LFMCW雷達(dá)旁瓣大目標(biāo)虛警消除新方法

劉賢明，謝 愷，吳學(xué)伍

(解放軍陸軍軍官學(xué)院，合肥 230031)

連續(xù)波雷達(dá)是一種以連續(xù)波信號作為發(fā)射信號來獲得目標(biāo)的距離或速度信息的雷達(dá)體制。線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)是發(fā)射信號為線性調(diào)頻信號的連續(xù)波雷達(dá)。該體制雷達(dá)具有以下優(yōu)點(diǎn):容易實(shí)現(xiàn)極高的距離、速度分辨率;發(fā)射功率低、抗截取能力強(qiáng);不存在距離盲區(qū)。因此，線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)在戰(zhàn)場監(jiān)視［1-2］、汽車防撞、無損傷探測等各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。由于戰(zhàn)場目標(biāo)各異，RCS從0.2 m2(爬行者)到50 m2(坦克、重型車輛)，兩者相差250倍，約為24 dB。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的天線第一旁瓣衰減為15 dB，其余旁瓣衰減均值為25 dB，旁瓣大目標(biāo)將在主瓣內(nèi)形成虛假目標(biāo)?；诖藛栴}，本文提出了1個(gè)完整周期90°掃描內(nèi)(90°掃描又叫“scanning”)消除虛假目標(biāo)的新方法。

1 頻掃天線及主副瓣性能

本LFMCW雷達(dá)采用頻掃體制，在1個(gè)周期90°方位掃描中有N個(gè)頻點(diǎn)，每個(gè)頻點(diǎn)對應(yīng)1個(gè)方向，發(fā)射M次重復(fù)的線性調(diào)頻波形用于2次FFT動目標(biāo)檢測(MTD)。

根據(jù)平面天線陣列方向性系數(shù)估算公式

可知，上述尺寸的平面天線陣方向性系數(shù) D≈33 dB。按32 dB泰勒加權(quán)實(shí)現(xiàn)-25 dB副瓣，方向性系數(shù)降低 1.2 dB(波束寬度由 2.4°增加至3.114°)，頻掃天線陣效率為 40%(-4 dB)，電纜損失約0.5 dB，總損失約 5.7 dB，最大增益約為27.3 dB，掃描至 45°時(shí)損失 -2 dB，掃描至 25°時(shí)損失0.5 dB。根據(jù)頻掃波束指向與頻率點(diǎn)的對應(yīng)關(guān)系，計(jì)算得到帶內(nèi)方向性系數(shù)和增益，如表1所示。

表1 頻率增益關(guān)系

天線增益最大相差2.5 dB，均值在26 dB左右。

2 虛警成因分析

每個(gè)頻點(diǎn)發(fā)射M次重復(fù)的線性調(diào)頻波形，通過MTD后得到目標(biāo)的距離和速度信息。對于一般的目標(biāo)(RCS不是很大的目標(biāo))，只可能在某個(gè)頻點(diǎn)或其附近頻點(diǎn)的對應(yīng)方向上測得目標(biāo)的距離和速度信息。但對于坦克、重型車輛等大RCS目標(biāo)而言，由于天線副瓣的影響，將會在主瓣內(nèi)形成虛假目標(biāo)。

雷達(dá)方程［3］為

其中:S為檢測到的信號功率;Pt為發(fā)射功率;Gt為發(fā)射天線增益;Gr為天線增益;σ為目標(biāo)RCS;L為損耗因子，包括發(fā)射傳輸線、接收傳輸線和電波雙程傳播損耗等。

由式(1)可知:雷達(dá)目標(biāo)可檢測功率與目標(biāo)RCS成正比，和天線增益成正比。雷達(dá)檢測環(huán)境包含了RCS從0.2 m2(爬行者)到50 m2(坦克、重型車輛)，兩者RCS相差250倍，約24 dB。大目標(biāo)位于旁瓣時(shí)，第一副瓣為-15 dB，其余旁瓣均值為-25 dB。也就是說，位于旁瓣的大目標(biāo)由于RCS的影響將會表現(xiàn)為位于主瓣的小目標(biāo)，產(chǎn)生虛警。

3 虛警判定與消除

以典型雷達(dá)參數(shù)為例，fs=50 MHz(采樣頻率)，M=1 024(“凝視”次數(shù))，N=36(頻點(diǎn)數(shù))，B=25 MHz(調(diào)頻帶寬)，T=128 μs，μ =7.5 ×1012Hz/s(調(diào)頻率)，PRI=167 μs，天線波束寬度水平方向3°。圖1為雷達(dá)頻率調(diào)制發(fā)射波形。

