一種單脈沖測(cè)量雷達(dá)測(cè)速新方法

蔡玖良+桂佑林+汪文英

摘 要： 在現(xiàn)有單脈沖測(cè)量雷達(dá)數(shù)字測(cè)速方法基礎(chǔ)上，提出一種測(cè)速新方法。該方法通過加長積累時(shí)間，提高了測(cè)速的信噪比，并估計(jì)和補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)目標(biāo)加速度等信息，獲得更精確的頻率，從而提高測(cè)速精度，同時(shí)完善頻譜異常檢測(cè)方式，使單脈沖測(cè)量雷達(dá)測(cè)速具有更好的穩(wěn)健性。

關(guān)鍵詞： 雷達(dá)測(cè)速； 頻譜異常檢測(cè)； 單脈沖測(cè)量雷達(dá)； 相參積累

中圖分類號(hào)： TN957.51?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）15?0015?05

A new velocity measuring method of monopulse instrumentation radar

CAI Jiu?liang， GUI You?lin， WANG Wen?ying

（Nanjing Research Institute of Electronic Technology， Nanjing 210039， China）

Abstract： A new velocity measuring method of monopulse instrumentation radar is presented based on the existing digital velocity measuring methods. The more accurate frequency can be acquired， and the velocity measuring precision can be improved by lengthening the integrating time， increasing the velocity measuring signal?to?noise ratio and estimating the moving object accelerated speed. The method improved the frequency spectrum exceptional detection mode and made the velocity detection of the monopulse instrumentation radar more robust.

Keyword： radar velocity detection； frequency spectrum anomaly detection； monopulse instrumentation radar； coherent integration

0 引 言

單脈沖測(cè)量雷達(dá)主要用于對(duì)衛(wèi)星、飛船、導(dǎo)彈的精密跟蹤和軌道測(cè)量，要求具有較高的測(cè)量精度和實(shí)時(shí)性。隨著雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，單脈沖測(cè)量雷達(dá)的頻譜純度和相參性技術(shù)已有了很大提高，目前新單脈沖測(cè)量雷達(dá)均采用全數(shù)字多普勒測(cè)速技術(shù)，該測(cè)速技術(shù)是一種閉環(huán)測(cè)速法，采用窄帶跟蹤濾波器和二階環(huán)路實(shí)現(xiàn)測(cè)速跟蹤[1?4]。

目前單脈沖閉環(huán)測(cè)速方法具有較高的跟蹤精度和實(shí)時(shí)性，但是隨著火箭、導(dǎo)彈技術(shù)的不斷發(fā)展，環(huán)境已經(jīng)發(fā)生了顯著變化，現(xiàn)有的測(cè)速方法不能很好地適應(yīng)新情況，導(dǎo)致測(cè)速效果變差，主要如下：

（1） 火箭或?qū)椩诩?jí)間分離、助推推進(jìn)器脫落等特征點(diǎn)上目標(biāo)出現(xiàn)短暫震動(dòng)，導(dǎo)致應(yīng)答機(jī)信號(hào)頻譜出現(xiàn)散譜現(xiàn)象，測(cè)速鑒頻環(huán)節(jié)出現(xiàn)錯(cuò)誤，會(huì)出現(xiàn)跳譜線甚至失鎖現(xiàn)象；

（2） 因雷達(dá)系統(tǒng)原因，諸如應(yīng)答機(jī)誤觸發(fā)、應(yīng)答機(jī)信號(hào)遮擋等導(dǎo)致應(yīng)答機(jī)信號(hào)出現(xiàn)野值點(diǎn)，會(huì)出現(xiàn)鑒頻錯(cuò)誤而導(dǎo)致測(cè)速精度變差。

