它的宽度就决定了信号的距离分辨率；同时主瓣随多普勒频移的增加迅速下降，且存在很多的基底旁瓣，说明多普勒失配严重会影响信号的速度分辨力。图2(b)是距离模糊函数图，它是一个三角函数，验证了矩形信号的时延分辨率为T；但线性变化表明目标相距分辨率单元以外时，弱目标信号容易被淹没，导致分辨率下降。图2(c)是速度模糊函数图，它是一个辛克函数，验证了信号的多普勒分辨率为1/T；基底旁瓣会对目标分辨造成干扰。综合图2(b)和图2(c)可知，矩形脉冲信号对目标的距离分辨率和速度分辨率相互矛盾，二者不能兼顾，对长脉冲信号而言，它的速度分辨率良好，但是相应的距离分辨率会降低。

4.2 间歇调制信号的性能仿真验证

从图4可以看出，C序列通断编码信号的模糊函数和间歇调制信号的模糊函数仿真结果完全相同，这说明间歇调制是通断编码信号的一种特定情况，通过设计合适的码元序列，就可以实现相应的间歇调制信号，验证了本文所提改进方法的有效性。

4.3 编码位数对通断编码信号性能的影响分析

分别选取5位、10位、15位和20位的编码序列对矩形脉冲信号进行调制仿真。为了避免码元取值不同对模糊函数性能的影响，假设5位的编码序列C1=[11010]，令C2=[C1 C1]=[1101011010]，类似的取C3=[C1 C1 C1]，c4=[C1 C1 C1 C1]，它们对应的子脉冲宽度为T/n（n为编码位数），保持矩形脉冲信号的能量和持续时间T不变，分别使用C1,C2,C3,C4序列对其进行调制，研究不同编码位数对通断编码信号性能的影响，得到通断编码信号的分辨率性能如表1所示。从表1中可以得到几个有价值的结论。

第一，和矩形脉冲信号相比，通断编码信号主瓣峰值更小，即它对目标的最大探测距离下降。由于通断编码信号的码元值为0时，信号的幅度值为0，因此导致编码调制信号的占空比下降、功率降低。它和矩形信号探测同一目标时，对应的回波功率减弱，表现为原点处的模糊函数峰值变小。

第二，和矩形脉冲信号相比，通断编码信号的距离分辨率提高，且编码位数越大，信号的距离分辨率越高。从表1可知，以半功率宽度作为标准，通断编码信号的时延分辨率为子脉冲宽度的1.5倍，因此编码位数越大，子脉冲宽度越窄，对应的时延（距离）分辨率越高。

第三，通断编码信号的速度分辨率不受编码位数的影响，和矩形脉冲信号相比，两者的速度分辨率相同，但编码信号的第一旁瓣对速度分辨的干扰作用越弱。从表1可知，矩形脉冲信号和通断编码信号的多普勒分辨率均为1/T，而随着编码位数的增加，速度向上的第一旁瓣峰值逐渐减小，更有利于分辨速度接近的多目标信号。

4.4 码元排序对通断编码信号性能的影响分析

采用10位的编码序列仿真分析码元排序对通断编码信号性能的影响。为了保证编码信号的能量相同，假设编码序列中0、1码元的个数分别为6个和4个，通过随机排序产生4个不同的编码序列:C11=[1101011010],C22=[1110001011],C33=[1011010011],C44=[1010001111]，用C11、C22、C33和C44对一定能量的矩形脉冲信号进行调制，得到通断编码信号的分辨率性能如表2所示。

从表2可以得到几个结论。首先，对于给定的序列长度和占空比，码元排序不影响信号的距离分辨率和速度分辨率对不同码元排序的编码信号，其时延分辨率为0.15T，多普勒分辨率为1/T。由公式(23)、(24)可知，信号模糊函数的主瓣形状主要由脉冲的模糊函数和码元1的个数共同决定，因此给定占空比的编码信号，它们的主瓣分辨率基本相同。

其次，采用不同的码元排序，距离向的第一旁瓣峰值保持不变，而速度向的第一旁瓣大小起伏剧烈，从表2可以知道，相对于其他码元排序，采用编码方式时编码信号的速度旁瓣能得到更好的抑制。在编码信号设计过程中，根据具体的应用场景和不同码元排序的仿真结果，针对性的调整码元排序能够降低旁瓣对目标速度分辨的影响。