三頻段準(zhǔn)連續(xù)波雷達(dá)信號(hào)目標(biāo)檢測(cè)性能分析*

鄭志寬，何 強(qiáng)，韓壯志

(1.軍械工程學(xué)院電子與光學(xué)工程系，石家莊050003;2.解放軍63961部隊(duì)，北京100012)

1 引言

目前低截獲率雷達(dá)大多采用連續(xù)波體制和準(zhǔn)連續(xù)波體制，連續(xù)波雷達(dá)的收發(fā)隔離問(wèn)題一直難以解決，而準(zhǔn)連續(xù)波雷達(dá)將連續(xù)波雷達(dá)技術(shù)和脈沖技術(shù)結(jié)合在一起，使雷達(dá)信號(hào)既像連續(xù)波雷達(dá)信號(hào)一樣具有大的時(shí)寬帶寬積，又采用脈沖雷達(dá)發(fā)射、接收分時(shí)工作的方式，徹底解決了連續(xù)波雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的泄露問(wèn)題。準(zhǔn)連續(xù)波雷達(dá)的信號(hào)形式可以采用線性調(diào)頻信號(hào)也可以采用偽碼調(diào)相信號(hào)，它具有被截獲概率低、電磁兼容性好、作用距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。但準(zhǔn)連續(xù)波雷達(dá)也存在嚴(yán)重不足，由于信號(hào)的占空比大，發(fā)射脈沖的遮擋效應(yīng)嚴(yán)重，存在較大的距離盲區(qū)，尤其是對(duì)近距離和遠(yuǎn)距離的目標(biāo)探測(cè)動(dòng)態(tài)范圍影響大[1－2]。

針對(duì)相位編碼準(zhǔn)連續(xù)波雷達(dá)，高梅國(guó)等人提出了一種脈內(nèi)長(zhǎng)短碼結(jié)合的波形設(shè)計(jì)方法[3]，在一個(gè)脈沖重復(fù)周期內(nèi)依次發(fā)射長(zhǎng)碼和短碼，并分別接收回波、分別脈壓，將脈壓后的結(jié)果無(wú)縫拼接起來(lái)，短碼脈壓結(jié)果取前段，長(zhǎng)碼脈壓結(jié)果取后段。此方法雖然可以解決回波遮擋所引起的近距離盲區(qū)問(wèn)題，但由于相位編碼信號(hào)本身存在多普勒冗余度很差的固有缺陷，而現(xiàn)代雷達(dá)越來(lái)越多的要面對(duì)高速的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，所以對(duì)目標(biāo)各項(xiàng)參數(shù)的檢測(cè)并不理想。

針對(duì)線性調(diào)頻準(zhǔn)連續(xù)波雷達(dá)，劉高輝等人提出一種基于分時(shí)發(fā)射技術(shù)的雙線性間斷調(diào)頻準(zhǔn)連續(xù)波[4]，即在一個(gè)脈沖重復(fù)周期內(nèi)交替發(fā)射頻譜互不重疊的兩個(gè)線性調(diào)頻脈沖信號(hào)，但并沒(méi)有給出兩個(gè)線性調(diào)頻信號(hào)的脈沖寬度，而回波遮擋對(duì)信號(hào)檢測(cè)的影響也未考慮在內(nèi)，不具有一般性。

綜合準(zhǔn)連續(xù)波體制雷達(dá)存在的不足和現(xiàn)有信號(hào)形式的優(yōu)缺點(diǎn)，本文提出一種基于頻分復(fù)用的窄脈沖和寬脈沖相結(jié)合的三頻段信號(hào)。線性調(diào)頻脈沖信號(hào)是一種通過(guò)線性頻率調(diào)制獲得大時(shí)寬帶寬積的脈沖壓縮信號(hào)，適用于雜波背景下的高速、小目標(biāo)的檢測(cè)與跟蹤，而對(duì)不同距離范圍的目標(biāo)采取不同時(shí)寬的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，可有效解決回波遮擋問(wèn)題。

