一種跟蹤雷達相位編碼信號的多普勒補償方法

邢冠培，孟凡利，夏 青

（1.上海航天電子技術研究所，上海 201109；2.駐上海航天局804所軍事代表室，上海 201109）

一種跟蹤雷達相位編碼信號的多普勒補償方法

邢冠培1，孟凡利1，夏 青2

（1.上海航天電子技術研究所，上海 201109；2.駐上海航天局804所軍事代表室，上海 201109）

在M序列碼信號脈沖壓縮中存在著多普勒頻率敏感問題，需要對多普勒頻率進行補償。在分析多普勒敏感性原因的基礎上，提出了一種跟蹤雷達補償算法，可以同時補償脈內多普勒和脈間多普勒，消除目標速度的影響，適用于高速遠距離目標，易于工程實現且不影響后繼動目標處理。通過MATLAB仿真證明了這一算法的正確性與可行性。

相位編碼；脈沖壓縮；多普勒頻率

0 引言

線性調頻信號和相位碼信號是脈沖雷達最常用的2種脈沖壓縮信號，相比而言，后者在脈沖雷達中應用的較少，最主要的原因就就是目標的多普勒頻移會嚴重破壞相位編碼信號的相關性［1，2］。隨著對雷達抗干擾性的要求越來越嚴格，作為低截獲概率信號的相位編碼信號會被越來越重視。它不僅抗干擾性強，而且由于其模糊圖為圖釘形，具有很高的時延和多普勒分辨能力，沒有距離—多普勒耦合問題［3，4］。

相位編碼信號的多普勒敏感性是其主要缺點，可采用補償方法進行解決。多普勒頻率補償就是對回波信號中包含的多普勒頻率進行補償，以消除多普勒頻率在脈沖壓縮中造成的不利影響［5］。

目前多普勒補償的主要方法是采用多通道多普勒濾波器組進行多普勒估計，該方法優點是不需要已知目標的多普勒信息［6，7］；缺點是補償精度低，運算量大且不適用于高速遠距離目標。本文針對跟蹤雷達的特殊性，可通過信號處理或數據處理得到目標的多普勒信息，采用多普勒直補方法，用于已知目標速度的跟蹤波位進行多普勒補償，不僅大大減少了運算量節省了硬件資源，還提高了補償精度。該方法較好地解決了相位編碼的多普勒敏感性問題。

1 多普勒敏感性分析

一般相位編碼信號的復數表達式為：

式中，f0為載波信號的頻率；φ（t）為相位調制函數，對二相編碼信號來說，φ（t）只有0和π兩個取值；a（t）為復包絡幅度，一般取1。

經過混頻后的視頻回波信號表達式為：

式中，tr為回波延時，反映目標距離信息；fd為目標多普勒頻率，反映目標速度信息；φ0為初始相位。

經過脈沖壓縮后的多普勒損失為：

式中，N為碼元個數；τ為碼元寬度［8，9］。

有無多普勒頻率的時域和脈沖壓縮幅度對比圖如圖1所示。信號為63位M序列碼，碼元寬度為0.25μs，波長為3 cm，多普勒速度v=500 m/s，可見由于多普勒影響，主瓣損失了4.37 dB。

圖1 M序列碼多普勒影響對比

不同脈寬和多普勒頻率的脈壓后多普勒損失如表1和表2所示，碼元個數N取值為31～1 023，多普勒速度為5～1 000 m/s，可見隨著碼元個數的增加（對應遠距離目標）和多普勒速度的提高（對應目標速度），脈壓損失會急劇增加，以至脈壓主瓣消失無法檢測目標。

表1 多普勒損失表（1）

表2 多普勒損失表（2）

2 補償原理及算法分析

多普勒效應分為脈間多普勒和脈內多普勒。脈間多普勒是指相鄰脈沖重復周期的2個脈沖在“慢時間”間隔產生的多普勒頻移；脈內多普勒是指單個脈沖內部相鄰距離單元之間在“快時間”內產生的多普勒頻移。對相位編碼信號，較小的脈內多普勒頻移也會造成匹配濾波器失配，正如上節分析所述，因此要消除脈內多普勒。而脈間多普勒如果也同時消除，那么回波中便不再含有多普勒信息，以致后面無法進行動目標處理，因此多普勒補償就是要補償掉脈內多普勒并保留脈間多普勒。

傳統補償算法是利用目標多普勒信息，產生一個負向多普勒頻率補償信號，與回波信號相乘以抵消掉目標中的多普勒信息。

傳統多普勒補償信號為：

與回波信號相乘后為：

可見補償后的回波信號已不再含有目標多普勒頻率fd，因此不會影響脈沖壓縮性能，但完全補償掉多普勒頻率后，后續無法進行動目標處理或相參積累，這對跟蹤雷達來說是無法接受的。提出一種脈內多普勒補償方法，既消除脈內多普勒，使脈沖壓縮不受影響，又保留脈間多普勒，使動目標處理能夠正常進行。

