主動防護系統探測雷達的高速多目標配對

馬　可

(西安電子工程研究所，西安　710100)

?

主動防護系統探測雷達的高速多目標配對

馬可

(西安電子工程研究所，西安710100)

提出了一種基于目標補償的主動防護系統探測雷達高速多目標配對方法。通過采用點頻連續波與負斜率線性調頻連續波的組合作為雷達發射信號，由點頻差拍信號獲得高速目標的多普勒頻率，構造補償信號，對負斜率線性調頻信號的差拍信號進行補償，對于同一速度的高速目標補償后得到目標距離。仿真結果驗證了該方法的有效性。

主動防護系統；多目標配對；高速目標

本文引用格式：馬可.主動防護系統探測雷達的高速多目標配對[J].兵器裝備工程學報，2016(8):122-126.

主動防護系統是坦克、裝甲車輛的一種新型防護措施。主要由探測雷達、中心處理計算機和反擊彈藥等組成[1]。主動防護系統探測雷達重點關注對反坦克導彈、反坦克火箭彈的精確測量，這種目標的特點是速度快、雷達散射截面(radar cross section,RCS)小、發射距離近。連續波雷達具有測距測速精度高、無近距離探測盲區、體積小易實現等優點，因此經常被應用于主動防護系統探測雷達。

在主動防護系統中，由于系統反應時間固定，雷達需要在更遠的距離上探測到高速目標。探測距離產生的回波信號幅度動態范圍較大[2]，遠處目標的回波信號幅度較弱。然而連續波雷達存在固有的信號泄漏問題[3]，發射功率不能太大，不能靠提高發射功率來提高遠距離目標的回波功率。需要增加雷達信號的駐留時間進行多周期積累以提高信噪比。對于高速目標，在進行多周期積累過程中又會有目標跨距離單元的現象[4]，跨距離單元現象會導致輸出信噪比下降，目標無法滿足被檢測條件[5]。因此需要對高速運動目標進行運動補償以消除跨距離單元現象。

在本文中，首先分析了一種適于主動防護系統探測雷達高速目標探測的點頻連續波(continuous wave,CW)與負斜率線性調頻連續波(linear frequency modulation continuous wave,LFMCW)信號組合形式，隨后針對高速目標的特點進行分析，指出對于高速目標需要進行多周期積累，但多周期積累會帶來目標跨距離單元的現象。針對跨距離單元情況可通過CW差拍信號對LFMCW差拍信號進行運動補償，通過運動補償中的速度匹配，完成主動防護系統探測雷達高速多目標的配對。

1　雷達信號分析

連續波雷達發射連續的射頻信號，回波信號經過接收機與發射信號做差拍處理，處理后的差拍信號經過采樣后做快速傅立葉變換(fast fourier transform,FFT)，即可對信號進行檢測。

文獻[6]中給出了一種適于主動防護系統的連續波雷達信號組合形式，這里對其多周期模型進行分析。CW與LFMCW信號組合形式如圖1所示，信號周期為Tr，每個周期內CW與LFMCW信號的時長分別為T，則Tr=2T。

圖1　組合信號形式時頻關系

設CW與LFMCW信號在第m個周期內的發射信號分別為

(1)

其中：A為發射信號幅度；f0為工作頻率；u=B/T為LFMCW調頻斜率；B為調頻帶寬。忽略目標反射引起的相移，可以得到CW與LFMCW回波信號分別為

(2)

其中：L為目標反射系數；m為在第m個周期內；τ(m,t)=2R(t)/c=τ0-k(t+mTr)為目標回波延時；τ0=2R0/c；k=fd/f0；fd為目標多普勒頻率；R0為目標初始距離；v為目標速度。

回波信號與發射信號混頻，經過低通濾波后得到的差拍信號分別為：

(3)

由式(3)可以看出，CW段的差拍信號為一單頻信號，其頻率為fd。對CW段差拍信號的頻譜進行目標檢測可直接得到目標的多普勒頻率。LFMCW段的差拍信號的中心頻率為目標初始距離與目標多普勒頻率的耦合項，并且隨周期變化(-ukmTrt)，該項就是高速目標在雷達積累周期內所產生的頻移。

