pd雷达信号处理若干问题的优化方法.pdf

《pd雷达信号处理若干问题的优化方法.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《pd雷达信号处理若干问题的优化方法.pdf（68页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、西安电子科技大学 硕士学位论文 PD雷达信号处理若干问题的优化方法 姓名：滕飞 申请学位级别：硕士 专业：信号与信息处理 指导教师：李明 201201 摘要 I 6 8 2 3 惝5Y 2 0 雷达信号处理的发展一直是雷达技术发展的核心。脉冲多普勒( P D ) 雷达的信 号处理单元包括正交采样、脉冲压缩、动目标检测( M T D ) 、恒虚警检测( C F A R ) 、 解模糊等，其中每步处理的精度与速度直接影响到雷达信号处理最终结果的好坏。 本文工作的重点就是讨论如何提高处理效率、改善处理精度、减d , N 量误差，以 满足随着技术进步，雷达信号处理性能指标日益增加的要求。 本文分析了数

2、字正交采样的基本原理，以低通滤波法为基础，讨论了多相结 构对其性能的改善；结合滤波器设计理论，分析了参数对滤波器性能的影响，为 正交采样的优化设计提供参考；研究了窄过渡带宽度的滤波器设计方法；针对常 规线性调频脉冲压缩雷达中存在频移距离耦合而导致的距离误差，利用正负斜率 调频的方法进行补偿，同时对速度进行粗铡：针对因量化导致的测距测速误差， 提出了一种基于插值法的测量方法，仿真证明了该方法能够有效提高测距测速精 度；结合常规的一维集解模糊和余差法解模糊的优点，提出了两种改进算法，在 保证解算正确的条件下降低计算量，通过D S P 汇编实现并验证了其优势；提出了 一种利用先验速度的单重频解速度模

3、糊方法，仿真验证了其有效性。 关键词：正交采样滤波器设计距离测量速度测量解模糊 A B S T R A C T 一_ 一 T h ed e v e l o p m e n to fr a d a rs i g n a lp r o c e s s i n gh a sb e e nt h ec o r eo f t h ed e v e l o p m e n t o fr a d a rt e c h n o l o g y T h eu n i t so ft h ep u l s e D o p p l e rr a d a rs i g n a lp r o c e s s i n g

4、i n c l u d e q u a d r a t u r es a m p l i n g ，p u l s ec o m p r e s s i o n , m o v i n gt a r g e td e t e c t i o n ( M T D ) ，c o n s t a n t f a l s e - a l a r m r a t e ( C F A R ) ，a m b i g u i t yr e s o l u t i o n ，t h ep r e c i s i o na n de f f i c i e n c yo f p r o c e s s i n g

5、i ne a c hu n i td i r e c t l ya f f e c tt h ef m a lr e s u l to ft h er a d a rs i g n a lp r o c e s s i n g T h i s p a p e rm a i n l yd i s c u s s e sh o wt or e d u c et h e p r o c e s s i n gp e r i o d 、i n c r e a s ep r o c e s s i n g e f f i c i e n c y 、i m p r o v ep r o c e s s i

6、 n gp r e c i s i o n 、d e c r e a s em e a s u r e m e n te r r o r , i no r d e rt o s a t i s f yt h ei n c r e a s i n gr e q u i r e m e n to fp e r f o r m a n c ei nr a d a rs i g n a lp r o c e s s i n gw i t ht h e d e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g y T h i st h e s i sa n a l y s e

7、sf u n d a m e n t a lo fd i g i t a l q u a d r a t u r es a m p l i n g ，d i s c u s s e st h e i m p r o v e dp e r f o r m a n c eo f m u l t i p h a s es t r u c t u r ew i t hl o wp a s sf i l t e r C o m b i n i n gw i t ht h e t h e o r ya n dm e t h o do ff i l t e rd e s i g n i n g ，t h e

8、e f f e c to ft os i g n a la n df i l t e rd e s i g n i n gh a s b e e nr e s e a r c h e d ，o p t i m u mp a r a m e t e rW a sg i v e n b ys i m u l a t i n g ，w h i c hc a l lp r o v i d e r e f e r e n c et ot h eo p t i m i z i n gd e s i g no fq u a d m t u r es a m p l i n g P o s i t i v e

