本发明属于雷达探测技术领域，特别涉及一种 多扫频雷达信号的产生及压缩 方法。 背景技术 雷达系统主要通过传输电磁波能量到目标，然 后测量回波延迟以及多普勒频 移获得目标的距离和速度信息。简单脉冲雷达 可以获得良好的收发隔离，但是存 在距离分辨率与最大探测距离之间的矛盾。为 了达到较高的距离分辨率， 需要减 小脉冲宽度， 而增大发射能量， 保证最大探测距离。这样在极短时间内的信号 功 率非常大， 不但使得发射机实现难度变大， 而且对周围电磁环境的影响严重。脉 冲压缩技术是一种利用对雷达信号进行相位补 偿以实现所有频率信号在时间轴 上压缩的技术。 它使得雷达信号分辨率只与信号带宽有关， 而与脉冲宽度无关。 脉冲压缩技术的实现大大降低了雷达信号发射 机的功率，同时也使得信号的频谱 得到充分利用。

图 1为不同雷达信号对应的时间 _频率 _功率密度关系图。其中简单脉冲信 号是单载频信号， 为了满足较好距离分辨率以及较远的探测距离 ， 只能降低脉冲 宽度， 增加信号功率， 所以在时间-频率-功率密度图上， 呈现一个很高的柱状。 对于单载频相位编码信号以及线性调频信号， 它们分别是一条沿时间轴的横条状 和沿时间频率的斜条状功率密度。脉冲压缩技 术能使得这些不同时间和频率上的 能量压缩到一个时刻上，所以这两种信号分别 将功率分布在了不同时间以及频率 上， 使得单位时间单位频点上的功率大大降低， 但是经过能量压缩后， 他们仍能 实现高距离分辨率以及远探测距离。 同样， JankirmatLM研究并应用了多载频线 性调频技术， Levanon提出将 OFDM信号应用在雷达中， 设计了应用于雷达的 MCPC (；多载频互补相位编码)信号， 它们均成功地将功率分布在时频上， 保证时 间带宽积的条件下， 减小了时频域上的功率密度。

但是随着现在无线电应用的进一步推广，对电 子设备发射功率密度提出了更 高的要求，希望设备的单位时间单位频点上的 功率密度更低，所以寻找一种更优 化的雷达信号产生方法或者处理方式是雷达发 展的必然趋势。另外， 一般信号的 频谱利用率不高， 易受到干扰， 虽然 MCPC雷达信号具有较高的频谱利用率， 但是对多普勒频移较为敏感， 正交性容易被破坏， 而且信号的产生和处理比传统 的信号处理方式复杂。 发明内容 针对背景技术存在的问题，本发明提供一种多 扫频雷达信号的产生及压缩方 法， 其主要解决雷达信号时频域上功率密度过大， 频谱利用率不高的问题。根据 本发明产生的多扫频雷达信号， 其能量分布在时间和频率上复用的多扫频信号 上， 而且保证了雷达的距离分辨率以及探测距离； 不同于多载频线性调频技术， 多扫频信号的扫频带宽相对于载频可忽略，而 且多扫频信号满足扫频信号在时间 和频率上同时复用。

为解决上述技术问题， 本发明采用如下技术方案：

一种多扫频雷达信号的产生方法， 包括以下步骤：

步骤 1、 利用 CORDIC产生单个恒定幅度扫频信号 g。的数字信号 g。(《)； 步骤 2、 根据实际需要确定多扫频信号的时间间隔^， 并将 g。(《)循环移位 O - ¾ ( 1≤ ≤ 的时间长度， 形成 M个扫频数字信号 g _m (n) 步骤 3、 将 M个扫频信号 g _m («)在数字域相加得到时间频率同时复用� �扫频 信号 g(") = jg _m (") ; 步骤 4、 将 进行数模转换得到 g(0， 对模拟信号 g(0进行放大滤波得到 多扫频雷达信号， 并将其作为发射信号通过天线发送出去。

一种对上述的多扫频雷达信号进行压缩的方法 ， 包括以下步骤： 步骤 1、 采用发射信号中的一段频率复用多扫频信号的 共轭转置作为冲激响 应；

步骤 2、 对冲激响应进行频率加权；

步骤 3、 采用加权后的冲激响应对多扫频回波信号进行 匹配滤波； 步骤 4、 将匹配滤波结果划分为等时长为 的 M + 1段， 并分段进行累加， 实现对多扫频信号二次压缩。

在上述的多扫频雷达信号中， 时间频率同时复用扫频信号， 任意时刻上不 同频率之间的频率间隔小于设计的最大探测速 度引起的多普勒频移， 任意频率 对应的不同时刻之间的时间间隔小于设计的最 远探测距离处引起的回波延迟。

在上述的多扫频雷达信号压缩方法中， 使用频域匹配滤波方法实现脉冲压 缩， 距离分辨率与信号扫频带宽成反比。 基于频率加权的方法能有效降低信号 脉冲压缩旁瓣， 但主瓣会有一定程度的展宽。