上述不利因素在整個(gè)雷達(dá)工作期間均有可能出現(xiàn)，影響了測(cè)速性能。針對(duì)上述問題，本文提出了一種測(cè)速新方法，通過加長積累時(shí)間來提高測(cè)速信噪比，并通過多項(xiàng)式相位信號(hào)參數(shù)估計(jì)法來估計(jì)和補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的加速度和加加速度，獲得更精確的頻率，從而提高測(cè)速精度，同時(shí)對(duì)回波頻譜進(jìn)行異常檢測(cè)，對(duì)異常時(shí)刻進(jìn)行速度外推，從而使測(cè)速具有更好的穩(wěn)健性。

1 常規(guī)單脈沖測(cè)速方法

常規(guī)單脈沖測(cè)速是全數(shù)字閉環(huán)測(cè)速系統(tǒng)，實(shí)際上就是一個(gè)頻率測(cè)量系統(tǒng)。首先，將輸入的基帶信號(hào)正交數(shù)字量[I（n），][Q（n）]和反饋的基帶相參正交數(shù)字量進(jìn)行數(shù)字混頻，求得差頻正交數(shù)值[εI（n）]和[εQ（n）]；接著，對(duì)[εI（n）]和[εQ（n）]進(jìn)行幅度歸一化；其次，進(jìn)行數(shù)字鑒頻處理，得到頻率誤差數(shù)據(jù)；然后這一頻率誤差數(shù)據(jù)經(jīng)[α?β]濾波器平滑后，即產(chǎn)生了目標(biāo)的徑向速度與加速度值；最后，預(yù)測(cè)的徑向速度換算成多普勒頻率預(yù)測(cè)值[Fp，]送至相位累加器，再通過查表得到反饋的基帶相參正交數(shù)字量[cos（ωpn）]和[sin（ωpn），]與輸入的基帶信號(hào)正交數(shù)字量[I（n），][Q（n）]進(jìn)行數(shù)字混頻，再經(jīng)過2點(diǎn)MTI或4點(diǎn)FFT的方法進(jìn)行數(shù)字鑒頻獲得差頻信號(hào)頻率，從而完成頻率的閉環(huán)跟蹤。由于受雷達(dá)脈沖重復(fù)頻率的限制，測(cè)速回路測(cè)出的目標(biāo)徑向速度可能出現(xiàn)模糊，需要利用測(cè)距機(jī)測(cè)得的目標(biāo)距離數(shù)據(jù)[R]和測(cè)速機(jī)測(cè)得的模糊速度進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算后，消除速度模糊。消除速度模糊常采用不變量嵌入算法。消除速度模糊后，得到一個(gè)實(shí)時(shí)的、精確的、無模糊的目標(biāo)徑向速度[1，4?5]。測(cè)速的工作原理框圖如圖1所示。

圖1 常規(guī)測(cè)速的工作原理框圖

數(shù)字鑒頻器是脈沖多普勒測(cè)量雷達(dá)全數(shù)字閉環(huán)測(cè)速系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵功能部件，其鑒頻性能的好壞直接影響到測(cè)速回路的跟蹤性能。要使測(cè)速回路能快速捕獲目標(biāo)，就要求數(shù)字鑒頻器的帶寬足夠大。當(dāng)數(shù)字鑒頻器的帶寬達(dá)到脈沖重復(fù)頻率（PRF）時(shí)，就能保證只要任一信號(hào)細(xì)譜線進(jìn)入鑒頻帶寬范圍內(nèi)，測(cè)速回路就能快速地捕獲跟蹤到目標(biāo)。全數(shù)字閉環(huán)測(cè)速系通常采用基于4點(diǎn)FFT的數(shù)字鑒頻器。數(shù)字鑒頻器的原理框圖如圖2所示。

