脈沖調頻測距雷達性能仿真分析

楊 莉，安 紅

（電子信息控制重點實驗室，四川成都 610036）

0 引言

常規脈沖體制雷達根據目標回波相對于發射信號的延遲時間來測量目標距離，當雷達發射高重頻信號來探測目標時，目標回波延遲時間是高度模糊的，通常需要發射多組重頻來解距離模糊。而脈沖調頻測距雷達與常規脈沖體制雷達測距的方式不同，是利用目標回波與發射信號的頻率差來測量目標距離的，所以沒有距離模糊的問題。脈沖調頻測距雷達也是一種脈沖多普勒體制雷達，與常規脈沖多普勒體制雷達處理流程類似，通過信號處理可以檢測出目標回波的頻率差，從而得到目標距離。

1 脈沖調頻測距原理

脈沖調頻測距雷達發射信號通常為脈間線性調頻的高重頻相參脈沖串，與調頻連續波雷達的測距原理類似，根據回波信號與發射信號的頻率差來解算目標距離。脈沖調頻測距雷達發射的信號一般分為3個階段，如圖1所示。其中一個階段雷達發射信號的頻率固定，其他2個階段雷達發射信號的頻率隨時間線性變化。

圖1 脈沖調頻測距發射信號頻率

當發射信號頻率成線性變化時，如圖2所示，由于目標回波信號與發射信號存在一個固定延遲td，也就是將發射信號的調頻曲線向右平移td即可，所以回波信號與發射信號之間有一個固定的頻率差，該頻率差與目標距離有關。

圖2 脈沖調頻測距基本原理

在接收機混頻器中采用同樣的頻率調制規律對回波信號進行混頻，即可得到差頻信號。

假設線性調頻信號的調制斜率為K，則回波信號與發射信號的差頻為：

式中，R為目標距離，c為光速，fd為多普勒頻率。

所以目標距離為：

2 脈沖調頻測距雷達建模仿真

2.1 信號接收處理過程建模

脈沖調頻測距雷達通常采用高重頻脈沖信號，其信號接收處理流程與脈沖多普勒雷達的信號接收處理流程類似，對脈沖調頻測距雷達建立基于中頻信號流的仿真模型，其信號接收處理流程如圖3所示。雷達接收機部分主要包括雷達的中放帶通濾波及相干檢波功能，接收機輸入的中頻信號經中放濾波和相干檢波后變為基帶的復信號。雷達信號處理部分包括A/D采樣量化、雜波處理、多普勒濾波器組（FFT）、恒虛警處理（CFAR）。

圖3 脈沖調頻測距雷達信號接收處理流程示意圖

與常規脈沖多普勒雷達的信號處理過程比較，脈沖調頻測距雷達需要用同樣的線性調頻信號與輸入信號進行混頻，而相干檢波也有混頻處理，所以在建模仿真時，將線性調頻信號混頻融入到相干檢波的混頻處理中，脈沖調頻測距雷達相干處理如圖4所示。從接收機中頻放大器輸出的信號與正交的2路相參信號混頻，再經過低通濾波器，得到I、Q2路基帶信號。與常規脈沖多普勒雷達采用單點頻進行混頻不同，脈沖調頻測距雷達采用線性調頻信號與輸入信號進行混頻，經相干檢波處理后，輸出信號為單點頻信號。

圖4 脈沖調頻測距雷達相干檢波處理示意圖

相干檢波后信號經FFT處理后，即可檢測出信號的頻率，此頻率即為回波信號與發射信號的差頻。

發射的第一階段信號調制斜率為K1，第二階段信號調制斜率為K2，第三階段信號頻率不調制，經信號處理后輸出的信號頻率分別為：

式中，fd為目標的多普勒頻率，td為目標回波相對發射信號的延遲時間，R為目標距離，c為光速。

2.2 消除虛影處理

一般來說，脈沖調頻測距雷達只需要發射2段信號，通過2次檢測的信號頻率即可計算出目標距離。但是如果在雷達天線波束主瓣內存在2個目標，或者是由于受到干擾而在一次探測中檢測到多個信號頻率，解算目標距離時就會產生虛影。例如當雷達天線波束同時照射2個目標時，在三個階段都會分別檢測到2個頻率，如果將其中2個階段分別檢測的頻率配對求解目標距離，會出現4個距離數據，而其中只有2個距離是目標的真實距離，另外2個就是產生的虛影。要消除虛影就需要用到另外一個階段的檢測結果來校驗解算的目標距離，所以脈沖調頻測距雷達通常會發射三段信號。

假設第一階段信號調制斜率為K1，第二階段信號調制斜率為K2，第三階段信號頻率不調制，將第一、第二階段的信號分別與第三階段信號配對解算目標距離，如果三個階段檢測到的信號頻率分別為f1、f2、f3，則分別解算出的距離為：

如果R1和R2滿足|R1?R2|≤fr c(4N p K m)，則該配對正確，目標距離為R=0.5(R1+R2)。其中，fr為雷達發射信號的脈沖重復頻率，N p為相參積累的脈沖個數，K m為K1、K2中較小的值。

