外輻射源雷達運動目標信號特性及檢測方法研究?

葉映宇,文鐵牛,陳 俊,文童光

(成都中電錦江信息產業有限公司,四川成都610051)

0 引言

基于雙基地連續波體制的短波外輻射源雷達系統以調幅廣播信號為非合作照射源,可選輻射源多,選臺靈活,具有頻段反隱身、隱蔽性好、生存能力強等優點[1-2],成為雷達領域研究的熱點方向。由于短波廣播信號需傳播上千公里,經目標反射后,目標回波信號強度很弱,對目標檢測需要長時間積累以獲得必要的信噪比,積累時間可達數十秒以上,目標長時間運動引起距離徙動和多普勒徙動。對于勻速運動目標,目標方位、仰角的改變引起多普勒頻率的變化;對于機動目標,目標速度大小、方向的變化引起多普勒速度變化。脈沖體制雷達主要表現為跨距離徙動,而短波外輻射源雷達系統基于連續波體制,目標長時間運動引起多普勒頻率徙動[3-4]。目前主要采取運動補償等措施解決多普勒頻率徙動的問題。這些措施主要包括分數階傅里葉變換法、基于Wigner-Hough變換的檢測方法和檢測前跟蹤等[5]。本文根據外輻射源雷達回波信號的特點,利用多項式擬合進行多普勒運動補償,實現微弱回波信號檢測,通過仿真分析和試驗系統驗證了該方法在長積累時間內對運動目標仍具有較好的檢測性能。

1 運動目標回波模型

雙基地短波外輻射源系統電波傳播路徑如圖1所示。

圖1 電波傳播路徑示意圖

短波電臺S發射單載頻連續波,經電離層反射后到達目標T的發射傳播路徑為Rt1,由目標T散射后達到接收站R的接收傳播路徑為Rt2。設電臺臺標頻率為fc,目標航速為V,目標航向與入射波方向夾角為θ1,目標航向與散射波方向夾角為θ2,則雙基地目標回波信號可表示為

式中,AR為回波幅度,fc為載頻,φ0為初相,n0(t)為高斯白噪聲。根據瞬時頻率定義有

式中,φ(t)為目標回波相位。由于短波電臺距離目標和接收站數千公里,接收站覆蓋區域內電臺來波方向可以認為處處相同,對于等高度勻速飛行目標發射多普勒fdt不變,所以雙基地目標多普勒頻率fd的變化近似為接收多普勒頻率fdr的變化。

只考慮接收站多普勒變化時,令運動目標相對接收站運動的幾何模型如圖2所示。以接收站為坐標原點,建立直角坐標系(x,y),假設目標開始時位于(0,R0),速度為V,目標初始位置的運動方向與雷達視線的夾角為θ0。

任意時刻目標在直角坐標系(x,y)的坐標為

圖2 目標運動幾何模型

則目標相對接收站的瞬時距離為

利用馬克勞林展開計算目標相對接收站運動引起的多普勒變化為

對于機動變速目標,由于目標高速及加速度的影響,目標徑向速度仍然存在加速度[6],回波信號也可以視為線性調頻信號。由于目標相對于雷達運動加速度的存在,相干積累時會出現多普勒譜展寬,在積累時間T內目標多普勒譜展寬為

2 基于運動補償的檢測算法

由上節討論可知,非徑向勻速直線運動目標回波模型可用線性調頻信號表示,即使機動目標在短時間內也可用線性調頻信號近似,若式中調頻斜率K已知,則可利用多項式擬合方法進行多普勒補償。通過對目標回波數據的運動補償提高回波信噪比,進而提高外輻射源雷達對微弱目標檢測的能力。檢測算法框圖如圖3所示。

2.1 運動補償原理

圖3 檢測算法框圖

非徑向目標回波信號形式如式(6)所示,則用exp(-jπKt2)對SR(t)進行補償,得到：

從式(8)中可以看出,運動補償后,目標在積累時間內保持恒定的多普勒頻率fd,則通過傳統的相參積累方法傅里葉變換可完成目標的時域積累。

通常所探測目標為非合作目標,目標運動航向航速等信息均未知,也就是參數K為未知量,需要對調頻斜率在一定范圍內進行定步長搜索。為減小運算量,本文采用一階多項式擬合補償目標運動引起的多普勒頻率變化,只需搜索一維參數(線性調頻斜率),易于工程實現。

搜索步長的選擇影響運動補償效果。假設目標在積累時間T內多普勒頻率變化為線性變化,則運動補償的理論損失取決于多普勒頻率變化斜率的搜索步長。圖4(a)為運動補償后目標頻譜,每個頻譜峰值對應不同搜索步長的積累效果;圖4(b)為不同搜索步長下的失配損失。

圖4 K參數通道失配損失

當搜索步長偏移0.05時,失配損失為1.7 dB,搜索步長取0.1,失配損失約為4 dB。綜合考慮系統所能承受的運算量和積累得益,運動補償的多普勒頻率變化率搜索步長取0.05。