圖2 數(shù)字鑒頻器原理框圖

在圖2中，[U（n）]為數(shù)字混頻后的差頻基帶復(fù)數(shù)信號(hào)，并經(jīng)過了幅度歸一化處理，[U（n）]在上下兩支路分別乘上移相因子[e-jω0n]與[ejω0n，]采用布萊克曼哈里斯加權(quán)函數(shù)，加權(quán)后做FFT運(yùn)算，取零號(hào)濾波器的值求模，上下兩路的模值相減，求得數(shù)字鑒頻器的輸出[D。]當(dāng)[PRF=300]Hz時(shí)，取[ω0=2πf0，][f0=75]Hz進(jìn)行基于4點(diǎn)FFT數(shù)字鑒頻器的仿真，可得到如圖3所示的數(shù)字鑒頻器幅頻特性曲線。

2 新測(cè)速方法

2.1 基于長時(shí)間相參積累技術(shù)

針對(duì)常規(guī)測(cè)速方法中最多4點(diǎn)數(shù)字鑒頻器的估計(jì)頻率誤差的方法，通過加長測(cè)速積累時(shí)間至8點(diǎn)、16點(diǎn)或32點(diǎn)的長時(shí)間相參積累技術(shù)，來提高積累時(shí)間和回波信號(hào)信噪比，從而提高測(cè)速精度。由于通常目標(biāo)在測(cè)量過程中存在機(jī)動(dòng)，且積累時(shí)間變長后，需要對(duì)回波進(jìn)行加速度和加加速度補(bǔ)償，通過對(duì)回波信號(hào)利用多項(xiàng)式相位信號(hào)參數(shù)估計(jì)法獲得加速度和加加速度信息，完成回波信號(hào)相位補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)回波相參積累，并測(cè)量出目標(biāo)的速度、加速度等參數(shù)。長時(shí)間相參積累測(cè)速方法流程如圖4所示。基于長時(shí)間積累的測(cè)速方法相對(duì)于現(xiàn)有使用的方法且有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1） 加長了積累時(shí)間，提高了速度分辨率；

（2） 提高積累后信噪比；

（3） 對(duì)由于奇異值（野值）更加魯棒。

圖3 數(shù)字鑒頻器幅頻特性曲線

圖4 長時(shí)間相參積累測(cè)速方法流程

2.2 多項(xiàng)式相位信號(hào)參數(shù)估計(jì)法

自然界中的許多信號(hào)以及許多工程應(yīng)用，如通信、雷達(dá)、聲納等領(lǐng)域中所遇到的信號(hào)，其信號(hào)相位都是時(shí)間[t]的連續(xù)函數(shù)[6?7]。根據(jù)Stone?Weierstrass理論，在有限觀測(cè)時(shí)間內(nèi)，任何時(shí)間[t]的連續(xù)函數(shù)均可用[t]的高階多項(xiàng)式一致逼近，故此類信號(hào)的相位常被表示成時(shí)間[t]的高階多項(xiàng)式形式，此類信號(hào)亦被稱為多項(xiàng)式相位信號(hào)（Polynomial Phase Signals，PPS）。高階模糊函數(shù)法（High?order Ambiguity Function，HAF）由于計(jì)算量小，成為估計(jì)PPS參量的主要次優(yōu)方法[8?10]。[M]階恒定幅度PPS信號(hào)的參數(shù)模型可以描述為：

[x（n）=Aexpjk=0Mbk（Δn）k] （1）

式中：[A]為多項(xiàng)式相位信號(hào)的幅度；[Δ]為采樣間隔。對(duì)式（1）的信號(hào)形式，[M]階PPS信號(hào)的高階瞬態(tài)距可以定義為：

[PM[x（n）；τ]=q=0M-1[x（*q）（n-qτ）]M-1q] （2）

式中[τ]為延遲，其中：

[x（*q）（n）=x（n）， q為偶數(shù)x*（n）， q為奇數(shù)]

根據(jù)上述定義，對(duì)于單分量[M]階的振幅恒定多項(xiàng)式相位信號(hào)，如式（1）所示，通過計(jì)算[Pm]可知，[M]階高階模糊函數(shù)在[ω]處呈現(xiàn)峰值，其中[ω=M！τM-1bM，]從而可從[Pm]的峰值位置估計(jì)出最高[M]階多項(xiàng)式相位系數(shù)[bM：]

