第４０卷第２期（总第１５６期） ２０１ １年６月 火控雷达技术 Ｆｉｒｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｒａｄａｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖｏ１．４０ Ｎｏ．２（Ｓｅｒｉｅｓ １５６） Ｊｕｎ．２０１１ 基于动态优化的非线性调频信号设计 肖开健 井 伟 肖战牛 ：西安电子工程研究所 西安７１０１００） 【摘要】由于非线性调频信号（ＮＬＦＭ）无需加权就可获得很高的主副瓣比，没有加权失配所引起的 信噪比损失，在雷达系统中，得到广泛的应用。本文采用改进的动态优化法对某雷达大时宽、小压 缩比、高多普勒频率非线性调烦信号进行优化设计。获得高的主副瓣比、小的主瓣展宽系数和宽的 多普勒容限，改善了脉压的性能。 关键词：ＮＬＦＭ；多普勒频率；小压缩比；主副瓣比 中图分类号：ＴＮ９１１．７ 文献书 志码：Ａ 文章编号：１００８—８６５２（２０１ｌ Ｊ０２－０３５－０３ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｎ ＬＦＭ Ｓｉｇｎａｌ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ Ｘｉａｏ Ｋａｉｊｉａｎ，Ｊｉｎｇ Ｗｅｉ，Ｘｉａｏ Ｚｈａｎｎｉｕ （Ｘｉ ａｎ Ｅｌｅ￣ｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｘｉ ａｎ ７１０１００） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｉｎｃｅ ａ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｆｒｅｑｕｅｖ ｃｙ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ（ＮＬＦＭ）ｓｉｇｎａｌ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｏｂｔａｉｎ ｖｅｒｙ ｈｉｇｈ ｍａｉｎ ｌｏｂｅ ｔｏ ｓｉｄｅ ｌｏｂｅ ｒａｔｉｏ ｗｉｔｈｏｕｔ ｗｅｉｇｈｔｉｎｇ，ａｒ ｄ ｎｏ ｓｉｇｎａｌ ｔｏ ｎｏｉｓｅ ｒａｔｉｏ ｌｏｓｓ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｗｅｉｇｈｔｉｎｇ ｍｉｓｍａｔｃｈ，ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ ｉｔ ｉｓ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｒａｄａｒ ｓｙｓｔｅｍｓ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｅｍｐｌｏｙｓ ｔｈｅ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｄｙｎａｍｉｃ ｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ｃａｒｒｙ ｏｕｔ ｏｐｔｉｍｕｍ ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ｌａｒｇｅ ｔｉｍｅ ｄｕｒａｔｉｏｎ—ｂａｎｄ，ｄｄｔｈ，ｓｍａｌｌ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｒａｔｉｏ ａｎｄ ｈｉｇｈ Ｄｏｐｐｌｅｒ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ＮＬＦＭ ｓｉｇｎａｌ ｆｏｒ ａ ｒａｄａｒ ＳＯ ａｓ ｔｏ ｇｅｔ ａ ｓｉｇｎａｌ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ，ｎａｉｎｌｏｂｅ ｔｏ ｓｉｄｅｌｏｂｅ ｒａｔｉｏ，ｓｍａｌｌ ｍａｉｎｌｏｂｅ ｗｉｄｔｈ ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ａｎｄ ｌａｒｇｅ Ｄｏｐｐｌｅｒ ｔｏｌｅｒａｎｃｅ，ａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｐｕｌｓｅ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＮＬＦＭ；Ｄｏｐｐｌｅｒ ｆｆｅｑｕｅｒ ｃｙ；ｓｍａｌｌ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｒａｔｉｏ；ｍａｉｎｌｏｂｅ ｔｏ ｓｉｄｅｌｏｂｅ ｒａｔｉｏ １ 引言 脉冲压缩技术由于有效地解决了雷达的作用距 离和距离分辨力之间的矛盾，在现代雷达中得到广 泛应用。常用的脉压信号有线性调频（ＬＦＭ）信号、 实现对信号功率谱的加权，从而改善脉压性能。本 文运用动态优化法对第一种方法作了进一步改进， 得到了更低的副瓣和更高的多普勒容限，满足了实 际工程的需要。 相位编码（ＰＳＫ）信号等，这些信号经匹配滤波器压 缩处理后，有较高的距离旁瓣，必须进行加权处理以 ２信号相位函数 在经典法设计中，由于逗留原理本身就是一种 近似，输出波形的主副瓣比、多普勒容限与最优的波 形有一定的差距。无法满足实际工程需要。基于这 降低旁瓣，这样会带来１～３ｄＢ的信噪比损失。非 线性调频（ＮＬＦＭ）信号因固有的旁瓣较低和无需加 权处理，并具有较好的多普勒响应能力而广受关注。 ＮＬＦＭ波形的设计方法很多，但最主要有两种： 一个原因本文根据文献［１，２］，对设计方法作了改进， 并得出ＮＬＦＭ的相位函数为： 种是经典设计方法，根据信号的功率谱，利用相位 逗留原理来设计；另一种是由族函数出发来积分实 现波形的设计，虽然他们的方法不一一样，但其共同点 ）＝华 ｎ＝ｌ ｓｉ（ｎ２ ｗｎｔ，Ｉ 一 式中：Ｂ为信号带宽；Ｔ为信号脉冲宽度； （ｎ）为调 都是改变传统线性调频信号不同时刻的调频率，来 收稿日期：２０１１一Ｏ１ ０５ 作者简介：肖开健，男，１９７８年生，工程师。研究方向为雷达总体技术。 ３６ 火控雷达技术 第４Ｏ卷 整系数；／７，为迭代次数。 ｂ．选取一组初始值Ａ（／Ｚ），ｎ＝１，２，…ｌ０计算匹 配滤波器输出波形的最大距离旁瓣ＰＳＬＬ０和主瓣展 宽系数，Ａ（ｎ）为变量，并按照傅里叶级数依次减小。 由相位函数可知，当雷达的信号带宽和脉冲宽 度ＢＴ（Ｂａｎｄｗｉｄｔｈ—Ｔｉｍｅ，带宽时宽）积给定时，信号 的产生关键在于调整系数Ａ（／＇ｔ），调整系数的好坏直 ｃ．随机选取Ａ（ ），ｋ为［１，１０］之间的随机数，ｒ 接影响着信号本身的质量。 ３调整系数优化 调整系数优化有很多方法，动态优化法是一 种相对比较简单而且易于实现的方法。在文献 ［１，２］中他们就是采用动态优化的方法对调整系 数进行了优化，在经典法设计的基础上进行了完 善，得到了相对于经典设计法更优的信号波形。 虽然主副瓣比有所提高，但多普勒容限低，还是不 能满足低副瓣、高多普勒容限雷达工程的需要。 因此，本文对动态优化法进行了进一步改进，主副 瓣比能进一步提高２—３ｄＢ，多普勒容限能够达到 ６０ｋＨｚ，可以满足工程需求。其主要分为以下三个 步骤：粗调整、精调整以及多普勒调整。调整系数 优化流程图见图１所示。 图ｌ系数优化流程图 ３．１粗调整 系数优化过程中进行粗调整主要的目的在于快 速选择符合要求的系数。