LFMCW雷達旁瓣大目標虛警消除新方法

劉賢明，謝 愷，吳學伍

(解放軍陸軍軍官學院，合肥 230031)

連續波雷達是一種以連續波信號作為發射信號來獲得目標的距離或速度信息的雷達體制。線性調頻連續波雷達是發射信號為線性調頻信號的連續波雷達。該體制雷達具有以下優點:容易實現極高的距離、速度分辨率;發射功率低、抗截取能力強;不存在距離盲區。因此，線性調頻連續波雷達在戰場監視［1-2］、汽車防撞、無損傷探測等各個領域得到了廣泛應用。由于戰場目標各異，RCS從0.2 m2(爬行者)到50 m2(坦克、重型車輛)，兩者相差250倍，約為24 dB。本系統設計的天線第一旁瓣衰減為15 dB，其余旁瓣衰減均值為25 dB，旁瓣大目標將在主瓣內形成虛假目標?；诖藛栴}，本文提出了1個完整周期90°掃描內(90°掃描又叫“scanning”)消除虛假目標的新方法。

1 頻掃天線及主副瓣性能

本LFMCW雷達采用頻掃體制，在1個周期90°方位掃描中有N個頻點，每個頻點對應1個方向，發射M次重復的線性調頻波形用于2次FFT動目標檢測(MTD)。

根據平面天線陣列方向性系數估算公式

可知，上述尺寸的平面天線陣方向性系數 D≈33 dB。按32 dB泰勒加權實現-25 dB副瓣，方向性系數降低 1.2 dB(波束寬度由 2.4°增加至3.114°)，頻掃天線陣效率為 40%(-4 dB)，電纜損失約0.5 dB，總損失約 5.7 dB，最大增益約為27.3 dB，掃描至 45°時損失 -2 dB，掃描至 25°時損失0.5 dB。根據頻掃波束指向與頻率點的對應關系，計算得到帶內方向性系數和增益，如表1所示。

表1 頻率增益關系

天線增益最大相差2.5 dB，均值在26 dB左右。

2 虛警成因分析

每個頻點發射M次重復的線性調頻波形，通過MTD后得到目標的距離和速度信息。對于一般的目標(RCS不是很大的目標)，只可能在某個頻點或其附近頻點的對應方向上測得目標的距離和速度信息。但對于坦克、重型車輛等大RCS目標而言，由于天線副瓣的影響，將會在主瓣內形成虛假目標。

雷達方程［3］為

其中:S為檢測到的信號功率;Pt為發射功率;Gt為發射天線增益;Gr為天線增益;σ為目標RCS;L為損耗因子，包括發射傳輸線、接收傳輸線和電波雙程傳播損耗等。

由式(1)可知:雷達目標可檢測功率與目標RCS成正比，和天線增益成正比。雷達檢測環境包含了RCS從0.2 m2(爬行者)到50 m2(坦克、重型車輛)，兩者RCS相差250倍，約24 dB。大目標位于旁瓣時，第一副瓣為-15 dB，其余旁瓣均值為-25 dB。也就是說，位于旁瓣的大目標由于RCS的影響將會表現為位于主瓣的小目標，產生虛警。

3 虛警判定與消除

以典型雷達參數為例，fs=50 MHz(采樣頻率)，M=1 024(“凝視”次數)，N=36(頻點數)，B=25 MHz(調頻帶寬)，T=128 μs，μ =7.5 ×1012Hz/s(調頻率)，PRI=167 μs，天線波束寬度水平方向3°。圖1為雷達頻率調制發射波形。

圖1 雷達頻率調制發射波形

雷達切向分辨率為

雷達1個頻點掃描的時間Tstaring=M×PRI=范圍的掃描時間為 Tscaning=N·Tstaring=6 s。在一個方位上時，目標距離如果越距離單元，將要滿足，即216 km/h。一般的地面目標不會超過這個速度，故不用考慮一個方位上目標越距離單元的情況。

圖2 目標在天線掃描過程中出現的位置

圖3 真實大目標位置及虛假目標位置

根據以上2種目標速度分類，按照以下步驟可以消除旁瓣內的大目標虛警［4-6］。

1)大目標搜索。從近至遠，從第3個距離單元開始搜索(前2個距離單元，雜波太大，不予檢測)，當出現以下2種情況時，確認為同一大目標并轉到步驟2)。

Case 1:在連續K個頻點上(連續K個方位上，K≥6)，同一距離單元內都檢測為有目標，且目標速度小于

Case 2:在連續K個頻點上(連續K個方位上，K≥6)，目標的距離呈線性變化。取最近距離單元與最優距離單元算平均速度，并與此幾個距離單元上的目標速度做比較，大致相當時，判定為同一目標。

2)將判為同一目標的2次FFT結果進行比較，找出最大值，此最大值對應的方向即為真實大目標方向，其他的目標信息均為虛警。

3)消除虛警。剔出虛假目標，保留真實目標，計算目標的速度

4)重復步驟1)直至距離單元達到最大。

4 仿真實驗

仿真條件:2個大目標徑向做勻速運動，目標參數為 R1=1 km，R2=2 km;v1=1 m/s，v2=30 m/s;分別位于0°和18°。經雷達程序仿真得到二次FFT部分數據，如表2所示。

根據仿真數據畫出的目標位置如圖4所示，運用算法去虛警后的目標位置如圖5所示。

從仿真數據上看，在大目標主瓣上，2次FFT后的數值很大。在確定存在旁瓣大目標虛警后，利用天線方向圖特性，確定2次FFT最大值方向為真實的大目標方向。

表2 二次FFT仿真數據

圖4 去虛警前兩大目標的位置

圖5 去虛警后兩大目標的位置

5 結束語

研究了旁瓣大目標虛警的確定以及消除方法，對結合某項目的雷達信號處理方法得到的處理數據進行仿真，驗證了方法的可行性。在牽涉到如直升機之類的高速目標時，在連續頻點掃描過程中，相隔1個方位向的時間內，目標可能已經運動了幾個距離單元，這對大目標及其虛警的判定比較困難，下一步將重點研究。

［1］林儉芳.國外便攜式戰場偵察雷達的現狀與發展趨勢［J］.中國雷達，2009(2):27-29.

［2］Lighthart L P，Nieuwkerk L R.System aspects of a solidstate FM-CW weather surveillance radar［C］//Conference Proceeding，IEE Int，Radar Conf.London:［s.n.］，1997:112-115.

［3］丁鷺飛.雷達原理［M］.西安:西安電子科技大學出版社，2010.

［4］［美］Mark A.Richards.雷達信號處理基礎［M］.北京:電子工業出版社，2008.

［5］［美］Merrill.Skolnik.雷達系統導論［M］.北京:電子工業出版社，2006.

［6］何友，關鍵，彭應寧，等.雷達自動檢測與恒虛警處理［M］.北京:清華大學出版社，1999.