2 系統(tǒng)組成和信號(hào)處理流程

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

三頻段準(zhǔn)連續(xù)波雷達(dá)的發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)組成如圖1所示，發(fā)射系統(tǒng)包括三頻段信號(hào)產(chǎn)生模塊、兩級(jí)級(jí)聯(lián)的上變頻器、固態(tài)功率放大模塊和發(fā)射天線單元等，其中三頻段信號(hào)產(chǎn)生模塊由作者設(shè)計(jì)，其余為通用模型。三頻段信號(hào)經(jīng)計(jì)算機(jī)仿真產(chǎn)生后，直接將參數(shù)注入信號(hào)發(fā)生器，從而產(chǎn)生三頻段信號(hào)，再通過(guò)兩級(jí)上變頻、固態(tài)功率放大和天線將信號(hào)輻射出去。接收系統(tǒng)包括天線、收發(fā)轉(zhuǎn)換裝置、接收跳頻本振、中頻接收分機(jī)、ADC單元、頻率抽取部分、低通濾波單元和信號(hào)處理模塊等，其中ADC單元、頻率抽取部分、低通濾波單元和信號(hào)處理模塊由作者設(shè)計(jì)，其余為通用模型。接收跳頻本振的功能是完成信號(hào)同步接收，中頻接收分機(jī)和ADC單元完成三路回波信號(hào)的正交分解和數(shù)字化任務(wù)，頻率抽取和低通濾波完成線性調(diào)頻回波的解調(diào)頻處理，信號(hào)處理分機(jī)的任務(wù)是完成目標(biāo)距離和徑向速度的估計(jì)。

圖1 三頻段準(zhǔn)連續(xù)波雷達(dá)的發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)框圖Fig.1 Transmitting and receiving system block diagram of three frequency ranges quasi－continue wave radar

2.2 信號(hào)處理原理

2.2.1 線性調(diào)頻信號(hào)目標(biāo)檢測(cè)原理

假設(shè)理想點(diǎn)目標(biāo)與雷達(dá)的相對(duì)距離為R，為了探測(cè)這個(gè)目標(biāo)，雷達(dá)發(fā)射信號(hào)s(t)，電磁波以光速C向四周傳播，經(jīng)過(guò)時(shí)間R/C后電磁波到達(dá)目標(biāo)，一部分電磁波被目標(biāo)散射，再經(jīng)過(guò)時(shí)間R/C后被雷達(dá)接收天線接收。雷達(dá)的回波信號(hào)可表示為

式中，M表示目標(biāo)的個(gè)數(shù)，τi是光速在雷達(dá)與目標(biāo)之間往返一次的時(shí)間。

為了從雷達(dá)回波信號(hào)sr(t)提取出表征目標(biāo)特性的τi(表征相對(duì)距離)，常用的方法是對(duì)sr(t)進(jìn)行匹配濾波處理[5]，結(jié)果為

so(t)中包含目標(biāo)的特征信息τi，從so(t)中可以得到目標(biāo)的個(gè)數(shù)M和每個(gè)目標(biāo)相對(duì)雷達(dá)的距離。

2.2.2 窄帶采樣理論

對(duì)于帶通信號(hào)，根據(jù)Nyquist帶通抽樣定理，抽樣速率并不需要一定大于信號(hào)最高頻率的2倍，用較低的采樣速率也可以正確地反映帶通信號(hào)的特性。

窄帶信號(hào)接收的欠采樣理論:設(shè)一窄帶信號(hào)x(t)，其頻率范圍在(fL，fH)內(nèi)，f0為該信號(hào)中心頻率。當(dāng)以fS(fS＜f0)對(duì)x(t)進(jìn)行采樣時(shí)，x(t)會(huì)同nfS的信號(hào)進(jìn)行混頻，其頻譜就會(huì)以fS為周期進(jìn)行搬移。

為了不發(fā)生頻帶重疊，抽樣頻率fS應(yīng)滿足下列條件:

在式(3)中，n取能滿足 fS≥2(fH－fL)的最大正整數(shù)，所以用fS進(jìn)行等間隔采樣，得到的信號(hào)采樣值x(nTS)能準(zhǔn)確地確定原始信號(hào)x(t)。

