機(jī)載PD雷達(dá)寬帶線性調(diào)頻信號(hào)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償

曹書華，汪凌艷，趙 鵬，張建凌，吳 磊

（中航工業(yè)雷華電子技術(shù)研究所，江蘇 無(wú)錫 214063）

機(jī)載PD雷達(dá)寬帶線性調(diào)頻信號(hào)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償

曹書華，汪凌艷，趙 鵬，張建凌，吳 磊

（中航工業(yè)雷華電子技術(shù)研究所，江蘇 無(wú)錫 214063）

采用寬帶線性調(diào)頻信號(hào)能夠顯著地提高雷達(dá)的距離分辨率和抗干擾能力，然而雷達(dá)與目標(biāo)間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)損耗了部分目標(biāo)回波相參積累能量，影響目標(biāo)頻率向和距離向分辨力。針對(duì)以上問(wèn)題，提出了一種基于改進(jìn)匹配濾波函數(shù)的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法，補(bǔ)償信號(hào)回波中的相位誤差，實(shí)現(xiàn)寬帶線性調(diào)頻信號(hào)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果證明了該算法的有效性。

寬帶線性調(diào)頻信號(hào)，脈沖壓縮，匹配濾波，運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，脈沖多普勒雷達(dá)

0 引言

現(xiàn)代高科技戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)機(jī)載PD雷達(dá)系統(tǒng)功能與性能提出了越來(lái)越高的要求。一方面要求雷達(dá)具有多目標(biāo)探測(cè)、識(shí)別、跟蹤等多種功能，另一方面要求雷達(dá)具有較高靈敏度、抗干擾和低截獲性能。傳統(tǒng)的窄帶雷達(dá)由于發(fā)射信號(hào)帶寬較窄，在目標(biāo)距離高分辨、低截獲和抗干擾性能方面難以滿足要求，因此，世界各國(guó)相繼發(fā)展寬帶或超寬帶機(jī)載雷達(dá)。

寬帶機(jī)載雷達(dá)具有更高的距離分辨率，從而能夠?qū)δ繕?biāo)進(jìn)行分類和識(shí)別；具有較寬的帶寬，可以提高對(duì)隱身目標(biāo)的探測(cè)性能；對(duì)外部的窄帶電磁信號(hào)和噪聲的干擾具有更強(qiáng)地抑制能力；寬帶信號(hào)難以被檢測(cè)和復(fù)制，可以提高雷達(dá)的低截獲（LPI）和抗干擾性能［1］。作為一種新的技術(shù)，寬帶機(jī)載雷達(dá)具備很多優(yōu)勢(shì)，但在機(jī)載PD雷達(dá)應(yīng)用過(guò)程中，由于載機(jī)與目標(biāo)間相對(duì)較高運(yùn)動(dòng)速度，在使用寬帶信號(hào)時(shí)，該速度會(huì)引起目標(biāo)在頻域上的展寬，導(dǎo)致目標(biāo)頻率向能量分散或成像方位向模糊；由于寬帶信號(hào)較高的距離分辨率，在相參積累周期內(nèi)，目標(biāo)會(huì)跨距離單元走動(dòng)，引起相參積累能量的損失。因此，在機(jī)載PD雷達(dá)探測(cè)過(guò)程中，必須對(duì)寬帶信號(hào)回波進(jìn)行一定的補(bǔ)償，才能滿足目標(biāo)檢測(cè)或成像的需要［2-7］。

1 距離走動(dòng)對(duì)寬帶LFM目標(biāo)的影響

假設(shè)雷達(dá)發(fā)射線性調(diào)頻脈沖信號(hào)，可表示為［8］

假定目標(biāo)的初始距離Ro對(duì)應(yīng)的時(shí)延為to，即to=；雷達(dá)與目標(biāo)間的徑向速度為υ；對(duì)于中心頻率，雷達(dá)與目標(biāo)間相對(duì)多普勒頻移為

雷達(dá)發(fā)射信號(hào)周期為T，相參積累脈沖序列為m=0，1，2，…，M-1，第m個(gè)脈沖相對(duì)于第1個(gè)脈沖相參積累時(shí)間差τ=m*T。相對(duì)于第1個(gè)發(fā)射脈沖，后續(xù)接收脈沖相位延時(shí)。則雷達(dá)接收信號(hào)為

