基于長時間積累的低可觀測目標(biāo)檢測方法

李劍　丁智青　楊輝

摘 要： 雷達(dá)信號的有效長時間積累是檢測低可觀測目標(biāo)的一種常用方法，可以在不改變系統(tǒng)硬件的同時大大提高信噪比，以增加雷達(dá)威力。但是，在較長的積累時間下，快速機(jī)動目標(biāo)有可能會帶來距離走動、多普勒擴(kuò)散等問題，嚴(yán)重影響檢測性能。為解決上述問題，提出了一種段內(nèi)相干積累段間非相干積累的方法，避免出現(xiàn)多普勒擴(kuò)散，有效地矯正了距離走動，具有良好的性能。

關(guān)鍵詞： 低可觀測目標(biāo)； 相參積累； 非相參積累； 距離走動； 多普勒擴(kuò)散

中圖分類號： TN911.31?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）05?0004?04

0 引 言

雷達(dá)系統(tǒng)中的低可觀測目標(biāo)是針對目標(biāo)的雷達(dá)反射截面積（RCS）而言的，隨著隱身技術(shù)的日趨成熟，隱身目標(biāo)相比于普通目標(biāo)，被雷達(dá)發(fā)射電磁波照射時的后向散射回波強(qiáng)度明顯變小，一般來說RCS會下降10～20 dB，這會導(dǎo)致常規(guī)雷達(dá)的作用距離縮短到原來的[12～13，]使其探測性能大大降低。通常可以通過增大發(fā)射功率，提高天線孔徑及增益等措施來彌補(bǔ)，但考慮到設(shè)計成本和實(shí)現(xiàn)難度，這些方法的效果是有限的。因此不改變系統(tǒng)硬件，利用信號處理的方法來實(shí)現(xiàn)對低可觀測目標(biāo)的檢測手段靈活，成本較低，具有較好的應(yīng)用前景。

雷達(dá)信號的有效的長時間積累可以在不改變系統(tǒng)硬件的同時大大增加雷達(dá)的威力，對于微弱信號的檢測，通常可以延長積累時間以增加實(shí)際利用的目標(biāo)能量，達(dá)到提高信號信噪比的要求。隨著積累時間延長，勻速運(yùn)動的目標(biāo)會發(fā)生距離走動，而進(jìn)行轉(zhuǎn)向或加減速等機(jī)動運(yùn)動的目標(biāo)，除了距離走動還會產(chǎn)生多普勒擴(kuò)散等問題。本文提出了一種段內(nèi)相干積累段間非相干積累的方法，段內(nèi)相干積累時不產(chǎn)生多普勒擴(kuò)散，段間非相干積累時進(jìn)行距離補(bǔ)償，這樣就解決了長時間積累帶來的跨距離單元與跨多普勒單元的問題。

1 問題描述與本文的方法

有效的長時間積累增加實(shí)際利用的目標(biāo)能量，提高目標(biāo)的信噪比，但同時帶來了跨距離單元與跨多普勒單元的問題。引起距離走動的原因是在長的積累時間內(nèi)，由目標(biāo)運(yùn)動引起的距離變化大于雷達(dá)的距離分辨率，導(dǎo)致目標(biāo)本來就很小的回波能量分散到了很多的距離單元上，難以使目標(biāo)的能量聚集到一點(diǎn)上，給目標(biāo)檢測帶來了嚴(yán)重的影響。圖1為目標(biāo)速度為500 m/s時距離走動的示意圖，假設(shè)雷達(dá)的脈沖重復(fù)頻率為500 Hz，發(fā)射信號帶寬為3 MHz，則對應(yīng)的距離分辨率為50 m。當(dāng)速度為500 m/s時，目標(biāo)運(yùn)動0.1 s會發(fā)生距離走動，即50個脈沖所對應(yīng)的時間。如圖1所示，當(dāng)積累時間為2 s，即1 024個脈沖時，目標(biāo)總共走動了20個距離單元。

在長時間積累中，目標(biāo)的運(yùn)動不能看成是簡單的勻速運(yùn)動，而是以復(fù)雜的機(jī)動方式進(jìn)行運(yùn)動，所以整個過程中目標(biāo)的多普勒頻率不是一個單頻，而是有多個頻率點(diǎn)。這樣，當(dāng)進(jìn)行相干積累時，目標(biāo)回波能量就會分散在多個多普勒通道中，導(dǎo)致了信號能量的擴(kuò)散，同樣給目標(biāo)檢測帶來了嚴(yán)重的影響。圖2為多普勒擴(kuò)散的示意圖。

