脉冲压缩(Pulse Compression)

2021-01-06 10:43:47 浏览:1401

定义

雷达、声呐和超声等回波成像中常用的一种用于提高距离分辨率和信噪比的信号处理技术。通过发射调制的脉冲,然后将接收到的信号与发射的脉冲相关来实现[1]

传统单载频脉冲的问题

超声的探测深度与发射的信号能量有关,信号具有越大的能量,探测深度也越大。信号能量表达为:W=PT, P为脉冲功率,T为脉冲时间宽度。由于超声作用于人体,脉冲功率P不能太大。如果采用窄脉冲(T很小),信号能量很小,接收到的回波信号微弱,作用距离受到限制。如图1所示。

图 1 采用短脉冲,接收到的回波信号微弱,限制了作用距离

那么,采用长脉冲成像又如何呢?由于超声成像的基本原理是利用不同物体回波的时间差来区分不同的目标,如果采用长脉冲,当两个目标之间的距离很近时,回波时间差很小,两个目标的回波脉冲容易发生重叠,接收机很难将目标区分开来。如图2所示。

图 2 采用长脉冲,两个目标很近时,回波重叠,难以区分

因此,传统的单载频脉冲,面临着“看得远”与“看得清”之间的取舍。采用短脉冲,能量不够,限制了作用距离;采用长脉冲,回波易重叠,限制了空间分辨率。

脉冲压缩技术的策略

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。

图 3  脉冲压缩技术的策略

匹配滤波器的原理

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。如图5所示,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,如图4。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。

图 4  线性调频信号和匹配滤波器的幅频特性

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。

参考文献

[1] J. R. Klauder, A. C, Price, S. Darlington and W. J. Albersheim, ‘The Theory and Design of Chirp Radars,” Bell System Technical Journal 39, 745 (1960).

参阅:匹配滤波、时宽带宽积

信号处理手段

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