2　高速目標特點分析

2.1多周期積累

在主動防護系統中，遠距離的目標回波功率很小，使得系統的輸入信噪比較低。而根據雷達方程，通過提高發射功率、天線增益等方法可以直接提高遠距離目標的回波功率。但是，當系統參數已經固定時，只能通過增加采樣點數來提高采樣后的信噪比。而采樣點數N=fsTd，其中fs為系統采樣頻率，Td為雷達駐留時間。

當系統采樣頻率一定時，只能通過增加駐留時間Td增加采樣點數，提高FFT后的輸出信噪比，使信號能夠可靠檢測。駐留時間Td一般選擇為組合信號周期Tr的M倍，這就相當于對差拍信號進行多周期積累。運動目標在積累M個周期內不發生跨越距離單元現象的限制條件為：vMTr<δR(δR為距離分辨率)。高速目標的速度一般會大于vmax=c/2BMTr，這時就需要對積累的差拍信號進行運動補償。

針對上述分析以某主動防護系統探測雷達的參數進行仿真。雷達系統參數為：雷達工作頻率f0=10 GHz，調頻帶寬B=500 MHz，CW與LFMCW信號時長均為T=0.5 ms，組合周期Tr=2T，系統采樣頻率fs=4 MHz。假定輸入噪聲為高斯白噪聲，信噪比為SNR=-25 dB。那么δR=0.3 m。假設一個距離R=200 m的慢速(積累周期內不跨距離單元)目標，以驗證在低輸入信噪比條件下通過積累可靠檢測出目標。

這里只討論LFMCW信號。LFMCW單周期采樣點數N=2 000，理論輸出信噪比為SNRout=-25+10lg2 000=8 dB。但是由于連續波信號差拍處理時會忽略不規則段信號，所以實際增益比理論增益低，導致信號無法可靠檢測。如果積累8個周期，理論輸出信噪比為SNRout=-25+10lg8×2 000=17 dB。仿真結果如圖2所示。

圖2(a)為單周期LFMCW差拍信號功率譜，可以看到，由于遠處回波強度較弱，單周期信號的差拍信號信噪比過低，不能可靠檢測出目標；圖2(b)為積累8周期后的LFMCW差拍信號功率譜。可以看到積累8周期的差拍信號功率譜有明顯譜峰，輸出信噪比達到10 dB以上，可以檢測出目標。

2.2跨距離單元現象

如果目標速度大于vmax，積累時間內目標將出現跨距離單元走動現象，此時目標回波能量將被分散到多個距離單元中，這將會導致信號能量無法在一個距離單元內積累，造成積累性能嚴重下降，目標無法被可靠檢測。假設距離R=200 m的一個慢速目標和一個速度為1 500 m/s的高速目標，雷達系統參數與上述相同，輸入信噪比為SNR=-25 dB。仿真結果如圖3所示。

圖2　仿真結果

圖3　仿真結果

由圖3可以看出，慢速不跨距離單元時，可以通過積累找到目標譜峰；而高速時，由于目標跨越距離單元，導致回波能量無法積累到同一距離單元內，使得目標無法被可靠檢測。近程防護探測雷達在對高速運動目標進行探測時，會有在駐留時間內目標跨距離單元走動的現象，這會導致回波信號能量無法在一個距離單元內積累，使得目標無法被可靠檢測。需要尋找一種高速目標的運動補償算法，使得信號能量在同一距離單元內完成積累。

3　高速多目標配對

3.1運動補償[7]

(4)

將式(4)與式(3)中的LFMCW差拍信號相乘后可以得到補償后的信號為

(5)