与现有技术相比， 本发明具有下列优点和积极效果：

1、 利用本发明的方法产生的多个扫频信号在时间 和频率上复用， 有效 实现了时间和频率分集，最大限度地降低时频 域上的功率密度； 在相同能量和相 同带宽的条件下， 能实现与单一扫频信号相同的距离分辨率和压 缩信噪比； 多扫 频信号同时发射， 使得信号截获概率低， 而且具有良好的抗干扰特性。

2、 利用本发明的方法产生的多个扫频信号均勾分 布在时频域上， 具有 高效的频谱利用率； 具有钉板型的模糊函数， 能相对精确测量目标速度和距离。 附图说明 图 1为包括本发明产生的多扫频信号在内的不同� �达信号的时间一频率一功 率密度关系图。

图 2为利用本发明产生的时间和频率同时复用的 8扫频信号时频图。

图 3为本发明中多扫频雷达信号产生方法的原理� �图。

图 4为本发明中多扫频雷达信号脉冲压缩结果示� �图。

图 5为本发明中多扫频雷达信号脉冲压缩方法的� �意图。

图 6为本发明产生的时间和频率同时复用 8扫频信号一次压缩结果。

图 7为单个扫频信号的加窗示意图。

图 8为频率复用多扫频雷达信号的加窗示意图。

图 9为时间频率复用多扫频信号一次压缩结果 （加窗）。

图 10为多扫频信号第一次压缩结果图。

图 11为多扫频信号第二次压缩结果图。

图 12为单个扫频信号脉冲压缩结果的整体图。

图 13为单个扫频信号脉冲压缩结果的局部图。 具体实施方式 下面结合附图及实施例， 对本发明申请作进一步详细的描述。 图 3为多扫频信号产生方法的原理框图， 分为如下步骤：

1) 利用 CORDIC产生单个恒定幅度扫频信号 的数字信号 ；

2) 根据实际需要确定多扫频信号的时间间隔 ， 并将 循环移位 O - ¾ ( 1≤ m≤ M )的时间长度，形成 M个扫频数字信号 g _m (n)

3) 将 M个扫频信号在数字域相加得到时间频率同时� �用多扫频信号

M

g(«) ^∑g _m («) ;

4) 将 _g («)进行数模转换得到 g(t)，即产生了时间频率同时复用多扫频信号� � 模拟表现形式， 对模拟信号 g(t)进行放大滤波后就能通过天线发送出去。 在时间和频率轴上同时复用的多扫频信号， 一个周期的表达式为：

其中， 为扫频斜率， /。是扫频信号的载频， 是第 个扫频时段上第 «个扫频信号的初始相位， ^是第《个扫频信号的复信号加权， M表示在时间 上复用的扫频信号个数， N为在频率上复用的扫频信号个数， 这里 0是一个时 间宽度为^的矩形窗，

s(t) = 1, Q≤t < t _h

W " (2)

= 0, 其它 特殊情况下， M = l时， 该信号演变成了单一频率复用的多扫频信号； N = l时， 该信号演变成了单一时间复用多扫频信号； M = N («, m) = 0时， 可 以看成一个持续时间为 Μ _έ 的扫频信号，在时间轴上的循环移位 Μ次，每次移位 ^的时间长度， 形成的 Μ个扫频信号叠加而成； M = N = 1时， 多扫频信号最后 退化为单一扫频信号。如图 2所示， 画出了时间轴和频率轴上均有复用的 8扫频 信号时频图。本申请介绍的就是 M = N， 且 «, ) = 0时间频率同时复用多扫频 信号及其脉冲压缩方法。

脉冲压缩就是利用信号相位补偿的原理将不同 频率成分的信号均勾映射到 一个窄脉冲， 实现信号能量压缩， 从而解决了信号距离分辨率和最远探测距离之 间的矛盾。匹配滤波是实现信号脉冲压缩的一 种方式， 而信号的自相关函数就是 对零时延回波信号脉冲压缩结果，所以，本处 通过讨论信号自相关来说明信号脉 冲压缩后的效果。

假设持续时间为^的频率复用多扫频信号为 g _w W， 这里 满足： gw (0 =∑ s[t] x exp[2^(/ ₀ + -k(t + (n- l)t _b ))(t + (n- l)t _b ) + J0(1, ")] (3) 移位 g»vW = gu^-(w-i)* ， 时间频率复用多扫频发射信号表示为 g(t) =∑ _gmN (t) (4) 发射信号经过一定的时间延迟和多普勒频移， 并且有幅度衰减和噪声叠加后， 产生回波信号， g (t) = f _J g _mN (t) (5) 根据匹配滤波理论， 得到脉压后的结果：

M M

M M ^ (6)

M

=∑y _n 式中 = jg ( ^→ )*g^W表示的是频率复用扫频信号 作为参考信号， 对 回波信号压缩的结果， _{+ι ν} (-ο是 左移 ^以后的值， 根据线性卷积的性 质， 所以 Λ ₊₁ ( = Λθ + 如图 ⁴ 所示， 其中《 _; , = 1,2... + 1表示的是 中 均分为 Μ段持续时间为 ^的结果。 若忽略旁瓣以及噪声， 则 a,G' = l,2...M)代表 的是 ^(-t)与 (0卷积的结果， 其中均含有目标的回波延迟信息， 所以 j„由 等间距为 的 幅度分布相同的序列组成。 从^的计算结果可知， 其中包含有 有用回波能量的数据是 ，所以为了计算简便，只需要求得结果 ，并将 均 分为 M + l段， 分段进行累加， 所得即是反映目标距离信息的脉冲压缩结果。 如 图 5所示， 多扫频信号脉冲压缩方法可以由如下步骤实现 ：

