機(jī)載脈沖多普勒雷達(dá)長(zhǎng)相參積累目標(biāo)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償*

曹書(shū)華，房衛(wèi)軍，汪凌艷

(中航工業(yè)雷達(dá)與電子設(shè)備研究院，江蘇無(wú)錫 214063)

0 引言

現(xiàn)代機(jī)載脈沖多普勒雷達(dá)常用增加積累時(shí)間來(lái)提高弱小目標(biāo)的檢測(cè)性能。長(zhǎng)時(shí)間積累中，目標(biāo)運(yùn)動(dòng)引起的距離走動(dòng)嚴(yán)重影響目標(biāo)的能量積累和檢測(cè)性能，因此，研究有效的校正距離走動(dòng)的方法是改善現(xiàn)代雷達(dá)檢測(cè)性能的重要途徑之一［1］。

文獻(xiàn)［1］提出基于短時(shí)傅里葉交換和 Wignerville分布的解線(xiàn)性調(diào)頻實(shí)現(xiàn)相參積累的方法;文獻(xiàn)［2-4］提出Hough變換方法、WVD變換方法和自適應(yīng)小波變換方法;文獻(xiàn)［5-6］提出基于包絡(luò)插值移位補(bǔ)償相參積累的算法。這些算法都比較復(fù)雜，運(yùn)算量很大［7］。

文中提出了在距離頻域按照目標(biāo)的徑向速度進(jìn)行相應(yīng)的線(xiàn)性相位補(bǔ)償，以達(dá)到目標(biāo)的距離走動(dòng)補(bǔ)償?shù)哪康摹Ｔ摲椒ㄖ恍枰獙?duì)雷達(dá)每個(gè)周期回波進(jìn)行1次距離向FFT后，乘上相應(yīng)的補(bǔ)償相位，再I(mǎi)FFT到距離時(shí)域，即可實(shí)現(xiàn)不同時(shí)刻目標(biāo)回波的距離對(duì)準(zhǔn)，從而使目標(biāo)相參積累能量最大化。尤其該方法與脈壓流程結(jié)合進(jìn)行時(shí)，幾乎沒(méi)有額外增加運(yùn)算量，運(yùn)算方法簡(jiǎn)單，有利于工程實(shí)現(xiàn)。

1 距離走動(dòng)補(bǔ)償

由于載機(jī)與目標(biāo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使得載機(jī)與目標(biāo)在雷達(dá)一幀的相參處理時(shí)間內(nèi)發(fā)生了距離走動(dòng)，尤其是相參處理時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，該距離相差1個(gè)以上距離單元時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致目標(biāo)相參積累能量在距離維發(fā)散，降低目標(biāo)的相參積累信噪比。

假設(shè)雷達(dá)相參積累任一時(shí)刻載機(jī)與目標(biāo)相對(duì)距離走動(dòng)大小為ΔR。如果距離走動(dòng)量ΔR是距離單元的整數(shù)倍，只需對(duì)距離采樣序列進(jìn)行移位即可實(shí)現(xiàn)距離對(duì)準(zhǔn)。但距離走動(dòng)量ΔR一般不是距離單元的整數(shù)倍，要對(duì)目標(biāo)距離走動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，原則上通過(guò)內(nèi)插的方法可以由周?chē)舾牲c(diǎn)幅度和相位信息恢復(fù)所需距離采樣點(diǎn)的信息。由于插值的方法存在計(jì)算量和精度問(wèn)題，因此，此處考慮采用快速的方法實(shí)現(xiàn)距離移動(dòng)，即在距離頻域乘以一個(gè)線(xiàn)性相位實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的距離時(shí)域移動(dòng)，達(dá)到距離對(duì)準(zhǔn)的目的。

假設(shè)某一時(shí)刻目標(biāo)回波時(shí)域信號(hào)為:

對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行距離FFT，變換到距離頻域:

式中:fr為距離頻率;fc為雷達(dá)載頻;P(fτ)為雷達(dá)發(fā)射信號(hào)頻譜。對(duì)式(2)進(jìn)一步變換得:

式中R0為相參積累開(kāi)始時(shí)刻載機(jī)與目標(biāo)間相對(duì)距離。

假設(shè)信號(hào)采樣頻率為fs，一個(gè)周期內(nèi)距離向采樣點(diǎn)數(shù)為N'。為了做快速傅里葉變換，需要對(duì)距離向采樣點(diǎn)補(bǔ)零變成2的冪，假設(shè)距離向補(bǔ)零后FFT點(diǎn)數(shù)為N，則

對(duì)式(3)乘上距離參考匹配函數(shù)P*(fτ)，進(jìn)行匹配濾波的同時(shí)，乘上距離移動(dòng)所需的線(xiàn)性相位:

當(dāng)雷達(dá)處于目標(biāo)跟蹤幀時(shí)，利用目標(biāo)航跡預(yù)測(cè)速度，可以對(duì)目標(biāo)距離走動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，完全消除由于目標(biāo)距離走動(dòng)引起的相參積累損失。當(dāng)雷達(dá)處于搜索狀態(tài)，由于目標(biāo)速度未知，當(dāng)檢測(cè)迎頭目標(biāo)時(shí)，可以使用載機(jī)地速加檢測(cè)保護(hù)速度進(jìn)行部分距離走動(dòng)補(bǔ)償，消除載機(jī)自身運(yùn)動(dòng)因素對(duì)目標(biāo)相參積累結(jié)果的影響;如果雷達(dá)處理機(jī)硬件資源富余時(shí)，可以對(duì)目標(biāo)回波進(jìn)行速度分區(qū)，進(jìn)行多次補(bǔ)償，每補(bǔ)償一次速度進(jìn)行一次目標(biāo)檢測(cè)，以適應(yīng)不同的目標(biāo)速度的距離走動(dòng)補(bǔ)償?shù)男枰缢俣葏^(qū)段可以使用50 m/s的步進(jìn)。

