曹書華，汪凌艷，趙 鵬，張建凌，吳 磊

（中航工業(yè)雷華電子技術(shù)研究所，江蘇 無錫 214063）

機載PD雷達寬帶線性調(diào)頻信號運動補償

曹書華，汪凌艷，趙 鵬，張建凌，吳 磊

（中航工業(yè)雷華電子技術(shù)研究所，江蘇 無錫 214063）

采用寬帶線性調(diào)頻信號能夠顯著地提高雷達的距離分辨率和抗干擾能力，然而雷達與目標間的相對運動損耗了部分目標回波相參積累能量，影響目標頻率向和距離向分辨力。針對以上問題，提出了一種基于改進匹配濾波函數(shù)的運動補償方法，補償信號回波中的相位誤差，實現(xiàn)寬帶線性調(diào)頻信號目標運動運動補償。實驗與仿真結(jié)果證明了該算法的有效性。

寬帶線性調(diào)頻信號，脈沖壓縮，匹配濾波，運動補償，脈沖多普勒雷達

0 引言

現(xiàn)代高科技戰(zhàn)爭對機載PD雷達系統(tǒng)功能與性能提出了越來越高的要求。一方面要求雷達具有多目標探測、識別、跟蹤等多種功能，另一方面要求雷達具有較高靈敏度、抗干擾和低截獲性能。傳統(tǒng)的窄帶雷達由于發(fā)射信號帶寬較窄，在目標距離高分辨、低截獲和抗干擾性能方面難以滿足要求，因此，世界各國相繼發(fā)展寬帶或超寬帶機載雷達。

寬帶機載雷達具有更高的距離分辨率，從而能夠?qū)δ繕诉M行分類和識別；具有較寬的帶寬，可以提高對隱身目標的探測性能；對外部的窄帶電磁信號和噪聲的干擾具有更強地抑制能力；寬帶信號難以被檢測和復(fù)制，可以提高雷達的低截獲（LPI）和抗干擾性能［1］。作為一種新的技術(shù)，寬帶機載雷達具備很多優(yōu)勢，但在機載PD雷達應(yīng)用過程中，由于載機與目標間相對較高運動速度，在使用寬帶信號時，該速度會引起目標在頻域上的展寬，導(dǎo)致目標頻率向能量分散或成像方位向模糊；由于寬帶信號較高的距離分辨率，在相參積累周期內(nèi)，目標會跨距離單元走動，引起相參積累能量的損失。因此，在機載PD雷達探測過程中，必須對寬帶信號回波進行一定的補償，才能滿足目標檢測或成像的需要［2-7］。

1 距離走動對寬帶LFM目標的影響

假設(shè)雷達發(fā)射線性調(diào)頻脈沖信號，可表示為［8］

假定目標的初始距離Ro對應(yīng)的時延為to，即to=；雷達與目標間的徑向速度為υ；對于中心頻率，雷達與目標間相對多普勒頻移為

雷達發(fā)射信號周期為T，相參積累脈沖序列為m=0，1，2，…，M-1，第m個脈沖相對于第1個脈沖相參積累時間差τ=m*T。相對于第1個發(fā)射脈沖，后續(xù)接收脈沖相位延時。則雷達接收信號為

接收信號與cos（2πfot）和sin（2πfot）分別進行混頻，得到接收信號的基帶復(fù)信號為

換一個角度去理解這個問題：假設(shè)寬帶線性調(diào)頻信號調(diào)頻范圍為，雷達與目標間的徑向速度為v。由于發(fā)射信號為寬帶線性調(diào)頻信號，脈內(nèi)頻率成分均不同且差異較大，導(dǎo)致目標脈內(nèi)不同頻率回波的多普勒頻率相差較多，在脈壓和相參積累后，目標回波在頻率向發(fā)散，致使目標相參積累能量損失，頻率維分辨能力下降。

由于目標運動，使得目標的寬帶線性調(diào)頻信號回波在相參積累后的頻率向帶寬為：

如果雷達發(fā)射周期為PRI，相參積累點數(shù)為N，相參積累時間為t’。相參積累時，與FFT子濾波器帶寬的比即為信號相參積累的信噪比損失倍數(shù)。即：