其步骤如下： ａ．设定脉压输出波形峰值主副瓣比 与主瓣 展宽因子ａ以及总的迭代次数 。 为［０，１］的随机数ｒ＞０．５，则Ａ（ｋ）＝Ａ（ｋ）（１＋ｒ）， 否则 （ｋ）＝Ａ（ ）（１一ｒ）。计算匹配滤波器输出波 形的最大距离旁瓣ＰＳＬＬ０以及主瓣展宽因子，如果 满足要求，将优化系数存储起来。否则重复上面的 步骤直到存储的系数满足要求。 ｄ．从Ｃ存储的数据中选取一组最优化的数据， 替代初始化的Ａ（ｎ），改变Ｐ。再运行ａ、ｂ；ｅ、ｄ，直到 没有数据输出。 ３．２精调整 在文献［１，２］中，他们只是进行了上述的系数 粗调整，精调整是在粗调整的基础改变数据变化的 步长，使得信号波形的性能得到进一步的提升。具 体就是在粗调整的基础上改变ｃ步长ｒ（比如０．１ｒ， ０．０１ｒ）使之更小，再运行程序，这样使得脉压输出波 形峰值副瓣电平能够提高１—２ｄＢ。 ３．３多普勒调整 在前面两步的优化只能满足多普勒频率很小情 况下脉压波形的性能指标，往往在工程的运用中有 时多普勒频率很高，有的多普勒频率甚至达到了 ６０ｋＨｚ。相对线性调频信号，非线性调频信号对多 普勒频移非常的敏感，为了满足大多普勒频率情况 下系统性能，必须进一步提高信号的多普勒容限。 多普勒调整就是在调整系数完成粗调整和精调 整以后，在信号中加入ｆｄ（工程中所用的最大的多 普勒频移），然后再进行粗调整和精调整得到最终 的调整系数。 ４信号仿真与分析 根据某Ｘ波段雷达的特点，波形参数为信号带 宽Ｂ＝２ＭＨｚ，脉冲宽度Ｔ＝７ｔｘｓ，最大多普勒频移约 ＝６０ｋＨｚ。为了满足该雷达需求，做到低副瓣和高 的多普勒容限，本文经过粗调整、精调整和多普勒调 整，得到最终的调整系数Ａ（ｎ）： Ａ（ｎ）＝［０．１４５９ ０．０４１１ ０．０４７９ ０．０３１８ ０．０１０７ ０．００６２ ０．００７７ ０．０１１９ ０．００２９ ０．００２６］。 ４．１信号仿真 根据已知的信号带宽和脉冲宽度ＢＴ积和调整 系数Ａ（ｎ），可以运用ＮＬＦＭ相位函数求出ＮＬＦＭ的 相位 （ｔ）。相位关系如图２所示。 第２期 开健等：基于动态优化的非线性调频信号设计 ３７ ｜ 经过脉冲压缩以后，主副瓣比均能达到２７ｄＢ以上： ｜ ｔ 多普勒容限大幅提高，在 ：６０ｋＨｚ时也能满足指 标；其脉压失配损失可忽略不计。脉压波形图如图 ４所示，脉压性能见表１。 ｔ ’ Ｉ ＼ 、＼ ／／ ｌ ２ ３ ４ ：； ６ ７ 时间，（ ｓ） 时间ｒ（ｕｓ） 图２ ＮＬＦＭ的相位关系图 ０ 然后再根据脉冲压缩信号公式： （ｔ）＝Ａ “ ，可得 ＮＬＦＭ信号。ＮＬＦＭ信号Ｉ、Ｑ支路信号如图３所示。 ４．２信号分析 对产生的ＮＬＦＭ信号进行进一步分析，该信号 ／ｉｌ＝０ｋＨｚ时，压缩后ｆｌ９波形 罂 １ 罂 １ 时间ｆ（Ｉｔｓ） 时间ｒ（ｕｓ） Ｊｉｌ＝４０ｋＨｚ时，压缩后旧波形 Ｏ Ｉｏ 一Ｊ￣ｌ＝６０ｋＨｚ时，压缩后的波形 坚 譬一２０ 一１ 罢 ３０ ４０ ０ ｌ ２ ３ ４ ５ 时间ｆ（ ｓ） 图４脉压波形图 表１ ＮＦＬＭ经过脉压的性能 多普勒（ｋＨｚ） 主副瓣比（ｄＢ） 系数的粗调整、精调整以及多普勒调整，能有效的提 高脉压的性能，在它原有基础上减小脉压输出副瓣 ０ ０ ２０ ０．０ｌ－ ２８．１ ２７． 电平１—２ｄＢ、提高了信号的多普勒容限，更能满足 实际工程需求。 参考文献： 张群英等．一种改进的非线性调频信号波形 设计［Ｊ］．北京理工大学学报，２０００，３． ［２］ 杨志群等．利用遗传算法优化非线性调频信 脉压失配损失（ｄＢ） ５ 结束语 动态法实际上是一种局部变量搜索法，存在一 定的随机性。在进行变量优化时，得到的数据虽然 能够满足系统的要求，但是很可能不是最优。较文 献［１，２］提供的方法，本文的优点在于经过对调整 号波形［Ｊ］．现代雷达，２０００，２．