接收信號(hào)與cos（2πfot）和sin（2πfot）分別進(jìn)行混頻，得到接收信號(hào)的基帶復(fù)信號(hào)為

換一個(gè)角度去理解這個(gè)問(wèn)題：假設(shè)寬帶線性調(diào)頻信號(hào)調(diào)頻范圍為，雷達(dá)與目標(biāo)間的徑向速度為v。由于發(fā)射信號(hào)為寬帶線性調(diào)頻信號(hào)，脈內(nèi)頻率成分均不同且差異較大，導(dǎo)致目標(biāo)脈內(nèi)不同頻率回波的多普勒頻率相差較多，在脈壓和相參積累后，目標(biāo)回波在頻率向發(fā)散，致使目標(biāo)相參積累能量損失，頻率維分辨能力下降。

由于目標(biāo)運(yùn)動(dòng)，使得目標(biāo)的寬帶線性調(diào)頻信號(hào)回波在相參積累后的頻率向帶寬為：

如果雷達(dá)發(fā)射周期為PRI，相參積累點(diǎn)數(shù)為N，相參積累時(shí)間為t’。相參積累時(shí)，與FFT子濾波器帶寬的比即為信號(hào)相參積累的信噪比損失倍數(shù)。即：

假設(shè)雷達(dá)相參積累時(shí)間t’為40 ms，在不同相參積累功率損失情況下，雷達(dá)信號(hào)帶寬與目標(biāo)徑向速度之間的關(guān)系曲線如圖1所示。

“我說(shuō)什么啦？我什么也沒(méi)說(shuō)嘛！”燒烤店老板說(shuō)，“哦，我想起來(lái)了。我是說(shuō)了的，我說(shuō)了你老婆長(zhǎng)得漂亮。你老婆真的好挺漂亮呦……”

圖1 不同信噪比損失時(shí)帶寬與速度間關(guān)系

對(duì)于接收信號(hào)sr（t，τ），需要與匹配濾波函數(shù)H（t）卷積，完成脈壓處理。對(duì)每個(gè)脈沖的目標(biāo)回波做脈壓處理時(shí)，理想的匹配濾波函數(shù)只會(huì)影響目標(biāo)回波脈沖采樣點(diǎn)的距離向位置和幅度，不會(huì)影響相參積累時(shí)每個(gè)采樣點(diǎn)的多普勒頻率，因此，目標(biāo)回波脈壓前后的相參積累特性相同。接收信號(hào)脈壓后的輸出信號(hào)為：

由于載機(jī)與目標(biāo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，目標(biāo)在雷達(dá)相參處理時(shí)間內(nèi)發(fā)生了距離走動(dòng)，尤其是寬帶信號(hào)采樣率較高，在整個(gè)相參處理時(shí)間序列［PRI0，PRI1，…PRIM-1］中，目標(biāo)在PRI0與PRIM-1時(shí)刻在距離上的位置相差1個(gè)以上距離門時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致目標(biāo)相參積累能量在距離上發(fā)散，降低目標(biāo)的相參積累信噪比；在對(duì)目標(biāo)進(jìn)行一維距離向分辨和識(shí)別時(shí)，會(huì)影響目標(biāo)的分辨。

相參積累時(shí)間內(nèi)雷達(dá)與目標(biāo)間的距離門走動(dòng)量為：

一般雷達(dá)視頻采樣率fs≥B，所以

當(dāng)雷達(dá)積累時(shí)間為60 ms時(shí)，雷達(dá)信號(hào)帶寬與速度間的關(guān)系如圖2所示。

圖2 目標(biāo)回波距離走動(dòng)信號(hào)帶寬與速度間關(guān)系

2 寬帶LFM目標(biāo)距離走動(dòng)補(bǔ)償方法

雷達(dá)采用寬帶線性調(diào)頻信號(hào)，主要是為了提高目標(biāo)距離分辨、抗干擾能力等方面的性能。由于雷達(dá)與目標(biāo)間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使目標(biāo)寬帶信號(hào)回波相參積累能量損失、方位分辨能力下降，嚴(yán)重影響雷達(dá)目標(biāo)檢測(cè)性能。以上問(wèn)題歸于雷達(dá)與目標(biāo)間的相對(duì)距離走動(dòng)，使不同頻率成分的目標(biāo)回波多普勒頻率存在較大差異。如果對(duì)不同PRI內(nèi)的目標(biāo)回波信號(hào)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，即：通過(guò)距離走動(dòng)補(bǔ)償?shù)氖侄蜗走_(dá)與目標(biāo)間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)所引起的脈內(nèi)不同頻率成分目標(biāo)回波相位的差異，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)回波有效相參積累。

如式（4）所示，對(duì)于接收信號(hào)sr（t），ej2πfo（t-to+Δ）為目標(biāo)回波的一次相位，是脈沖多普勒雷達(dá)檢測(cè)目標(biāo)速度的依據(jù)，不需要進(jìn)行補(bǔ)償。ejπk（ t-to+Δ）2是導(dǎo)致目標(biāo)寬帶信號(hào)回波頻率維能量發(fā)散的原因，需要對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。具體補(bǔ)償方式是：對(duì)脈壓時(shí)使用的匹配濾波函數(shù)進(jìn)行一定的修正，在二次相位中消除雷達(dá)與目標(biāo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。改進(jìn)的匹配濾波可表示為