假設(shè)雷達相參積累時間t’為40 ms，在不同相參積累功率損失情況下，雷達信號帶寬與目標徑向速度之間的關(guān)系曲線如圖1所示。

“我說什么啦？我什么也沒說嘛！”燒烤店老板說，“哦，我想起來了。我是說了的，我說了你老婆長得漂亮。你老婆真的好挺漂亮呦……”

圖1 不同信噪比損失時帶寬與速度間關(guān)系

對于接收信號sr（t，τ），需要與匹配濾波函數(shù)H（t）卷積，完成脈壓處理。對每個脈沖的目標回波做脈壓處理時，理想的匹配濾波函數(shù)只會影響目標回波脈沖采樣點的距離向位置和幅度，不會影響相參積累時每個采樣點的多普勒頻率，因此，目標回波脈壓前后的相參積累特性相同。接收信號脈壓后的輸出信號為：

由于載機與目標的相對運動，目標在雷達相參處理時間內(nèi)發(fā)生了距離走動，尤其是寬帶信號采樣率較高，在整個相參處理時間序列［PRI0，PRI1，…PRIM-1］中，目標在PRI0與PRIM-1時刻在距離上的位置相差1個以上距離門時，就會導(dǎo)致目標相參積累能量在距離上發(fā)散，降低目標的相參積累信噪比；在對目標進行一維距離向分辨和識別時，會影響目標的分辨。

相參積累時間內(nèi)雷達與目標間的距離門走動量為：

一般雷達視頻采樣率fs≥B，所以

當(dāng)雷達積累時間為60 ms時，雷達信號帶寬與速度間的關(guān)系如圖2所示。

圖2 目標回波距離走動信號帶寬與速度間關(guān)系

2 寬帶LFM目標距離走動補償方法

雷達采用寬帶線性調(diào)頻信號，主要是為了提高目標距離分辨、抗干擾能力等方面的性能。由于雷達與目標間的相對運動，使目標寬帶信號回波相參積累能量損失、方位分辨能力下降，嚴重影響雷達目標檢測性能。以上問題歸于雷達與目標間的相對距離走動，使不同頻率成分的目標回波多普勒頻率存在較大差異。如果對不同PRI內(nèi)的目標回波信號進行運動補償，即：通過距離走動補償?shù)氖侄蜗走_與目標間的相對運動所引起的脈內(nèi)不同頻率成分目標回波相位的差異，從而實現(xiàn)目標回波有效相參積累。

如式（4）所示，對于接收信號sr（t），ej2πfo（t-to+Δ）為目標回波的一次相位，是脈沖多普勒雷達檢測目標速度的依據(jù)，不需要進行補償。ejπk（ t-to+Δ）2是導(dǎo)致目標寬帶信號回波頻率維能量發(fā)散的原因，需要對其進行補償。具體補償方式是：對脈壓時使用的匹配濾波函數(shù)進行一定的修正，在二次相位中消除雷達與目標的相對運動。改進的匹配濾波可表示為

對每個PRI脈沖目標回波分別補償，即可實現(xiàn)目標以第1個脈沖回波中心頻率為基準，積累時間內(nèi)所有脈沖在頻率維均移位到第1個脈沖時目標所在頻率濾波器內(nèi)，消除因載機與目標間的相對機動所引起的相參積累能量發(fā)散；同時，也消除了雷達與目標間的相對運動所引起的距離走動。

3 距離走動補償仿真

仿真條件：雷達中心頻率f0為10 GHz，信號帶寬B為1 GHz，脈寬1 μs，周期為5 μs，雷達與目標間的相對徑向速度600 m/s，相參積累脈沖數(shù)為512個，目標回波信噪比20 dB。

