一種解決噪聲連續波雷達泄漏的新方法

陳金立 顧 紅 蘇衛民

（1.南京信息工程大學電子與信息工程學院，江蘇 南京210044；2.南京理工大學電子工程與光電技術學院，江蘇 南京210094）

引 言

連續波（CW）體制雷達與脈沖體制雷達相比具有雷達設備體積小、重量輕、發射功率低、測速性能良好和低截獲等特點［1－2］。噪聲雷達是一種以微波噪聲作為發射信號的雷達，其模糊函數是理想的“圖釘形”，這使得它具有無模糊測距、測速性能和良好的距離、速度分辨率［3］。相比周期性信號雷達，噪聲雷達由于其發射信號的隨機性，因此，具有十分優良的低截獲概率、電磁兼容性和抗射頻干擾以及電子反對抗性能［3－5］，在軍事領域獲得了廣泛的應用［3－6］。在電子干擾日益復雜的現代高科技戰爭背景下，同時兼顧噪聲雷達和連續波雷達優勢的噪聲連續波雷達的研究越來越受到人們的關注［7－9］。

連續波雷達采用發射機和接收機同時工作的方式，連續波泄漏問題是它一個明顯的缺點，嚴重制約了其發展和應用范圍。目前主要有以下幾種方法用來解決連續波雷達的泄漏問題：1）提高收發天線之間的隔離度，但在工程技術上難以通過微波器件將收發隔離度做得很高；2）選擇合適的準連續波發射信號形式［10－11］，雖在一定程度上能抑制連續波的泄漏，但是對于收發共用天線的雷達，發射期間不接收必然會存在一些目標的回波不能被完全接收問題，即目標回波遮擋問題，這會使雷達所接收到的目標回波信號能量大大降低，導致信號處理增益損失，影響目標的檢測；3）在微波、中頻或視頻采用各種對消技術以消除連續波的泄漏［12－15］，但是這些方法主要用于周期信號連續波雷達的泄漏抑制，而在噪聲連續波雷達中，這類泄漏對消方法的研究很少見報道。由于發射信號的隨機性，噪聲連續波雷達的發射泄漏信號經脈壓相關處理后的距離旁瓣覆蓋整個多譜勒頻率范圍，形成一片很強的“噪聲基底”，影響噪聲連續波雷達對目標的探測。文獻［16］提出了一種雙隨機碼準連續波雷達，這是一種噪聲準連續波雷達，它在隨機調相連續波發射信號基礎上采用隨機調幅斷續技術來克服連續波雷達的泄漏問題。其實，噪聲準連續波雷達的發射波形經占空比近似為0.5隨機二相碼調幅斷續后，在時域上是不再連續的，類似于脈沖雷達的發射波形。因此，為了解決泄漏問題，該雷達僅僅是脈沖雷達和連續波雷達之間的一種折衷，不能完全體現出連續波雷達所具有的優勢。此外，噪聲準連續波雷達在發射機和接收機處分別利用收發（T／R）開關控制信號的發射和接收，所需要的T／R收發開關個數多于單天線脈沖體制雷達，在文獻［16］中噪聲準連續波雷達使用了3個T／R微波器件來隔離連續波雷達的泄漏，這使得雷達系統的硬件復雜度和成本大大提高。

為此提出在噪聲連續波雷達中采用雙頻發射方式來對消泄漏信號，該雷達的發射噪聲波形采用雙頻發射，不同載頻中心的發射信號占用不同的頻帶，接收端能夠通過濾波的方法分離出對應不同載頻的回波。在雙頻發射噪聲連續波雷達中兩種不同載頻調制的回波分別被分離到兩個通道中，然后利用脈壓－快速傅里葉變換（FFT）方法分別對兩個通道的回波數據進行處理，并對頻譜數據進行取模處理。泄漏信號是由于發射信號直接泄漏到接收機而產生的，不存在多普勒頻率調制，因此，兩分離通道中泄漏信號的脈壓－FFT頻譜輸出值取模后相等；而運動目標由于發射載頻的不同，使得在兩個分離通道中其回波的多普勒頻率存在差異，則其取模后的脈壓－FFT頻譜輸出值在兩分離通道中不相等，因此將兩個通道的脈壓－FFT頻譜輸出數據取模后相減就可對消泄露信號，使得目標能夠顯現出來。雙頻發射噪聲連續波雷達仍能保持發射信號的時域連續性，具有噪聲連續波雷達的優良特點，并且它的泄漏抑制能力優于噪聲準連續波雷達，仿真結果證明了其有效性。