由于檢測前目標(biāo)速度未知，一般要對目標(biāo)可能出現(xiàn)的所有速度進(jìn)行補(bǔ)償，這就需要大量的補(bǔ)償通道，導(dǎo)致了巨大的運(yùn)算量，距離補(bǔ)償效果和所需要的運(yùn)算量此消彼長，實(shí)際應(yīng)用中必須有所取舍；對于高速機(jī)動目標(biāo)而言，其多普勒擴(kuò)散基本沒有規(guī)律可言，所以對其的補(bǔ)償尤為困難。

對靜止或者低速運(yùn)動目標(biāo)而言，相干積累是最有效的提高信噪比的方法，經(jīng)上述分析，它對高速機(jī)動目標(biāo)的積累的效果不理想。這里提出一種成為段內(nèi)相干積累段間非相干積累的方法。假設(shè)積累時間內(nèi)的脈沖總數(shù)為M，將這M個脈沖分為K段，每一段內(nèi)有[MK=N]個脈沖，分別對每段中的N個脈沖進(jìn)行相干積累，得到K組相干積累結(jié)果。根據(jù)假定的速度分別對每段結(jié)果進(jìn)行距離走動補(bǔ)償，對補(bǔ)償后的數(shù)據(jù)進(jìn)行段間的非相參積累，得到最終的積累結(jié)果。

在對脈沖進(jìn)行分段時需要注意，每段內(nèi)的脈沖在進(jìn)行相干積累時不能產(chǎn)生多普勒擴(kuò)散，這就要求段內(nèi)相參積累的多普勒分辨單元，即使目標(biāo)速度有變化也不會跨速度單元。此外在每段的相參積累時間內(nèi)，目標(biāo)移動的距離不能超過一個距離單元，這就要求相參積累時間不能過長。經(jīng)過上述兩個約束，就能使目標(biāo)的回波能量經(jīng)過段內(nèi)相干積累聚集到一點(diǎn)，之后的非相干積累才能有效地聚集目標(biāo)能量。

此方法不僅能有效地檢測目標(biāo)，而且原理十分簡單，易于工程實(shí)現(xiàn)。首先，非相干積累雖然不能防止距離走動，但對其進(jìn)行距離補(bǔ)償非常容易，從硬件可實(shí)現(xiàn)上考慮，對所有脈沖進(jìn)行相干積累的運(yùn)算量與存儲量太大，所以相干積累與非相干積累相結(jié)合的方法較為合理。其次，段內(nèi)短時間的相干積累使得多普勒分辨單元較寬，相當(dāng)于將速度單元“粗粒化”，避免了目標(biāo)由于速度變化產(chǎn)生跨速度單元的現(xiàn)象。此方法本身就可以防止目標(biāo)的速度分裂，解決了跨速度單元的問題。這時候，相干積累脈沖數(shù)少，速度單元較寬，目標(biāo)的速度變化不大時，仍落在一個速度單元中。把多個時間段的各組數(shù)據(jù)的相干積累結(jié)果的模值累加，實(shí)現(xiàn)非相干積累也不會發(fā)生速度分裂。本方法的難點(diǎn)是如何進(jìn)行距離補(bǔ)償并保證雷達(dá)作用距離。

下面用具體例子來描述所提算法的實(shí)現(xiàn)方案。假設(shè)雷達(dá)脈沖重復(fù)頻率為500 Hz，信號帶寬為3 MHz，目標(biāo)最大徑向速度為500 m/s。對應(yīng)的距離分辨率為50 m，脈沖重復(fù)周期為2 ms，可以算出目標(biāo)運(yùn)動0.1 s會發(fā)生距離走動，因此每段段內(nèi)相干積累脈沖數(shù)應(yīng)小于50，考慮到基于FFT的多普勒濾波器組的相參積累，選取段內(nèi)相參積累脈沖數(shù)為32。取的脈沖數(shù)太少，相應(yīng)的非相干積累次數(shù)就會增加，從而增大積累損失。此外相干積累脈沖數(shù)為32時，多普勒分辨單元寬度約為15.6 Hz，可以防止高速目標(biāo)速度變化帶來的多普勒擴(kuò)散。

2 性能分析與仿真實(shí)驗

用上述方法進(jìn)行長時間積累時某些段內(nèi)有可能發(fā)生距離走動，這種情況稱為補(bǔ)償不完全的段內(nèi)相干段間非相干積累。下面分別將補(bǔ)償完全、不完全的部分相干積累與理想情況下的全相干積累做對比。

