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  • 【雷达原理】脉冲压缩-匹配滤波的自己理解与参考资料

    在一般雷达走-停模型中,在慢时间停下的时候,做的是快时间的脉冲压缩。
    (20.12.12)
    先来说一下我自己的总结。
    本部分为原创,转载请贴链接:https://www.cnblogs.com/kinologic/p/14105907.html
    【第一个问题:为什么要脉冲压缩?】
    一、距离分辨率
    一个周期的脉冲信号,可以认为两部分
    一个是有脉冲值的部分,我们记作是( au),一个是脉冲开始到下一个脉冲开始的时间,我们记作是(T),周期
    很容易可以想到,将两个脉冲时间分开来的这个分辨力 就是( au)
    因为两个有值的脉冲在一起的时候,会重叠吧,就不能分辨开了
    我们就可以近似得到一个结论
    雷达的分辨力是跟这个( au)成正比的
    分辨力 (deltapropto au)
    而分辨力这个东西需要注意,它是越小越好的,谁都希望分辨力高对吧.
    所以为了得到良好的距离分辨力,必须使用短脉冲,或者经过信号处理能够得到短脉冲的信号。
    在雷达系统中,距离向分辨力(delta_r=frac{c}{2B})
    这个B是什么呢,是雷达发射信号的带宽
    带宽又是什么呢?带宽就是在频带上占了多少,可以理解为频率f的变化范围
    这个带宽,在脉冲信号上可以近似认为等于脉冲时常的倒数,因为( au)的选择是sinc函数下降为峰值4dB位置的宽度,这个宽度近似等于(frac{1}{B})
    (B=frac{1}{ au})
    具体可以参考后面的资料。

    二、为了得到精确的目标参数,接收信号的SNR必须高,需要提高平均发射功率,提高SNR有两个方式:
    1.增大峰值功率(难以实现)
    2.增加脉冲长度(通常使用)

    为了实现一和二,使用了一个两全其美的方式:脉冲压缩。
    具体如下:
    发送一个展宽脉冲,再对其进行脉冲压缩,得到所需的分辨率。

    【第二个问题:如何进行脉冲压缩?】
    如何将回收的展宽脉冲进行压缩呢?
    这里有两个理解方式。
    第一个是用传统通信的方式理解。
    从一个有噪声的信号(r(t))中找出需要的预期信号(s(t)),需要对收到的信号(r(t))(s(t))做互相关。
    互相关是什么?
    互相关的定义.
    信号(f(x))(h(x))的互相关:
    (R_{fh}=int_{- infty}^{+ infty}f^*( au-x)h( au)d au)
    互相关不满足交换定理,有:
    (R_{fh}(x)=R^*_{hf}(-x))
    是不是觉得这个式子看起来很熟悉?没错,长得很像卷积
    我们来看看卷积的定义式:
    (f(x)*h(x)=int_{- infty}^{+ infty}f(x- au)h( au)d au)
    我们再把上面的互相关定义是考察一下:
    (R_{fh}=int_{- infty}^{+ infty}f^*( au-x)h( au)d au=int_{- infty}^{+ infty}f^*[-(x- au)]h( au)d au=f^*(-x)*h(x))
    看出来了嘛?互相关就是对需要的信号的负共轭求一个卷积
    所以脉冲压缩就是对接收信号(r(t))和预期信号(发射信号)(s^*(-t))进行卷积。

    第二个是从雷达的方式理解。
    我们雷达发射的信号是一个LFM信号,作为一个调角信号,且是调频信号,相位有载波频率和时间的二次项。
    脉冲压缩结果,为了让时域能量集中,要得到sinc函数的形式。而要得到时域上的sinc函数,sinc函数可以用频域上的矩形函数进行傅里叶逆变换。