帶通信號(hào)采樣定理表明:對(duì)帶通信號(hào)而言，可按遠(yuǎn)低于兩倍信號(hào)最高頻率的采樣率來(lái)進(jìn)行采樣。帶通信號(hào)采樣定理的應(yīng)用大大降低了所需的采樣速率，為后面的數(shù)據(jù)處理奠定了基礎(chǔ)[6－7]。

2.3 信號(hào)處理流程

2.3.1 參數(shù)選擇原則及三頻段信號(hào)

信號(hào)參數(shù)選取滿足以下原則:

(1)調(diào)頻帶寬B的大小主要根據(jù)距離分辨率進(jìn)行選取，為后續(xù)信號(hào)處理的方便，3個(gè)線性調(diào)頻信號(hào)設(shè)置相同的帶寬;

(2)信號(hào)的脈沖寬度主要依據(jù)目標(biāo)距離范圍進(jìn)行選取，長(zhǎng)信號(hào)探測(cè)遠(yuǎn)距離目標(biāo)，中信號(hào)探測(cè)距離稍近，可以彌補(bǔ)長(zhǎng)信號(hào)的探測(cè)盲區(qū)，短信號(hào)探測(cè)近距離目標(biāo)，彌補(bǔ)中信號(hào)的探測(cè)盲區(qū);

(3)發(fā)射信號(hào)的占空比最大為0.5，在可以保證距離分辨率的前提下，盡量增大占空比，以提高發(fā)射信號(hào)的能量，從而增大探測(cè)距離;

(4)為防止頻譜混疊，需要在3個(gè)線性調(diào)頻信號(hào)的頻帶之間設(shè)置隔離帶。

本文所設(shè)計(jì)的三頻段信號(hào)由3個(gè)線性調(diào)頻信號(hào)組成，時(shí)間長(zhǎng)度分別為 7 μs、64 μs 和 128 μs(尾部對(duì)齊)，每段信號(hào)各占用5 MHz帶寬，為防止實(shí)際輸出信號(hào)由于頻帶延拓而出現(xiàn)頻譜交叉干擾，各信號(hào)之間設(shè)置1 MHz的隔離帶，3個(gè)線性調(diào)頻信號(hào)的頻率范圍分別為－8.5 ～ －3.5 MHz、－2.5 ～2.5 MHz和3.5 ～8.5 MHz，共占用 17 MHz帶寬，該信號(hào)的波形圖和時(shí)頻圖如圖2所示。

圖2 三頻段信號(hào)波形圖和時(shí)頻圖Fig.2 Waveform and time－frequency diagrams

雷達(dá)發(fā)射的一個(gè)脈沖內(nèi)同時(shí)含有3個(gè)頻段的信號(hào)，接收時(shí)這個(gè)三頻段信號(hào)經(jīng)窄帶采樣后，分3個(gè)通道數(shù)字下變頻和低通濾波后，就可以按照其頻帶將3個(gè)信號(hào)分別進(jìn)行信號(hào)的處理。由一路信號(hào)變成三路信號(hào)，這樣大時(shí)寬脈沖信號(hào)能夠探測(cè)較遠(yuǎn)距離，而窄脈沖信號(hào)又能消除寬脈沖信號(hào)的近距離盲區(qū)，并能高精度的分辨近距離目標(biāo)，從而解決探測(cè)距離、距離分辨率的矛盾和近距離盲區(qū)問(wèn)題。

2.3.2 目標(biāo)回波的脈沖壓縮處理

假設(shè)雷達(dá)以重復(fù)周期T發(fā)射LFM信號(hào):

式中，f0為發(fā)射信號(hào)的載頻，Tp為脈沖寬度，K為調(diào)頻斜率。對(duì)應(yīng)的基頻信號(hào)為

此時(shí)，距離為R處的目標(biāo)回波可表示為

接收回波的參考信號(hào)為

則R處目標(biāo)的基頻回波可表示為

對(duì)其進(jìn)行匹配濾波，脈壓后目標(biāo)的回波

分析式(9)可以看出，目標(biāo)回波經(jīng)脈沖壓縮后是一個(gè)與距離R有關(guān)的sinc脈沖，脈沖的寬度與B=KTp成反比，目標(biāo)的回波多普勒體現(xiàn)在相位項(xiàng)exp[－j2πf0R/c]中。

