基于脈沖壓縮的彈載雷達目標檢測方法研究

齊恩勇

（中國空空導彈研究院河南洛陽471099）

隨著軍事技術的發(fā)展，空中作戰(zhàn)面臨著越來越嚴酷的戰(zhàn)場環(huán)境，對精確制導雷達型空空導彈的制導精度、抗干擾、抗雜波以及多目標分辨等戰(zhàn)技性能提出了更高的要求，彈載雷達是雷達型空空導彈的重要組成部分，雷達型空空導彈實現(xiàn)作戰(zhàn)性能需求的技術基礎是彈載雷達的探測能力和探測精度，因此彈載雷達應該具有探測距離遠和測量精度高的工作性能[1]。隨著現(xiàn)代戰(zhàn)場環(huán)境的日益復雜以及信息處理能力的飛速發(fā)展，為了提高雷達型空空導彈的作戰(zhàn)性能，彈載雷達必須能夠在復雜的戰(zhàn)場環(huán)境中具有多目標分辨能力、正確識別目標和干擾、準確測量被跟蹤目標的信息，為制導系統(tǒng)提供精準目標測量信息。在此應用背景下，傳統(tǒng)單一波形的主動尋的彈載雷達導引技術已經不能很好適應現(xiàn)代空戰(zhàn)的需求，采用多重頻波形體制，根據(jù)作戰(zhàn)環(huán)境信息切換工作波形，在精確測量目標速度和角度信息的同時，提供對目標距離的精確測量，通過增加高分辨的距離測量信息，使彈載雷達具有多目標分辨和目標干擾分辨能力，提高彈載雷達的抗干擾能力和復雜戰(zhàn)場環(huán)境下探測能力，在主動尋的彈載雷達系統(tǒng)考慮應用中重頻測距波形，可有效提高彈載雷達的目標探測能力。因此采用基于線性調頻波形的脈沖壓縮技術，使得彈載雷達具備高距離分辨力的目標探測能力，能夠滿足復雜戰(zhàn)場環(huán)境中的作戰(zhàn)需求[2-3]。

脈沖壓縮技術能夠在確保彈載雷達作用距離的前提下提高距離分辨力，是實現(xiàn)高分辨的有效途徑。脈沖壓縮是指發(fā)射寬脈沖調制信號經接收壓縮處理后獲得窄脈沖的過程[4]。由于壓縮是對已知發(fā)射信號的回波作相關處理，因此脈沖壓縮技術也具有較高的抗干擾能力。彈載雷達采用大時寬帶寬的線性調頻信號波形，具有探測距離遠和距離分辨力高的性能，同時也具備較高的速度分辨能力。本文描述基于線性調頻波形的脈沖壓縮技術在主動尋的彈載雷達導引系統(tǒng)中的應用情況。

1 原理描述與仿真分析

為了提高彈載雷達系統(tǒng)的探測能力、目標信號的分辨力和測量精度，要求雷達信號具有大的時寬、帶寬以及發(fā)射信號功率，提高信號能量也需要增大信號的時寬。而固定載頻的脈沖信號時寬帶寬積等于1，不能同時保證信號的大時寬和大帶寬。根據(jù)匹配濾波器理論，采用基于線性調頻的脈沖壓縮技術，在寬脈沖內實施線性調頻來增大信號的頻帶寬度，從而得到大時寬帶寬積的發(fā)射信號，對接收的回波信號進行匹配濾波，即脈沖壓縮處理以獲得具有高分辨力的窄脈沖。發(fā)射大時寬帶寬積信號，在確保作用距離的同時提高距離分辨力和速度分辨力[4-5]。線性調頻信號對多普勒的容忍度高[1，5]，在回波信號有較大的多普勒頻移，匹配濾波器仍能保證脈沖壓縮后峰值增益，線性調頻波形適合應用于多普勒頻率變化范圍較大的空空導彈彈載雷達導引系統(tǒng)。

線性調頻（Linear Frequency Modulation，LFM）信號波形可以表示為[5-7]：

調頻帶寬B=Kτ，調頻斜率K=B/τ，線性調頻信號的時寬帶寬積為D=τB，在脈沖寬度內，信號的瞬時頻率隨時間t線性變化，表示為：

線性調頻波形是通過線性頻率調制獲得大時寬帶寬積信號，接收時采用匹配濾波器，通過匹配濾波后，將接收能量壓縮到窄脈沖中，也相當于在不提高發(fā)射功率的條件下，得到較高的輸出信號信噪比。壓縮脈沖寬度完全由發(fā)射脈沖持續(xù)期內發(fā)射頻率的變化確定，頻率變化，即調頻帶寬B越大，壓縮脈沖越窄[5]。時寬-帶寬積也稱為脈沖壓縮比，即接收的脈沖信號被壓縮的程度，對于脈沖壓縮信號，τB＞＞1。