假設(shè)多普勒頻率[fd]恒定不變，不發(fā)生多普勒頻率單元走動，假設(shè)距離補(bǔ)償完全，分別做相干積累和補(bǔ)償完全的部分相干積累，結(jié)果如圖5所示。可見信號功率沒有損失，相干積累和部分相干積累都是在補(bǔ)償完全的情況下做的，所以積累得到的信號功率一樣，兩種方法的積累效果相同。但因為非相干積累的噪聲功率較高，使部分相干積累的信噪比低于全相干積累。

假設(shè)多普勒頻率[fd]恒定不變，不考慮多普勒頻率單元走動，分別做相干積累和補(bǔ)償不完全部分相干積累，結(jié)果如圖6所示。

相干積累時補(bǔ)償完全，且[fd]不變，其信號積累的功率是最大的，不隨速度而變；部分相干積累在補(bǔ)償時要權(quán)衡把包含走動的第[i]個回波的第[[i32]+1]段算到上一段（第[[i32]]段）所在的距離單元還是下一個距離單元進(jìn)行補(bǔ)償，按照多數(shù)點(diǎn)的歸屬來補(bǔ)償，就會把一部分回波的能量損失掉，造成誤差。隨著速度的增大，誤差趨于越大，這種損失也越大，這就使得功率呈下降趨勢。幾乎每個點(diǎn)都存在著或大或小的補(bǔ)償不完全。

功率隨速度下降中，有幾個點(diǎn)的功率又接近相干積累的值，還有幾個功率點(diǎn)又很小。這都是由于校正距離走動時誤差的波動引起的。功率大的點(diǎn)，是緣于在這種速度下，距離走動正好發(fā)生在段與段之間，段內(nèi)幾乎沒有距離走動，也就沒有補(bǔ)償誤差，無功率損失。功率較小的點(diǎn)，是緣于在這種速度下，距離走動正好發(fā)生在各段的正中間，每個段內(nèi)的一半脈沖和另一半脈沖位于兩個距離單元，補(bǔ)償誤差最大，功率損失也最嚴(yán)重。

信號帶寬對積累效果的影響不容忽視。帶寬越大，距離分辨率越高，對應(yīng)同一速度的距離走動越嚴(yán)重，這樣部分相干積累距離補(bǔ)償時的誤差增大，信號功率損失增多。

3 結(jié) 論

為了實(shí)現(xiàn)對低可觀測目標(biāo)的檢測，本文提出了一種段內(nèi)相干積累段間非相干積累的長時間積累方法。該方法能有效地校正距離走動并避免出現(xiàn)多普勒擴(kuò)散，能有效地積累目標(biāo)的能量，提高信噪比。本方法原理簡單，運(yùn)算量小，易于今后的工程實(shí)現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

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[3] 吳兆平，何學(xué)輝，蘇濤.帶有距離走動和多普勒擴(kuò)散的高速運(yùn)動目標(biāo)檢測[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報，2010，31（4）：476?480.

[4] 王俊，張守宏.微弱目標(biāo)積累檢測的包絡(luò)移動補(bǔ)償方法[J].電子學(xué)報，2000，28（12）：55?59.

[5] 陳建軍，王盛利.超高速運(yùn)動目標(biāo)回波及其對雷達(dá)檢測的影響[J].現(xiàn)代雷達(dá)，2007，29（8）：60?63.

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假設(shè)多普勒頻率[fd]恒定不變，不發(fā)生多普勒頻率單元走動，假設(shè)距離補(bǔ)償完全，分別做相干積累和補(bǔ)償完全的部分相干積累，結(jié)果如圖5所示。可見信號功率沒有損失，相干積累和部分相干積累都是在補(bǔ)償完全的情況下做的，所以積累得到的信號功率一樣，兩種方法的積累效果相同。但因為非相干積累的噪聲功率較高，使部分相干積累的信噪比低于全相干積累。

假設(shè)多普勒頻率[fd]恒定不變，不考慮多普勒頻率單元走動，分別做相干積累和補(bǔ)償不完全部分相干積累，結(jié)果如圖6所示。

相干積累時補(bǔ)償完全，且[fd]不變，其信號積累的功率是最大的，不隨速度而變；部分相干積累在補(bǔ)償時要權(quán)衡把包含走動的第[i]個回波的第[[i32]+1]段算到上一段（第[[i32]]段）所在的距離單元還是下一個距離單元進(jìn)行補(bǔ)償，按照多數(shù)點(diǎn)的歸屬來補(bǔ)償，就會把一部分回波的能量損失掉，造成誤差。隨著速度的增大，誤差趨于越大，這種損失也越大，這就使得功率呈下降趨勢。幾乎每個點(diǎn)都存在著或大或小的補(bǔ)償不完全。