2.3.3 三頻段信號(hào)接收實(shí)例分析

三頻段信號(hào)的3個(gè)線性調(diào)頻信號(hào)的頻率范圍分別為－8.5 ～ －3.5 MHz、－2.5 ～ 2.5 MHz和 3.5～8.5 MHz，共占用 17 MHz帶寬。以 60 MHz的中頻頻率上變頻輸出，則發(fā)射的三頻段信號(hào)的頻帶范圍變?yōu)?1.5～68.5 MHz。三頻段信號(hào)可表示為

式中，Tpi是第i個(gè)信號(hào)的脈沖寬度，fi是第i個(gè)信號(hào)的中心頻率，Ki是第i個(gè)信號(hào)的調(diào)頻斜率。

假設(shè)只有一個(gè)距離為R的目標(biāo)情況下，雷達(dá)回波信號(hào)可表示為

信號(hào)接收依據(jù)窄帶信號(hào)的欠采樣理論，由式(3)可知，三頻段信號(hào)的采樣頻率范圍為[137/(n+1)，103/n]，下面對(duì)n取值范圍進(jìn)行分析:當(dāng)n=2，采樣頻范圍變?yōu)閇46，51];n=3時(shí)，無(wú)整數(shù)采樣頻率可取。因此，只能使n=2，取采樣頻率fs=50 MHz＞34 MHz，可滿足要求。

三路單獨(dú)數(shù)字下變頻的目的是將三路信號(hào)頻率均降至零頻附近，則3個(gè)NCO基準(zhǔn)頻率分別取fNCO1=54 MHz，fNCO1=60 MHz，fNCO1=66 MHz，雷達(dá)回波信號(hào)經(jīng)過(guò)混頻后，變?yōu)橛砂繕?biāo)信息的零中頻信號(hào)和無(wú)用的高頻雜波所組成的復(fù)合信號(hào)，再將信號(hào)分別進(jìn)行低通濾波后，就可提取出3個(gè)線性調(diào)頻信號(hào)。之后可參照2.2.1節(jié)和2.3.2節(jié)所述的單個(gè)線性調(diào)頻信號(hào)檢測(cè)目標(biāo)理論來(lái)提取目標(biāo)參數(shù)。

3 模糊函數(shù)及近距離盲區(qū)的消除

3.1 模糊函數(shù)

線性調(diào)頻信號(hào)的模糊函數(shù)可以表示為

取模得到

線性調(diào)頻信號(hào)的三維模糊圖如圖3所示，圖中水平軸為延時(shí)，其界限為正、負(fù)脈沖寬度(±T);斜軸為多普勒頻率，其界限為正、負(fù)調(diào)頻帶寬(±B);縱軸為

圖3 線性調(diào)頻信號(hào)的三維模糊圖Fig.3 Three－dimensional fuzzy figure of LFM signal

3.2 抗近距離盲區(qū)

準(zhǔn)連續(xù)波體制雷達(dá)結(jié)合了連續(xù)波雷達(dá)與脈沖雷達(dá)兩者的優(yōu)點(diǎn)，它的發(fā)射脈沖占空比近似為0.5，與脈沖體制相比，準(zhǔn)連續(xù)波體制具有更低的峰值功率，降低了對(duì)固態(tài)發(fā)射機(jī)的功率要求，具有良好的低截獲性;與連續(xù)波體制相比，又具有收發(fā)時(shí)間隔離的優(yōu)點(diǎn)。