對比式(3)可以看出，式(5)的信號消除了目標距離速度耦合項以及高速目標多周期積累的頻移項。信號的頻率只與目標初始距離有關，通過對其頻譜檢測，可以得到高速目標的距離。總結高速目標補償處理的步驟：

a) 對CW差拍信號做FFT或線性調頻Z變換(chirp z transformation,CZT)[8]得到頻譜并進行檢測得到目標多普勒頻率；

b) 由得到的目標多普勒頻率構造出隨周期變化的補償信號；

c) 將補償信號與LFMCW差拍信號相乘得到補償后的信號；

d) 將補償后的信號在頻譜上進行檢測即可得到目標的初始距離；

e) 通過目標初始距離和速度解出目標當前距離。

針對上述分析，以某型主動防護系統探測雷達的參數進行仿真。雷達系統參數為：載頻f0=10 GHz，CW與LFMCW信號時長均為T=0.5 ms，組合周期Tr=2T，調頻帶寬B=500 MHz，系統采樣頻率fs=4 MHz。假定輸入噪聲為高斯白噪聲，信噪比為SNR=-25 dB。那么δR=0.3 m。假設一個距離R=200 m速度v=1 500 m/s的高速目標，做8周期積累，以驗證提出補償算法的有效性，仿真結果如圖4所示。

圖4(a)為CW差拍信號積累8周期后得到的功率譜，可以看到CW差拍信號做8周期積累后有明顯的譜峰，可以進行目標檢測得到目標的多普勒頻率。圖4(b)為LFMCW差拍信號積累8周期后不做運動補償的功率譜，可以看出未經補償的LFMCW差拍信號功率譜沒有目標譜峰，通過目標檢測不能檢測出目標。通過由CW差拍信號得到的多普勒頻率構造出補償信號來補償LFMCW差拍信號，經過運動補償后的差拍信號功率譜如圖4(c)所示。可以看出補償后的LFMCW差拍信號有明顯目標譜峰，輸出信噪比達10 dB以上，通過目標檢測可以檢測出目標，進而可以算出目標的初始距離。仿真結果得到的目標速度值為v=1 501.5 m/s，目標初始距離為R=199.95 m。

圖4　仿真結果

3.2多目標配對

上述的高速目標運動補償算法，相當于對高速目標進行一次速度上的匹配濾波。精確估計的目標多普勒頻率通過補償信號與LFMCW差拍信號相乘，可以得到目標的距離。而如果目標多普勒頻率估計不準，會導致無法完全消除式(3)中快慢時間耦合項和二次項的影響，使得差拍信號能量還是不能在一個距離單元內完成積累。這相當于速度不匹配。因此可以通過這種思路完成高速多目標的配對。

在多目標的情況下[9-11]，若CW差拍信號可以得到n個多普勒估計值，就構造n個補償信號分別與LFMCW差拍信號相乘，構造出的補償信號只能有效地補償具有當前多普勒頻率的目標，而不是此多普勒頻率下的目標不能有效地補償到同一距離單元內。因此在多目標情況下，構造一個補償信號與LFMCW差拍信號相乘并做FFT就相當于對具有當前補償信號多普勒頻率下的目標進行一次速度上的匹配濾波。如果多普勒頻率相匹配，那么在做FFT后，目標的距離譜峰出現；如果多普勒頻率不匹配，那么在做FFT后，目標的距離譜峰不出現。這樣就可以完成高速多目標的配對。圖5為高速多目標配對處理流程圖。

圖5　高速多目標配對流程

對上述分析，用相同的雷達參數進行仿真。假設3個目標R1=150 m,v1=300 m/s;R2=150 m,v2=1 500 m/s;R3=200 m,v3=1 500 m/s。理論分析知，CW差拍信號應該有兩個譜峰，所對應的多普勒頻率可以構造出兩個補償信號。再用這兩個補償信號分別與LFMCW差拍信號相乘，這樣就可以得到相應多普勒頻率下的目標距離信息。仿真結果如圖6所示。

圖6(a)為CW差拍信號積累8周期后的功率，可以看出CW差拍信號做CZT后有兩個明顯譜峰，圖6(a)中的兩個譜峰高度不同是由于有兩個目標速度為1 500 m/s和300 m/s，使得1 500 m/s目標比300 m/s目標產生回波功率大。分別用這兩個譜峰對應的多普勒頻率構造出兩個補償信號。未經補償的LFMCW差拍信號功率譜如圖6(b)所示，可以看出未做高速目標運動補償的LFMCW差拍信號無明顯譜峰，不能可靠檢測出目標。用CW差拍信號功率譜中第一根譜峰估計出的多普勒頻率構造第一個補償信號，與LFMCW差拍信號相乘后所得的頻譜為圖6(c)所示，可以看出經過運動補償后有一根明顯的譜峰，意味著在相應多普勒頻率下有一個目標。用CW差拍信號功率譜中第二根譜峰估計出的多普勒頻率構造第二個補償信號，與LFMCW差拍信號相乘后所得的頻譜為圖6(d)所示，可以看出補償后有兩根明顯的譜峰，意味著在相應多普勒頻率下有兩個距離不同的目標。這與假設情況相符。表明了所提出的方法有效地解決了距離速度耦合的問題和高速目標跨越距離單元的問題。而且這種方法相當于當前多普勒頻率下的匹配濾波，可以有效地完成高速多目標配對問題。