9、a n dn e g a t i v es l o p e f r e q u e n c ym o d u l a t i o nh a sb e e ng i v e nt oc o m p e n s a t ed i s t a n c er e m o t i o na n dt o lm e a s u r e v e l o c i t yf o rt h eD o p p l e r - 一d i s t a n c ec o u p l i n go nc o n v e n t i o n a lp u l s ec o m p r e s s i o nr a d a r

10、 A i m i n ga tt h ee r r o ro fd i s t a n c ea n dv e l o c i t yc a u s e db yq u a n t i z a t i o no np u l s eD o p p i e r r a d a r , an e wm e t h o dn a m e di n t e r p o l a t i n gm e t h o di sp u tf o r w a r d ，s i m u l a t e dr e s u l t ss h o w t h a tt h ee f f e c t i v e n e s

11、 so ft h ep r o p o s e dm e t h o dt oi m p r o v et h em e a s u r e m e n ta c c u I a c v B a s i ct h e o r ya n da l g o r i t h m so fa m b i g u i t yR e s o l u t i o n a r ep r e s e n t e d ，t w oi m p r o v e d m e t h o d sh a v eb e e nb r o u g h tf o r w a r dd e r i v e df r o mo n

12、e d i m e n s i o n a ls e t a l g o r i t h ma n d r e s i d u e s d i f f e r e n c e m e t h o d ，w h i c hg r e a t l yr e d u c et h ec a l c u l a t i n g 锄o u 】眦w i t l l s u b o p t i m u mp e r f o r m a n c e ，a n dh a v eb e e ni m p l e m e n t e do nD S P s y s t e m An e wm e t h o d o

13、 fv e l o c i t y a m b i g u i t yr e s o l u t i o ni sp r o p o s e d ，s i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t n n et l l e e f f i c i e n c y K e y w o r d ：Q u a d r a t u r eS a m p l i n gF i l t e rD e s i g n D i s t a n c eM e a s u r e V e l o c i t y M e a s u r e A m b i g u i t

14、yR e s o l u t i o n 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景及其意义 雷达的发展史可以追溯1 8 8 6 年赫兹所从事的电波传播试验验证了电磁波的发 生，接收和散射。但雷达技术真正开始蓬勃发展并投入使用，实际上发生在上世 纪4 0 年代第二次世界大战期间。战争中发展起来的雷达技术，战后更加扩展了它 的应用领域，加快了前进的步伐，在航空，航天，航海，导弹，气象探测，资源 调查，遥感，测绘和农业国民经济的很多领域，雷达都在发挥着重要的作用I l j 。 自从雷达问世以来，人们对如何增强雷达的功能，更快速、更有效地发现、 识别和跟踪威慑目标问题的探讨，就从来没有停止过，它们始终

15、是雷达技术发展 的重要课题。在实际环境中，雷达目标信号总是淹没在大量的杂波或干扰中，而 且目标信号的功率较杂波或干扰可能还要小的多，这都需要对信号进行有效的处 理。特别地，随着科学技术地不断发展，不论是军用或是民用都对雷达测量结果 性能指标提出更高的要求，同时这也不断促进着雷达信号处理新技术与新方法的 飞速发展。 脉冲多普勒( P D ) 雷达是一般雷达基础上发展起来的一种新体制雷达。这种雷 达有更强的抗干扰能力。同时能够有效利用目标回波的多普勒频移，实现对雷达 信号脉冲串频谱单根谱线滤波( 频域滤波) ，具有较高的速度分辨能力，因而能在较 强的杂波背景中分辨出动目标回波。P D 雷达是一种技

16、术复杂而又应用广泛的先进 雷达，P D 雷达的应用和发展是雷达理论与技术的发展，特别是新型电子器件和数 字信号处理技术发展的结果。一部实际的P D 雷达几乎包含了现代雷达的各种信号 处理技术，采用了各种现代优化的设计思想忙J 。 在P D 雷达中，数字中频正交采样是最常用的一种数字化接收方法。数字中频 正交采样作为P D 信号处理中的第一步，担负着为后续处理提供高质量原始数据的 任务。对实际的正交采样系统来讲，除了要有满足要求的准度和精度，还要性能 充分稳定，并且具有较低的计算量以达到足够的速度和效率进行高速实时处理。 目前己知的数字中频正交化处理的方法很多，其中最普遍的是低通滤波法，而低 通