圖1 雷達(dá)頻率調(diào)制發(fā)射波形

雷達(dá)切向分辨率為

雷達(dá)1個(gè)頻點(diǎn)掃描的時(shí)間Tstaring=M×PRI=范圍的掃描時(shí)間為 Tscaning=N·Tstaring=6 s。在一個(gè)方位上時(shí)，目標(biāo)距離如果越距離單元，將要滿足，即216 km/h。一般的地面目標(biāo)不會超過這個(gè)速度，故不用考慮一個(gè)方位上目標(biāo)越距離單元的情況。

圖2 目標(biāo)在天線掃描過程中出現(xiàn)的位置

圖3 真實(shí)大目標(biāo)位置及虛假目標(biāo)位置

根據(jù)以上2種目標(biāo)速度分類，按照以下步驟可以消除旁瓣內(nèi)的大目標(biāo)虛警［4-6］。

1)大目標(biāo)搜索。從近至遠(yuǎn)，從第3個(gè)距離單元開始搜索(前2個(gè)距離單元，雜波太大，不予檢測)，當(dāng)出現(xiàn)以下2種情況時(shí)，確認(rèn)為同一大目標(biāo)并轉(zhuǎn)到步驟2)。

Case 1:在連續(xù)K個(gè)頻點(diǎn)上(連續(xù)K個(gè)方位上，K≥6)，同一距離單元內(nèi)都檢測為有目標(biāo)，且目標(biāo)速度小于

Case 2:在連續(xù)K個(gè)頻點(diǎn)上(連續(xù)K個(gè)方位上，K≥6)，目標(biāo)的距離呈線性變化。取最近距離單元與最優(yōu)距離單元算平均速度，并與此幾個(gè)距離單元上的目標(biāo)速度做比較，大致相當(dāng)時(shí)，判定為同一目標(biāo)。

2)將判為同一目標(biāo)的2次FFT結(jié)果進(jìn)行比較，找出最大值，此最大值對應(yīng)的方向即為真實(shí)大目標(biāo)方向，其他的目標(biāo)信息均為虛警。

3)消除虛警。剔出虛假目標(biāo)，保留真實(shí)目標(biāo)，計(jì)算目標(biāo)的速度

4)重復(fù)步驟1)直至距離單元達(dá)到最大。

4 仿真實(shí)驗(yàn)

仿真條件:2個(gè)大目標(biāo)徑向做勻速運(yùn)動，目標(biāo)參數(shù)為 R1=1 km，R2=2 km;v1=1 m/s，v2=30 m/s;分別位于0°和18°。經(jīng)雷達(dá)程序仿真得到二次FFT部分?jǐn)?shù)據(jù)，如表2所示。

根據(jù)仿真數(shù)據(jù)畫出的目標(biāo)位置如圖4所示，運(yùn)用算法去虛警后的目標(biāo)位置如圖5所示。

從仿真數(shù)據(jù)上看，在大目標(biāo)主瓣上，2次FFT后的數(shù)值很大。在確定存在旁瓣大目標(biāo)虛警后，利用天線方向圖特性，確定2次FFT最大值方向?yàn)檎鎸?shí)的大目標(biāo)方向。

表2 二次FFT仿真數(shù)據(jù)

圖4 去虛警前兩大目標(biāo)的位置

圖5 去虛警后兩大目標(biāo)的位置

5 結(jié)束語

研究了旁瓣大目標(biāo)虛警的確定以及消除方法，對結(jié)合某項(xiàng)目的雷達(dá)信號處理方法得到的處理數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了方法的可行性。在牽涉到如直升機(jī)之類的高速目標(biāo)時(shí)，在連續(xù)頻點(diǎn)掃描過程中，相隔1個(gè)方位向的時(shí)間內(nèi)，目標(biāo)可能已經(jīng)運(yùn)動了幾個(gè)距離單元，這對大目標(biāo)及其虛警的判定比較困難，下一步將重點(diǎn)研究。

［1］林儉芳.國外便攜式戰(zhàn)場偵察雷達(dá)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.中國雷達(dá)，2009(2):27-29.

［2］Lighthart L P，Nieuwkerk L R.System aspects of a solidstate FM-CW weather surveillance radar［C］//Conference Proceeding，IEE Int，Radar Conf.London:［s.n.］，1997:112-115.

［3］丁鷺飛.雷達(dá)原理［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2010.

［4］［美］Mark A.Richards.雷達(dá)信號處理基礎(chǔ)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2008.

［5］［美］Merrill.Skolnik.雷達(dá)系統(tǒng)導(dǎo)論［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2006.

［6］何友，關(guān)鍵，彭應(yīng)寧，等.雷達(dá)自動檢測與恒虛警處理［M］.北京:清華大學(xué)出版社，1999.