鄭志寬，何 強，韓壯志

(1.軍械工程學院電子與光學工程系，石家莊050003;2.解放軍63961部隊，北京100012)

1 引言

目前低截獲率雷達大多采用連續(xù)波體制和準連續(xù)波體制，連續(xù)波雷達的收發(fā)隔離問題一直難以解決，而準連續(xù)波雷達將連續(xù)波雷達技術(shù)和脈沖技術(shù)結(jié)合在一起，使雷達信號既像連續(xù)波雷達信號一樣具有大的時寬帶寬積，又采用脈沖雷達發(fā)射、接收分時工作的方式，徹底解決了連續(xù)波雷達發(fā)射信號的泄露問題。準連續(xù)波雷達的信號形式可以采用線性調(diào)頻信號也可以采用偽碼調(diào)相信號，它具有被截獲概率低、電磁兼容性好、作用距離遠等優(yōu)點。但準連續(xù)波雷達也存在嚴重不足，由于信號的占空比大，發(fā)射脈沖的遮擋效應嚴重，存在較大的距離盲區(qū)，尤其是對近距離和遠距離的目標探測動態(tài)范圍影響大[1－2]。

針對相位編碼準連續(xù)波雷達，高梅國等人提出了一種脈內(nèi)長短碼結(jié)合的波形設計方法[3]，在一個脈沖重復周期內(nèi)依次發(fā)射長碼和短碼，并分別接收回波、分別脈壓，將脈壓后的結(jié)果無縫拼接起來，短碼脈壓結(jié)果取前段，長碼脈壓結(jié)果取后段。此方法雖然可以解決回波遮擋所引起的近距離盲區(qū)問題，但由于相位編碼信號本身存在多普勒冗余度很差的固有缺陷，而現(xiàn)代雷達越來越多的要面對高速的運動目標，所以對目標各項參數(shù)的檢測并不理想。

針對線性調(diào)頻準連續(xù)波雷達，劉高輝等人提出一種基于分時發(fā)射技術(shù)的雙線性間斷調(diào)頻準連續(xù)波[4]，即在一個脈沖重復周期內(nèi)交替發(fā)射頻譜互不重疊的兩個線性調(diào)頻脈沖信號，但并沒有給出兩個線性調(diào)頻信號的脈沖寬度，而回波遮擋對信號檢測的影響也未考慮在內(nèi)，不具有一般性。

綜合準連續(xù)波體制雷達存在的不足和現(xiàn)有信號形式的優(yōu)缺點，本文提出一種基于頻分復用的窄脈沖和寬脈沖相結(jié)合的三頻段信號。線性調(diào)頻脈沖信號是一種通過線性頻率調(diào)制獲得大時寬帶寬積的脈沖壓縮信號，適用于雜波背景下的高速、小目標的檢測與跟蹤，而對不同距離范圍的目標采取不同時寬的信號進行檢測，可有效解決回波遮擋問題。

2 系統(tǒng)組成和信號處理流程

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

三頻段準連續(xù)波雷達的發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)組成如圖1所示，發(fā)射系統(tǒng)包括三頻段信號產(chǎn)生模塊、兩級級聯(lián)的上變頻器、固態(tài)功率放大模塊和發(fā)射天線單元等，其中三頻段信號產(chǎn)生模塊由作者設計，其余為通用模型。三頻段信號經(jīng)計算機仿真產(chǎn)生后，直接將參數(shù)注入信號發(fā)生器，從而產(chǎn)生三頻段信號，再通過兩級上變頻、固態(tài)功率放大和天線將信號輻射出去。接收系統(tǒng)包括天線、收發(fā)轉(zhuǎn)換裝置、接收跳頻本振、中頻接收分機、ADC單元、頻率抽取部分、低通濾波單元和信號處理模塊等，其中ADC單元、頻率抽取部分、低通濾波單元和信號處理模塊由作者設計，其余為通用模型。接收跳頻本振的功能是完成信號同步接收，中頻接收分機和ADC單元完成三路回波信號的正交分解和數(shù)字化任務，頻率抽取和低通濾波完成線性調(diào)頻回波的解調(diào)頻處理，信號處理分機的任務是完成目標距離和徑向速度的估計。

圖1 三頻段準連續(xù)波雷達的發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)框圖Fig.1 Transmitting and receiving system block diagram of three frequency ranges quasi－continue wave radar

