王曉燕 蘇軍海

(中國電子科技集團公司第二十研究所 西安 710068)

0 引言

隨著我國國防事業(yè)的不斷發(fā)展，科技水平的迅速提高，對雷達功能也在不斷提出新需求，而雷達在目標識別、戰(zhàn)場偵查、以及目標成像等方面的需求就是我們需要研究的新方向，這些方面都要求雷達具有很高的距離分辨率，因此我們對寬帶雷達的研究和工程化就顯得尤為重要。

雷達在進行目標識別、戰(zhàn)場偵查、以及目標成像時，其中的重點之一就是對目標距離，速度，方位及俯仰角度的穩(wěn)定跟蹤。寬帶雷達由于其高的距離分辨率，不再是傳統(tǒng)窄帶跟蹤下的點目標跟蹤，而是對擴展目標進行跟蹤。傳統(tǒng)的寬帶雷達，基本是寬窄帶分時交替工作，檢測跟蹤用的是窄帶信號，成像識別用的寬帶信號，這會大大降低成像識別的有效性，而本文中用到的數(shù)據(jù)所依據(jù)的雷達則可以持續(xù)工作在寬帶狀態(tài)下，并穩(wěn)定跟蹤目標，為快速有效的識別目標提供強有力的支撐。

1 寬帶跟蹤的實現(xiàn)和性能分析

本文研究的寬帶雷達，其發(fā)射的信號是寬帶線性調(diào)頻信號，經(jīng)過脈沖壓縮，對于窄帶雷達，進行相參積累即可進行對目標跟蹤檢測的。但對于本文中的寬帶雷達，帶寬為200MHz，距離分辨率高達0.75m，對飛機等速度較高的目標極易產(chǎn)生嚴重的越距離單元走動，如果直接進行相參積累，就會產(chǎn)生目標的擴展，影響目標能量的有效積累，導致無法對目標的距離、速度和角度的有效跟蹤，從而影響了對目標的識別、偵查或成像效果。因此對于寬帶信號，在相參積累之前，要先對距離走動進行校正。通過DFT-IFFT 算法或CZT算法實現(xiàn)的Keystone變換可以實現(xiàn)對距離走動的校正。由于 CZT 算法直接通過 FFT 進行實現(xiàn)，因此計算量更小。要進行距離單元走動的校正，關(guān)鍵一步就是精確計算目標運動速度，對于跟蹤雷達，距離和速度的不模糊不可兼得，為了保證威力，只能選用低重頻，這就會產(chǎn)生速度模糊，因此還需進行接速度模糊，精確計算出目標運動速度，再通過CZT 算法實現(xiàn)對目標的距離單元走動進行有效校正。

圖1 寬帶跟蹤流程圖

本文是基于FPGA加DSP的信號處理板卡來實現(xiàn)對目標的寬帶檢測跟蹤的，其中FPGA中進行脈沖壓縮處理，由于采用的寬帶信號帶寬為200MHz，雙倍帶寬采樣，數(shù)據(jù)量很大，因此FPGA中需要進行大點數(shù)的分段脈沖壓縮以合理利用硬件資源并滿足時間資源的要求；DSP中進行運動補償和CZT算法進行越距離單元走動的校正，相參積累，單脈沖測角，速度解模糊及距離速度的-濾波。

雷達采用寬帶 Chirp 相參脈沖串信號，其時域表達式為

(1)

雷達在跟蹤目標時，我們可以只簡單考慮目標想對雷達的徑向運動，且相對運動速度在一個積累周期內(nèi)保持不變。根據(jù)雷達理論，目標回波信號可表示為

(2)

其中是距離擴展目標強散射點的個數(shù)；、分別是目標第個強散射點的幅度和初相；=2是多普勒頻率。的存在就會造成目標位置的偏移，影響距離跟蹤精度，同時雷達平臺的高速運動，也造成了脈間的距離走動，這將對相參積累造成嚴重影響，不利于目標檢測。因此在進行積累之前，需用CZT 算法對距離走動部分進行校正。

圖2 距離走動校正前

經(jīng)過CZT算法對距離走動校正后，在經(jīng)過IFFT即可得到目標的高分辨一維距離像，將各散射點融合或選大對目標進行跟蹤，經(jīng)過距離和速度環(huán)的-濾波后得到目標的距離和速度。

目標角度可通過單脈沖測角的方法得到。幅度單脈沖雷達和、差波束的天線方向圖()、()可由圖3描述，跟蹤目標，就是要將和波束的中心指向最接近目標，此時可認為和波束增益約為常數(shù)，差波束增益近似為線性函數(shù)。設(shè)A為和波束天線增益,為差波束天線方向圖的斜率,點目標和單脈沖雷達天線波束中心(電軸)夾角為，目標回波信號為()，通過單脈沖天線接收，和信號為=()()=()，差信號為=()()=()，如圖4所示。

圖3 距離走動校正后

圖4 單脈沖測角示意圖

通過計算歸一化誤差信號為

(3)

對式(3)取實部即可求出。目標的距離通常距離環(huán)跟蹤得到，通過計算即可得到目標偏離波束中心的距離，即線偏差。

得到目標的距離、速度和角偏差信息后，就實現(xiàn)了對目標的有效跟蹤。

2 實測數(shù)據(jù)跟蹤結(jié)果及分析

下面給出寬帶雷達對飛機的檢測跟蹤數(shù)據(jù)分析，其中檢測相關(guān)參數(shù)如下：帶寬200MHz，雙倍帶寬采樣，目標起跟距離30km，目標速度約226m/s，遠離雷達，16周積累。

圖5 目標一維高分辨距離像

圖6 距離_多普勒像

圖7 目標飛行距離曲線

圖8 距離隨機誤差

圖9 速度隨機誤差

經(jīng)過400次隨機誤差計算，距離均方根誤差約為3.67m，速度均方根誤差約為0.18m/s。

圖10 方位角誤差

圖11 俯仰角誤差

實現(xiàn)寬帶穩(wěn)定跟蹤后，經(jīng)過對大量飛機數(shù)據(jù)的學習、建模，最終實現(xiàn)對建模飛機進行有效識別。

3 結(jié)束語

本文基于FPGA加DSP的硬件板卡來實現(xiàn)寬帶信號跟蹤，為目標識別、成像等的研究提供了連續(xù)的寬帶數(shù)據(jù)，通過對飛機的實測數(shù)據(jù)分析，距離、速度及角度的跟蹤精度均可達到對目標的穩(wěn)定跟蹤，為目標識別、成像等提供了較好的研究平臺。