17、滤波法的问题是计算量较大，如何在保证正交采样性能的前提下对其进行简化 和改善，这些都需要进行研究。同时，滤波器设计是正交采样中十分重要的环节， 针对不同系统要求，应选择最合适的滤波器，如何通过不同的设计方法得到最优 化的滤波器，本文也将对其进行讨论分析。 目标的距离测量和速度测量是P D 雷达的基本任务，但是在雷达测量目标的时 2 P D 雷达信号处理若干问题的优化方法 候，受各种因素的影响，不可避免的会产生误差，不能准确地得到真实的目标信 息，对于目前日益增加的对目标测量的要求，如何提高检测精度，减小测量误差， 有着极为重要的意义。 为了提高检测性能，雷达常采用高脉冲重复频率信号，以便在信号

18、频域获得 足够宽的无杂波区，此时对于脉冲测距则会产生模糊现象。P D 雷达一般采取多重 频工作模式的解模糊算法，其原理是孙子定理，主要有一维集算法和余差查表法， 两种方法各有特点，一维集算法对误差的兼容性好，而余差查表法计算量小，如 何在实现中结合两种方法的优点，更精确，更迅速的进行解模糊运算，也是需要 研究的问题。 1 2 国内外研究发展现状 P D 雷达技术于4 0 年代末首先由美国人提出概念，5 0 年代末美国开始研制第 一个P D 雷达，6 0 年代已研制了多种型号样机并开始批量装备部队，最初服役的 P D 雷达采用的是高脉冲重复频率，以消除速度模糊。6 0 年代之后发展起来的P D

19、雷达是由线性动目标显示对消电路加窄带多普勒滤波器所组成。这种雷达通常采 用低脉冲重复频率，因而没有距离模糊。7 0 年代之后，更多技术发展成熟并在P D 雷达中应用，出现了多种多样的P D 体制的雷达，并且大多兼顾距离测量和速度测 量，均具有较高的精度。 采用线性调频信号脉冲压缩体制的P D 雷达便是其中一种，该体制雷达具有的 另一个优点是对多普勒频移不敏感，即使目标有较大的多普勒频移，原来的匹配 滤波器仍能起到脉冲压缩的作用。但是仍会产生多普勒频移距离耦合现象，影响 距离测量精度，文献【3 】分析了距离一多普勒耦合效应对精度的影响。对于补偿多普 勒频移对测距造成的偏差，国内外许多学者做了开展

20、了大量研究，文献 4 】利用发 射信号和回波信号的互相关性，提出了基于修正的循环相关函数包络的多普勒尺 度参数估计算法。文献 5 】给出了在上升下降调频脉冲的基础上构建新的压缩波形 的方法。都可以用来对多普勒频移实行修正。 自6 0 年代以来，数字技术的不断发展并应用于雷达领域，改善了模拟系统的 很多缺陷，使得雷达性能大大提高。从8 0 年代开始，P D 雷达的数字化接收机进 入中频数字处理阶段，消除了模拟器件的不稳定性和不确定性，而且提高了系统 的灵活性和抗干能力，降低系统的体积和成本。通过中频采样不仅可以将模拟信 号变换成数字形式，而且变换后的信号是正交的两路，可以很方便的获得回波信 号的

21、幅度和相位信息。 但是同时，因对模拟信号进行采样会不可避免的带来量化误差，而造成处理 分辨率有限，使其测量精度不能获得有效提高，文献 6 对量化误差做了详细分析， 第一章绪论 3 并提出采用扩展比值插值法提高精度，但是该方法计算量较大；文献 7 提出逐点 插值法和二分插值法，但是需要进行多点插值才能有效提高精度；文献 8 提出相 位差分方法，在时域测量相位并估计频率和初相，但是需要很高的信噪比。 距离模糊与速度模糊是直伴随着P D 雷达发展的问题。对于解距离、速度模 糊，主要有两种思想，一是对发射脉冲加“标签“ ，通过判断回波的“标签“ ，得 知回波隶属于哪一个发射脉冲，从而解决模糊问题。例如