2 仿真與分析

實(shí)驗(yàn)1:載機(jī)與目標(biāo)間做相對(duì)勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度大小為600 m/s，距離走動(dòng)補(bǔ)償速度大小600 m/s。相參積累時(shí)間分別為 21 ms，42 ms，84 ms，168 ms，336 ms。雷達(dá)采用脈內(nèi)線(xiàn)性調(diào)頻信號(hào)。

從圖1、圖2可以看出:當(dāng)積累時(shí)間到達(dá)300 ms左右時(shí)，補(bǔ)償前目標(biāo)最大值所在距離門(mén)位置為33號(hào)距離門(mén)，補(bǔ)償后目標(biāo)最大值所在距離門(mén)位置為38號(hào)距離門(mén);積累時(shí)間內(nèi)，按照第1個(gè)脈沖時(shí)刻目標(biāo)位置為參考基準(zhǔn)，對(duì)后續(xù)積累脈沖進(jìn)行了距離走動(dòng)補(bǔ)償。距離走動(dòng)補(bǔ)償后，目標(biāo)距離維所占寬度顯著減小。

圖1 距離走動(dòng)補(bǔ)償前目標(biāo)位置

圖2 距離走動(dòng)補(bǔ)償后目標(biāo)位置

從圖3、圖4可以看出:如果積累時(shí)間較短，即積累時(shí)間內(nèi)，目標(biāo)距離走動(dòng)未能超過(guò)1個(gè)距離門(mén)時(shí)，距離走動(dòng)補(bǔ)償后目標(biāo)積累功率效果不佳;隨著積累時(shí)間的延長(zhǎng)，當(dāng)目標(biāo)距離走動(dòng)超過(guò)1個(gè)距離門(mén)時(shí)，目標(biāo)功率隨著相參積累時(shí)間線(xiàn)性增加，回波能量在距離維得到有效聚集。

實(shí)驗(yàn)2:載機(jī)與目標(biāo)間做相對(duì)勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度大小為600 m/s，距離走動(dòng)補(bǔ)償速度大小250 m/s。相參積累時(shí)間分別為 21 ms，42 ms，84 ms，168 ms，336 ms。雷達(dá)采用線(xiàn)性調(diào)頻脈壓信號(hào)。

圖3 距離走動(dòng)補(bǔ)償前后目標(biāo)功率

圖4 距離走動(dòng)補(bǔ)償前后目標(biāo)功率差值

從圖5、圖6可以看出:當(dāng)目標(biāo)絕對(duì)徑向速度未知時(shí)，如果只補(bǔ)償載機(jī)自身徑向速度和檢測(cè)保護(hù)速度，依然能夠補(bǔ)償載機(jī)與目標(biāo)間距離走動(dòng)所引起的部分相參積累功率損失。

圖5 補(bǔ)償部分速度前后目標(biāo)積累功率

3 結(jié)論

圖6 補(bǔ)償部分速度前后目標(biāo)積累功率差值

機(jī)載脈沖多普勒雷達(dá)目標(biāo)信噪比與相參積累點(diǎn)數(shù)成正比。對(duì)于隱身目標(biāo)或小目標(biāo)，正常積累時(shí)間，不能實(shí)現(xiàn)目標(biāo)檢測(cè)時(shí)，需要增加相參積累時(shí)間，以提高目標(biāo)的相參積累信噪比，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)遠(yuǎn)距離檢測(cè)。但長(zhǎng)時(shí)間相參積累時(shí)，目標(biāo)距離走動(dòng)問(wèn)題就更加突出，極大影響了相參積累的效果。當(dāng)積累時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，甚至?xí)霈F(xiàn)積累時(shí)間到達(dá)一定長(zhǎng)度時(shí)，目標(biāo)功率不再增加的情況。通過(guò)在距離頻域按照目標(biāo)徑向速度進(jìn)行線(xiàn)性相位補(bǔ)償?shù)姆椒▽?shí)現(xiàn)了目標(biāo)的距離走動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，有效地解決了相參積累過(guò)程中載機(jī)與目標(biāo)間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的跨距離門(mén)走動(dòng)問(wèn)題。通過(guò)對(duì)某機(jī)載脈沖多普勒雷達(dá)實(shí)際試飛數(shù)據(jù)的處理，也證明了該方法的有效性，在雷達(dá)的工程實(shí)踐中具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

［1］保錚.雷達(dá)信號(hào)的長(zhǎng)時(shí)間積累［C］∥第7屆全國(guó)雷達(dá)學(xué)術(shù)年會(huì)，1999:9－15.

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［5］朱永鋒，李為民，陳遠(yuǎn)征，等.Chirp雷達(dá)對(duì)高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)有效相參積累的算法研究［J］.系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2004，26(10):399.

［6］陳遠(yuǎn)征，朱永鋒，趙洪鐘，等.基于包絡(luò)插值移位補(bǔ)償?shù)母咚龠\(yùn)動(dòng)目標(biāo)的積累檢測(cè)算法研究［J］.信號(hào)處理，2004，20(4):387－390.

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