脈沖壓縮是經匹配濾波實現(xiàn)的，匹配濾波函數(shù)根據(jù)發(fā)射信號波形生成[5，8]，其頻譜特性滿足幅度譜與信號頻譜相同、相位譜是信號相位譜的共軛。線性調頻信號的匹配濾波器時域脈沖響應為h(t)=s*(-t)，則

因此，線性調頻信號經過匹配濾波函數(shù)h（t）后的脈沖壓縮輸出信號為：

其包絡近似為sinc函數(shù)形狀。

實際應用中，采用數(shù)字脈壓的頻域處理方法，其算法原理是進行傅立葉變換（FFT）得到回波信號采樣數(shù)據(jù)的頻譜S（w），再將S（w）與匹配濾波器的頻域響應H（w）相乘，最后進行逆傅立葉變換（IFFT），得到脈沖壓縮結果數(shù)據(jù)。對于數(shù)字脈壓處理，由于需要對接收信號進行有限采樣點的FFT，線性調頻信號脈沖壓縮輸出的sinc函數(shù)波形存在較大的旁瓣信號，影響系統(tǒng)的檢測性能，必須采取旁瓣抑制措施。為降低脈壓輸出信號的旁瓣，在IFFT之前還需要進行旁瓣抑制加權處理，即加窗處理，實際上是失配處理，以實現(xiàn)旁瓣抑制濾波[5，9]，彈載雷達采用的脈沖壓縮原理如圖1所示。

圖1 帶有加窗處理的脈沖壓縮原理圖

為了對脈沖壓縮進行仿真分析，選定脈沖重復頻率、脈沖寬度、調頻帶寬，相應確定采樣頻率，對線性調頻脈沖壓縮進行仿真分析，結果如圖2所示。

在圖2中的上圖為直接進行匹配濾波的仿真結果，下圖為加窗后的失配處理仿真結果。直接進行匹配濾波處理主副比為13.5 dB，加窗后脈沖壓縮的主副比提高到34 dB，可見主副比得到了明顯的提高，有效抑制了脈沖壓縮輸出的旁瓣電平，確保彈載雷達信號檢測能力。

圖2 線性調頻脈沖壓縮仿真示意圖

2 應用分析

線性調頻信號具有較大的時寬帶寬積，即脈沖壓縮比，能夠獲得較高的脈壓處理增益，經脈沖壓縮后信噪比有較大的提高；通過脈間積累處理，同時完成距測量和速度（多普勒頻率）測量，增加了目標信號檢測識別的信息源[10]。對于彈載雷達系統(tǒng)設計，選擇線性調頻信號作為發(fā)射波形，既要根據(jù)技術性能要求，發(fā)揮出線性調頻脈沖壓縮的技術優(yōu)勢，又要兼顧工程上的可實現(xiàn)性，確定合適的脈沖壓縮比、信號波形參數(shù)、脈沖壓縮處理的數(shù)據(jù)點數(shù)以及相應的信號與信息處理算法。脈沖壓縮體制能同時提高作用距離和距離分辨力。距離分辨力ΔR取決于線性調頻信號帶寬B:

線性調頻信號頻寬B越大，則壓縮后的脈沖寬度越窄，距離分辨力也越高。在確定的脈沖壓縮比前提下，則需要在作用距離和距離分辨力之間進行綜合選擇，以滿足系統(tǒng)設計要求[11]。

線性調頻波形設計主要確定信號脈壓帶寬、脈沖重復頻率和脈沖寬度等波形參數(shù)。脈壓帶寬的確定需要考慮以下因素：目標干擾分辨要求、多目標分辨要求以及高分辨條件下的目標反射面積特性等；脈沖重復頻率的選取需要保證距離模糊不嚴重，同時避免過多的雜波頻譜混疊；脈沖寬度的計應保證在中重頻測距模式下彈載雷達的作用距離滿足系統(tǒng)探測性能要求[4，12-13]。

