一種高速運動目標長時間積累方法

摘 要： 針對高速運動目標相位編碼回波信號不能進行長時間相參積累，提出雙頻共軛處理方法，該方法采用雙頻共軛及Keystone變換處理，同時解決高速運動目標越距離單元走動及速度模糊，實現信號的有效相參積累。采用兩目標回波仿真數據進行實驗，實驗結果表明了該方法的有效性。

關鍵詞： 相參積累； Keystone變換； 速度模糊； 越距離單元走動

中圖分類號： TN955?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）13?0028?03

Long?term integration method of high?velocity moving target

ZHANG Tao1， Lü Yan?wei1， ZHANG Lin1， WANG Xiao?dong2

（1. The 27th Research Institute， China Electronics Technology Group Corporation， Zhengzhou 450047， China；

2. Air Defense Force College of PLA， Zhengzhou 450052， China）

Abstract： Since the phase?coded echo signal of high?velocity moving target can’t be long?term coherent integration， a method of double?frequency conjugate processing is proposed in this paper， in which the double?frequency conjugate processing and Keystone transform are adopted to solve the range migration and velocity ambiguity of high?velocity moving target simultaneously and realize effective coherent integration. The two targets echo simulation signals were used in experiment. The experimental results indicate that the method is effective.

Keywords： coherent integration； Keystone transform； velocity ambiguity； range migration

0 引 言

微弱信號的檢測和跟蹤是當前雷達領域的難點之一，雷達信號的相干積累，可極大地改善目標的檢測信噪比。但是，當目標運動速度較高時，相干積累時間有限，長時間相干積累時目標會產生越距離單元走動問題，為獲得長相干積累時間，需進行距離走動校正處理。Keystone變換是校正越距離單元走動的常用方法[1?10]，文獻[2]采用Keystone變換可有效補償越距離單元走動，但是當運動目標存在多普勒模糊時，需要預置模糊數。文獻[4?5]利用雙頻共軛處理解決運動目標速度模糊問題，將該方法用于空中動目標成像。文獻[6]針對相位編碼信號，采用Keystone變換實現回波信號的長時間相干積累，但該方法需要預估模糊數來求解速度模糊。

相位編碼信號是雷達常用的脈沖壓縮信號，相位編碼信號采用偽隨機編碼技術，具有良好的低截獲特性，抗干擾性能好。本文在目標徑向速度對相位編碼信號脈壓性能可忽略的前提下，針對相干積累過程中越距離單元走動以及速度模糊問題，采用雙頻共軛處理和Keystone變換，實現相位編碼雷達信號的長時間相干積累，提高運動目標的檢測性能，仿真實驗驗證了該方法的有效性。

1 回波信號模型

采用巴克碼作為相位編碼信號，[M]位巴克碼為二相編碼信號，脈寬為[Tp]的脈沖被分成[M]個寬度為[Ts]的子脈沖，每個子脈沖相位為0或[π]，則雷達發射的基帶信號可以表示為：

[u（t）=q=0M-1rectt-qTsTsexp（jπbq）] （1）

式中：[rect（?）]為矩形脈沖信號；[bq]為取值0或1的巴克碼。

設在遠處有一個勻速直線運動的點目標，則第[n]個脈沖的基帶回波信號為[s（t，n）]：

[s（t，n）=Au（t-τn）exp（-j2πfcτn）] （2）

式中：[A]為目標回波幅度；[t=t-nTr]表示快時間；[Tr]為脈沖重復周期；[fc]為載波頻率；[τn=2R0+vnTrc]為第[n]個脈沖回波時延，[R0]為第一個發射脈沖時刻目標與雷達的相對距離，[v]為雷達與目標的徑向速度。

脈壓后的信號頻譜為：

[So（f，n）=AP（f）P?（f）exp[-j2π（f+fc）τn] =AP（f）2exp-j4πcR0（f+fc）×exp-j4πc（f+fc）vnTr] （3）

式中[P（f）]為相位編碼脈沖信號的頻譜。

相應的時域信號為：

[so（t，n）=A?psf（t-τn）exp（-j2πfcτn）] （4）

式中：[psf（t）=F-1（f）P（f）2]，為點散布函數。

由式（4）可見，各脈壓信號的峰值位置位于[τn]處，發射脈沖不同，回波的延遲時間也不同，則脈壓后信號峰值在距離軸上的位置不同，即發生了距離走動。發射信號帶寬越大，目標速度越高，距離走動越明顯。距離走動使得回波信號能量分散到不同距離分辨單元，從而大大降低雷達檢測性能[1]。

