一種毫米波脈沖壓縮雷達(dá)角跟蹤新方法

張 鈞, 楊 健, 范慶輝

(北京遙感設(shè)備研究所,北京100854)

0 引言

毫米波脈沖壓縮雷達(dá)通常發(fā)射具有大時(shí)寬帶寬積的信號(hào),如本文研究的線性調(diào)頻脈沖壓縮信號(hào),這既能提高雷達(dá)探測(cè)能力又能提高雷達(dá)的距離分辨力。線性調(diào)頻脈沖壓縮信號(hào)是通過(guò)在脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)信號(hào)頻率的連續(xù)性變化來(lái)獲得大的信號(hào)帶寬[1,2]?？梢?jiàn),脈沖壓縮雷達(dá)可以獲得較高的徑向距離分辨力,當(dāng)徑向距離分辨率遠(yuǎn)小于目標(biāo)尺寸時(shí),可以得到目標(biāo)多散射中心在雷達(dá)徑向距離軸上的投影分布圖(目標(biāo)的一維距離像),它反映了不同目標(biāo)在幾何結(jié)構(gòu)和物理特性上的差異,這使脈沖壓縮雷達(dá)具有有效抑制目標(biāo)的幅度起伏、角閃爍噪聲、距離噪聲的優(yōu)點(diǎn),這使其成為雷達(dá)研究的一個(gè)熱點(diǎn)[3]。

毫米波脈沖壓縮雷達(dá)回波信號(hào)一般具有多峰的特征,在選擇跟蹤點(diǎn)時(shí)會(huì)將其回波信號(hào)凝聚到最大點(diǎn)上,即選幅度最大的散射點(diǎn)作為跟蹤點(diǎn),這可抑制其它點(diǎn)對(duì)測(cè)角精度的影響。艦船目標(biāo)雷達(dá)回波信號(hào)經(jīng)脈沖壓縮、M TD后形成 RD圖,在RD圖上艦船目標(biāo)一般要跨越幾個(gè)多普勒單元,可見(jiàn)選最大值點(diǎn)并不能完全使用RD圖信息。隨著彈目相對(duì)運(yùn)動(dòng)或目標(biāo)姿態(tài)的改變,幅度最大點(diǎn)會(huì)起伏不定,這將導(dǎo)致測(cè)角誤差偏大,而合理使用RD圖信息才可減小目標(biāo)的幅度起伏、角閃爍等的影響,為此本文研究了在RD圖上區(qū)域加權(quán)選擇跟蹤點(diǎn)方法。

1 脈沖壓縮

毫米波脈沖壓縮雷達(dá)發(fā)射線性調(diào)頻信號(hào)(或Chirp信號(hào)),它是通過(guò)對(duì)載波進(jìn)行線性頻率調(diào)制而得到的。線性調(diào)頻矩形脈沖信號(hào)的復(fù)數(shù)表達(dá)式可以寫(xiě)成為[4]

若在同一發(fā)射周期內(nèi),目標(biāo)的姿態(tài)角不變,不同發(fā)射周期內(nèi)目標(biāo)的姿態(tài)角不同,則目標(biāo)回波響應(yīng)為

若由于目標(biāo)運(yùn)動(dòng)引起的多普勒頻率為 f d,則式(2)可表示為

對(duì)式(3)表示的回波進(jìn)行混頻、解調(diào)后得到基帶信號(hào):

基帶回波信號(hào)經(jīng)過(guò)匹配濾波后的輸出為

式中:D=B T表示輸入脈沖和輸出脈沖的寬度比(即壓縮比);H2(ω)=kRi*(ω)exp(-jωt0),(ω)為輸入信號(hào)的傅里葉變換的共軛。

對(duì)M個(gè)同一距離單元的回波數(shù)據(jù)做FFT即可實(shí)現(xiàn)MTD,對(duì)M TD結(jié)果進(jìn)行求模所形成的三維圖反映了目標(biāo)的距離-多普勒特性,所以此圖也稱為RD圖。

2 單脈沖振幅和差式測(cè)角原理

振幅和差式測(cè)角原理是在同一角平面內(nèi)發(fā)射兩個(gè)相同但部分重疊的波束,將其接收信號(hào)進(jìn)行和差處理。如果目標(biāo)處于兩波束的重疊方向(稱為等信號(hào)方向),則兩波束收到的信號(hào)強(qiáng)度相同,否則一個(gè)波束收到的信號(hào)強(qiáng)于另一波束收到的信號(hào)。

假設(shè)系統(tǒng)中不存在幅度或相位不平衡,天線和差器的兩個(gè)輸入端的信號(hào)為[1]

式中:A為雷達(dá)方程決定的常數(shù);θ0為波束偏角;F(θ)為雷達(dá)波束方向性函數(shù);ε為目標(biāo)偏離等信號(hào)強(qiáng)度點(diǎn)的角度;φ為回波信號(hào)初始相位;k=|F′(θ0)/F(θ)|為歸一化常數(shù)(角誤差斜率)。

一般來(lái)說(shuō),和差信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)字下變頻、正交解調(diào)后,和差信號(hào)分解為同相和正交相兩部分,角誤差可表示為

其中:

可見(jiàn),必須在和、差通道選擇跟蹤點(diǎn),選擇最強(qiáng)散射點(diǎn)進(jìn)行跟蹤即可,但艦船目標(biāo)一般要跨越幾個(gè)多普勒單元,選最大值點(diǎn)并不能完全使用RD圖信息,而合理使用RD圖信息才可減小目標(biāo)的幅度起伏、角閃爍等的影響。

3 毫米波脈沖壓縮雷達(dá)跟蹤點(diǎn)選擇

選擇回波幅度最大散射點(diǎn)作為跟蹤點(diǎn),能抑制其它散射點(diǎn)對(duì)測(cè)角精度的影響,但如果回波幅度最大的散射中心其回波幅度隨彈目的相對(duì)運(yùn)動(dòng)或目標(biāo)姿態(tài)的改變而起伏不定,會(huì)導(dǎo)致測(cè)角誤差偏大,甚至角跟蹤失敗。

毫米波脈沖壓縮雷達(dá)回波信號(hào)經(jīng)M TD后形成RD圖,而艦船目標(biāo)一般要跨越幾個(gè)多普勒單元,選最大值點(diǎn)并不能完全使用RD圖信息,而合理使用RD圖信息才可減小目標(biāo)的幅度起伏、角閃爍等的影響,獲得穩(wěn)定的角跟蹤效果。

在獲得了和差通道M TD結(jié)果,以和通道最大值的0.8倍作為門限,過(guò)門限的點(diǎn)保留,差通道選擇與和通道對(duì)應(yīng)的位置,使用這些點(diǎn)分別計(jì)算角誤差,將各角誤差平均加權(quán)作為輸出的角誤差,即為

式中:εi為過(guò)門限各點(diǎn)計(jì)算出的角誤差;N為過(guò)門限的點(diǎn)數(shù)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)使用某雷達(dá)照射10 km、5 km、4 km處運(yùn)動(dòng)的漁船所采集到的數(shù)據(jù),由于海面波動(dòng)使船發(fā)生顛簸,船的姿態(tài)變化復(fù)雜,導(dǎo)致錄取數(shù)據(jù)的起伏和角閃爍均較強(qiáng)。由于艦船目標(biāo)的RD圖一般跨越多個(gè)多普勒單元,于是一般來(lái)說(shuō)本文方法在RD圖上選擇的是一個(gè)區(qū)域。圖1表示和通道選取的跟蹤區(qū)域及其投影圖,圖2表示方位差通道選取的跟蹤區(qū)域及其投影圖,雷達(dá)與漁船的距離是5 km。

圖1 和通道選取的跟蹤區(qū)域及其投影

圖2 方位差通道選取的跟蹤區(qū)域及其投影

對(duì)比圖3(b)、3(d)、3(f)可以看出,隨著距離的減小最大值法計(jì)算出角誤差變化范圍增大,目標(biāo)的幅度起伏、角閃爍對(duì)測(cè)角的影響增強(qiáng)。圖3(f)為以上三圖中角誤差變化范圍最大的,可見(jiàn)不考慮目標(biāo)的幅度起伏、角閃爍對(duì)測(cè)角的影響直接使用最大值法會(huì)導(dǎo)致測(cè)角誤差偏大。圖3(a)、3(c)、3(e)與圖 3(b)、3(d)、3(f)對(duì)比可見(jiàn),圖 3(a)、3(c)、3(e)的角誤差變化范圍變小,角誤差也變得平滑,這說(shuō)明本文計(jì)算角誤差方法可有效減小目標(biāo)的幅度起伏、角閃爍對(duì)測(cè)角的影響,使用此角誤差對(duì)目標(biāo)跟蹤,可獲得更加穩(wěn)定的角跟蹤效果。

圖3 不同距離兩種測(cè)角方法計(jì)算的角誤差

5 結(jié)論

毫米波脈沖壓縮雷達(dá)回波信號(hào)經(jīng)脈沖壓縮、M TD后形成RD圖。在RD圖上艦船目標(biāo)一般要跨越幾個(gè)多普勒單元,選最大值點(diǎn)跟蹤并不能完全使用 RD圖信息。為此,本文研究了在 RD圖上區(qū)域加權(quán)跟蹤點(diǎn)選擇方法。使用本文方法和最大值法分別處理實(shí)采數(shù)據(jù),說(shuō)明本文方法可有效減小目標(biāo)的幅度起伏、角閃爍等的影響,獲得穩(wěn)定的角跟蹤效果。

[1] 賀志毅.合成寬帶毫米波雷達(dá)導(dǎo)引頭的理論及實(shí)現(xiàn)[D].航天第二研究院博士學(xué)位論文,2002.

[2] 胡體玲.3 mm波段高分辨力單脈沖雷達(dá)技術(shù)研究[D].南京理工大學(xué)博士學(xué)位論文,2007.

[3] 吳順君,程曉春,等.雷達(dá)信號(hào)處理和數(shù)據(jù)處理技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2008.

[4] 李保國(guó),馬君國(guó),趙宏鐘,等.毫米波單脈沖雷達(dá)高精度測(cè)角算法研究[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù),2005,27(10):1673-1695.

[5] 蘇宏艷,朱淮城.毫米波雷達(dá)高分辨抑制角閃爍試驗(yàn)研究[J].雷達(dá)科學(xué)與技術(shù),2007,5(5):335-348.