1 信號模型

假設噪聲雷達發射的雙頻噪聲信號分別是載頻為f1和f2的噪聲調頻連續波信號，其中f2＝f1＋Δf，Δf為雙頻信號的頻率差，使得不同發射頻率的發射信號占用不同的頻帶，相互不重疊。這里假設頻率差足夠小，目標回波頻率分集效應可以忽略，即針對同一目標的兩個頻率回波信號具有相同的復反射系數。

圖1為噪聲雷達雙頻發射的框圖，其中噪聲調頻基帶信號sb（t）為［2］

圖1 噪聲雷達雙頻發射的框圖

不同發射頻率的發射信號占用不同的頻帶，在接收端能夠通過濾波的方法進行分離。

連續波雷達存在較強的來自發射機的信號，直接耦合到接收機，假設存在N個運動目標，Rn和vn表示第n個目標距離雷達的距離和徑向速度，那么雙頻發射噪聲連續波雷達所接收到的回波信號可表示為

式中，Sr1（t）和Sr2（t）分別對應兩發射頻率的回波信號，且有

式中：trn＝2Rn／c為第n個目標的距離延時；c為光速；＝2vnc／fi表示第n個目標對應發射頻率fi（i＝1，2）的多普勒頻率，顯然≠；αn表示第n個目標反射回波復系數，包含了傳播衰減和雷達截面積等因素；β1和β2分別為兩發射載頻所調制的泄漏信號復系數，其中泄漏信號強度遠遠大于目標信號強度，由于發射機和接收機在同一雷達站，相距很近，因此，泄漏信號的傳輸通道比較穩定，可以認為兩種泄露信號的強度相等，即而β1和β2的相位由于載頻的差異會在傳輸通道中有所不同。

2 雙頻發射泄漏抑制方法

在觀測周期內，式（3）中的接收信號分別乘以e－j2πf1t和e－j2πf2t，然后使相乘后獲得的信號通過低通濾波器（LPF），并進行模數（A／D）轉換采樣，設采樣頻率fs＝1／τ，其中τ為采樣間隔時間，最后得到兩路通道信號為：

式中rn為距離延時trn所對應的目標距離門。回波數據Sr1（k）以脈沖壓縮長度P 分組，第l（l＝1，2，…，L）組數據與第r距離門上的參考信號sb（k）（即基帶發射信號）進行脈壓后的輸出可表示為

式中：

對式（6）的脈壓數據按距離門進行FFT處理，可得

由于泄漏信號的強度遠遠大于目標信號，因此R′Le1（r，fd）?R′Ta1（r，fd），即噪聲連續波雷達的發射泄漏信號經脈壓相關處理后的距離旁瓣覆蓋整個多譜勒頻率范圍，形成一片很強的“噪聲基底”，掩蓋了目標。對脈壓－FFT處理后的數據進行取模處理，由于R′Le1（r，fd）?R′Ta1（r，fd），即得

同樣地，將另一個分離通道中的數據Sr2（k）也作脈壓－FFT處理，并將頻譜輸出數據作取模處理，可得

式中：R′Ta2（r，fd）＝FFT［RTa2（r，l）］；

即泄露信號在兩通道中的脈壓－FFT輸出頻譜值取模后相等。將兩個通道取模后的脈壓－FFT輸出頻譜數據R″1（r，fd）和R″2（r，fd）進行相減，可得

由式（13）可知，將兩通道的脈壓－FFT處理后的頻譜數據取模后相減，就可完全對消泄漏信號及其所產生的“噪聲基底”。雙頻發射使得在兩通道中的運動目標回波多普勒頻率存在差異，因而它們的脈壓－FFT輸出頻譜值取模后也互不相同，所以兩通道數據相減操作不會完全對消目標信號。因此，將兩通道脈壓－FFT處理后的頻譜數據取模后進行相減對消處理，能夠有效抑制泄漏信號，使得運動目標能夠在泄漏信號所致的“噪聲基底”中顯現出來。由于該方法不需要估計信號參數來重構發射泄漏信號，因此，其泄漏抑制效果與泄漏信號重構的精確程度無關。

