一種脈間相位編碼波形高旁瓣抑制方法

劉建虎，連紅飛，陳 橋，袁仕鑫

(1 北京理工睿行電子科技有限公司，北京 100161；2 國(guó)防科技大學(xué)自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410073；3 北京理工大學(xué)重慶創(chuàng)新中心，重慶 401120)

0 引言

在無(wú)人機(jī)載平臺(tái)中，雷達(dá)作為核心傳感器發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用[1-2]。受限于平臺(tái)的尺寸，應(yīng)用多輸入多輸出(multiple-input multiple-output，MIMO)體制的小型陣列雷達(dá)備受青睞。相位編碼信號(hào)的模糊函數(shù)形狀為 “圖釘型”，且滿足大時(shí)寬、大帶寬的特性，因此廣泛應(yīng)用在MIMO雷達(dá)發(fā)射波形中[3-4]。在相位編碼信號(hào)波形中，多個(gè)發(fā)射天線發(fā)射的信號(hào)調(diào)制正交的相位編碼序列，從而使得回波信號(hào)能夠在接收機(jī)正確進(jìn)行回波分離[5-6]。但是由于理想的正交序列并不存在，因此接收信號(hào)在回波分離的時(shí)候就會(huì)出現(xiàn)干擾殘余，造成底噪的抬升，形成較高的旁瓣，從而影響目標(biāo)的檢測(cè)[7]。在脈間相位編碼波形中，多個(gè)脈沖信號(hào)之間調(diào)制相位碼序列，由于需要在慢時(shí)間維進(jìn)行相位解碼，就會(huì)導(dǎo)致高的多普勒旁瓣問(wèn)題，影響弱小目標(biāo)的檢測(cè)。

針對(duì)此問(wèn)題，文獻(xiàn)[8-10]從相位碼序列的正交性出發(fā)，設(shè)計(jì)了如Gold碼、Kasami序列、m-序列等信號(hào)，最大化碼序列之間的正交性，減小回波信號(hào)分離時(shí)的干擾殘余。文獻(xiàn)[11]提出以最小化序列峰值干擾殘差準(zhǔn)則設(shè)計(jì)碼序列。但是由于碼序列之間并不能實(shí)現(xiàn)理想的正交，在多普勒維度存在多個(gè)目標(biāo)時(shí)，強(qiáng)目標(biāo)的干擾殘余因回波能量較大，將抬升多普勒頻譜的整體水平，形成比較高的旁瓣，可能淹沒(méi)弱目標(biāo)，導(dǎo)致目標(biāo)漏檢。因此，研究有效的高旁瓣抑制方法極其重要。

為了更好解決脈間相位編碼信號(hào)帶來(lái)的干擾殘余導(dǎo)致的目標(biāo)漏檢問(wèn)題，文中提出了一種基于clean思想的高旁瓣抑制方法。首先通過(guò)脈間多普勒處理在頻域聚焦目標(biāo)能量，在多天線之間進(jìn)行非相參積累進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)與參數(shù)估計(jì)，然后在各個(gè)回波分離后的信號(hào)中，將處理過(guò)的目標(biāo)信號(hào)在頻域上進(jìn)行消除，接著通過(guò)逆傅里葉變換的方式對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域重構(gòu)，完成干擾殘余消除。與傳統(tǒng)的處理方法對(duì)比，所提方法可以有效抑制脈間相位編碼信號(hào)帶來(lái)的旁瓣抬高，解決弱小目標(biāo)漏檢的問(wèn)題。

1 脈間相位編碼信號(hào)模型

1.1 信號(hào)模型

假設(shè)MIMO雷達(dá)發(fā)射天線與接收天線數(shù)量分別為N和M，所有發(fā)射天線同時(shí)發(fā)射線性調(diào)頻連續(xù)波(chirp)信號(hào)，一幀內(nèi)chirp個(gè)數(shù)為L(zhǎng)，脈沖重復(fù)周期為PRT。慢時(shí)間相位編碼信號(hào)示意圖如圖1所示，其中TXN表示第N個(gè)發(fā)射天線，an,i表示第n個(gè)陣元在i個(gè)調(diào)頻序列的調(diào)制碼元。將慢時(shí)間編碼序列分別記作a1,a2,…,aN，an=[an,1,an,2,…,an,L]。

圖1 慢時(shí)間相位編碼序列示意圖

首先，單目標(biāo)對(duì)應(yīng)第n個(gè)發(fā)射第m個(gè)接收的回波信號(hào)為[3]：

(1)

式中：R0,V,θ分別代表目標(biāo)距離，速度與角度；K表示信號(hào)幅度信息；Kr為調(diào)頻斜率；ts為距離向快時(shí)間，即一個(gè)PRT內(nèi)的采樣時(shí)間；tl表示速度向慢時(shí)間，這里代表一個(gè)序列內(nèi)有L·T慢時(shí)間；l表示一個(gè)序列內(nèi)的第l個(gè)PRT；drx,m與dtx,n分別表示第m個(gè)接收天線與第n個(gè)發(fā)射天線距參考陣元的距離。

那么，考慮發(fā)射信號(hào)經(jīng)過(guò)編碼后同時(shí)發(fā)射，回波信號(hào)表示為：

(2)

解碼后，第n0個(gè)發(fā)射天線對(duì)應(yīng)的回波信號(hào)為：

(3)

1.2 干擾殘余分析

考慮多目標(biāo)回波信號(hào)情況：

(4)

距離維(經(jīng)快速傅里葉變換)后，回波信號(hào)表示為：

(5)

式(4)經(jīng)過(guò)速度維FFT后，可得：

(6)