線性調頻信號經過脈沖壓縮后的輸出信號，除主峰窄脈沖外還存在較高距離旁瓣。在多目標環(huán)境中，強回波的旁瓣會淹沒弱小回波的主峰，影響系統(tǒng)對微弱信號的檢測能力，高旁瓣電平會降低系統(tǒng)的多目標分辨能力，也可能超過檢測門限造成虛警。在脈沖壓縮處理的實際應用中，采用加權處理的旁瓣抑制措施，即如圖1所示，在IFFT之前進行加窗處理，根據(jù)系統(tǒng)對旁瓣電平抑制要求，選擇適宜的窗函數(shù)，匹配函數(shù)與窗函數(shù)在實際應用中可以先行合并一次性處理，形成失配濾波函數(shù)。加權處理實質上是失配處理，降低旁瓣電平的同時會導致主瓣展寬，如上文圖2所示，從而會影響輸出信噪比以及及距離分辨力，失配濾波器設計除了考慮窗函數(shù)性能，還需要折中考慮主瓣寬度、脈壓旁瓣以及信噪比損失。漢明（Hamming）窗函數(shù)的調頻信號脈沖壓縮性能較好，一般選用該窗函數(shù)。彈載雷達導引系統(tǒng)中采用線性調頻脈沖壓縮處理，需要綜合考慮時寬帶寬積、采樣率以及目標多普勒頻率變化等因素，以取得滿足系統(tǒng)性能要求的脈沖壓縮效果，確保系統(tǒng)檢測性能[5，9，13]。

基于線性調頻脈沖壓縮處理的彈載雷達目標信號檢測工作原理如圖3所示[10，14]。彈載雷達導引系統(tǒng)接收的回波信號的正交化采樣值經過脈沖壓縮匹配濾波處理，得到旁瓣抑制后的脈壓結果數(shù)據(jù)，脈沖壓縮后的信號數(shù)據(jù)首先進行預處理，包括按距離門對數(shù)據(jù)進行重排，同一距離門的數(shù)據(jù)進行加窗處理；然后再對相同距離門的數(shù)據(jù)進行頻譜分析（FFT），這樣得到速度-距離二維頻譜矩陣，對二維頻譜矩陣實施二維CFAR檢測，根據(jù)CFAR檢測結果，經過識別確認算法，檢測截獲目標回波信號，再經過信息處理算法，提取目標距離和速度（多普勒頻率）測量信息，并且根據(jù)頻譜數(shù)據(jù)相應提取到目標角度測量信息。目標的這些測量信息作為制導系統(tǒng)的輸入信息，從而實現(xiàn)對目標的跟蹤。

圖3 基于脈沖壓縮的目標信號檢測原理圖

圖3所示的基于脈沖壓縮的目標檢測處理算法已經在空空導彈彈載制導雷達系統(tǒng)中得到了成功應用。由于采用了線性調頻波形的脈沖壓縮處理技術，在提高距離分辨力和目標信息測量精度的基礎上，提高了彈載制導雷達系統(tǒng)的探測能力和目標信號檢測能力，使得彈載制導雷達系統(tǒng)的多目標分辨、目標干擾分辨以及抗干擾能力得到提升，從而有效提高了雷達型空空導彈在復雜的戰(zhàn)場環(huán)境中技術能力和作戰(zhàn)性能。

3 結論

為了提高雷達型空空導彈的作戰(zhàn)性能，彈載雷達必須能夠在復雜的戰(zhàn)場環(huán)境中具有多目標分辨能力、正確識別目標和干擾、準確測量被跟蹤目標的信息，為制導系統(tǒng)提供精準目標測量信息。提高目標信息分辨力和測量精度是多目標分辨和抗干擾的需要，是提高彈載雷達制導系統(tǒng)性能的關鍵技術。本文描述了基于線性調頻信號的脈沖壓縮處理的基本原理，并對脈沖壓縮效果進行了仿真分析。對線性調頻脈沖壓縮處理在彈載雷達系統(tǒng)應用中需要考慮和關注的波形參數(shù)設計和失配濾波器設計等進行了描述分析。提出了基于線性調頻脈沖壓縮處理的彈載雷達目標信號檢測和目標信息提取算法框架并進行了原理描述。采用基于線性調頻波形的脈沖壓縮技術，使得彈載雷達具備高距離分辨力的目標探測能力，易于實現(xiàn)多目標分辨和目標干擾分辨[15-16]，有效提高彈載雷達的復雜戰(zhàn)場環(huán)境下探測能力和抗干擾能力，滿足復雜戰(zhàn)場環(huán)境作戰(zhàn)需求。