[bM=1M！τM-1argmaxωPM（x；ω，τ）] （3）

估計(jì)出[M]階的系數(shù)[bM]之后，通過計(jì)算[x（n）?exp（-jbMnM）]就可以將[x（n）]降階為[M-1]階，這樣使用同樣方法就可以以此解出[bM-1，…，b2。]在本測(cè)速方法中通過[M]取3，可以分別估計(jì)出加速度、加加速度。

2.3 散譜現(xiàn)象的檢測(cè)和處理

目標(biāo)短時(shí)間運(yùn)動(dòng)一般可用加加速模型來描述：

[r（t）=r0+v0t+12a0t2+16at3] （4）

對(duì)應(yīng)的回波信號(hào)為：

[s（t）=A（t）exp（j4π（r0+v0t+a0t22+at36）λ）] （5）

則勻速、勻加速和勻加加速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波的典型頻譜和時(shí)頻分析圖如圖5和圖6所示。

圖5 典型測(cè)速信號(hào)的頻譜

從圖5中可以看出：

（1） 勻速運(yùn)動(dòng)只有一根主譜線；

（2） 勻加速運(yùn)動(dòng)各個(gè)譜線都有，且譜幅度相等；

（3） 勻加加速運(yùn)動(dòng)各個(gè)譜線都有，且譜幅度參差不齊。

從時(shí)頻分析圖6中可以看出：

（1） 勻速運(yùn)動(dòng)隨時(shí)間變化是根平線；

（2） 勻加速運(yùn)動(dòng)隨時(shí)間變化是根斜線，斜率不變；

（3） 勻加加速運(yùn)動(dòng)隨時(shí)間變化是根拋物線。

圖6 典型測(cè)速信號(hào)的時(shí)頻分析圖

圖7給出了某雷達(dá)跟蹤目標(biāo)時(shí)特定時(shí)間段的時(shí)頻分析圖，從圖中可以直觀地看出：目標(biāo)經(jīng)歷了“勻加速運(yùn)動(dòng)”、“特征點(diǎn)動(dòng)作散譜”、“勻加加速運(yùn)動(dòng)”、“特征點(diǎn)動(dòng)作散譜”和“勻加速運(yùn)動(dòng)”的過程。

圖7 某時(shí)間段時(shí)頻分析圖

通過對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行頻率分析，對(duì)信號(hào)頻譜的信噪比設(shè)置一門限。若信噪比不超過門限，則認(rèn)為頻譜異常，這時(shí)使用記憶外推完成速度加速度處理。

2.4 新測(cè)速方法處理流程

新測(cè)速方法處理流程如下：

（1） 通過測(cè)距回路的速度信息擬合出參考速度和加速度。

（2） 若為首次進(jìn)入測(cè)速，則使用步驟（1）中獲得的參考速度和加速度補(bǔ)償當(dāng)前回波[I，Q]否則使用上次預(yù)測(cè)的參考速度和加速度進(jìn)行補(bǔ)償。

（3） 通過對(duì)多個(gè)脈沖的回波進(jìn)行FFT，求出剩余頻率，并計(jì)算信噪比。

（4） 若步驟（3）中信噪比低于門限則使用記憶的速度和加速度信息，信噪比高于門限則測(cè)量出回波的速度和加速度信息。

（5） 把獲得的速度信息和測(cè)距回路進(jìn)行比較，若偏離一根譜線寬度，則使用測(cè)距速度進(jìn)行再次擬合速度和加速度信息；否則預(yù)測(cè)下一個(gè)脈沖的速度和加速度信息。

新方法處理流程如圖8所示。

3 仿真分析

針對(duì)某測(cè)控雷達(dá)跟蹤目標(biāo)所記錄的回波數(shù)據(jù)，使用新測(cè)速方法進(jìn)行仿真分析，并和常規(guī)測(cè)速方法進(jìn)行比較，仿真結(jié)果如圖9～圖12所示。