對(duì)每個(gè)PRI脈沖目標(biāo)回波分別補(bǔ)償，即可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)以第1個(gè)脈沖回波中心頻率為基準(zhǔn)，積累時(shí)間內(nèi)所有脈沖在頻率維均移位到第1個(gè)脈沖時(shí)目標(biāo)所在頻率濾波器內(nèi)，消除因載機(jī)與目標(biāo)間的相對(duì)機(jī)動(dòng)所引起的相參積累能量發(fā)散；同時(shí)，也消除了雷達(dá)與目標(biāo)間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)所引起的距離走動(dòng)。

3 距離走動(dòng)補(bǔ)償仿真

仿真條件：雷達(dá)中心頻率f0為10 GHz，信號(hào)帶寬B為1 GHz，脈寬1 μs，周期為5 μs，雷達(dá)與目標(biāo)間的相對(duì)徑向速度600 m/s，相參積累脈沖數(shù)為512個(gè)，目標(biāo)回波信噪比20 dB。

仿真1：目標(biāo)補(bǔ)償速度大小為0 m/s，即：直接對(duì)目標(biāo)回波進(jìn)行相參積累，不對(duì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償。

仿真2：補(bǔ)償目標(biāo)速度大小為300 m/s，即：對(duì)目標(biāo)進(jìn)行部分速度的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。

仿真3：補(bǔ)償目標(biāo)速度大小為600 m/s，即：對(duì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行完全補(bǔ)償。

圖3 運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償前目標(biāo)頻率向?qū)挾?/p>

圖4 運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償前目標(biāo)相參積累功率

圖5 補(bǔ)償300 m/s速度后目標(biāo)頻率向?qū)挾?/p>

圖6 補(bǔ)償300 m/s速度后目標(biāo)積累功率

圖7 補(bǔ)償600 m/s速度后目標(biāo)頻率向?qū)挾?/p>

圖8 補(bǔ)償600 m/s速度后目標(biāo)功率

圖9 目標(biāo)積累功率與補(bǔ)償速度的關(guān)系

仿真4：目標(biāo)位置［300 m，301 m］，目標(biāo)信噪比分別為20 dB和10 dB，其他仿真條件同上。運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償前和運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償后的目標(biāo)位置如下頁(yè)圖10和圖11所示。

圖10 運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償前兩個(gè)目標(biāo)距離向位置

圖11 運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償后兩個(gè)目標(biāo)距離向位置

目標(biāo)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償前，兩個(gè)目標(biāo)距離向混疊在一起，無(wú)法分辨，而且目標(biāo)位置前移，不能反映目標(biāo)真實(shí)位置信息；當(dāng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償后，兩個(gè)目標(biāo)在距離向完全分開(kāi)，且各自處于真實(shí)位置。當(dāng)采用寬帶線性調(diào)頻信號(hào)在對(duì)特定目標(biāo)利用一維距離向高分辨進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別時(shí)，必須對(duì)寬帶回波信號(hào)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，否則會(huì)導(dǎo)致目標(biāo)回波混疊，難以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的高分辨。

雷達(dá)采用寬帶線性調(diào)頻信號(hào)一般用于解決發(fā)射脈寬與距離分辨之間的矛盾，用于目標(biāo)高分辨或?qū)Φ馗叻直娉上?；另外一個(gè)很重要方面，就是用于拓展雷達(dá)信號(hào)瞬時(shí)帶寬，增加電子戰(zhàn)系統(tǒng)信號(hào)偵測(cè)難度，迫使其采用寬帶干擾，降低雷達(dá)接收信號(hào)單位帶寬的干擾譜密度，增加雷達(dá)信干比，提高雷達(dá)的抗干擾性能。但是，當(dāng)用于脈沖多普勒雷達(dá)目標(biāo)探測(cè)時(shí)，如果目標(biāo)速度未知，使用寬帶線性調(diào)頻信號(hào)會(huì)帶來(lái)目標(biāo)回波多普勒頻率展寬，目標(biāo)相參積累能量損失，且目標(biāo)測(cè)速不準(zhǔn)的問(wèn)題，尤其對(duì)于機(jī)載脈沖多普勒雷達(dá)，雷達(dá)與目標(biāo)間相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度較高，上述問(wèn)題表現(xiàn)的更為突出。

