一種W頻段頻率步進雷達頻率源的相位補償方法*

畢 波，張永杰，李 民2，朱淮城

(1.北京遙感設備研究所 毫米波系統技術研究重點實驗室，北京 100039；2.哈爾濱工業大學，哈爾濱 150001)

1 引 言

雷達系統采用距離高分辨信號具有很多優點，如提高跟蹤精度、分辨目標要害部位等。頻率步進信號是一種重要的距離高分辨率雷達信號，它由一組載頻線性跳變的脈沖信號組成，具有大時寬帶寬的特性，且瞬時帶寬較窄，是一種實用和易于工程實現的雷達信號，因此近年來受到了廣泛的關注。文獻[1-3]對步進頻信號距離高分辨的原理進行了分析。由于頻率步進信號是利用各頻點回波信號的相位信息得到高距離分辨率，因此頻率步進信號對相位變化非常敏感，信號相位的變化會造成距離分辨率下降、信噪比損失和距離像畸變的現象。

一般頻段雷達的器件技術工藝成熟，硬件上可以保證各頻點間信號的相參性，因此很少出現由于頻率源各頻點信號不相參引起的分辨率下降。本文所述雷達工作在W頻段(波長為3 mm)，采用步進頻信號合成寬帶獲得高距離分辨率，在系統調試過程中出現了距離像畸變的情況。由于W頻段雷達頻率高，在頻率源的設計上也與其它頻段有所不同，且缺乏相應的儀器設備，因而要確保各頻點的相參性，硬件調試難度大，周期長，隨機性強。針對這種情況，本文根據步進頻信號距離高分辨的原理提出一種在信號處理中對各相位頻點進行補償的方法，并進行了仿真和試驗驗證。

2 信號處理無法正常成像的原因分析

2.1 系統組成及出現的問題

雷達系統框圖如圖1所示，該雷達為W頻段主動雷達，在近距離步進頻體制下，采用正負跳頻的方式，即前一幀為上跳頻，后一幀為下跳頻，一幀的跳頻點數為64點。經本振混頻后的中頻信號為60 MHz，采用中頻采樣并進行后續信號處理。

圖1 W頻段雷達系統框圖

在雷達室內試驗中，發現對單一靜止點目標成像出現主瓣展寬、距離像畸變現象，圖2為上位機觀測的成像圖。圖3為針對相位差Δφk的不同情況進行仿真的結果。

圖2 畸變距離像

(a)Δφk為固定值

(b)Δφk∈(-π/3,π/3)的隨機值

(c)Δφk∈(-π/2,π/2)的隨機值

2.2 原因分析

分析原因，定位于激勵源和本振部分的濾波器由于中心頻點不一樣，從而導致相同頻點的相位特性不一致，而這種不一致經過后面的倍頻放大后更加惡化，造成頻率源發射部分和本振部分在不同跳頻點上的相位差Δφk不一致，造成回波的相位不相參，以至于信號產生幅度下降和展寬。

下面針對Δφk=φtk-φsk的不同情況進行仿真，仿真均采用256點，加漢明窗，采用的信號參數為跳頻點數64點、頻率間隔8 MHz。仿真分為Δφk為固定值，Δφk∈(-π/3,π/3)的隨機值，Δφk∈(-π/2,π/2)的隨機值，Δφk∈(-π,π)的隨機值4種情況。仿真結果如圖3所示?？梢钥闯觯う誯的影響導致距離分辨率下降、信噪比損失和距離像畸變等問題。

3 補償方法

由于雷達工作在W頻段，工作載頻高，難以保證相位變化的一致性。在頻率源高頻部分進行相位一致性的調試難度大、周期長。通過在示波器上觀測中頻信號發現，各頻點的相位是固定的，所以可以采用在信號處理機中對各頻點的回波相位進行補償的方法，從而降低硬件設計和調試的難度。

同時我們注意到，真實的Δφk在個別頻點可能存在超過一個周期而出現相位模糊的情況，即Δφk>2π，而計算相位差時，我們得到的結果都是在2π之內的。如圖4所示，如果相位差超過2π時，在補償時是不能被忽略的，否則同樣不能得到正確的距離像。根據頻率源器件的特性，可以推斷出其相位差變化的曲線應該是平滑的，所以如果有跳變點，就要根據曲線對其進行分析加上2π或減去2π。

(a)對相位模糊周期進行補償

(b)不對相位模糊周期進行補償

3.1 補償的具體步驟

補償的具體步驟如下：

(1)對采樣的I、Q兩路信號數據求模，確定最大值點的采樣點，即信噪比最強的采樣點；

(2)再用此采樣單元數據，利用公式ψk=tg-1(Q/I)及I、Q的符號，得出回波各頻點相位值；

(5)各頻點的回波在做IFFT之前先乘以exp(-jμk)，然后再進行相應的信號處理。

3.2 實測的補償值

實測補償值如圖5所示。

(a)上跳頻補償值

(b)下跳頻補償值

3.3 補償方法存在的問題

這種補償方法的一個問題是會造成距離測量的系統誤差，但這個可以通過系統調試標校掉，對系統的性能沒有影響。

4 補償方法的仿真和試驗驗證

4.1 Matlab仿真

對信號處理機中采到的原始數據進行仿真，結果如圖6所示，(a)和(b)分別為沒采用補償算法和采用補償算法的。

(a)補償前距離像

(b)補償后距離像

4.2 試驗驗證

在DSP的算法中補償后，從上位機觀測，如圖7所示，其結果和仿真結果基本一致。

圖7 補償后成像結果

5 結束語

頻率步進雷達信號是高分辨率雷達信號的一種重要形式，但對各頻點間的相位變化十分敏感。隨著信號載頻頻率的提高使得頻率源各跳頻點間的相參性調試難度大、周期長。本文提出在信號處理機上進行相位補償的方法，經過仿真和試驗驗證證實了其可行性和正確性。該方法可以在保證雷達系統性能的同時，有效降低硬件設計調試的難度，縮短調試周期。

參考文獻：

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