其中，圖9（a）為在該觀測(cè)時(shí)間內(nèi)目標(biāo)回波時(shí)頻圖，可以看出在某些時(shí)刻，出現(xiàn)了頻譜異常；圖9（b）為新測(cè)速方法，和雷達(dá)常規(guī)測(cè)速結(jié)果進(jìn)行比較，從圖中能看出在頻譜異常處，常規(guī)測(cè)速出現(xiàn)較大起伏，而新測(cè)速方法較為平穩(wěn)；細(xì)節(jié)部分能從圖10和圖11看出來；圖12為回波信號(hào)頻譜平穩(wěn)時(shí)間段內(nèi)，新測(cè)速方法和常規(guī)測(cè)速比較，從圖中能看出新測(cè)速方法測(cè)速隨機(jī)差優(yōu)于常規(guī)測(cè)速。

圖11 第二段測(cè)速結(jié)果細(xì)節(jié)圖

圖12 回波頻譜平穩(wěn)時(shí)，測(cè)速結(jié)果比較圖

4 結(jié) 論

通過對(duì)雷達(dá)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行新測(cè)速方法仿真，并和常規(guī)測(cè)速結(jié)果進(jìn)行比較，使用新的測(cè)速方法，通過加長積累時(shí)間，提高了測(cè)速的信噪比，并使用HAF方法估計(jì)出目標(biāo)的加速度和加加速度信息，補(bǔ)償?shù)交夭ㄐ畔⒅?，就能夠獲得更精確的頻率信息，從而提高了雷達(dá)測(cè)速精度，同時(shí)完善頻譜異常檢測(cè)方式，使得單脈沖測(cè)速方法具有更好的穩(wěn)健性。

參考文獻(xiàn)

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（2） 若為首次進(jìn)入測(cè)速，則使用步驟（1）中獲得的參考速度和加速度補(bǔ)償當(dāng)前回波[I，Q]否則使用上次預(yù)測(cè)的參考速度和加速度進(jìn)行補(bǔ)償。

（3） 通過對(duì)多個(gè)脈沖的回波進(jìn)行FFT，求出剩余頻率，并計(jì)算信噪比。

（4） 若步驟（3）中信噪比低于門限則使用記憶的速度和加速度信息，信噪比高于門限則測(cè)量出回波的速度和加速度信息。

（5） 把獲得的速度信息和測(cè)距回路進(jìn)行比較，若偏離一根譜線寬度，則使用測(cè)距速度進(jìn)行再次擬合速度和加速度信息；否則預(yù)測(cè)下一個(gè)脈沖的速度和加速度信息。

新方法處理流程如圖8所示。

3 仿真分析

針對(duì)某測(cè)控雷達(dá)跟蹤目標(biāo)所記錄的回波數(shù)據(jù)，使用新測(cè)速方法進(jìn)行仿真分析，并和常規(guī)測(cè)速方法進(jìn)行比較，仿真結(jié)果如圖9～圖12所示。

其中，圖9（a）為在該觀測(cè)時(shí)間內(nèi)目標(biāo)回波時(shí)頻圖，可以看出在某些時(shí)刻，出現(xiàn)了頻譜異常；圖9（b）為新測(cè)速方法，和雷達(dá)常規(guī)測(cè)速結(jié)果進(jìn)行比較，從圖中能看出在頻譜異常處，常規(guī)測(cè)速出現(xiàn)較大起伏，而新測(cè)速方法較為平穩(wěn)；細(xì)節(jié)部分能從圖10和圖11看出來；圖12為回波信號(hào)頻譜平穩(wěn)時(shí)間段內(nèi)，新測(cè)速方法和常規(guī)測(cè)速比較，從圖中能看出新測(cè)速方法測(cè)速隨機(jī)差優(yōu)于常規(guī)測(cè)速。

