全相参固态化雷达信号接收与处理实现研究

摘要

与传统的真空管雷达发射机相比，由晶体管组成的固态发射机具有诸多优势，20世纪80年代以来，晶体管的生产工艺得到了飞速的发展，越来越多的设计师开始考虑用固态器件去替代真空管。
　　然而雷达发射机的固态化并不是一帆风顺的。从真空管技术到固态电子技术的过渡实际上是非常缓慢的。与传统的雷达发射机相比，单个固态组件的输出功率是很有限的，而使用真空管的雷达发射机通常具有大峰值功率和低占空比。直接将真空管发射机替换为固态发射机是不现实的，在相同的设备量下，固态发射机是无法达到真空管发射机的峰值功率的。更换了固态发射机的雷达，为了充分利用固态发射机高平均功率的特点，必须提高发射占空比。然而高发射占空比会对雷达的其他系统，尤其是信号接收与处理系统造成巨大影响。传统的真空管发射机雷达想采用固态发射机，必须对信号接收与处理系统进行改进，使之能够与固态发射机的特性相匹配，从而发挥出固态发射机应有的性能。
　　本文以全相参脉冲压缩雷达的固态化改进为背景，以信号接收与处理技术为切入点，对信号产生和信号处理技术进行了研究。具体工作可以概括为以下几点:
　　本文首先对固态化雷达的现状和发展趋势进行了深入分析，研究了固态化发射机的优势与局限性，分析了应用固态化发射机后，信号产生与信号处理所面临的挑战，阐述了研究全相参固态化雷达的信号接收与处理技术的意义。
　　其次，研究了全相参固态化雷达的总体技术。概括性的介绍了全相参固态化雷达的各组成部分及其功能。重点介绍了固态化雷达的信号接收与处理技术。
　　再次，对全相参固态化雷达的信号产生和信号处理技术实现的硬件平台进行设计，确定了硬件总体方案，进行了器件选型和原理图的设计。
　　然后，研究了信号产生的基本原理和方法，针对全相参固态化雷达发射波形的需求，研究了多通道信号产生和组合脉冲形成技术，利用通道分离和数据融合技术解决了正常信号和补盲信号的发送接收问题。研究了脉冲压缩的基本原理和实现方法，对时域和频域两种脉冲压缩方法进行了对比，并进行了工程实践。针对多种信号形式切换过程中，脉冲压缩后的底噪增益不均衡的问题，提出了一种通过调整脉冲压缩系数的方法进行脉冲压缩增益均衡的算法。能够使雷达在切换信号形式时，保持底噪的稳定。针对传统相位编码信号硬限幅处理过程中，因为转换精度问题导致相位信息损失的问题。在工程实践过程中采用了一种新的硬限幅实现方法，避免了硬限幅过程中的相位信息损失，提高了动目标处理的改善因子。
　　最后在整机的工作条件下，通过示波器对信号产生模块输出的典型信号进行了测试。通过在不同信号形式之间进行切换的方法，测试了雷达回波底噪的稳定性，验证了脉冲压缩增益均衡算法的有效性。并在相位编码的条件下，对动目标的改善因子进行了测试，验证了新的硬限幅方法对动目标处理效果的改善。

目录

声明

摘要

列图索引

列表索引

缩略词

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 国内外的研究现状及发展动态

1．2．1 固态化雷达的发展

1．2．2 信号处理技术面临的挑战

1．3 课题的设计意义

1．4 本文的研究内容及章节安排

第二章 全相参固态化雷达总体技术

2．1 引言

2．2 系统组成

2．3 基本原理

2．4 全固态功率合成基本原理

2．5 信号接收和处理基本原理

2．5．1 信号产生与接收机上行通道

2．5．2 接收下行通道

2．5．3 中频数字信号处理

2．6 本章小结

第三章 硬件设计实现

3．1 引言

3．2 硬件设计方案

3．3 核心器件的选择

3．4 器件选型

3．4．1 FPGA的选型

3．4．2 D／A的选型

3．5 硬件设计的基本原则

3．5．1 FPGA保护电路

3．5．2 印制板走线规范

3．5．3 模拟地和数字地的处理

3．5．4 电装的影响因素

3．5．5 看门狗电路的设计

3．6 原理图的设计

3．6．1 A／D的设计

3．6．2 D／A的设计

3．6．3 时钟信号的设计

3．6．4 FPGA核心供电电路

3．6．5 FPGA配置电路

3．7 印制板实物图

3．8 本章小结

第四章 多通道信号产生和组合脉冲形成

4．1 引言

4．2 信号产生对信号处理的作用

4．3 信号产生的基本原理

4．3．1 直接数字波形合成法(DDWS)

4．3．2 直接数字频率合成法(DDFS)

4．3．3 数字基带加正交调制信号

4．4 信号产生的实现方法

4．4．1 线性调频信号

4．4．2 非线性调频信号

4．4．3 泰勒四相码信号

4．5 基于合成多路的信号产生设计

4．5．1 信号产生的改进需求

4．5．2 基于XilinxV5系列芯片和AD9726的实现方案

4．5．3 多路合成法数据

4．5．4 线性调频信号的DDS信号合成

4．6 本章小结

第五章 全数字化中频接收与处理技术

5．1 引言

5．2 信号处理设计方案

5．3 数字中频采样

5．4 数字脉压

5．4．1 数字脉压原理

5．4．2 脉冲压缩的FPGA时域实现

5．4．3 脉冲压缩的FPGA频域实现

5．4．4 数字脉压的实时性能分析

5．4．5 脉冲压缩算法选择的分析

5．5 多信号形式下的脉冲压缩增益均衡方法

5．5．1 信号形式多样化导致脉冲压缩增益失衡

5．5．2 脉冲压缩增益差别分析

5．5．3 脉冲压缩增益均衡实现方法

5．6 动目标显示(MTI)和动目标处理(MTD)

5．6．1 动目标显示原理

5．6．2 动目标处理原理

5．6．3 相位编码信号动目标性能优化

5．7 本章小结

第六章 测试与分析

6．1 线性调频信号和相位编码信号实测

6．2 脉冲压缩效果测试与分析

6．3 脉冲压缩增益均衡方法的仿真与测试

6．3．1 通过MATLAB仿真的结果分析

6．3．2 通过示波器测试

6．4 新型硬限幅模块对动目标效果的影响

6．5 本章小结

第七章 总结和展望

7．1 全文总结

7．2 工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间的研究成果