一種改進的非相參積累方法在雷達跟蹤中的應用

王曉燕

（中國電子科技集團公司第20研究所 陜西 西安 710068）

0 引言

線性調頻(LFM)信號是應用極為廣泛的一種信號體制，這種信號最大的特點就是可以使雷達同時獲得遠的作用距離和高的距離分辨率[1]。該體制雷達的工作原理是首先發(fā)射一串線性調頻信號，而接收機對來自目標后向散射的回波信號進行匹配壓縮處理，得到具有sinc包絡的簡單脈沖串，由于壓縮脈沖的等效時寬取決于信號的調頻帶寬，從而可以獲得比發(fā)射脈沖高得多的距離分辨能力；同時，發(fā)射寬脈沖信號提供了雷達探測遠距離目標所需的能量。因此，線性調頻信號是現(xiàn)代雷達中經(jīng)常采用的一種發(fā)射信號形式。實際上為了對微弱雷達目標進行可靠檢測，還需要對壓縮輸出后的Sinc脈沖進行積累，以進一步提高信號檢測所需的信噪比[2]。對于大多數(shù)運動目標而言，其回波的起伏將明顯破壞相鄰回波信號的相位相參性，因此就是在雷達收發(fā)系統(tǒng)相參性很好的條件下，起伏回波也難以獲得理想的相參積累[3]。從而導致積累周期內回波信號能量難以有效進行相參積累，造成目標回波幅度時高時低的現(xiàn)象，在跟蹤處理中，就可能出現(xiàn)對跟蹤目標的跟丟現(xiàn)象，嚴重影響雷達目標跟蹤，檢測性能。采用非相參積累可基本解決該問題，但信噪比會降低。但是，在很短的時間內，目標的回撥信號在相同的距離單元上是相參的，可以有效地進行相參積累，通過以上分析，結合工程實際應用，本文對非相參積累進行了改進，采用相鄰周回波相參積累，然后再進行非相參積累的方法，這樣，既解決了目標運動造成的不能有效相參積累，又使積累后信噪比比傳統(tǒng)非相參積累高，有效提高了雷達目標跟蹤，檢測性能。原理框圖如圖1。

圖1 改進相參積累方法原理圖

1 波形分析

線性調頻信號為

其中，φ 為隨即初始相位，f0為信號載頻，ui（t）為發(fā)射信號的復包絡

其中，T為脈沖寬度，Tp為脈沖重復周期，K為調頻斜率。對接收到的目標的后向散射回波信號進行匹配壓縮處理,得到一個具有Sinc包絡的簡單脈沖，然后對壓縮輸出后的Sinc脈沖進行積累，以進一步提高信號檢測所需的信噪比，即提高了雷達的探測，跟蹤等性能。

脈間相參積累處理是在不同脈沖的同一采樣位置處進行的，由于脈沖包絡走動的影響，假設第一個脈沖采樣位于包絡最大峰值處,那么隨著目標的運動，,以后每個脈沖的采樣逐漸偏離最大峰值,從而導致相參積累的效果大大下降[4]，在積累周期內，就可能出現(xiàn)回波能量不能有效進行相參積累，造成相參積累后目標回波能量不穩(wěn)，對于跟蹤雷達，可能因此而引起跟蹤處理時跟蹤不穩(wěn)定，從而嚴重影響系統(tǒng)檢測和跟蹤性能；對于非相參積累，是能量上的積累，只要在積累周期內，目標沒有移出一個距離單元，目標能量就會得到有效積累，但在目標能量積累的同時，噪聲能量也提高了，因此信噪比降低了；應用本文提出的積累算法，將有效的對目標能量進行了積累，且信噪比不會受到大的影響。

2 仿真實驗

下面對本文提出的算法進行仿真，并與相參積累和非相參積累的性能進行比較。仿真參數(shù)為：以點目標為例，發(fā)射線性調頻信號的時寬τ=50us，信號帶寬為5mHz，信號重復周期為Tr=500us，噪聲為正態(tài)分布的隨機噪聲。

圖2 線性調頻信號

對于固定目標，相參積累和非相參積累的性能比較如圖3、圖4所示。

圖3 目標主瓣比較

圖4 噪聲比較

從圖3、圖4可看出，對于固定目標，相參積累對信噪比的改善效果很好，非相參積累在目標能量積累的同時，噪聲能量也有一定的積累，因此信噪比降低。但是，當出現(xiàn)由于目標運動、系統(tǒng)或其他不穩(wěn)定因素引起回波相位相參性不好而造成相鄰回撥相參性能較差，不能有效進行相參積累時，即在跟蹤波門內采到的和路和差路信號初相不穩(wěn)，本文提出的改進非相參算法會明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的相參算法和非相參算法。下面圖5、圖6給出了這種情況下三種算法的仿真結果。

圖5 目標主瓣比較

圖6 噪聲比較

從圖5、圖6比較可以看出，雖然相參積累后的噪聲比非相參積累后的噪聲低很多，但是，在信噪比滿足系統(tǒng)檢測性能要求的情況下，如果由于目標、系統(tǒng)或其他不穩(wěn)定因素引起信號初相不穩(wěn)，相參積累時，信號主瓣積累后也會不穩(wěn)定，即表現(xiàn)為信號時強時弱，甚至出現(xiàn)目標分裂的現(xiàn)象，這種情況下可能會出現(xiàn)信號強度低于系統(tǒng)跟蹤門限，嚴重影響系統(tǒng)的穩(wěn)定跟蹤性能；此時，非相參積累就顯示出其的優(yōu)越性，因為非相參積累對主瓣的影響不大，因此對系統(tǒng)跟蹤性能影響很小，從仿真結果可以看出，改進的非相參算法雖然有一定的能量損失，但信噪比仍然比傳統(tǒng)非相參算法的大。

在工程應用方面，利用FPGA+DSP方式，其中FPGA進行邏輯控制，DSP進行算法實現(xiàn)，該處理方法已經(jīng)得到了工程應用和驗證，其計算量基本與相參算法和非相參算法相當，因此實現(xiàn)也很簡單。

3 結束語

通過以上仿真結果的比較可以看出，當由于目標運動、系統(tǒng)或其他不穩(wěn)定因素引起回波初相不穩(wěn)而造成能量不能有效進行相參積累時，會嚴重影響雷達跟蹤和檢測性能，而非相參積累會降低信噪比，在這種情況下改進的非相參積累算法體現(xiàn)出其優(yōu)越性，并通過仿真證明其可以滿足系統(tǒng)跟蹤檢測性能。

［1］林茂庸,柯有安.雷達信號理論[M].北京:國防工業(yè)出版社,1984.

［2］［4］朱永鋒,李為民,等.Chirp雷達對高速運動目標有效相參積累的算法研究[J].系統(tǒng)工程與電子技術,2004,26(10):1396-1399.

［3］丁鷺飛,耿富錄,陳建春.雷達原理[M].4版.北京:電子工業(yè)出版社,2009.