    为了取得好的脉冲压缩,必须对接收信号进行处理,使得频谱幅度非常平坦(从而可以得到频域上近似矩形函数,来ift到时域上的sinc函数),所以我们需要相位仅包含常量和线性分量。
    如何得到这样的频域平坦频谱?
    我们知道,雷达发射的LFM信号:
    (s(t)=rect(frac{t}{T})exp(jpi Kt^2))
    是有二次相位的((t^2)
    为了得到方波形状的平坦频谱,也就是需要将相位变成线性相位。
    在频域,可以与含有二次共轭相位的类似频谱信号相乘,相乘后信号相位就是线性的。

    【匹配滤波器的实现】
    我们接受的信号,可以看作是发射信号带有了(t_0)的时延:
    (s_r(t)=rect(frac{t-t_0}{T}exp({jpi K(t-t_0)^2})))

    第一种方式,传统的通信理解方式,就是在时域构造发送信号的复共轭为滤波器:
    (h(t)=rect(frac{t}{T})exp({-jpi K(-t)^2}))
    压缩结果:
    (s_{out}(t)=Tsinc(KT(t-t_0)))

    第二种方式,从频域构造平缓的频域结果,从而ift得到时域的sinc函数,来完成压缩的效果:
    由驻定相位原理(POSP),回波信号:
    (s_r(t)=rect(frac{t-t_0}{T}exp({jpi K(t-t_0)^2})))
    的频域表示可以写作:
    (S_r(t)=rect(frac{f}{|K|T})exp({-jpi frac{f^2}{K}})exp({-j2pi ft_0}))
    我们的匹配滤波器应该要消除二次相位,注意频域相乘->时域卷积,
    消去二次相位,只要相乘一个(H(t)=rect(frac{f}{|K|T})exp({+jpi frac{f^2}{K}}))
    输出的频谱信号为:
    (S_{out}=S_r(f)H(f)=rect(frac{f}{|K|T})exp({-j2pi ft_0}))
    输出压缩结果:
    (s_{out}=|K|Tsinc{KT(t-t_0)})

    两个时域上的压缩结果都是sinc函数形式,但是用第二种方式的结果比第一种方式多了一个幅度上的系数|K|。
    是因为使用驻定相位原理时忽略了一个(frac{1}{sqrt{|K|}})
    实际使用会用归一化准则,可以忽略不计。

    (以下为四处搜罗的原始参考资料)
    【为什么要脉冲压缩?】解决距离分辨率和作用距离之间的矛盾

    为了解决传统单频脉冲面临的作用距离和空间分辨率之间的矛盾,脉冲压缩技术采用这样的策略:
    发射宽度相对较宽而峰值功率低的脉冲,使信号有足够的能量以保证作用距离;
    接收时做匹配滤波,将底峰值的宽脉冲压缩成高峰值的窄脉冲,避免脉冲重叠现象,从而提高空间分辨率。
    

    也就是说,发送的是宽带宽、低功率脉冲,低功率是为了后续方便筛选出来。

    匹配滤波。

    为了实现压缩,在接收机上设置一个与发射信号“共轭匹配”的压缩网络。【相位共轭匹配】
    时域上,匹配滤波器的冲击响应函数构造为**输入信号的镜像**;频域上,匹配滤波器的幅频特性与信号的幅频特性一致。
    当信号通过匹配滤波器时,信号越强的频率点,滤波器的放大倍数也越大;信号越弱的频率点,滤波器的放大倍数也越小,从而使信号在时域更集中。
    
    另外一方面,从相频特性上看,匹配滤波器的相频特性和输入信号正好完全相反。
    这样,通过匹配滤波器后,信号的相位为0,正好能实现信号时域上的相干叠加。
    而噪声的相位是随机的,只能实现非相干叠加。这样在时域上保证了输出信噪比的最大。
    

    【匹配滤波器定义】


    【匹配滤波器性质】

    【LFM信号通过匹配滤波器后】





    【参考文献】
    http://www.pantsiao.com/wiki/脉冲压缩(pulse-compression)/

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