1) 使用 n = g' (-n)作为滤波器冲激响应；

2) 对冲激响应进行频率加权；

3) 对/? ( )进行补零， 然后进行 FFT;

4) 对回波信号 AD采样后进行 FFT;

5) 将上述两个 FFT结果相乘， 并进行 IFFT， 得到多扫频信号第一次压缩结

6) 将第一次压缩结果划分为等时长为 的 + 1段， 并分段进行累加， 实现 对多扫频信号二次压缩。 在 LFM雷达信号中， 频率加权能较好地降低脉冲压缩旁瓣， 主要是为了避 免强信号的旁瓣掩盖了附近弱信号的主瓣。对 于本发明中的多扫频雷达信号， 也 可以考虑使用频率加权来抑制旁瓣。 常用的余弦窗表达式如下：

其中 /表示需要加权的数据点数。 当^ = 0.54, ₀₁ = _0.46且《 = 1时， 上述系数为

Hamming窗。 图 7为单个扫频信号的加窗示意图， 从中可以看出， 在扫频带宽 内， 两端的频率加权较小， 中间频率加权最大， 呈现一个倒扣的 "钟"形。 将所 有的频率压缩在一起后， 可以使得旁瓣降低， 但主瓣有一定程度的展宽。本申请 中发射信号为时间频率复用多扫频信号，接收 端进行匹配滤波使用的是频率复用 多扫频信号， 在接收端使用频率加权。 图 8为频率复用多扫频信号加权示意图， 它是仿照单一扫频信号加权模式， 将整个窗系数划分为等长的 M段， 分别对不 同扫频信号进行加权，最终实现整个频带宽度 内的加权。 图 6和图 9分别为加权 前后多扫频信号第一次压缩结果图，可以发现 ，在加权前脉压结果中旁瓣比主瓣 低 13dB， 在加权后旁瓣比主瓣低 40dB， 加权后有明显的改善。

根据匹配滤波理论， 信号压缩后的时域宽度为 1(S为扫频信号带宽)， 所以

B

多扫频信号与单一扫频信号的频率覆盖范围 相同的条件下，他们的距离分辨率相 同， 图 10 多扫频信号在一次压缩后的结果图， 图中主瓣的半功率宽度为 1/ ， 所以距离分辨率为 _C /(2B)， 说明多扫频信号压缩后分辨率依然只与带宽有 关。相 比于单个扫频信号，在相同带宽和相同能量的 条件下， 多扫频信号将能量均分在 多个时刻和多个频率上， 也就是说， 任意时刻单位频点上的功率更小。假设在带 有相同噪声的条件下，对比单个扫频信号和多 扫频信号的压缩。单一扫频信号的 幅度为多扫频信号中每个扫频幅度的 倍， 多扫频信号为 g(t) = j g _{m V} (t；)， 根 据脉冲压缩后的信噪比公式

其中 E为信号能量， N。为噪声谱密度， 这里的信噪比公式的前提条件是对所有 信号能量进行了压缩。在本申请的压缩方法中 ， 多扫频信号经过第一次压缩， 并 未实现所有能量压缩， 而是将能量集中在了等时间间隔的 M段内， 此时单扫频 信号的压缩能量为多扫频信号能量的 M倍， 所以它的信噪比是多扫频信号一次 压缩后信噪比的 M倍。 由前面的分析可知， 多扫频信号经过第一次压缩后， 会 出现 M段幅度分布相同的结果， 不考虑多普勒频移的影响， 则他们是同相位的。 将匹配滤波结果划分为等时长为 ^的 + 1段， 并分段进行累加， 实现对多扫频 信号二次压缩， 第二次压缩结果如图 11所示。 这样就相当于是对信号进行相干 积累， 信噪比有 M倍的提高， 最后实现与单扫频信号压缩结果信噪比相同。 为了进一步说明前面信噪比一样的理论， 现给出仿真结果。 图 12和图 11分 别为带有噪声和延迟的单一扫频信号和多扫频 信号脉冲压缩后的结果，他们携带 的信号能量相同， 并且含有相同的噪声。单一扫频信号在完成脉 冲压缩后， 噪声 电平在 70dB (这里均指相对值)， 目标峰值为 109dB。 多扫频信号的第一次压缩， 能量分布在了 M个时段上，再经过第二次压缩，也即将第一� �压缩结果均分为 ^ 的时段， 进行相干累加， 得到图 11所示结果。 可知， 在经过两次压缩后， 回波 能量得到了全部集中， 此时噪声电平与目标峰值大小与图 13—致。 这也从仿真 的角度说明， 多扫频信号能完成与单一扫频信号一样的压缩 过程， 并且达到同等 的信噪比。