準(zhǔn)連續(xù)波雷達(dá)收發(fā)共用一個(gè)天線，發(fā)時(shí)不收，收時(shí)不發(fā)，避免了連續(xù)波雷達(dá)的泄露問(wèn)題，但是高占空比的發(fā)射信號(hào)不可避免地會(huì)帶來(lái)近距離盲區(qū)。由于回波信號(hào)被截?cái)?，原本具有良好脈沖壓縮性能的發(fā)射信號(hào)在接收端進(jìn)行脈壓處理時(shí)主瓣峰值下降，旁瓣抬高，主旁瓣比迅速下降，這對(duì)目標(biāo)檢測(cè)非常不利。而三頻段信號(hào)既保留了線性調(diào)頻信號(hào)的傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)，又可以有效解決雷達(dá)回波的距離遮擋問(wèn)題[8－9]。

準(zhǔn)連續(xù)波體制雷達(dá)的各個(gè)回波遮擋情況如圖4所示。

圖4 回波遮擋示意圖Fig.4 Echo block diagram

假設(shè)光速為c，脈沖寬度為Tr，脈沖重復(fù)周期為T，對(duì)于準(zhǔn)連續(xù)波體制雷達(dá)，由于收發(fā)開關(guān)的轉(zhuǎn)換，當(dāng)目標(biāo)距離R＜cTr/2時(shí)，回波信號(hào)前部被截?cái)啵荒芙邮蘸蟛?，稱為前遮擋回波;當(dāng)cTr/2＜R＜c(T－Tr)/2時(shí)，回波信號(hào)全部被接收，此時(shí)無(wú)遮擋;當(dāng) R＞c( T－Tr)/2時(shí)，回波信號(hào)后部被截?cái)?，只能接收前部，稱為后遮擋回波。

回波遮擋之后的信號(hào)處理是一個(gè)部分相關(guān)過(guò)程，會(huì)給目標(biāo)的檢測(cè)帶來(lái)很多不利影響，比如會(huì)造成信噪比的降低、主瓣的偏移等。圖5顯示了用線性調(diào)頻信號(hào)檢測(cè)位于1 km、9 km、18 km處的3個(gè)目標(biāo)時(shí)，回波遮擋時(shí)對(duì)目標(biāo)位置信息檢測(cè)的影響。

圖5 回波遮擋對(duì)目標(biāo)位置信息檢測(cè)的影響Fig.5 The influence of the echo block on the target position information detection

三頻段信號(hào)采用脈寬長(zhǎng)短結(jié)合的線性調(diào)頻信號(hào)去探測(cè)目標(biāo)，長(zhǎng)信號(hào)能量大，探測(cè)距離遠(yuǎn)，但是探測(cè)近距離目標(biāo)時(shí)的性能受回波遮擋影響很大，用中信號(hào)和短信號(hào)來(lái)消除長(zhǎng)信號(hào)的近距離盲區(qū)，同理，短信號(hào)也可以消除中信號(hào)的近距離盲區(qū)，而短信號(hào)雖然理論上也存在近距離盲區(qū)，但由于距離太近，對(duì)目標(biāo)的檢測(cè)一般會(huì)轉(zhuǎn)入光學(xué)設(shè)備，對(duì)準(zhǔn)連續(xù)波戰(zhàn)場(chǎng)偵察雷達(dá)而言，短信號(hào)所謂的近距離盲區(qū)可以不予考慮。

