基于識(shí)別雷達(dá)的寬帶跟蹤研究與實(shí)現(xiàn)

王曉燕 蘇軍海

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十研究所 西安 710068)

0 引言

隨著我國(guó)國(guó)防事業(yè)的不斷發(fā)展，科技水平的迅速提高，對(duì)雷達(dá)功能也在不斷提出新需求，而雷達(dá)在目標(biāo)識(shí)別、戰(zhàn)場(chǎng)偵查、以及目標(biāo)成像等方面的需求就是我們需要研究的新方向，這些方面都要求雷達(dá)具有很高的距離分辨率，因此我們對(duì)寬帶雷達(dá)的研究和工程化就顯得尤為重要。

雷達(dá)在進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別、戰(zhàn)場(chǎng)偵查、以及目標(biāo)成像時(shí)，其中的重點(diǎn)之一就是對(duì)目標(biāo)距離，速度，方位及俯仰角度的穩(wěn)定跟蹤。寬帶雷達(dá)由于其高的距離分辨率，不再是傳統(tǒng)窄帶跟蹤下的點(diǎn)目標(biāo)跟蹤，而是對(duì)擴(kuò)展目標(biāo)進(jìn)行跟蹤。傳統(tǒng)的寬帶雷達(dá)，基本是寬窄帶分時(shí)交替工作，檢測(cè)跟蹤用的是窄帶信號(hào)，成像識(shí)別用的寬帶信號(hào)，這會(huì)大大降低成像識(shí)別的有效性，而本文中用到的數(shù)據(jù)所依據(jù)的雷達(dá)則可以持續(xù)工作在寬帶狀態(tài)下，并穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)，為快速有效的識(shí)別目標(biāo)提供強(qiáng)有力的支撐。

1 寬帶跟蹤的實(shí)現(xiàn)和性能分析

本文研究的寬帶雷達(dá)，其發(fā)射的信號(hào)是寬帶線性調(diào)頻信號(hào)，經(jīng)過脈沖壓縮，對(duì)于窄帶雷達(dá)，進(jìn)行相參積累即可進(jìn)行對(duì)目標(biāo)跟蹤檢測(cè)的。但對(duì)于本文中的寬帶雷達(dá)，帶寬為200MHz，距離分辨率高達(dá)0.75m，對(duì)飛機(jī)等速度較高的目標(biāo)極易產(chǎn)生嚴(yán)重的越距離單元走動(dòng)，如果直接進(jìn)行相參積累，就會(huì)產(chǎn)生目標(biāo)的擴(kuò)展，影響目標(biāo)能量的有效積累，導(dǎo)致無法對(duì)目標(biāo)的距離、速度和角度的有效跟蹤，從而影響了對(duì)目標(biāo)的識(shí)別、偵查或成像效果。因此對(duì)于寬帶信號(hào)，在相參積累之前，要先對(duì)距離走動(dòng)進(jìn)行校正。通過DFT-IFFT 算法或CZT算法實(shí)現(xiàn)的Keystone變換可以實(shí)現(xiàn)對(duì)距離走動(dòng)的校正。由于 CZT 算法直接通過 FFT 進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，因此計(jì)算量更小。要進(jìn)行距離單元走動(dòng)的校正，關(guān)鍵一步就是精確計(jì)算目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度，對(duì)于跟蹤雷達(dá)，距離和速度的不模糊不可兼得，為了保證威力，只能選用低重頻，這就會(huì)產(chǎn)生速度模糊，因此還需進(jìn)行接速度模糊，精確計(jì)算出目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度，再通過CZT 算法實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的距離單元走動(dòng)進(jìn)行有效校正。

圖1 寬帶跟蹤流程圖

本文是基于FPGA加DSP的信號(hào)處理板卡來實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的寬帶檢測(cè)跟蹤的，其中FPGA中進(jìn)行脈沖壓縮處理，由于采用的寬帶信號(hào)帶寬為200MHz，雙倍帶寬采樣，數(shù)據(jù)量很大，因此FPGA中需要進(jìn)行大點(diǎn)數(shù)的分段脈沖壓縮以合理利用硬件資源并滿足時(shí)間資源的要求；DSP中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償和CZT算法進(jìn)行越距離單元走動(dòng)的校正，相參積累，單脈沖測(cè)角，速度解模糊及距離速度的-濾波。