圖2 雙頻發射噪聲連續波雷達的泄露對消處理框圖

圖2為雙頻發射噪聲連續波雷達的泄露對消處理框圖。在兩個通道中，目標峰值在多普勒頻率軸上存在頻移由于載頻差Δf?f0，因此，兩者的頻移量Δfdn很小，那么兩通道數據進行相減操作對目標速度檢測的影響可以認為忽略不計。

雙頻發射泄漏對消方法利用兩個載頻所調制的泄漏信號的脈壓－FFT頻譜輸出數據取模相等這一特點，將兩個載頻分離通道中取模后的脈壓－FFT頻譜數據相減，可有效消除泄漏信號及其所產生的“噪聲基底”；而運動目標由于發射載頻的不同，使得其在兩分離通道中的多普勒頻率存在差異，則其取模后的脈壓－FFT頻譜輸出值在兩個分離通道中也不相等，因此，將兩通道數據相減后能夠保留目標信號。由式（13）可知，該方法的歸一化速度響應特性可近似表示為

圖3 雙頻發射泄漏對消方法的速度響應特性曲線圖

圖3為雙頻發射泄漏對消方法在不同載頻差Δf時的速度響應特性曲線圖，其中f1＝10GHz，f2＝f1＋Δf，P＝300，L＝1 024，τ＝25ns.由圖3可知，該方法隨著載頻差Δf的增大，其檢測慢速目標的能力會隨之增強，且無盲速問題。

3 實驗結果分析

通過設計仿真實驗來驗證噪聲連續波雷達采用雙頻發射方法對泄漏抑制的有效性。設置雙頻發射噪聲連續波雷達的兩個載波頻率分別為f1＝10 GHz、f2＝10.02GHz，雷達發射窄帶噪聲調頻連續波信號，信號帶寬B＝2MHz，脈沖壓縮器個數為1 024，脈沖壓縮器寬度TR＝4.5μs，采樣頻率fs＝40MHz，則脈沖壓縮長度P＝180.假設存在3個運動目標，參數設置見表1.假設兩個發射載頻所調制的泄漏信號復系數的相位分別為arg（β1）＝0，arg（β2）＝π／5，兩者的信噪比均為120dB，即，其中σ2為噪聲功率。

表1 目標參數設置

圖4為噪聲連續波雷達未經泄漏抑制的脈壓－FFT頻譜輸出結果圖。由于泄漏信號能量遠大于目標，導致目標淹沒在大功率泄漏信號的距離旁瓣中，嚴重影響了雷達對目標的檢測。圖5為雙頻發射噪聲連續波雷達經泄漏抑制后的脈壓－FFT頻譜輸出結果圖，圖6（a）、（b）、（c）分別為3個目標在目標距離門上的速度截面圖，目標的速度測量值與真實值比較接近。從圖5和圖6可以看出，信號強度遠大于目標信號的泄漏信號已經得到了有效地抑制，雷達能夠有效檢測出觀測空域的3個目標。文獻［16］所提出的噪聲準連續波雷達在發射機發射時的收發隔離度只能達到90dB，而在本仿真中雙頻發射噪聲連續波雷達能夠有效抑制信噪比為120dB的泄漏信號，使得目標能夠在泄漏信號所致的“噪聲基底”中顯現出來。

圖6 目標距離門上的速度截面圖

雙頻發射噪聲連續波雷達是在信號處理過程中來消除發射泄漏信號，為了避免強泄漏信號在接收機前端飽和中放，在實際工程應用中，雙頻發射噪聲連續波雷達可以在雙天線之間先通過微波器件進行收發隔離，然后再利用雙頻發射泄漏抑制方法對接收機所接收到的泄漏信號予以消除，這樣可以將收發隔離度做得更高，能夠滿足實際工程中的需要。

4 結 論

噪聲連續波體制雷達可對目標高精度測量以及無模糊測距和測速，特別是其具有低截獲概率雷達的潛在優勢，從而越來越受到人們的廣泛關注。發射泄漏問題是限制該體制雷達發展和應用的一個關鍵問題，雙頻發射泄漏抑制方法利用兩個載頻所調制的泄漏信號的脈壓－FFT頻譜輸出數據取模后相等這一特性，能夠有效消除泄漏信號對目標檢測的影響。與傳統的解決噪聲連續波雷達泄漏的方法—隨機調幅斷續技術相比較，該方法在保留原有噪聲連續波雷達的信號特點基礎上擁有更好的泄漏抑制能力，在工程應用中具有一定的參考價值。

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