3 脈沖調頻測距雷達性能分析

3.1 雷達測距精度分析

脈沖調頻測距雷達的缺點是距離測量誤差大，例如調制斜率為K為10 MHz/s時，如果雷達多普勒濾波器組（FFT）頻率測量誤差Δf為100 Hz，則距離誤差為：

影響測距精度的因素主要有FFT的頻率測量精度和發射信號的調制斜率。FFT的測頻精度是由雷達發射脈沖的重復頻率和相參積累的脈沖個數決定的，在脈沖重頻頻率確定的情況下，增加相參積累的脈沖個數可以提高FFT的測頻精度。另一個影響因素是調制斜率，調制斜率K越大，測距誤差越小。調制斜率K的取值會影響到回波信號與發射信號的差頻fe，也就是FFT檢測到的信號頻率，K取值越大，差頻fe越大。當fe大于脈沖重復頻率時，會產生頻率混疊，所以K的取值不能太大。下面通過幾個仿真試驗來分析脈沖調頻測距雷達的測距精度。

1)仿真試驗1

雷達發射信號脈寬為1μs，脈沖重復周期為7μs，相參積累脈沖個數為1 024，第一階段發射信號調制斜率為3 MHz/s，第二階段發射信號調制斜率為6 MHz/s。仿真試驗結果如圖5所示，雷達測量距離的均方根誤差約為794 m。

圖5 脈沖調頻測距雷達測距誤差統計圖

2)仿真試驗2

雷達發射信號脈寬為1μs，脈沖重復周期為7μs，相參積累脈沖個數為1 024，第一階段發射信號調制斜率為6 MHz/s，第二階段發射信號調制斜率為?6 MHz/s。仿真試驗結果如圖6所示，雷達測量距離的均方根誤差約為338 m。

圖6 脈沖調頻測距雷達測距誤差統計圖

從仿真試驗結果來看，信號調頻斜率越大雷達距離測量誤差越小，增大調頻斜率能有效提高雷達測距精度，但是調頻斜率由于受到脈沖重復頻率的制約而不能取值太大。總的來說，脈沖調頻測距雷達的測距誤差至少為幾百米，與常規的脈沖延遲測距雷達幾十米的測距誤差相比，其測距誤差太大，這個缺點嚴重制約了脈沖調頻測距雷達的應用。

3.2 雷達信號偵察效果分析

脈沖調頻測距雷達發射的線性調頻信號調制斜率都不太高，在相參脈沖串持續時間內，調頻帶寬較小。例如當調制斜率K為10 MHz/s，如果相參脈沖串持續時間為50 ms，則最后一個脈沖與第一個脈沖頻率差值為500 k Hz。而大多數的雷達偵察裝備測頻精度都是兆赫茲量級的，也就是說雷達偵察裝備測量這種信號的頻率時，會認為頻率固定不變，并將這種線性調頻信號識別為常規的高重頻信號，因此在引導干擾時有可能會誤導干擾策略的選擇。

3.3 雷達干擾效果分析

對于噪聲壓制干擾，脈沖調頻測距雷達與脈沖延遲測距雷達受到干擾后的效果類似，影響干擾效果的主要因素都是干擾信號的強度。由于脈沖調頻測距雷達與脈沖延遲測距雷達的測距原理不同，在受到欺騙干擾時，干擾效果存在差異，因此本文主要針對欺騙干擾來分析脈沖調頻測距雷達的干擾效果。這里通過仿真試驗來分析數字儲頻（DRFM）轉發式假目標干擾對脈沖調頻測距雷達性能的影響。

仿真試驗中，雷達發射信號脈寬為1μs，脈沖重復周期為7μs，相參積累脈沖個數為1 024，第一階段發射信號調制斜率為3 MHz/s，第二階段發射信號調制斜率為6 MHz/s。干擾信號采用DRFM轉發式假目標干擾，干擾脈沖復制間隔為1μs。目標回波信號和雷達接收的干擾信號波形如圖7所示，頻譜如圖8所示。雷達探測仿真結果如圖9所示，從雷達數據處理結果（探測航跡）來看，在雷達探測過程中出現了一些假目標，有些假目標很快就丟失了，但是有些假目標（例如2號航跡）能一直穩定跟蹤，2號假目標航跡與真實目標的距離差約為3 333 m，如圖10所示。雷達對真實目標始終能穩定跟蹤，只是測距誤差增加了，如圖11所示的1號真實目標航跡均方根誤差約為887 m。

圖7 目標回波及干擾信號波形圖

圖8 目標回波及干擾信號頻譜圖

圖9 脈沖調頻測距雷達探測仿真結果

圖10 2號航跡（假目標）測距誤差統計圖

圖11 1號航跡（真實目標）測距誤差統計圖

4 結束語

本文根據脈沖調頻測距雷達工作原理及信號處理流程，建立了該體制雷達接收處理的信號級仿真模型，通過仿真試驗分析了脈沖調頻測距雷達的距離測量精度，以及對雷達偵察裝備信號類型識別效果的影響，最后探討了DRFM欺騙干擾對該體制雷達的干擾效果。■