圖11 第二段測(cè)速結(jié)果細(xì)節(jié)圖

圖12 回波頻譜平穩(wěn)時(shí)，測(cè)速結(jié)果比較圖

4 結(jié) 論

通過對(duì)雷達(dá)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行新測(cè)速方法仿真，并和常規(guī)測(cè)速結(jié)果進(jìn)行比較，使用新的測(cè)速方法，通過加長積累時(shí)間，提高了測(cè)速的信噪比，并使用HAF方法估計(jì)出目標(biāo)的加速度和加加速度信息，補(bǔ)償?shù)交夭ㄐ畔⒅校湍軌颢@得更精確的頻率信息，從而提高了雷達(dá)測(cè)速精度，同時(shí)完善頻譜異常檢測(cè)方式，使得單脈沖測(cè)速方法具有更好的穩(wěn)健性。

參考文獻(xiàn)

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（2） 若為首次進(jìn)入測(cè)速，則使用步驟（1）中獲得的參考速度和加速度補(bǔ)償當(dāng)前回波[I，Q]否則使用上次預(yù)測(cè)的參考速度和加速度進(jìn)行補(bǔ)償。

（3） 通過對(duì)多個(gè)脈沖的回波進(jìn)行FFT，求出剩余頻率，并計(jì)算信噪比。

（4） 若步驟（3）中信噪比低于門限則使用記憶的速度和加速度信息，信噪比高于門限則測(cè)量出回波的速度和加速度信息。

（5） 把獲得的速度信息和測(cè)距回路進(jìn)行比較，若偏離一根譜線寬度，則使用測(cè)距速度進(jìn)行再次擬合速度和加速度信息；否則預(yù)測(cè)下一個(gè)脈沖的速度和加速度信息。

新方法處理流程如圖8所示。

3 仿真分析

針對(duì)某測(cè)控雷達(dá)跟蹤目標(biāo)所記錄的回波數(shù)據(jù)，使用新測(cè)速方法進(jìn)行仿真分析，并和常規(guī)測(cè)速方法進(jìn)行比較，仿真結(jié)果如圖9～圖12所示。

其中，圖9（a）為在該觀測(cè)時(shí)間內(nèi)目標(biāo)回波時(shí)頻圖，可以看出在某些時(shí)刻，出現(xiàn)了頻譜異常；圖9（b）為新測(cè)速方法，和雷達(dá)常規(guī)測(cè)速結(jié)果進(jìn)行比較，從圖中能看出在頻譜異常處，常規(guī)測(cè)速出現(xiàn)較大起伏，而新測(cè)速方法較為平穩(wěn)；細(xì)節(jié)部分能從圖10和圖11看出來；圖12為回波信號(hào)頻譜平穩(wěn)時(shí)間段內(nèi)，新測(cè)速方法和常規(guī)測(cè)速比較，從圖中能看出新測(cè)速方法測(cè)速隨機(jī)差優(yōu)于常規(guī)測(cè)速。

圖11 第二段測(cè)速結(jié)果細(xì)節(jié)圖

圖12 回波頻譜平穩(wěn)時(shí)，測(cè)速結(jié)果比較圖

4 結(jié) 論

通過對(duì)雷達(dá)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行新測(cè)速方法仿真，并和常規(guī)測(cè)速結(jié)果進(jìn)行比較，使用新的測(cè)速方法，通過加長積累時(shí)間，提高了測(cè)速的信噪比，并使用HAF方法估計(jì)出目標(biāo)的加速度和加加速度信息，補(bǔ)償?shù)交夭ㄐ畔⒅?，就能夠獲得更精確的頻率信息，從而提高了雷達(dá)測(cè)速精度，同時(shí)完善頻譜異常檢測(cè)方式，使得單脈沖測(cè)速方法具有更好的穩(wěn)健性。

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