22、对载频进行线性或者正 选调制、在发射脉冲串内“舍脉冲的方法，但是这类方法限制很多而且精度较 低。二是脉冲重复频率切换法，通过发射几个不同重复频率的脉冲测出相应的模 糊距离，再通过计算得出目标的真实距离。 1 3 论文内容安排 本文正是基于P D 雷达信号处理而来，通过对其包含的正交采样、脉冲压缩、 动目标检测，恒虚警检测，解模糊等相关理论的学习，结合某型号机载雷达信号 处理机研制工作中的实际问题和经验总结而完成的。 本文的主要工作和各章内容安排如下： 第一章：介绍了本文研究课题的背景以及意义，阐明了本文研究的方向和内 容安排。 第二章：以采样定理为基础理论，系统的介绍了数字中频正交采样理论，详

23、 细分析了低通滤波法正交采样的原理和意义，并在其基础上讨论了低通滤波法的 多相结构的实现方法与多相滤波器的设计，进行了算法对比并说明了多相滤波对 正交采样效率的改善。 第三章：以有限长脉冲响应数字滤波器( F I R ) 滤波理论为基础，详细分析了两 种典型的滤波器设计的方法和特点，并研究了使用等波纹法滤波器设计时，影响 滤波计算量以及滤波性能的因素，为正交采样中的滤波器参数优化提供参考，并 讨论了基于频率响应屏蔽技术( F R M ) 的窄过渡带滤波器设计。 第四章：以P D 雷达测距测速的相关原理为基础，介绍了脉冲压缩技术，动目 标检测技术和恒虚警技术。对于距离的测量，分析了多普勒频移会对

24、脉压结果产 生影响，并以正负斜率调频脉压法补偿了距离走动，同时进行了速度估计；讨论 了因采样导致的距离量化误差，并提出一种插值法提高测距精度。对于速度的测 量，分析了相参积累时的多普勒通道量化误差，并将插值法进行调整应用到速度 测量中，给予仿真证明了插值法对于测速精度的改善。 第五章：以多重频解模糊为基础，介绍了一维集和余差法解模糊的基本思想 和算法，并提出了两种改进的方法，接着分析了改进算法的计算量与性能，给予 D S P 实现验证了其改善效果，讨论了多目标解距离模糊的问题和解决方法。给出 4 P D 雷达信号处理若干问题的优化方法 了一种单重频解速度模糊的方法，仿真验证了其有效性。 第二章

25、数字正交采样技术 5 第二章数字正交采样技术 现代高性能P D 雷达系统对其接收机提出了很高的要求，数字正交采样技术正 是基于这样的需要而来的，通过把接收到的模拟回波信号直接在中频进行采样并 下变频到零频，得到I 、Q 双路正交的数字信号，也即回波信号的复包络，包含信 号中的所有调制信息。它与模拟方法相比，具有更高的精确度和稳定性。 2 1 采样定理 在正交采样过程中，A D 转换是第一个组成部分，是整个数字化处理的开始。 A D 转换应该遵循采样定理【9 J 。 设有一个带限信号嘶) ，其频带范围在( o ，厶) 内，若以不小于正= 2 厶的采样 频率对地) 进行采样，则可得到离散的采样信号

26、x 0 ) = x O t ) ( t = 1 称为采样间 隔) ，原带限信号如) 将被所得到的离散信号x G ) 完全确定【l O l 。采样后的信号频谱 为原信号频谱移频后的多个频谱的叠加，若原信号x ( f ) 的频谱如图2 1 ( a ) 所示，那 么采样后的信号频谱就如图2 1 所示p 】： ( a )【b ) 图2 1 基带信号采样前后的信号频谱 可见，X 。( w ) 中包含有X ( 川的频谱成分，如图2 1 ( b ) 中阴影部分所示，只需 满足 六2 厂H 即国。2 c o H( 2 1 ) 则阴影部分不会与其它频率成分相混叠，这时通过一个带宽不小于w H 的低通 滤波器，就

27、能滤出原来的信号x O ) ，这便是N y q u i s t 采样定理，又称低通采样定理。 N y q u i s t 采样定理告诉我们，如果以不低于信号最高频率两倍地采样频率对带 限信号进行采样，那么就不会产生混叠，所得到地离散采样值就能准确地确定原 信号。 当信号的频率分布在某一有限的频带魄，厶) 上时，仍然可以按兀2 f 的采 样速率来进行采样。但是当厂矿 B = 厶一无时，即信号的最高频率厶远远大于 其信号带宽B 时，其采样频率会很高，以至难于实现，或者对后续处理提出更高 要求。由于带通信号的带宽本身并不宽，所以我们可以低于N y q u i s t 采样频率进行 6 P D 雷达信