仿真1：目標補償速度大小為0 m/s，即：直接對目標回波進行相參積累，不對目標運動進行補償。

仿真2：補償目標速度大小為300 m/s，即：對目標進行部分速度的運動補償。

仿真3：補償目標速度大小為600 m/s，即：對目標運動速度進行完全補償。

圖3 運動補償前目標頻率向?qū)挾?/p>

圖4 運動補償前目標相參積累功率

圖5 補償300 m/s速度后目標頻率向?qū)挾?/p>

圖6 補償300 m/s速度后目標積累功率

圖7 補償600 m/s速度后目標頻率向?qū)挾?/p>

圖8 補償600 m/s速度后目標功率

圖9 目標積累功率與補償速度的關(guān)系

仿真4：目標位置［300 m，301 m］，目標信噪比分別為20 dB和10 dB，其他仿真條件同上。運動補償前和運動補償后的目標位置如下頁圖10和圖11所示。

圖10 運動補償前兩個目標距離向位置

圖11 運動補償后兩個目標距離向位置

目標運動補償前，兩個目標距離向混疊在一起，無法分辨，而且目標位置前移，不能反映目標真實位置信息；當(dāng)進行運動補償后，兩個目標在距離向完全分開，且各自處于真實位置。當(dāng)采用寬帶線性調(diào)頻信號在對特定目標利用一維距離向高分辨進行目標識別時，必須對寬帶回波信號進行運動補償，否則會導(dǎo)致目標回波混疊，難以實現(xiàn)目標的高分辨。

雷達采用寬帶線性調(diào)頻信號一般用于解決發(fā)射脈寬與距離分辨之間的矛盾，用于目標高分辨或?qū)Φ馗叻直娉上?；另外一個很重要方面，就是用于拓展雷達信號瞬時帶寬，增加電子戰(zhàn)系統(tǒng)信號偵測難度，迫使其采用寬帶干擾，降低雷達接收信號單位帶寬的干擾譜密度，增加雷達信干比，提高雷達的抗干擾性能。但是，當(dāng)用于脈沖多普勒雷達目標探測時，如果目標速度未知，使用寬帶線性調(diào)頻信號會帶來目標回波多普勒頻率展寬，目標相參積累能量損失，且目標測速不準的問題，尤其對于機載脈沖多普勒雷達，雷達與目標間相對運動速度較高，上述問題表現(xiàn)的更為突出。

當(dāng)雷達處于目標跟蹤狀態(tài)，由于目標的先驗信息中已知了目標速度，利用上述運動補償?shù)姆椒▽δ繕藢拵Ь€性調(diào)頻信號進行補償，避免了目標多普勒頻率展寬和相參積累能量損失的問題，實現(xiàn)目標回波的最優(yōu)檢測。當(dāng)使用寬帶線性調(diào)頻信號對目標進行目標識別和分辨時，利用雷達窄帶信號獲取目標速度信息，依據(jù)該速度信息對目標回波進行運動補償，可以實現(xiàn)目標的距離高分辨。對于機載雷達，當(dāng)目標速度未知時，通過上述分析可知，如果只補償載機運動速度和檢測保護速度，即對目標運動速度進行部分補償，依然可以減小目標相參積累部分能量損失和距離向位置混疊。

4 結(jié)束語

寬帶線性調(diào)頻信號因其在目標距離分辨率和抗干擾方面的優(yōu)異性能而在脈沖多普勒雷達領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。由于寬帶線性調(diào)頻信號帶寬較寬，導(dǎo)致同一運動目標回波多普勒頻率差異較大，相參積累后多普勒頻率展寬、能量損失，尤其對于機載脈沖多普勒雷達，雷達與目標間的相對徑向速度較大，該問題表現(xiàn)更加嚴重。上述現(xiàn)象歸結(jié)于相參積累期間雷達與目標間的相對距離走動，按照雷達與目標間徑向運動速度大小進行距離走動補償，可消除寬帶雷達目標多普勒頻率展寬與距離混疊現(xiàn)象，實現(xiàn)目標相參積累后能量的最大化及距離和頻率向的高分辨。

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Motion Compensation for Broadband LFM Signal in Airborne PD Radar

CAO Shu-hua，WANG Ling-yan，ZHAO Peng，ZHANG Jian-ling，WU Lei
（Leihua Avionics Institute of AVIC，Wuxi 214063，China）

Broadband linearly frequency modulated signal is taken as a common method to promote range resolution and anti-interference performance of radar.However，the relative motion between radar and target consumes partial target echo coherent integration energy，influences the target range and frequency resolution.To solve these problems，a motion compensation method based on the improved match filter is found.This method achieves Broadband LFM signal target motion compensation based on compensating target echo phase error.Experimental and simulation results show the effectiveness of the algorithm.

broadband linearly frequency modulated signal，pules-compress，match filter，motion compensation，Pulse-Doppler radar

TP957.51

A

1002-0640（2015）06-0171-05

2014-05-11

2014-06-10

曹書華（1982- ），男，安徽宿州人，高級工程師，碩士。研究方向：機載火控雷達總體設(shè)計，雷達信號與信息處理。