圖6　仿真結果

4　結束語

主動防護系統探測雷達對于高速小目標的探測，需要增加駐留時間。但是增加駐留時間會導致跨距離單元現象。當目標速度大于速度門限值時，需要對高速目標進行運動補償。通過采用點頻連續波和負斜率線性調頻連續波的信號組合形式，利用點頻連續波差拍信號獲得目標的多普勒頻率，構造補償信號對負斜率線性調頻連續波差拍信號進行補償，速度匹配時即可補償出目標的距離。通過速度匹配也可以完成對不同速度高速目標的多目標配對。仿真結果說明了該方法在主動防護系統探測雷達高速目標時的有效性。

[1]郭希維,姚志敏,孔子華.主動防護系統及對抗策略[J].四川兵工學報,2012,33(12):4-6.

[2]肖慧,胡衛東,郁文賢,等.LFMCW雷達高速運動目標檢測與估計[J].信號處理,2007,23(6):829-832.

[3]郭聯合,王東進.毫米波連續波雷達載波泄漏對消[J].現代雷達,2001,23(4):41-45.

[4]朱永鋒,李為民,陳遠征,等.Chirp雷達對高速運動目標有效相參積累的算法研究[J].系統工程與電子技術,2004,26(10):1396-1399,1456.

[5]肖慧,胡衛東,郁文賢,等.LFMCW雷達多目標距離-速度聯合配對法[J].系統工程與電子技術,2010,32(1):72-76.

[6]馬可,李慧敏,李斌,等.連續波在戰車主動防護系統中的應用分析[J].車輛與動力技術,2014,(1):6-12,29.

[7]馬可,李慧敏,于迎春,等.超近程雷達高速目標運動補償方法[J].電子科技,2013,26(1):84-86.

[8]陳祝明,丁義元,向敬成,等.采用Chirp-Z變換提高LFMCW雷達的測距離精度[J].信號處理,2002,18(2):110-112,106.

[9]劉貴喜,凌文杰,楊萬海,等.線性調頻連續波雷達多目標分辨的新方法[J].電波科學學報,2006,21(1):79-83.

[10]劉貴喜,凌文杰.LFMCW雷達密集運動目標檢測[J].紅外與毫米波學報,2005,24(1):76-80.

[11]肖慧,胡衛東,郁文賢,等.基于二次混頻DPT的LFMCW雷達多目標檢測和參數估計[J].電子與信息學報,2008,30(12):2844-2848.

(責任編輯楊繼森)

High Speed Multi-Target Pairing of Active Protection System Radar

MA Ke

(Xi’an Electronic Engineering Research Institute, Xi’an 710100, China)

The method used the range velocity decoupling and motion compensation for high speed multi-target pairing was proposed. By using a hybrid signal composed of continuous wave (CW) and negative slope linear frequency modulation continuous wave (LFMCW) as the radar transmitted signal, the Doppler frequency of the high speed target can be obtained by using the CW beat signal, and then the target distance can be obtained. Simulation results verify the validity of the proposed method.

active protection system; multi-target pairing; high speed target

2016-02-22；

2016-03-30

武器裝備預先研究基金資助項目(40405060201)

馬可(1988—)，男，碩士，工程師,主要從事雷達總體設計研究。

10.11809/scbgxb2016.08.028

format:MA Ke.High Speed Multi-Target Pairing of Active Protection System Radar[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(8):122-126.

TN951

A

2096-2304(2016)08-0122-05

【信息科學與控制工程】