28、号处理若干问题的优化方法 采样，这便是带通采样定理，又称欠采样定理或中频采样定理。 设一个带限频率信号如) ，其频率范围在魄，厶) 内，若其采样频率满足： z = 掣 ( 2 2 ) 式中，M 取能满足正2 嘛- A ) 的正整数( 1 ，2 ，3 ，) ，此时用六进行采 样所得到的信号x G 瓦) 能准确地确定原信号x O ) 。 公式( 2 2 ) 用带通信号的中心频率厶和带宽B 也可以表示为： 六2 葫等，六2 B ( 2 - 3 ) 式中，f o = ( 无+ 矗) 2 ，M 取能满足六2 B 的正整数。当五= 厶2 、B = 厶 时，取M = l ，公式( 2 - 3 ) 就是N y

29、 q u i s t 采样定理。 带通信号采样前后的频谱示意图如图2 2 所示。 ( a )( b ) 图2 2 带通信号采样前后的频谱 带通采样定理适用的前提条件是：只允许在其一个频带上存在信号，而不允 许在不同的频带上同时存在信号，否则将会引起混叠。 2 2 正交采样方法 对接收到的信号正交相干检波的意义在于它保留了信号复包络的所有信息， 因而在P D 雷达系统中得到了广泛的应用【l l 】。一个中频带通信号可表示为： x ( t ) = a ( t ) e o s c o o t + C 6 ( t ) 】- 五( t ) c o sc o o t 一心( t ) s i nC O o

30、t ( 2 4 ) 它包含了带通信号的所有信息。其中为信号中心频率，且有： X J ( f ) = 口( f ) C O S 矽( f )( 2 5 ) X 口( ，) = a ( t ) s i n ( r )( 2 6 ) 分别称为中频信号石( f ) 的同相分量和正交分量，可用I 、Q 表示。其中a ( t ) 、矽( f ) 分别为中频信号的包络和相位： 口( f ) = x ，( f ) 2 + 工。( f ) 2 ( 2 - 7 ) 矽( f ) = t a n I x J ( t ) x 口( f ) 】 ( 2 8 ) 中频信号的I 、Q 分量包含信号携带的相位和幅度关系，任何

31、幅度或者相位的 偏差都会对最终结果造成影响。在雷达信号处理中，x ( f ) 的同相分量和正交分量I 、 第二章数字正交采样技术 7 Q 应保持以上公式所表示的严格的幅度和相位关系。 传统的模拟方法是采用模拟正交双通道处理，即将中频信号分别与正交的两 路相参本振信号混频，然后通过低通滤波器，得到I 、Q 两路基带信号。在模拟解 调中由于两路乘法器和低通滤波器本身存在不一致性，再加上模拟电路的热稳定 性较差，使得I 、Q 两个输出通道间的幅度不一致，相位上存在正交误差，反映在 频域，即增加了镜频分量。模拟正交采样的实现如图2 3 所示。 x ( f ) J ( 刀) Q ( ，1 ) 图2 3

32、模拟正交采样实现不葸图 镜频分量与单边带功率之比定义为镜频抑制比【1 2 il R ，公式如下： z R ：1 0 l o g 半一4 3 0 t ( 2 9 ) 斗 式中，纯为相位误差，口为幅度误差。 伴随高速A D 器件的普及，先对中频信号直接采样再对数字信号进行处理而 得到所需的I ，Q 双路信号的方法逐渐成型，这种方法可以很好地保证I ，Q 双路 的正交性和幅度一致性，大大提高镜频抑制比。数字中频直接采样主要有低通滤 波法，插值法，希尔伯特滤波法，多相滤波法等，这些方法本质上都可以归结为 低通滤波法f 1 3 - 1 5 1 。 2 3 低通滤波法 低通滤波法是一种完全仿照模拟正交采样

33、的实现方法，将模拟正交采样直接 映射到数字域，就可以得到低通滤波法的正交采样方法，其实现如图2 4 所示。 C O S ( 2 , f o t 。) 工( f ) 图2 4 低通滤波法示意图 ，( 刀) Q ( ，1 ) 8 P D 雷达信号处理若干问题的优化方法 将回波信号x ( t ) 以Z 进行A D 采样后信号转换为x ) ，分别与e o s ( 2 n f o t 。) 和 一s i n ( 2 a f o t 。) 相乘进行数字混频，在数字频域上等同于将频谱左移7 r 2 ，将正频谱 的中心移到了零频，时域信号也相应的分解为实部和虚部。再让混频后的信号通 过低通滤波器，滤除掉镜频分