4 仿真驗(yàn)證

接收回波功率可表示為

其中，Pt為雷達(dá)發(fā)射功率，G為雷達(dá)天線增益，σ是目標(biāo)的散射截面積，λ為所用波長(zhǎng)，R是目標(biāo)距離。

準(zhǔn)連續(xù)波體制雷達(dá)收發(fā)共用一個(gè)天線，所以對(duì)三頻段信號(hào)來(lái)說(shuō)，Pt、G、σ、λ是相同的，只有目標(biāo)的距離不同會(huì)影響接收回波功率的相對(duì)大小，并且接收回波功率Pr反比于目標(biāo)與雷達(dá)之間距離R的四次方。隨著目標(biāo)距離的增加，回波功率Pr下降很快。短信號(hào)雖然在理論上可以檢測(cè)遠(yuǎn)距離目標(biāo)，并且不會(huì)產(chǎn)生回波遮擋，但是由于其時(shí)寬很窄，要探測(cè)遠(yuǎn)距離目標(biāo)，必須有很大的峰值功率，不符合戰(zhàn)場(chǎng)偵察雷達(dá)低截獲概率的要求，也違背了三頻段信號(hào)的設(shè)計(jì)初衷。在仿真驗(yàn)證時(shí)，考慮到戰(zhàn)場(chǎng)偵察雷達(dá)所處的真實(shí)環(huán)境，以典型的行人、裝甲車輛、直升機(jī)的發(fā)現(xiàn)距離為背景設(shè)定目標(biāo)。假設(shè)目標(biāo)1、2、3分別位于1 km、9 km、18 km 處，用 LFM1探測(cè)目標(biāo)3，目標(biāo)1、2在LFM1的盲區(qū);用LFM2探測(cè)目標(biāo)2，目標(biāo)1位于LFM2的盲區(qū);最后用 LFM3探測(cè)目標(biāo)1，彌補(bǔ)LFM2的盲區(qū)?？紤]到接收回波功率的大小，不考慮LFM2對(duì)目標(biāo)3的檢測(cè)性能，以及LFM3對(duì)目標(biāo)2、3的檢測(cè)性能，3個(gè)LFM信號(hào)對(duì)目標(biāo)的檢測(cè)情況如圖6所示。

圖6 三頻段信號(hào)對(duì)不同距離段目標(biāo)的檢測(cè)Fig.6 Different distance target detection of three frequency ranges signal

由圖6可以看出，LFM1對(duì)目標(biāo)1、2探測(cè)時(shí)，測(cè)距誤差較大，旁瓣太高，主瓣不唯一，嚴(yán)重影響對(duì)目標(biāo)的檢測(cè)。LFM2對(duì)目標(biāo)1的探測(cè)也存在類似的問(wèn)題。所以用三頻段信號(hào)檢測(cè)3個(gè)距離段的目標(biāo)時(shí)，LFM1用來(lái)檢測(cè)遠(yuǎn)距離目標(biāo)，LFM2檢測(cè)中距離目標(biāo)，消除LFM1的近距離盲區(qū)，LFM3檢測(cè)近距離目標(biāo)，消除LFM2的近距離盲區(qū)。3個(gè)信號(hào)分別檢測(cè)不同距離段的目標(biāo)，達(dá)到了全距離的無(wú)縫銜接，提高了準(zhǔn)連續(xù)波雷達(dá)的檢測(cè)性能。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文在對(duì)準(zhǔn)連續(xù)波體制雷達(dá)充分研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)現(xiàn)有的信號(hào)形式不能滿足其準(zhǔn)確檢測(cè)目標(biāo)參數(shù)和無(wú)法消除近距離盲區(qū)的問(wèn)題，提出了一種三頻段信號(hào)，并對(duì)三頻段信號(hào)應(yīng)用于準(zhǔn)連續(xù)波雷達(dá)時(shí)的詳細(xì)信號(hào)處理流程作了充分分析，最后通過(guò)仿真驗(yàn)證，得出三頻段信號(hào)應(yīng)用于準(zhǔn)連續(xù)波雷達(dá)時(shí)，可以準(zhǔn)確探測(cè)目標(biāo)并消除準(zhǔn)連續(xù)波體制的近距離盲區(qū)的結(jié)論。相對(duì)于相位編碼信號(hào)，三頻段信號(hào)的多普勒性能更好;相對(duì)于分時(shí)發(fā)射長(zhǎng)短不同的LFM信號(hào)，三頻段信號(hào)在保證探測(cè)性能的基礎(chǔ)上，可縮短探測(cè)周期，節(jié)省雷達(dá)的時(shí)間資源，從而實(shí)現(xiàn)跟蹤探測(cè)更多目標(biāo)的要求。綜上，本文所做研究對(duì)準(zhǔn)連續(xù)波雷達(dá)的研究發(fā)展有一定指導(dǎo)意義。

但此方案也可能存在一點(diǎn)不足，三頻段信號(hào)的帶寬較大，接收回波時(shí)有可能會(huì)使更多的雜波通過(guò)，是否會(huì)影響對(duì)目標(biāo)的檢測(cè)，需要進(jìn)一步研究探索。

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