當(dāng)雷達(dá)處于目標(biāo)跟蹤狀態(tài)，由于目標(biāo)的先驗(yàn)信息中已知了目標(biāo)速度，利用上述運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)姆椒▽?duì)目標(biāo)寬帶線性調(diào)頻信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，避免了目標(biāo)多普勒頻率展寬和相參積累能量損失的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)回波的最優(yōu)檢測(cè)。當(dāng)使用寬帶線性調(diào)頻信號(hào)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別和分辨時(shí)，利用雷達(dá)窄帶信號(hào)獲取目標(biāo)速度信息，依據(jù)該速度信息對(duì)目標(biāo)回波進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的距離高分辨。對(duì)于機(jī)載雷達(dá)，當(dāng)目標(biāo)速度未知時(shí)，通過(guò)上述分析可知，如果只補(bǔ)償載機(jī)運(yùn)動(dòng)速度和檢測(cè)保護(hù)速度，即對(duì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行部分補(bǔ)償，依然可以減小目標(biāo)相參積累部分能量損失和距離向位置混疊。

4 結(jié)束語(yǔ)

寬帶線性調(diào)頻信號(hào)因其在目標(biāo)距離分辨率和抗干擾方面的優(yōu)異性能而在脈沖多普勒雷達(dá)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。由于寬帶線性調(diào)頻信號(hào)帶寬較寬，導(dǎo)致同一運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波多普勒頻率差異較大，相參積累后多普勒頻率展寬、能量損失，尤其對(duì)于機(jī)載脈沖多普勒雷達(dá)，雷達(dá)與目標(biāo)間的相對(duì)徑向速度較大，該問(wèn)題表現(xiàn)更加嚴(yán)重。上述現(xiàn)象歸結(jié)于相參積累期間雷達(dá)與目標(biāo)間的相對(duì)距離走動(dòng)，按照雷達(dá)與目標(biāo)間徑向運(yùn)動(dòng)速度大小進(jìn)行距離走動(dòng)補(bǔ)償，可消除寬帶雷達(dá)目標(biāo)多普勒頻率展寬與距離混疊現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)相參積累后能量的最大化及距離和頻率向的高分辨。

［1］黃巍，賀知明，向敬成.寬帶雷達(dá)能力積累與信號(hào)檢測(cè)方法研究［J］.系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2004，26（7）：889-892.

[2］王珊.寬帶雷達(dá)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)方法研究［D］.成都：電子科技大學(xué)，2009.

［3］李亞超，刑孟道，張龍，等.一種高機(jī)動(dòng)目標(biāo)的寬帶信號(hào)檢測(cè)、參數(shù)估計(jì)及成像方法［J］.中國(guó)科學(xué)，2009，39（8）：875-885.

［4］趙海云，胡學(xué)成.寬帶雷達(dá)微弱目標(biāo)信號(hào)的積累方法［J］.雷達(dá)科學(xué)與技術(shù)，2008，6（5）：366-370.

［5］黃小紅，邱兆坤，王偉.目標(biāo)高速運(yùn)動(dòng)對(duì)寬帶一維距離像的影響及補(bǔ)償方法研究［J］.信號(hào)處理，2002，18（6）：487-490.

［6］朱永鋒，李為民，陳遠(yuǎn)征，等.chirp雷達(dá)對(duì)高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)有效相參積累的算法研究［J］.系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2004，26（10）：1396-1401.

［7］王文輝.寬帶雷達(dá)相參積累方法研究［D］.成都：電子科技大學(xué)，2011.

［8］陳波孝.現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2012.

［9］禹琳琳.機(jī)載PD雷達(dá)地雜波功率譜計(jì)算方法［J］.四川兵工學(xué)報(bào)，2013，34（6）：122-124.

Motion Compensation for Broadband LFM Signal in Airborne PD Radar

CAO Shu-hua，WANG Ling-yan，ZHAO Peng，ZHANG Jian-ling，WU Lei
（Leihua Avionics Institute of AVIC，Wuxi 214063，China）

Broadband linearly frequency modulated signal is taken as a common method to promote range resolution and anti-interference performance of radar.However，the relative motion between radar and target consumes partial target echo coherent integration energy，influences the target range and frequency resolution.To solve these problems，a motion compensation method based on the improved match filter is found.This method achieves Broadband LFM signal target motion compensation based on compensating target echo phase error.Experimental and simulation results show the effectiveness of the algorithm.

broadband linearly frequency modulated signal，pules-compress，match filter，motion compensation，Pulse-Doppler radar

TP957.51

A

1002-0640（2015）06-0171-05

2014-05-11

2014-06-10

曹書華（1982- ），男，安徽宿州人，高級(jí)工程師，碩士。研究方向：機(jī)載火控雷達(dá)總體設(shè)計(jì)，雷達(dá)信號(hào)與信息處理。