34、量，即可得到所需的基带正交双路信号1 1 6 J ，滤波后 数据率仍为厂。，可以进行1 2 抽取，降低数据率，在频域上等效为降低频谱间的 间隔，提高了频带的利用率。 设定线性调频信号中频f o = 6 0 M H z ，带宽B = 1 0 M H z ，时宽T = 1 0 u s ，取采样频 率Z = 4 8 M H z 。信号频谱如图2 5 所示，将信号分别点乘c o s ( 2 n f o t 。) 和一s i n ( 2 r r f o t 。) ， 正频分量中心移到了零频处，镜频分量移到了Z 2 处，如图2 6 所示。 图2 5 线性调频信号频谱图2 6 线性调频信号移频后频谱 移频后

35、I 、Q 两路信号均通过系数相同的1 6 阶低通滤波器，滤波器幅频特性 如图2 7 所示，滤除镜频分量，滤波后频谱如图2 8 所示。 图2 7 低通滤波器的频率响应图2 8 经过低通滤波后的信号频谱 图2 9 所示为滤波后信号的镜频抑制比，可见此时镜频抑制能力约为8 0 d B ， 与1 6 阶低通滤波器的阻带衰减相当，进行1 2 抽取后频谱如图2 1 0 所示。 第二章数字正交采样技术 9 图2 9 经过低通滤波后镜频抑制比图2 1 0 经过1 2 抽取后信号频谱 通过数字正交采样，不仅得到了信号的复包络，可以方便的获取信号的幅度 及相位信息，且对双路信号同时作变换所用的低通滤波器系数相同，

36、这样两路信 号通过低通滤波器时由于非理想滤波所引起的失真是一致的，对I 、Q 双路信号的 幅度一致性和相位正交性没有影响，从而具有很好的负频谱对消功能，达到较高 的精度。 若结合公式( 2 3 ) N 带通采样定理，对移频因子c o s ( 2 a r f o t 。) 和一s i n ( 2 ，r f o t 。) 进行变 换，则有： c 。s ( 2 万A t 。) ：c 。s ( 2 万兀刀L ) ：c 。s ( 2 7 r n 型! ) ：c 。s ( m r 2 ) ( 2 1 0 ) s i n ( 2 万f o t 。) ：s i n ( 2 万厶玎丘) ：s i n ( 2 n

37、 n 犁：s i n ( ”万2 ) ( 2 - 1 1 ) 这是以 l ，0 ，I ，0 ) ， 0 ，I ，0 ，一1 ) 为周期循环的两个序列，可以直接由中 频采样信号交替取值，即可得到同相分量I 的偶数项和正交分量Q 的奇数项，此 时I 、Q 两路数据长度均为原来的1 2 。将符号因子考虑在内，采样后的信号为： 小小I ：总：- 篇：釜 仁 简化的低通滤波法的实现过程如图2 1 1 所示。 x ( ，) ，( 力) Q ( n ) s 图2 1 1 简化的低通滤波法示意图 相比于常规的低通滤波法，简化的低通滤波法相当于在滤波前对回波信号进 行了2 倍抽取，降低了需进行处理的数据量，在完

38、成同等任务的同时提高了效率【1 7 】。 1 0 P D 雷达信号处理若干问题的优化方法 但是由于采用了奇偶抽取，I 、Q 两路信号在时域上相当于相差半个采样点，这种 时间上的对不齐，需要使用延迟滤波器校正，在下一节结合多相滤波进行讨论。 2 4 多相滤波法 使用低通滤波法对信号进行数字正交采样，当中心频率较高、信号带宽较大 时，滤波处理是在高采样频率下进行的，这时对运算速度的要求很高，不但增加 了设计难度，而且会影响到系统的实时处理，因此需要进行数据率转换。 根据多速率信号处理理论，可以将数字滤波器的传递函数分解成若干个不同 相位的组，即将抽取器山D 放在低通滤波之前，降速后对信号进行滤波；

