雜波區內低速目標合成寬帶處理方法研究*

秦慶兵

（安徽博微長安電子有限公司 六安 237010）

1 引言

步進頻信號作為一種合成寬帶信號，通過發射頻率步進脈沖串，在帶寬較窄的系統上采用一定的處理算法實現寬帶信號合成［1～5］，具有瞬時帶寬低、合成帶寬高和易于實現等優點［6］。在積累的過程中，由于步進頻信號本身就是一種多普勒敏感信號，需要進行速度補償［7］。現有文獻對頻域合成方法原理的研究一般限于靜止目標所引起的回波信號［8］，也可認為是運動目標引起的回波經過精確補償后的結果。但在實際工程中目標可能會受如地雜波背景等非理想因素的影響，最終合成的高分辨率一維距離像會出現柵瓣，這給目標分類與識別工作帶來了非常嚴重的危害，而研究這種“非理想”情形在現實中更為實用［9］。

本文介紹了合成寬帶基本原理、多普勒性能，并對雜波背景對目標合成寬帶的影響進行了仿真分析，著重探討了目標視在多普勒速度與工作重頻之間關系對雜波抑制下的目標合成寬帶的影響，并得出幾個有益的工程設計結論。

2 合成寬帶基本原理

一個具有N 個階躍的頻率步進脈沖串的發射波形可表示為［10］

接收到的信號為

目標的延時為

同相混頻器產生的基帶分量輸出為

混頻器輸出的相位是

混頻器的輸出是低通濾波在t=Si時刻采樣的基帶響應，這里Si為在前一個脈沖到該脈沖之間在接近回波信號的中心處產生的采樣信號。假設采樣時間是如下設置的：

采樣輸出為

IDFT表示為

由此可以得到符合距離分布復數形式的幅度為

至此就完成了脈沖綜合，峰值出現在：

令l0=2NRΔf/c，則對應的距離為

最大不模糊距離窗的寬帶為

3 多普勒性能

當雷達和目標相對運動時，由于相對速度的存在而產生距離多普勒耦合現象［11～12］。當目標勻速運動時，混頻器輸出的相位是

由于速度存在而產生的相位差為

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第一項為常數項，進行IDFT 時不會引起距離移動；第二和第三項為一次項，由于目標運動而引起距離像位置移動，即距離徙動；第四項為平方相位項，將展寬距離向地峰值響應，降低信噪比，即距離色散［13］，要進行精確測距或者成像，在進行IDFT之前需要進行速度補償。

4 雜波影響下低速目標速度補償結果影響分析

為了便于分析，將雜波單元與目標散射單元仿真在不同距離單元，仿真條件為第一次發射載頻2.5GHz，重頻1000Hz，子帶寬8MHz，采樣率20 MHz，步進6MHz，步進16次，每組脈沖數15，為了便于觀察將雜波點與目標散射點距離拉開進行仿真，第一個散射點為固定雜波點，第二、三個散射點為運動目標的兩個散射點，第一二三點幅值比為2∶2∶3，位置分別為1255m、1300m、1330m，采用頻域速度補償方法，所有仿真含頻譜拼接的相位補償。

單目標運動速度為90m/s，目標視在多普勒處于不模糊重頻中間，與雜波多普勒完全拉開，寬帶合成結果對比如圖1和圖2所示。

圖1 不含雜波目標速度補償前后對比圖

圖2 含雜波目標速度補償前后對比圖

定性分析：通過圖1 可以看出，補償前波形展寬發散，補償后合成目標散射點聚合。圖2（a）未進行速度補償的結果（含雜波）的雜波點理論上雜波點幅度聚合，目標散射點發散，其主要原因是頻域相位拼接能夠最大程度地依據窗內最大散射點進行大致的多普勒補償（不含帶內補償），且目標速度不高，通過相位拼接后發散影響降低。從圖2 可以看出，在目標速度低且強度大于雜波情況下，補償前后與不含雜波情況基本相同，補償前雜波散射點發散至較小的幅度。由圖2（c）和（d）對比可以看出，雜波抑制后速度補償后合成寬帶效果較理想。

單目標運動速度為60m/s，目標多普勒第一次步進的視在多普勒速度與雜波多普勒重合（頻譜的邊），進行速度補償及不進行速度補合成結果對比如圖3所示。

圖3 含雜波目標速度補償前后對比圖

定性分析：對比圖2 和圖3 可以看出，當目標視在多普勒處在合成帶寬的邊帶時，含雜波信號目標速度補償前的合成寬帶信號存在一定的發散變形，含雜波信號目標速度補償后的合成寬帶信號目標信號增強，雜波信號展寬，當含雜波信號進行雜波抑制，目標速度補償后的合成寬帶信號目標信號基本未受影響，只是柵瓣較無雜波時有所抬升。

目標速度與中心某頻點速度模糊重合，模擬目標速度58.8697m/s，在第8 次步進點（中心載頻2.548GHz），目標模糊多普勒頻率與雜波多普勒頻率重合仿真效果如圖4所示。

圖4 含雜波目標速度補償前后對比圖

定性分析：對比圖3和圖4可以看出，當目標視在多普勒處在合成帶寬的中心時，含雜波信號目標速度補償前的合成寬帶信號存在一定的發散變形，含雜波信號目標速度補償后的合成寬帶信號目標信號增強，雜波信號展寬，當含雜波信號進行雜波抑制，目標速度補償后的合成寬帶雜波及目標信號變形嚴重。當目標視在多普勒速度處在合成帶寬的中心時，經過雜波抑制，目標信號被極大抑制，導致合成帶寬后半段信號在頻域相位拼接不正確，以致合成寬帶像不正確。

5 結語

通過理論分析和仿真可以得出幾個有益的結論用以指導工程實踐。1）在進行雜波抑制的合成寬帶工程設計應用時應避免目標的視在速度落在雜波多普勒譜之內，若無法避免，則應盡量避免目標視在多普勒落在合成帶寬的中心，降低雜波對合成寬帶的影響。2）當目標速度較低時，通過頻域相位拼接可以一定程度地補償目標速度，降低距離像發散影響。3）通過雜波仿真及距離色散效應分析可知，當開窗內存在不同速度散射點時，不利于速度補償，因此工程設計需選取大小適宜的步進頻合成寬帶開窗。

本文僅仿真了信號較雜波信號大且目標速度較低的情況，后續可以進一步仿真雜波信背景下子帶寬、信號相對大小等參數對合成寬帶影響。