脈內多普勒補償信號為：

式中，T為脈沖重復周期；rem是取余符號，就是對每個脈沖補償相同的補償信號，使不同脈沖相同距離單元的補償角度相同，相同距離單元間的相位關系不變，以保留目標回波中的脈間多普勒信息，并且補償了脈內多普勒信息。

與回波信號相乘法后為：

式中，floor是取整符號，M=floor（t/T）為脈沖編號（取值：0，1，2，3…）。可見補償后消除了脈內多普勒信息，只是增加了固定的相位2πfd?T?M，且保留了脈間多普勒信息，相鄰脈沖間的相位差為2πfd?T。

3 仿真及實現

仿真條件如下：信號為63位M序列碼，碼元寬度為0.25μs，波長為3 cm，多普勒速度v=500m/s，快、慢時間域采樣點數分別為63和8。有無多普勒頻率補償的脈沖壓縮和動目標處理（FFT）后幅度對比圖如圖2所示。可見應用了多普勒補償后，消除了脈內多普勒信息使脈壓后主瓣減少損失4.37 dB，而且保留了脈間多普勒信息使動目標處理后主瓣減少損失了1.8 dB。

圖2 多普勒補償前后對比

多普勒補償實現原理如圖3所示。根據數據處理提供的目標多普勒頻率，通過數字NCO產生對應頻率的復頻率信號sc2（t），再與目標信號sr（t）相乘以消除目標中的多普勒頻率，最終再對無多普勒頻率的信號進行脈沖壓縮。由于后面還要進行動目標處理，因此單個脈沖內部的脈內多普勒可以消除，但多個脈沖相同距離單元之間的多普勒信息卻一定要保留，因此通過零公里信號rrp進行控制數字NCO，使每個PRT開始從相位零重新開始補，以保證多個脈沖之間保留脈間多普勒信息。

圖3 多普勒補償實現原理

4 結束語

本文給出了一種跟蹤雷達相位編碼信號多普勒補償方法，可以根據數據處理或其他途徑給出的目標速度信息對跟蹤波位進行多普勒補償。通過仿真實驗證明能夠滿足相位編碼多普勒補償的全部要求，既消除了對脈壓處理精度影響的脈內多普勒信息，同時還保留了后續動目標處理所需要的脈間多普勒信息。仿真數據表明，這種算法可以精確地補償目標多普勒的影響。該方法也已成功應用于跟蹤雷達信號處理中。對于其他一些已知目標粗略多普勒信息的場合，該算法同樣適用。

［1］ 王毅鷹，蘇 兮.基于m序列信號的多普勒補償方法［J］.現代雷達，2007（2）：48－51.

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［3］ 張宏偉，任新濤，湯宮民，等.一種新的相位編碼信號多普勒補償算法研究［J］.中國測試，2013，39（2）：10－13.

［4］ 胡英輝，鄭 遠，耿旭樸，等.相位編碼信號的多普勒補償［J］.電子與信息學報，2009，31（11）：2 596－2 599.

［5］ 岳 兵.一種非線性調頻脈沖壓縮的多普勒補償方法［J］.信息化研究，2009，35（5）：45－46.

［6］ 孫東延，陶建鋒，付全喜.相位編碼信號的多普勒補償［J］.空軍工程大學學報（自然科學版），2000，1（1）：47－49.

［7］ 田黎育，劉 斌.基于DMTD多普勒補償的互補碼脈沖壓縮［J］.北京理工大學學報，2013，33（1）：105－110.

［8］ 盧護林.二相位編碼信號旁瓣抑制及多普勒補償算法研究［D］.西安：西安電子科技大學碩士論文，2009.

［9］ 張艷艷.雷達相位編碼信號的研究和應用［D］.西安：西安電子科技大學碩士論文，2007.

Doppler Compensation Method Based on Phase-Coded Signal in Tracking Radar

XING Guanpei1，MENG Fanli1，XIA Qing2
（1．Shanghai Aerospace Electronic Technology Institute，Shanghai 201109，China；2．The Military Representative Office stationed in No．804 Institute of SAST，Shanghai 201109，China）

Doppler frequency compensation is necessary in phasecoded signal pulse compression because of Doppler frequency sensitivity.Based on analyzing Doppler frequency sensitivity，a tracking radar compensation algorithm is proposed，it can compensate both Doppler in pulse and Doppler between pulses and eliminate the affect ofmoving target.It is applicable to highspeed and distant target.It’s easy to implement and doesn’t affect forward moving target processing.The MATLAB simulation show that thismethod is effective andfeasible.

phase-coded signal；pulse compression；Doppler frequency

TN958.2

A

1003－3106（2015）09－0017－03

10.3969/j.issn.1003－3106.2015.09.05

邢冠培，孟凡利，夏 青.一種跟蹤雷達相位編碼信號的多普勒補償方法［J］.無線電工程，2015，45（9）：17－19.

邢冠培男，（1979—），工程師。主要研究方向：雷達數字信號處理與數據處理。

2015-06-16

孟凡利男，（1981—），高級工程師。主要研究方向：雷達數字信號處理。