2.2 信號處理原理

2.2.1 線性調(diào)頻信號目標檢測原理

假設理想點目標與雷達的相對距離為R，為了探測這個目標，雷達發(fā)射信號s(t)，電磁波以光速C向四周傳播，經(jīng)過時間R/C后電磁波到達目標，一部分電磁波被目標散射，再經(jīng)過時間R/C后被雷達接收天線接收。雷達的回波信號可表示為

式中，M表示目標的個數(shù)，τi是光速在雷達與目標之間往返一次的時間。

為了從雷達回波信號sr(t)提取出表征目標特性的τi(表征相對距離)，常用的方法是對sr(t)進行匹配濾波處理[5]，結(jié)果為

so(t)中包含目標的特征信息τi，從so(t)中可以得到目標的個數(shù)M和每個目標相對雷達的距離。

2.2.2 窄帶采樣理論

對于帶通信號，根據(jù)Nyquist帶通抽樣定理，抽樣速率并不需要一定大于信號最高頻率的2倍，用較低的采樣速率也可以正確地反映帶通信號的特性。

窄帶信號接收的欠采樣理論:設一窄帶信號x(t)，其頻率范圍在(fL，fH)內(nèi)，f0為該信號中心頻率。當以fS(fS＜f0)對x(t)進行采樣時，x(t)會同nfS的信號進行混頻，其頻譜就會以fS為周期進行搬移。

為了不發(fā)生頻帶重疊，抽樣頻率fS應滿足下列條件:

在式(3)中，n取能滿足 fS≥2(fH－fL)的最大正整數(shù)，所以用fS進行等間隔采樣，得到的信號采樣值x(nTS)能準確地確定原始信號x(t)。

帶通信號采樣定理表明:對帶通信號而言，可按遠低于兩倍信號最高頻率的采樣率來進行采樣。帶通信號采樣定理的應用大大降低了所需的采樣速率，為后面的數(shù)據(jù)處理奠定了基礎[6－7]。

2.3 信號處理流程

2.3.1 參數(shù)選擇原則及三頻段信號

信號參數(shù)選取滿足以下原則:

(1)調(diào)頻帶寬B的大小主要根據(jù)距離分辨率進行選取，為后續(xù)信號處理的方便，3個線性調(diào)頻信號設置相同的帶寬;

(2)信號的脈沖寬度主要依據(jù)目標距離范圍進行選取，長信號探測遠距離目標，中信號探測距離稍近，可以彌補長信號的探測盲區(qū)，短信號探測近距離目標，彌補中信號的探測盲區(qū);

(3)發(fā)射信號的占空比最大為0.5，在可以保證距離分辨率的前提下，盡量增大占空比，以提高發(fā)射信號的能量，從而增大探測距離;

(4)為防止頻譜混疊，需要在3個線性調(diào)頻信號的頻帶之間設置隔離帶。

本文所設計的三頻段信號由3個線性調(diào)頻信號組成，時間長度分別為 7 μs、64 μs 和 128 μs(尾部對齊)，每段信號各占用5 MHz帶寬，為防止實際輸出信號由于頻帶延拓而出現(xiàn)頻譜交叉干擾，各信號之間設置1 MHz的隔離帶，3個線性調(diào)頻信號的頻率范圍分別為－8.5 ～ －3.5 MHz、－2.5 ～2.5 MHz和3.5 ～8.5 MHz，共占用 17 MHz帶寬，該信號的波形圖和時頻圖如圖2所示。

圖2 三頻段信號波形圖和時頻圖Fig.2 Waveform and time－frequency diagrams

雷達發(fā)射的一個脈沖內(nèi)同時含有3個頻段的信號，接收時這個三頻段信號經(jīng)窄帶采樣后，分3個通道數(shù)字下變頻和低通濾波后，就可以按照其頻帶將3個信號分別進行信號的處理。由一路信號變成三路信號，這樣大時寬脈沖信號能夠探測較遠距離，而窄脈沖信號又能消除寬脈沖信號的近距離盲區(qū)，并能高精度的分辨近距離目標，從而解決探測距離、距離分辨率的矛盾和近距離盲區(qū)問題。

2.3.2 目標回波的脈沖壓縮處理

假設雷達以重復周期T發(fā)射LFM信號:

式中，f0為發(fā)射信號的載頻，Tp為脈沖寬度，K為調(diào)頻斜率。對應的基頻信號為

此時，距離為R處的目標回波可表示為

接收回波的參考信號為

則R處目標的基頻回波可表示為

對其進行匹配濾波，脈壓后目標的回波

分析式(9)可以看出，目標回波經(jīng)脈沖壓縮后是一個與距離R有關的sinc脈沖，脈沖的寬度與B=KTp成反比，目標的回波多普勒體現(xiàn)在相位項exp[－j2πf0R/c]中。

2.3.3 三頻段信號接收實例分析

三頻段信號的3個線性調(diào)頻信號的頻率范圍分別為－8.5 ～ －3.5 MHz、－2.5 ～ 2.5 MHz和 3.5～8.5 MHz，共占用 17 MHz帶寬。以 60 MHz的中頻頻率上變頻輸出，則發(fā)射的三頻段信號的頻帶范圍變?yōu)?1.5～68.5 MHz。三頻段信號可表示為

式中，Tpi是第i個信號的脈沖寬度，fi是第i個信號的中心頻率，Ki是第i個信號的調(diào)頻斜率。

假設只有一個距離為R的目標情況下，雷達回波信號可表示為

信號接收依據(jù)窄帶信號的欠采樣理論，由式(3)可知，三頻段信號的采樣頻率范圍為[137/(n+1)，103/n]，下面對n取值范圍進行分析:當n=2，采樣頻范圍變?yōu)閇46，51];n=3時，無整數(shù)采樣頻率可取。因此，只能使n=2，取采樣頻率fs=50 MHz＞34 MHz，可滿足要求。

三路單獨數(shù)字下變頻的目的是將三路信號頻率均降至零頻附近，則3個NCO基準頻率分別取fNCO1=54 MHz，fNCO1=60 MHz，fNCO1=66 MHz，雷達回波信號經(jīng)過混頻后，變?yōu)橛砂繕诵畔⒌牧阒蓄l信號和無用的高頻雜波所組成的復合信號，再將信號分別進行低通濾波后，就可提取出3個線性調(diào)頻信號。之后可參照2.2.1節(jié)和2.3.2節(jié)所述的單個線性調(diào)頻信號檢測目標理論來提取目標參數(shù)。

3 模糊函數(shù)及近距離盲區(qū)的消除

3.1 模糊函數(shù)

線性調(diào)頻信號的模糊函數(shù)可以表示為

取模得到

線性調(diào)頻信號的三維模糊圖如圖3所示，圖中水平軸為延時，其界限為正、負脈沖寬度(±T);斜軸為多普勒頻率，其界限為正、負調(diào)頻帶寬(±B);縱軸為

圖3 線性調(diào)頻信號的三維模糊圖Fig.3 Three－dimensional fuzzy figure of LFM signal

3.2 抗近距離盲區(qū)

準連續(xù)波體制雷達結(jié)合了連續(xù)波雷達與脈沖雷達兩者的優(yōu)點，它的發(fā)射脈沖占空比近似為0.5，與脈沖體制相比，準連續(xù)波體制具有更低的峰值功率，降低了對固態(tài)發(fā)射機的功率要求，具有良好的低截獲性;與連續(xù)波體制相比，又具有收發(fā)時間隔離的優(yōu)點。

準連續(xù)波雷達收發(fā)共用一個天線，發(fā)時不收，收時不發(fā)，避免了連續(xù)波雷達的泄露問題，但是高占空比的發(fā)射信號不可避免地會帶來近距離盲區(qū)。由于回波信號被截斷，原本具有良好脈沖壓縮性能的發(fā)射信號在接收端進行脈壓處理時主瓣峰值下降，旁瓣抬高，主旁瓣比迅速下降，這對目標檢測非常不利。而三頻段信號既保留了線性調(diào)頻信號的傳統(tǒng)優(yōu)勢，又可以有效解決雷達回波的距離遮擋問題[8－9]。

準連續(xù)波體制雷達的各個回波遮擋情況如圖4所示。

圖4 回波遮擋示意圖Fig.4 Echo block diagram

假設光速為c，脈沖寬度為Tr，脈沖重復周期為T，對于準連續(xù)波體制雷達，由于收發(fā)開關的轉(zhuǎn)換，當目標距離R＜cTr/2時，回波信號前部被截斷，只能接收后部，稱為前遮擋回波;當cTr/2＜R＜c(T－Tr)/2時，回波信號全部被接收，此時無遮擋;當 R＞c( T－Tr)/2時，回波信號后部被截斷，只能接收前部，稱為后遮擋回波。