二相編碼信號為多普勒敏感信號[6]，為了不影響脈壓性能，速度容限[v1]為：

[v1<λ8MTs] （5）

相干積累時間內，若目標速度引起的距離變化小于半個距離分辨單元，則可忽略距離走動影響，得速度容限[v2]：

[v2

其中[N]為脈沖積累個數。

本文研究目標速度[v]（[v2

2 基于雙頻共軛處理的距離走動校正方法

目標的距離走動校正可由Keystone變換[1]完成，Keystone變換借助內插的方法實現：

[Y（f，m）=Sof，fcfc+fm=nSo（f，n）sincfcfc+fm-n] （7）

在多普勒模糊的情況下，Keystone變換公式修正為：

[Y（f，m）=exp-j2πkfrfcfc+fmTr×nSo（f，n）sincfcfc+fm-n] （8）

式中，模糊數[k]定義為：

[2vc（fc+f）=kfr+fd， fd

Keystone變換可有效地去除低信噪比目標的距離走動，但當運動目標的速度較高，產生多普勒模糊時，Keystone變換的應用受到限制，使用雙頻共軛處理可解決上述問題[5]。假設雷達同時發射兩個載頻分別為[fc1]和[fc2]的相位編碼信號，雙頻共軛處理方法首先對回波信號進行脈沖壓縮，得：

[sr1（t，tn）=i=1QAi?psft-2Ri（tn）c×exp-j4πcfc1Ri（tn）] （10）

[sr2（t，tn）=i=1QAi?psft-2Ri（tn）c×exp-j4πcfc2Ri（tn）] （11）

式中[Q]為散射點個數。

將這兩個載頻對應的脈壓信號進行共軛相乘處理，共軛相乘的結果由各個散射點目標的自身項及交叉項組成，只要各散射點的斜距差大于一個距離分辨單元，交叉項可以忽略，得：

[sr（t，tn）=sr2（t，tn）?sr1?（t，tn）≈i=1QAi?psft-2Ri（tn）c2×exp-j4πc（fc2-fc1）Ri（tn）] （12）

對信號幅值開方，將功率量綱調整為電壓量綱，則式（12）轉化為：

[sr（t，tn）≈i=1QAipsft-2Ri（tn）c×exp-j4πc（fc2-fc1）Ri（tn）] （13）

信號[sr（t，tn）]等效中心頻率為[Δf]（[Δf=fc2-fc1]），該頻率遠小于信號載頻，這相當于雷達的等效工作波長大大增加，目標的多普勒頻率大大降低，從而避免了多普勒模糊，使得Keystone變換可能應用于目標速度較高的情況。若目標最大徑向速度為[Vmax]，為了避免多普勒模糊，則：

[Δf<14fr?cVmax] （14）

3 仿真實驗

仿真參數設置：雷達工作頻段Ku頻段，采用13位巴克碼，子碼脈沖寬度[Ts]=50 ns，脈沖重復周期[Tr]=100 μs，相干積累脈沖數[N=256，]雷達載頻[fc1]=16 GHz，[fc2]=16.1 GHz，目標1徑向速度[Vt1=]300 m/s，起始距離[R01=]1 000 m，目標2徑向速度[Vt2=]1 400 m/s，起始距離[R02]=1 500 m。

采用載頻1，對兩運動目標回波信號直接進行距離脈壓處理，回波信號直接距離脈壓處理后的結果如圖1（a）所示，由圖可見，兩個目標都存在距離走動現象，特別是高速運動目標2，距離走動更為明顯。采用本文方法對兩運動目標回波信號進行距離脈壓處理，距離脈壓處理后的結果如如圖 1（b）所示，由圖可見，兩個目標的距離走動都得到較好的校正，脈壓結果處于同一距離分辨單元。

圖1 回波信號距離脈壓處理結果比較

圖2（a）為256個脈沖直接相參積累的結果，由圖可見，目標1運動速度慢，跨距離門較少，直接相參積累性能稍差，目標2運動速度快，存在嚴重的距離走動現象，直接相參積累性能很差，影響后續目標檢測處理。圖2（b）為256個脈沖采用本文方法相參積累的結果，可以看出，兩個目標相參積累性能都有所提高，特別是高速運動目標2，采用本文方法積累后幅度明顯高于直接相參積累方法。

4 結 論

本文探討了高速運動目標的越距離單元走動以及速度模糊問題，針對相位編碼信號，提出了解決上述問題的方法，仿真結果驗證了本文方法的有效性。本文方法不需要知道目標的具體速度信息，可用于多目標環境，對于改善雷達對微弱高速運動目標的檢測性能具有一定的推動作用。

圖2 相參積累結果比較

參考文獻

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