雷达回波单脉冲数据采集及处理方法

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【摘 要】对雷达回波信号单个脉冲数据进行采集与处理，能真实，准确地反映目标的回波功率，并能消除干扰信号带来的误差，准确计算目标回波能量，提高反射面积测量精度和准确性。

【关键词】单脉冲；回波功率；功率谱

0 引言

由于传统雷达反射面积测量技术采用的是对雷达回波的脉冲串进行功率统计、计算，这种方法对功率的反映不够精确，不能完全满足现代靶场精确测量的需求，因此提出研究雷达回波单脉冲数据采集及处理方法，该方法能够得到精确的单个脉冲回波功率，使雷达测量目标回波功率精度有很大提高，并完善了目标回波的RCS测量手段及数据处理方法。

1 雷达回波的单脉冲采集技术

由于雷达回波信号是能量信号，可以采用单个脉冲的能量信号处理技术，精确计算出雷达单个脉冲的回波功率。并用相应的数据处理方法，消除干扰信号带来的误差，计算目标的回波功率，精确计算出目标回波反射面积。

在现有的雷达反射面积测量雷达系统中，采用了单个脉冲实时采集和处理技术，对被测目标的回波信号进行单个脉冲的实时数据采集，并把采集的数据结果实时存储在计算机的海量磁盘中（包括功率、时间、方位、仰角、距离、目标的航向角等种种信息），在测量结束后对单个脉冲实时采集数据结果进行事后数据处理。用相应功率谱分析方法和数据处理方法来计算目标回波信号的功率，得到精确的单个脉冲的回波信号功率，提高了反射面积的测量精度。

1.1 采样定理

根据采样定理：设信号x（t）为频谱局限在（0，B）内的限带信号，现对x（t）进行时域取样，取样周期为TS，经取样后的信号用xn（n）表示，则有：

x■（n）=■x（t）δ（t-nT■）

=x（t）■δ（t-nT■） =x（t）combT■（t）

利用付立叶变换的相乘特性，可得到取样后的信号频谱：

x■（f）=■■x（f）？茚δ（f-■）=■■x（f-■）

上式表明，对信号x（t）进行取样的结果使原信号频谱在频率轴上，以间隔■重复出现。如果选取样频率FS=■≥2B，则x■（f）包含了所有重复出现的x（t）且互不重叠，称FS=2B为采样速率。

1.2 实际采用单脉冲技术

在现有厘米波2-8GHz宽频带RCS测量雷达系统中，雷达回波脉冲宽度为0.2μs，0.5μs，1μs，2μs。根据采样定理，脉冲宽度为τ的脉冲信号，频谱带宽与脉冲宽度的关系为B=2/τ，而采样速率为Fs=2B，对于0.2μs脉宽而言，采样率最低为20MHz/s，为了提高采样精度，采样率越高越好。根据2-8GHz宽频带RCS测量雷达的技术协议采样率为40MHz/s，能够满足采样定理的要求。

2 雷达回波的单脉冲回波功率处理方法

2.1 单脉冲回波功率计算

根据帕色伐尔定理：

E=R■（0）=■X■（n）=■■X（e■）■dω

它说明信号X■（n）在时域的总能量等于其频域的总能量，且等于信号X■（n）自相关函数R■（m）。当m=0时R■（m）的值即R■（0），由此可以看出，信号X■（n）经过付里叶变换，信号的能量不变，这体现了能量守恒定律。

因此求雷达回波信号的功率，可以采用频域方法求得。即对雷达信号X■（n）进行付里叶变换，得其信号的频谱X（e■）。即：

X（e■）=■x（t）e■dt

信号的能量谱E（e■）等于信号X■（n）频谱X（e■）的平方即：

E（e■）=x（e■）■

由于能量谱与功率谱P（e■）有如下关系：

P（e■）=■X（e■）■

通过对功率谱P（e■）在频域里的积分就可以得到雷达目标单个回波脉冲的功率Pr：

P■=R■（0）=■■P（e■）dω=■■■x（e■）■dω

2.2 单脉冲回波功率处理方法

2.2.1 对雷达回波单个脉冲进行采样

a.信号采样

用采样频率40MHz/S的采样脉冲，对雷达回波信号X（t）进行等间隔抽样，得采样信号X（nTs）。

b.采样信号数据的量化

模拟信号X（t）经抽样后变成离散序列X（nT），这时X（nT）的精确值可以是任意的，在数据处理时X（nT）应是有限长的二进制数，因此根据精度要求，对采样信号的数据进行量化。

c.信号数据格式变换

将采集到的单个脉冲信号X（t）的数据，变换成计算机要进行FFT运算的数据格式。

2.2.2 单个脉冲采样信号的预处理

a.去除均值

在功率信号处理中，功率信号x（n）的均值μx相当于一个直流分量，而直流信号的付里叶变换，在ω=0处的是冲激函数，因此如果不去掉均值，在估计该功率信号的频谱时，将在ω=0处出现一个很大的谱峰。并会影响在ω=0左、右处的频谱曲线，使之产生较大的误差。功率信号x（n）的均值μ■由公式μ■=■ ■X■（n）估计。X■（n）是X■（n）的N个采样点的记录，在信号处理时，一般先用上式估计出均值，然后从XN（n）中把均值去掉。

b.去除趋势项

在采集到的雷达回波信号中，有时会出现一个固定偏差。有时由于雷达工作状态的飘移，会存在一个随时间变化的总趋势，它可能是随时间作线性增长，也可能是按平方关系增长。因此在信号处理前应该消除趋势项的慢变的信号。一般可以用一个多项式来拟合该趋势项，多项式的阶次视趋势项的形状而定。

2.2.3 求采样信号xn（n）的功率谱

a.将信号数据格式转换成FFT运算格式将信号X（t）的N点采样数据线性化，将信号XN（n）的数据转换为FFT运算的数据复数形式。