功率隨速度下降中，有幾個點(diǎn)的功率又接近相干積累的值，還有幾個功率點(diǎn)又很小。這都是由于校正距離走動時誤差的波動引起的。功率大的點(diǎn)，是緣于在這種速度下，距離走動正好發(fā)生在段與段之間，段內(nèi)幾乎沒有距離走動，也就沒有補(bǔ)償誤差，無功率損失。功率較小的點(diǎn)，是緣于在這種速度下，距離走動正好發(fā)生在各段的正中間，每個段內(nèi)的一半脈沖和另一半脈沖位于兩個距離單元，補(bǔ)償誤差最大，功率損失也最嚴(yán)重。

信號帶寬對積累效果的影響不容忽視。帶寬越大，距離分辨率越高，對應(yīng)同一速度的距離走動越嚴(yán)重，這樣部分相干積累距離補(bǔ)償時的誤差增大，信號功率損失增多。

3 結(jié) 論

為了實(shí)現(xiàn)對低可觀測目標(biāo)的檢測，本文提出了一種段內(nèi)相干積累段間非相干積累的長時間積累方法。該方法能有效地校正距離走動并避免出現(xiàn)多普勒擴(kuò)散，能有效地積累目標(biāo)的能量，提高信噪比。本方法原理簡單，運(yùn)算量小，易于今后的工程實(shí)現(xiàn)。

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假設(shè)多普勒頻率[fd]恒定不變，不發(fā)生多普勒頻率單元走動，假設(shè)距離補(bǔ)償完全，分別做相干積累和補(bǔ)償完全的部分相干積累，結(jié)果如圖5所示。可見信號功率沒有損失，相干積累和部分相干積累都是在補(bǔ)償完全的情況下做的，所以積累得到的信號功率一樣，兩種方法的積累效果相同。但因為非相干積累的噪聲功率較高，使部分相干積累的信噪比低于全相干積累。

假設(shè)多普勒頻率[fd]恒定不變，不考慮多普勒頻率單元走動，分別做相干積累和補(bǔ)償不完全部分相干積累，結(jié)果如圖6所示。

相干積累時補(bǔ)償完全，且[fd]不變，其信號積累的功率是最大的，不隨速度而變；部分相干積累在補(bǔ)償時要權(quán)衡把包含走動的第[i]個回波的第[[i32]+1]段算到上一段（第[[i32]]段）所在的距離單元還是下一個距離單元進(jìn)行補(bǔ)償，按照多數(shù)點(diǎn)的歸屬來補(bǔ)償，就會把一部分回波的能量損失掉，造成誤差。隨著速度的增大，誤差趨于越大，這種損失也越大，這就使得功率呈下降趨勢。幾乎每個點(diǎn)都存在著或大或小的補(bǔ)償不完全。

功率隨速度下降中，有幾個點(diǎn)的功率又接近相干積累的值，還有幾個功率點(diǎn)又很小。這都是由于校正距離走動時誤差的波動引起的。功率大的點(diǎn)，是緣于在這種速度下，距離走動正好發(fā)生在段與段之間，段內(nèi)幾乎沒有距離走動，也就沒有補(bǔ)償誤差，無功率損失。功率較小的點(diǎn)，是緣于在這種速度下，距離走動正好發(fā)生在各段的正中間，每個段內(nèi)的一半脈沖和另一半脈沖位于兩個距離單元，補(bǔ)償誤差最大，功率損失也最嚴(yán)重。

信號帶寬對積累效果的影響不容忽視。帶寬越大，距離分辨率越高，對應(yīng)同一速度的距離走動越嚴(yán)重，這樣部分相干積累距離補(bǔ)償時的誤差增大，信號功率損失增多。

3 結(jié) 論

為了實(shí)現(xiàn)對低可觀測目標(biāo)的檢測，本文提出了一種段內(nèi)相干積累段間非相干積累的長時間積累方法。該方法能有效地校正距離走動并避免出現(xiàn)多普勒擴(kuò)散，能有效地積累目標(biāo)的能量，提高信噪比。本方法原理簡單，運(yùn)算量小，易于今后的工程實(shí)現(xiàn)。

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