雷達(dá)采用寬帶 Chirp 相參脈沖串信號(hào)，其時(shí)域表達(dá)式為

(1)

雷達(dá)在跟蹤目標(biāo)時(shí)，我們可以只簡(jiǎn)單考慮目標(biāo)想對(duì)雷達(dá)的徑向運(yùn)動(dòng)，且相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度在一個(gè)積累周期內(nèi)保持不變。根據(jù)雷達(dá)理論，目標(biāo)回波信號(hào)可表示為

(2)

其中是距離擴(kuò)展目標(biāo)強(qiáng)散射點(diǎn)的個(gè)數(shù)；、分別是目標(biāo)第個(gè)強(qiáng)散射點(diǎn)的幅度和初相；=2是多普勒頻率。的存在就會(huì)造成目標(biāo)位置的偏移，影響距離跟蹤精度，同時(shí)雷達(dá)平臺(tái)的高速運(yùn)動(dòng)，也造成了脈間的距離走動(dòng)，這將對(duì)相參積累造成嚴(yán)重影響，不利于目標(biāo)檢測(cè)。因此在進(jìn)行積累之前，需用CZT 算法對(duì)距離走動(dòng)部分進(jìn)行校正。

圖2 距離走動(dòng)校正前

經(jīng)過CZT算法對(duì)距離走動(dòng)校正后，在經(jīng)過IFFT即可得到目標(biāo)的高分辨一維距離像，將各散射點(diǎn)融合或選大對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤，經(jīng)過距離和速度環(huán)的-濾波后得到目標(biāo)的距離和速度。

目標(biāo)角度可通過單脈沖測(cè)角的方法得到。幅度單脈沖雷達(dá)和、差波束的天線方向圖()、()可由圖3描述，跟蹤目標(biāo)，就是要將和波束的中心指向最接近目標(biāo)，此時(shí)可認(rèn)為和波束增益約為常數(shù)，差波束增益近似為線性函數(shù)。設(shè)A為和波束天線增益,為差波束天線方向圖的斜率,點(diǎn)目標(biāo)和單脈沖雷達(dá)天線波束中心(電軸)夾角為，目標(biāo)回波信號(hào)為()，通過單脈沖天線接收，和信號(hào)為=()()=()，差信號(hào)為=()()=()，如圖4所示。

圖3 距離走動(dòng)校正后

圖4 單脈沖測(cè)角示意圖

通過計(jì)算歸一化誤差信號(hào)為

(3)

對(duì)式(3)取實(shí)部即可求出。目標(biāo)的距離通常距離環(huán)跟蹤得到，通過計(jì)算即可得到目標(biāo)偏離波束中心的距離，即線偏差。

得到目標(biāo)的距離、速度和角偏差信息后，就實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)的有效跟蹤。

2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)跟蹤結(jié)果及分析

下面給出寬帶雷達(dá)對(duì)飛機(jī)的檢測(cè)跟蹤數(shù)據(jù)分析，其中檢測(cè)相關(guān)參數(shù)如下：帶寬200MHz，雙倍帶寬采樣，目標(biāo)起跟距離30km，目標(biāo)速度約226m/s，遠(yuǎn)離雷達(dá)，16周積累。

圖5 目標(biāo)一維高分辨距離像

圖6 距離_多普勒像

圖7 目標(biāo)飛行距離曲線

圖8 距離隨機(jī)誤差

圖9 速度隨機(jī)誤差

經(jīng)過400次隨機(jī)誤差計(jì)算，距離均方根誤差約為3.67m，速度均方根誤差約為0.18m/s。

圖10 方位角誤差

圖11 俯仰角誤差

實(shí)現(xiàn)寬帶穩(wěn)定跟蹤后，經(jīng)過對(duì)大量飛機(jī)數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)、建模，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)建模飛機(jī)進(jìn)行有效識(shí)別。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文基于FPGA加DSP的硬件板卡來實(shí)現(xiàn)寬帶信號(hào)跟蹤，為目標(biāo)識(shí)別、成像等的研究提供了連續(xù)的寬帶數(shù)據(jù)，通過對(duì)飛機(jī)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，距離、速度及角度的跟蹤精度均可達(dá)到對(duì)目標(biāo)的穩(wěn)定跟蹤，為目標(biāo)識(shí)別、成像等提供了較好的研究平臺(tái)。