39、同滤波 结构的每一条支路滤波器的系数由原来的N 个减少为N D 个，这样就降低了对数 据处理速度的要求，实现对高数据率信号的抽取后滤波【1 8 2 0 】。 设数字低通滤波器的冲击响应为办( “ ) ，则其Z 变换定义为： + H ( z ) = 办( 聆) z 叫 ( 2 - 1 3 ) n 为滤波器的长度，z = d ”。将公式分成D 个组展开并重新组合后，可得： - ( z ) = z ( 尹)( 2 1 4 ) 置l O 式( 2 1 4 ) f i l l 是数字滤波器的多相滤波结构的表达式，其中： 乓= h ( n O + g ) g - n ( 2 - 1 5 ) ，# 将抽取环

40、节引入多相滤波结构当中，可以得到基于多相分解的低通滤波器高 效实现结构，如图2 1 2 所示。 图2 1 2 抽取后滤波的多相结构 从图中可以看出，滤波器均位于抽取器之后，滤波在降速后进行，大大降低 了对数据处理速度的要求，提高了系统实时处理能力；而且每个支路的的滤波器 阶数降为原来的1 D ，可以降低传统滤波运算中的累计误差，提高计算精度，各支 路滤波器的生成也比较简单，只需对原始滤波器进行D 倍抽取即可。 第二章数字正交采样技术 多相滤波法正交采样的实现如图2 1 3 所示： ( 一1 广 ( 一1 ) 一 图2 1 3 多相滤波实现正交采样原理图 令未抽取的I 、Q 两路信号的傅立叶变换

41、为五( 扩) 、K ( e ，4 ) ，根据序列的抽取 频谱的变化，可以得到： ，( P ，) = 争j c ，( P 号一】，Q ( P p ) = i 1x Q ( P ，詈 P ，詈 ( 2 1 6 ) 两者的数字谱相差一个延迟因子声，即他们之间相差半个采样点的延时。要 使输出时间对齐，需要r ( n ) ，q ( n ) 分别通过一个延迟滤波器，这两个滤波器应该 具有线性相位的特性，并且应该满足： l 乩( P p )一，詈 H I ( e p ) ( 2 1 7 ) l l q ( P 归) l = I 凰( P 归) l = l 多相滤波法中延迟滤波器是通过对一原型滤波器进行抽取，

42、并选择其中数字 谱相差e 巾，：的两个支路分别对I 、Q 进行延迟滤波，两个滤波器是从同一原型滤波 器中抽取出的分支，因此具有相似的幅度及相位特性。 为得到数字谱相差e - J 引2 的两个支路，可对原型滤波器厅( ”) 进行4 倍抽取，选 择h 2 ( n ) 和h o ( n ) 两路作为I 、Q 两路的滤波器，或5 苦h 3 ( r 1 ) 和啊( “ ) 两路。选择h ：( 功 和( 甩) 时，滤波器的系数本身是对称的，因此每一路都是一个线性相位的滤波器。 但是两路系数不一样，幅度上会有误差，等效于产生了镜频分量；选择h 3 ( ，2 ) 和( 刀) 时，两路滤波器系数之间具有反对称关

43、系，这样他们的幅度失真完全一直，但是 由于其系数本身不对称，会产生一定的相位失真，这也等效于产生镜频分量。或 者对原型滤波器办( 行) 进行2 倍抽取，选择噍( 刀) 和h o ( n ) 作为I 、Q 两路的滤波器， 此时滤波器系数本身对称，但两路系数不一样，会产生幅度误差。 无论采用哪两路作为延迟滤波器，由于它们是从同一原型滤波器抽取而来， 因此即使滤波器的响应不是理想的，但对I 、Q 两路的失真一致，因此仍对镜频有 良好的抑制能力。对信号进行D 倍抽取后能够不失真的恢复原信号需要信号的数 1 2 P D 雷达信号处理若干问题的优化方法 字谱宽小于7 l “ D ，所以其原型滤波器的理想频

44、率响应还应满足： r 一 日( 扩) ：1 , 1 国l 考 ( 2 1 8 ) 1 0 ，其它 仿真设定线性调频信号中频f o = 6 0 M H z ，带宽B = 1 0 M H z ，时宽T = 1 0 u s ，采样 频率六= 8 0 M H z ，原型低通滤波器为3 2 阶。 对原型滤波器办( 刀) 进行4 倍抽取，则每个分支滤波器的阶数为8 阶，滤波后 镜频抑制比如图2 1 4 所示，其中实线为采用( 功和h o ( n ) 作为I 、Q 两路的延迟滤 波器，虚线为采用吃( ”) 和( 功作为延迟滤波器。从图中可见，两种方案的效果很 相似，约为7 0 d B ，边缘部分镜频抑制比稍