式中，An/n0表示序列an/n0=[an/n0,1an/n0,2…an/n0,L]的傅里葉變換，當(dāng)n=n0，an0/n0=[1 1 … 1]，其頻譜An0/n0=Isinc(·)。繼續(xù)可將式(6)分解為：

(7)

式中：第一項(xiàng)為解碼信號(hào)，第二項(xiàng)為干擾殘余信號(hào)。假設(shè)當(dāng)前存在一目標(biāo)速度為V0，多普勒f(shuō)dop0=2V0/λ，若干擾殘余信號(hào)足夠小，完成多普勒維FFT后，可在fp=fdop0處形成峰值，但是如果當(dāng)干擾殘余信號(hào)較大時(shí)，就會(huì)抬升底噪形成高旁瓣，影響目標(biāo)在多普勒維度的聚焦。

2 基于clean思想的高旁瓣抑制方法

針對(duì)上述問(wèn)題，文中基于clean思想，提出了一種干擾殘余消除方法，回波信號(hào)處理步驟為：

步驟一：將接收到的回波數(shù)據(jù)依次進(jìn)行解碼操作后，進(jìn)行2D-FFT處理和非相參積累。

步驟二：目標(biāo)檢測(cè)與參數(shù)估計(jì)。

步驟三：對(duì)檢測(cè)到目標(biāo)進(jìn)行頻域消除。分別對(duì)每一個(gè)發(fā)射信號(hào)的頻譜圖進(jìn)行目標(biāo)剔除，然后進(jìn)行逆傅里葉變換，將信號(hào)變換到時(shí)域。重新對(duì)信號(hào)進(jìn)行編碼，模擬發(fā)射天線慢時(shí)間相位調(diào)制過(guò)程。

步驟四：分別按照步驟三剔除其他多個(gè)發(fā)射信號(hào)的干擾殘余后，將信號(hào)變換到頻域。

步驟五：對(duì)多個(gè)發(fā)射天線的回波頻域信號(hào)進(jìn)行非相參積累之后，重復(fù)步驟二至步驟五，直至檢測(cè)不到目標(biāo)為止。

以上就是基于clean思想的旁瓣殘余消除方法。本質(zhì)是通過(guò)頻域向時(shí)域的轉(zhuǎn)換，消除掉所有檢測(cè)目標(biāo)的干擾殘余，達(dá)到降低旁瓣的效果，進(jìn)而可以檢測(cè)到弱小目標(biāo)。該方法的具體流程如圖2所示。

圖2 方法流程圖

3 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證文中提出的基于clean思想的旁瓣殘余消除方法的有效性，開(kāi)展仿真驗(yàn)證試驗(yàn)。仿真設(shè)置多個(gè)目標(biāo)，其中3個(gè)為強(qiáng)目標(biāo)，2個(gè)為弱目標(biāo)，它們位于同一距離，但是速度各不相同。觀察文中方法對(duì)于弱目標(biāo)檢測(cè)能力的提升。

表1 雷達(dá)目標(biāo)參數(shù)設(shè)置

首先對(duì)仿真目標(biāo)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行多個(gè)發(fā)射天線的相位解碼，分別變換到頻域后進(jìn)行非相參積累后的結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 干擾殘余消除前二維頻譜

由圖中目標(biāo)點(diǎn)的聚焦情況可以看出，干擾殘余消除前，二維頻譜中3個(gè)強(qiáng)目標(biāo)均能被很好地聚焦，但是2個(gè)弱目標(biāo)幾乎被淹沒(méi)在底噪中。而采用文中方法，即進(jìn)行目標(biāo)帶來(lái)的干擾殘余消除后，2個(gè)弱目標(biāo)也可以很好地聚焦。為了更加清楚地觀察目標(biāo)的檢測(cè)情況，對(duì)傳統(tǒng)方法與文中方法在多普勒維度的目標(biāo)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果如圖5所示。

圖5 傳統(tǒng)處理方法與文中方法多普勒維目標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

由圖5可以看出，相比于傳統(tǒng)處理方法，文中方法處理后，明顯壓低了多普勒維度的底噪，使得弱目標(biāo)4與弱目標(biāo)5可以很好的被檢測(cè)出來(lái)，信噪比提升了約10 dB。

表2給出仿真的5個(gè)目標(biāo)的參數(shù)估計(jì)結(jié)果。由表2可以看出，采用文中方法后，多普勒維度底噪降低了約9 dB，強(qiáng)目標(biāo)多普勒維度信噪比抬升約5 dB，弱目標(biāo)信噪比提升約10 dB。且弱目標(biāo)的距離、速度與角度信息均能很好的被估計(jì)出來(lái)。綜上，仿真結(jié)果驗(yàn)證了文中方法的有效性。

表2 目標(biāo)參數(shù)估計(jì)結(jié)果

4 結(jié)論

針對(duì)MIMO雷達(dá)中脈間相位編碼波形帶來(lái)的高多普勒旁瓣問(wèn)題，基于clean思想，提出了一種旁瓣抑制方法，消除由于信號(hào)非理想正交帶來(lái)的干擾殘余。該方法在頻域剔除過(guò)檢目標(biāo)帶來(lái)的干擾殘余，變換到時(shí)域上重新構(gòu)造回波信號(hào)，達(dá)到旁瓣抑制效果。多目標(biāo)的仿真測(cè)試結(jié)果表明，該方法與傳統(tǒng)處理方法相比，具有很好的旁瓣抑制效果，大大提升了弱小目標(biāo)的可檢測(cè)性，對(duì)于無(wú)人機(jī)防撞系統(tǒng)工程實(shí)踐有著較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。