2.2 補償效果仿真分析

本節利用仿真數據進行基于運動補償的檢測算法性能驗證,仿真參數如下：速度為3 Ma的切向運動目標,點頻回波信號,時長為10 s,距離分別為50 km,采用一階多項式擬合運動補償方法進行運動補償。目標多普勒展寬如圖5所示,運動補償后頻譜變化如圖6所示。

圖5 50 km處切向目標的多普勒展寬

圖6 補償后回波頻譜

2.3 檢測性能分析

對雷達回波數據進行上述檢測算法處理,由于CFAR檢測的虛警概率只與參考單元數及檢測門限有關,運動補償處理不改變噪聲分布特性,理論上也不會改變檢測算法的虛警率。為了驗證該檢測算法的性能,利用計算機仿真數據統計補償前后該檢測算法的虛警率和發現概率,如圖7所示。

圖7 補償前后檢測算法的檢測概率(虛警率4×10-3)

從圖7可以看出,基于多項式擬合的運動補償積累算法不改變檢測算法的虛警率,并且檢測性能優于直接積累的檢測性能。對于不同航向的目標均能有效積累增大信噪比,實現目標的有效檢測。

2.4 實采數據驗證

利用外輻射源試驗系統實測數據進行積累性能驗證,取目標多普勒頻率變化最大的一段回波數據,多普勒變化如圖8所示。圖8為二次雷達測得的目標多普勒信息,二次雷達顯示目標方位為-27°。

圖9為該段實采8個通道的回波數據。

首先對采集的10 s數據進行運動補償,為減少失配損失,K參數搜索步長取0.03,對補償后的數據進行FFT積累,再形成-27°自適應波束。圖10為運動補償參數K搜索通道功率譜,從圖中可以看出當K=-0.24 Hz時積累損失最小。

圖8 二次雷達目標多普勒信息

圖9 回波數據

圖10 運動補償參數K搜索通道功率譜

圖11為運動補償前后目標信噪比得益的比較,從圖中可以看出,通過運動補償后,目標信雜噪比提高了9.8 dB。選取的數據段多普勒變化范圍約為2 Hz,時長為10 s,考慮加窗引起的多普勒展寬,多普勒分辨單元約為0.133 Hz,則運動補償信噪比理論得益約為11.8 dB。引起補償損失的原因主要是：(1)由搜索步長量化產生的補償失配損失;(2)電離層波動造成目標回波強度起伏產生的信噪比損失。

圖11 運動補償前后目標信噪比得益

綜上所述,基于多項式擬合的運動補償方法通過對由目標運動引起的相位進行補償,再通過傅里葉變換實現微弱信號的長時間積累。利用仿真數據和試驗數據進行算法性能驗證,結果表明,經運動補償后目標信噪比顯著提高,實現了微弱信號長時間積累。

3 運算量分析

短波外輻射源信號處理框圖如圖12所示：從M根天線進入的信號分別進入M路接收機,經A/D采樣后進行信號處理。首先分別對各個通道數據進行以長度為積累時間t的分段處理,對每一段數據作K維參數搜索的基于多項式擬合的運動補償,形成參數通道 時間(K×M×t)三維數據結構;然后,對補償后的數據在時間維作N點FFT相參積累;再進行空域自適應濾波形成波束通道,此時數據結構為參數波束頻率(K×i×N)三維數據;對每個波束通道選大處理確定K參數后,對相應K通道數據進行CFAR檢測;最后進行點跡凝聚處理。

雙基地多普勒變化范圍是目標距離、高度、航速、航向、電臺方位和電臺來波入射波仰角的函數。目標最大航速為3 Ma,高度為0,處理時段中心為軌跡切向點,電臺方位為180°、電臺來波入射波仰角為0°時是雙基地多普勒頻率變化的上限：

電臺頻率fc=13.5 MHz,信號最小作用距離為5 km,目標最大航速為3 Ma,取K參數維搜索步長為0.1 Hz,則K參數范圍為[-6.5 Hz,6.5 Hz],K參數維通道數為130,即后續FFT、DBF和CFAR運算量增加130倍。

圖12 短波外輻射源系統信號處理框圖

4 結束語

在外輻射源雷達系統中,非合作照射源與非合作目標之間的運動導致回波信號很弱,傳統的相參積累方法無法對長時間運動目標有效積累。針對這一問題,本文首先建立了目標回波模型,并在此基礎上提出了基于多項式擬合的運動補償方法,該方法基于參數搜索方法,經仿真和實測數據驗證了該補償算法的有效性,在目標多普勒頻率變化較大時,該方法可以有效積累信號,提高信噪比。最后利用計算機建模仿真和真實目標數據驗證該積累檢測算法的檢測性能,并進行了運算量評估。結果表明該方法實現簡單,適合于工程應用。

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