45、低。 图2 1 4 镜频抑制比( 4 倍抽取)图2 1 5 镜频抑制比( 2 倍抽取) 对原型滤波器h ( n ) 进行2 倍抽取，则每个分支滤波器的阶数为1 6 阶，采用J l z I ( 刀) 和h o ( 疗) 作为I 、Q 两路的延迟滤波器，滤波后镜频抑制比如图2 1 5 所示，可见其 镜频抑制能力要好于4 倍抽取的情况，且边缘部分的效果依然很好，但是其滤波 器阶数是前两种情况的2 倍，计算量也为前者的2 倍。 当多相滤波法中采用D 为4 倍抽取时，中频信号的移频可简化表示为I 路 1 ， O ，1 ，O ) ，Q 路 O ，1 ，O ，1 ) ，恰好对应4 倍抽取时的4 路，此时对I

46、 、Q 两路4 倍抽取则均有两路数据为0 ，且他们使用的原型低通滤波器一致，因此可将多相滤 波法的正交采样系统进一步简化，如图2 1 6 所示。 ，伽) x ( f ) 图2 1 6 多相滤波法的简化结构 第二章数字正交采样技术 1 3 此时直接对中频采样信号按4 路抽取( 移频因子符号修正考虑在内) ，对原型低 通滤波器J I l ( 刀) 也做4 倍抽取分别得到( 刀) ， ( 行) ，红( ，) ，吗( 万) ，第一、三路滤波得 出信县iI ( n ) ，第二、四路滤波得出信号Q ( n ) 。 仿真设定线性调频信号中频厶= 6 0 M H z ，带宽B - - 1 0 M H z ，时

47、宽T = 1 0 u s ，采样 频率六= 8 0 M H z ，原型低通滤波器 ( 刀) 为3 2 阶，幅相特性如图2 1 7 所示： 图2 1 73 2 阶原型滤波器幅相特性 分支滤波器( 刀) ， ( 行) ，忽( 力，呜( 刀) 的幅相特性如图2 1 8 所示： 图2 1 88 阶分支滤波器幅相特性 其中I 路延迟滤波器( 刀) 和心( 刀) 自身系数对称，Q 路延迟滤波器啊( 力) 和 h ，( ，2 ) 延系数互相反对称，四组滤波器均具有相似的幅相特性。 分别使用如图2 1 6 中简化的多相滤波法结构正交采样，和如图2 4 中常规低 通滤波法结构正交采样，滤波器使用多相滤波法中的原

48、型滤波器，滤波之后的时 域对比如图2 1 9 所示，其中上图为低通滤波法滤波后做四倍抽取的结果，下图为 多相滤波法的结果。滤波后信号频谱对比如图2 2 0 所示。 1 4 P D 雷达信号处理若干问题的优化方法 图2 1 9 时域对比图2 2 0 频谱对比 从两图的时域波形和频谱波形上看，低通滤波结构与多相滤波结构的处理结 果基本一致，即多相滤波器的先抽取后滤波与常规结构滤波器的先滤波后抽取在 功能上完全等效。但是采用多相结构设计的滤波器在计算量上具有明显的优越性。 对于常规的低通滤波法，设输入的信号的采样频率为以，滤波器阶数为N ， 只考虑乘法，则I 、Q 两路滤波计算总量为S ，= NX

49、，X2 ，而采用如图2 1 6 的多 相滤波结构时，每路信号数据长度为Z 4 ，滤波器长度为N 4 ，则计算总量为 S ：= N 4 x f , 4 x 4 ，S ，= 8 S ：，即采用简化的多相滤波结构时，乘法计算总量 降为常规方法的1 8 。 可见低通滤波法的多相结构大大降低了对系统运算速度的要求，同时也降低 后续信号处理的难度，所需的滤波器也更易实现，能够以较低的滤波器阶数实现 较高的镜频抑制比。 2 5 本章小结 数字正交采样是P D 雷达信号处理的第一步，担负着为后续处理提供高质量原 始数据的任务。本章首先介绍了N y q u i s t 采样定理和带通采样定理的，接着分析了 中频正交采样的基础原理与方法，详细分析了以低通滤波法实现数字正交采样的