回波遮擋之后的信號處理是一個部分相關過程，會給目標的檢測帶來很多不利影響，比如會造成信噪比的降低、主瓣的偏移等。圖5顯示了用線性調(diào)頻信號檢測位于1 km、9 km、18 km處的3個目標時，回波遮擋時對目標位置信息檢測的影響。

圖5 回波遮擋對目標位置信息檢測的影響Fig.5 The influence of the echo block on the target position information detection

三頻段信號采用脈寬長短結(jié)合的線性調(diào)頻信號去探測目標，長信號能量大，探測距離遠，但是探測近距離目標時的性能受回波遮擋影響很大，用中信號和短信號來消除長信號的近距離盲區(qū)，同理，短信號也可以消除中信號的近距離盲區(qū)，而短信號雖然理論上也存在近距離盲區(qū)，但由于距離太近，對目標的檢測一般會轉(zhuǎn)入光學設備，對準連續(xù)波戰(zhàn)場偵察雷達而言，短信號所謂的近距離盲區(qū)可以不予考慮。

4 仿真驗證

接收回波功率可表示為

其中，Pt為雷達發(fā)射功率，G為雷達天線增益，σ是目標的散射截面積，λ為所用波長，R是目標距離。

準連續(xù)波體制雷達收發(fā)共用一個天線，所以對三頻段信號來說，Pt、G、σ、λ是相同的，只有目標的距離不同會影響接收回波功率的相對大小，并且接收回波功率Pr反比于目標與雷達之間距離R的四次方。隨著目標距離的增加，回波功率Pr下降很快。短信號雖然在理論上可以檢測遠距離目標，并且不會產(chǎn)生回波遮擋，但是由于其時寬很窄，要探測遠距離目標，必須有很大的峰值功率，不符合戰(zhàn)場偵察雷達低截獲概率的要求，也違背了三頻段信號的設計初衷。在仿真驗證時，考慮到戰(zhàn)場偵察雷達所處的真實環(huán)境，以典型的行人、裝甲車輛、直升機的發(fā)現(xiàn)距離為背景設定目標。假設目標1、2、3分別位于1 km、9 km、18 km 處，用 LFM1探測目標3，目標1、2在LFM1的盲區(qū);用LFM2探測目標2，目標1位于LFM2的盲區(qū);最后用 LFM3探測目標1，彌補LFM2的盲區(qū)。考慮到接收回波功率的大小，不考慮LFM2對目標3的檢測性能，以及LFM3對目標2、3的檢測性能，3個LFM信號對目標的檢測情況如圖6所示。

圖6 三頻段信號對不同距離段目標的檢測Fig.6 Different distance target detection of three frequency ranges signal

由圖6可以看出，LFM1對目標1、2探測時，測距誤差較大，旁瓣太高，主瓣不唯一，嚴重影響對目標的檢測。LFM2對目標1的探測也存在類似的問題。所以用三頻段信號檢測3個距離段的目標時，LFM1用來檢測遠距離目標，LFM2檢測中距離目標，消除LFM1的近距離盲區(qū)，LFM3檢測近距離目標，消除LFM2的近距離盲區(qū)。3個信號分別檢測不同距離段的目標，達到了全距離的無縫銜接，提高了準連續(xù)波雷達的檢測性能。

5 結(jié)束語

本文在對準連續(xù)波體制雷達充分研究的基礎上，針對現(xiàn)有的信號形式不能滿足其準確檢測目標參數(shù)和無法消除近距離盲區(qū)的問題，提出了一種三頻段信號，并對三頻段信號應用于準連續(xù)波雷達時的詳細信號處理流程作了充分分析，最后通過仿真驗證，得出三頻段信號應用于準連續(xù)波雷達時，可以準確探測目標并消除準連續(xù)波體制的近距離盲區(qū)的結(jié)論。相對于相位編碼信號，三頻段信號的多普勒性能更好;相對于分時發(fā)射長短不同的LFM信號，三頻段信號在保證探測性能的基礎上，可縮短探測周期，節(jié)省雷達的時間資源，從而實現(xiàn)跟蹤探測更多目標的要求。綜上，本文所做研究對準連續(xù)波雷達的研究發(fā)展有一定指導意義。

但此方案也可能存在一點不足，三頻段信號的帶寬較大，接收回波時有可能會使更多的雜波通過，是否會影響對目標的檢測，需要進一步研究探索。

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