文 献 综 述
1．研究背景及意义
在科学研究、现代战争和国防建设中，雷达一直在发挥重要的作用，占据重要的位置。从气候研究、宇宙探测，到军事化行动，雷达都起着至关重要的作用。在现代化的军事中，几乎所有的军事装备上都会配备雷达，诸如导弹、舰艇、飞机等等。战争中信息的收集和敌方情报的探测及其重要，战场上不能知晓敌方的动向，必然会吃大亏，打败仗，而雷达就是战场上的“眼睛”，通过对雷达的有效利用，可以增强防御效率，扩展攻击范围。一双好的“眼睛”就是制胜的法宝。随着科技的发展，战争对技术的需求越来越高，对雷达的作用距离、分辨能力、测量精度等性能指标也提出越来越高的要求。测距精度和距离分辨力对信号形式的要求是一致的，主要取决于信号的频率结构，为提高测距精度和距离分辨力，要求信号具有大的带宽。[5]
在雷达信号处理中, 为了改善雷达距离分辨率, 现代雷达均采用发射大的时宽带宽积信号,即发射一个宽脉冲信号, 然后在接收端通过匹配接收完成脉冲压缩过程, 实现距离高分辨率目的, 同时增加了雷达发射功率, 降低了雷达瞬时功率 。[18]同模拟脉冲压缩相比, 数字脉冲压缩具有参数稳定、波形可捷变、要求的峰值发射功率低等特点, 同时还具有抗干扰性能好、多功能和低截获等优点, 因而被现代雷达体制广泛采用。
2.脉冲压缩技术概述
脉冲压缩的概念虽然始于 40年代，但是由于技术实现上的困难，直到 60年代初脉冲压缩信号才开始使用于超远程警戒雷达和远程跟踪雷达。初期的脉冲雷达发射的是固定载频的脉冲，其距离分辨率反比于发射脉冲宽度。自从 40年代提出匹配滤波理论和 50年代初 P.M.伍德沃德提出雷达模糊原理后，人们就意识到雷达距离分辨率与脉冲宽度无关，而是正比于发射脉冲频带宽度。[6] 本世纪四五十年代，众多的专家学者用经典的统计检测和参数估计理论对雷达目标探测问题进行了研究，建立起噪声中的信号检测与估计理论，总结出一系列雷达信号处理的基本原则，如最佳线性滤波和预测理论、匹配滤波理论、模糊函数理论等，使人们对雷达采用信号形式的认识上升到一个新的高度，促进了脉冲压缩技术的发展。在匹配滤波器理论指导下，人们提出了线性调频，亦即 Chirp 脉冲压缩的概念。在宽脉冲内附加线性调频，扩展信号的频带，可以获得大时带积信号，即正在增加雷达作用距离同时又保证测距精度和距离分辨力的要求，解决了普通雷达难以解决的矛盾。在线性调频脉冲压缩概念提出之后，Woodward 从理论上开拓性地完善了脉冲压缩思想，使人们对大时带积信号进行匹配滤波就可以获得压缩输出的窄脉冲有了深刻的认识。大时带积信号可以在脉冲内进行附加调频或调相甚至调幅来得到，因此脉压信号的范围并不限于 Chirp。由于发射机效率的限制，雷达真正采用的脉压信号是由调频和相位编码产生的，其中以线性调频(LFM)和二相编码信号的研究与应用最为广泛。[12]
3．旁瓣抑制
相位编码信号以其良好的低截获特性已成为现代雷达广泛采用的信号之一 , 常用的相位包括巴克码 、M 序列码 、法兰克多相码和泰勒四相码等 。采用相位编码信号在匹配 滤波时强目标的旁瓣会淹没弱目标 , 影响对弱目标的有效检测 ,因而对相位编码信号脉冲压缩旁瓣抑制问题一直受到研究人员的关注 。目前改善旁瓣特性主要通过编码优选 和旁瓣抑制来实现 ,前者通过选择具有优良自相关特性的编码序列如巴克码 、M 序列等以获取低的脉压旁瓣 , 后者通过旁瓣抑制滤波器进一步提高主-旁瓣比 ;在实际处理中一般都需要采用两种方法相结合 ,即在优选编码的基础上通过旁瓣抑制滤波器来获得好的主-旁瓣比 。衡量旁瓣抑制滤波器性能的指标主要有三项 :峰值旁瓣电平(peak sidelobe level , PSL)、积分旁瓣电平(integrated sidelobe level , IS L)以及增益处理损失(loss in process gain , LPG)。它们分别定义为最大旁瓣功率与峰值响应的比值 、旁瓣总功率与峰值响应的比值以及与匹配滤波器相比 ,失配引起的信噪比损失。其中峰值响应是指实际旁瓣抑制滤波器输出的峰值能量 。在雷达目标检测中峰值旁瓣的影响显得更为直接和重要 。[7] 从国内外研究情况来看 , 旁瓣抑制的方法主要有匹配 滤波加旁瓣抑制网络[20]和直接设计失配滤波器[11]两种 。第一种方法中的匹配滤波器主要是实现脉冲压缩 , 随后连接的旁瓣抑制网络[16]是在频域设计抑制旁瓣滤波器的基础上通过逆滤波的方法得到的 , 文献[17] 就属于该方法 。这一类方法中采用的逆滤波技术在一定程度上会影响设计的精度 , 同时对于具有复杂频谱特性的信号处理较困难 。第二种方法是直接设计失配滤波器在脉压的同时实现旁瓣抑制 ,该类方法中主要有最小二乘法 (加权最小二乘[17] 、迭代最小二乘[4])、线性规划法和神经网络法。其中最小二乘类方法可以得到最小积分旁瓣的最优滤波器 , 但是为了得到最小峰值旁瓣的最优滤波器需要进行多次迭代处理 ,迭代系数和收敛性难以控制 ;线性规划方法一般不适用于复信号的情况 ;神经网络方法的收敛速度慢 , 影响了它在实际中的应用 。
4.FPGA概述
FPGA是一种现场可编程数字集成器件，可以通过自主编程的方式来实现任何想要实现的逻辑功能。随着现场可编程集成电路技术的飞速发展，与以前的 FPGA相比，现在的 FPGA芯片不仅在规模上提高很多，而且在速度和内部资源上都有很大的改善，例如增加了内部存储单元、硬件乘法器、嵌入式处理器等处理单元，这些资源的改善使得FPGA更加适合应用于规模较大的高速数字信号处理。[8] 数字脉冲压缩与模拟脉冲压缩相比, 其主要缺陷是成本较高。[19] 现场可编程集成电路的出现提供了一种硬件实现脉压的解决方案，使数字脉压系统的实现可以满足体积小、功耗低和成本低等条件，相关工作受到国内外广大学者的研究。[9] ＦＰＧＡ本身所具备的并行运算结构使得其具有实时性好、灵活性强、设计周期短、支持在线可编程、可充分进行设计开发和验证的优势。基于ＦＰＧＡ实现脉冲压缩，可以有效地提高运算速度。[3]
