收發(fā)分置連續(xù)波雷達(dá)關(guān)鍵技術(shù)試驗(yàn)研究

尹華橋,王順喜

(1. 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,合肥230088；2. 61195部隊(duì),南京210008)

收發(fā)分置連續(xù)波雷達(dá)關(guān)鍵技術(shù)試驗(yàn)研究

尹華橋1,王順喜2

(1. 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,合肥230088；2. 61195部隊(duì),南京210008)

主要論述了為解決收發(fā)分置連續(xù)波雷達(dá)的直達(dá)波抑制及高速目標(biāo)的大時(shí)寬信號(hào)處理等關(guān)鍵技術(shù),利用現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行技術(shù)改造,建立試驗(yàn)系統(tǒng)開展直達(dá)波抑制和目標(biāo)探測(cè)專題試驗(yàn)研究,通過(guò)實(shí)測(cè)直達(dá)波數(shù)據(jù)對(duì)收發(fā)分置連續(xù)波體制雷達(dá)的直達(dá)波抑制進(jìn)行可行性分析,并通過(guò)探測(cè)實(shí)際目標(biāo)回波數(shù)據(jù)處理分析對(duì)雷達(dá)工作波形設(shè)計(jì)、大時(shí)寬信號(hào)回波處理等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了攻關(guān)驗(yàn)證。

連續(xù)波；雷達(dá)；直達(dá)波；大時(shí)寬信號(hào)

0 引 言

收發(fā)分置連續(xù)波體制雷達(dá)技術(shù)中,發(fā)射陣對(duì)接收陣的直達(dá)波影響不可避免,必須考慮采取直達(dá)波抑制技術(shù)。同時(shí),該類雷達(dá)一般需具備對(duì)遠(yuǎn)距離高速小目標(biāo)進(jìn)行探測(cè),設(shè)計(jì)時(shí)多采用發(fā)射大時(shí)寬信號(hào)的方法,而由于觀測(cè)目標(biāo)具有很高的速度和加速度,會(huì)造成回波線形調(diào)頻斜率發(fā)生變化,同時(shí)目標(biāo)在雷達(dá)發(fā)射脈沖的時(shí)間內(nèi)跨越了多個(gè)距離單元,這將使接收的匹配濾波器和脈壓處于失配狀態(tài)。因此,對(duì)高速目標(biāo)大時(shí)寬信號(hào)回波檢測(cè)處理也必須進(jìn)行專題研究。

為有效解決該種體制雷達(dá)的直達(dá)波抑制及高速目標(biāo)的大時(shí)寬信號(hào)處理等關(guān)鍵技術(shù),擬利用現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行技術(shù)改造,建立試驗(yàn)系統(tǒng)開展直達(dá)波抑制和目標(biāo)探測(cè)專題試驗(yàn)。通過(guò)實(shí)測(cè)直達(dá)波數(shù)據(jù)對(duì)收發(fā)分置連續(xù)波體制雷達(dá)的直達(dá)波抑制進(jìn)行可行性分析,并通過(guò)探測(cè)實(shí)際目標(biāo)回波數(shù)據(jù)處理分析對(duì)雷達(dá)工作波形設(shè)計(jì)、大時(shí)寬信號(hào)回波處理等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)驗(yàn)證。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建

基于該雷達(dá)的收發(fā)站分離,發(fā)射連續(xù)波體制,試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)備直接采用了某產(chǎn)品的樣機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行改造,對(duì)波形設(shè)計(jì)、系統(tǒng)時(shí)序以及收發(fā)站同步等軟硬件改造,通過(guò)記錄儀采集接收目標(biāo)回波數(shù)據(jù)后離線處理的方式完成多項(xiàng)試驗(yàn)任務(wù)。

試驗(yàn)系統(tǒng)觀測(cè)目標(biāo)方式如圖1所示。該系統(tǒng)主要有發(fā)射車、接收車和電源車三部分組成,如圖2所示。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)觀測(cè)目標(biāo)示意圖

圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)組成框圖

為滿足試驗(yàn)要求,對(duì)原有系統(tǒng)進(jìn)行改造如下：

(1) 波形設(shè)計(jì)與時(shí)序

采用信號(hào)源(E8267D)送激勵(lì)信號(hào)方式實(shí)現(xiàn)發(fā)射不同形式信號(hào)需求,同時(shí)儀表需接一路10 MHz外部時(shí)鐘和觸發(fā)信號(hào)。

時(shí)序控制軟件依據(jù)工作模式、工作狀態(tài)的變動(dòng)及時(shí)更改。

(2) 收發(fā)站時(shí)頻同步

原樣機(jī)工作時(shí),發(fā)射車和接收車采用分時(shí)工作方式避免了直達(dá)波的干擾問(wèn)題,現(xiàn)要利用該套設(shè)備對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)試驗(yàn),發(fā)射站與接收站之間在滿足直達(dá)波隔離要求的同時(shí)還必須保證同步工作,使兩站之間的時(shí)頻關(guān)系滿足嚴(yán)格的相參關(guān)系,因此需要將收發(fā)站之間的光纜連接進(jìn)行時(shí)頻同步信號(hào)改動(dòng)。

(3) 數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)

試驗(yàn)系統(tǒng)要求對(duì)探測(cè)目標(biāo)的回波數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ),現(xiàn)有樣機(jī)系統(tǒng)的數(shù)字接收機(jī)A/D采集板不能滿足試驗(yàn)系統(tǒng)需求,采用外接合適的采集卡和大容量數(shù)據(jù)記錄儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和后續(xù)處理分析。

2 關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)試驗(yàn)

2.1 直達(dá)波抑制專題試驗(yàn)

因試驗(yàn)系統(tǒng)僅一路接收通道,擬采用以下兩種方式進(jìn)行直達(dá)波抑制專題試驗(yàn)。

(1) 單通道數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)

直接采集接收機(jī)直達(dá)波數(shù)據(jù),利用相鄰兩個(gè)周期的接收通道數(shù)據(jù)進(jìn)行直達(dá)波對(duì)消處理。

直達(dá)波數(shù)據(jù)產(chǎn)生有兩種方式：一是發(fā)射機(jī)不工作,直接將信號(hào)源輸出射頻信號(hào)接入接收機(jī)回波輸入端,采集I、Q數(shù)據(jù)；二是發(fā)射機(jī)工作,通過(guò)接收發(fā)射站車副瓣直達(dá)波信號(hào),采集實(shí)際回波I、Q數(shù)據(jù),再進(jìn)行后續(xù)處理。

(2) 雙通道數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)

因試驗(yàn)系統(tǒng)發(fā)射波形由信號(hào)源直接產(chǎn)生,可將接收的直達(dá)波數(shù)據(jù)與信號(hào)源輸出信號(hào)做雙通道同步采集,以信號(hào)源直接采集的I、Q數(shù)據(jù)作為參考信號(hào)進(jìn)行直達(dá)波對(duì)消處理。

專題試驗(yàn)采集線性調(diào)頻、相位編碼等不同信號(hào)形式的直達(dá)波數(shù)據(jù),并對(duì)其進(jìn)行處理分析。

? 數(shù)據(jù)1：線性調(diào)頻信號(hào),信號(hào)源直接輸入接收通道直達(dá)波數(shù)據(jù),輸入雜噪比大約16 dB,對(duì)消比約為14 dB,如圖3所示。

(a)雜噪比16 dB輸入信號(hào)

(b)對(duì)消前后比較

? 數(shù)據(jù)2：相位編碼信號(hào),信號(hào)源直接輸入接收通道直達(dá)波數(shù)據(jù),輸入雜噪比約25 dB,對(duì)消比約為21 dB,如圖4所示。

(a)雜噪比25 dB輸入信號(hào)

(b) 對(duì)消前后比較

? 數(shù)據(jù)3：接收實(shí)際發(fā)射直達(dá)波數(shù)據(jù),根據(jù)統(tǒng)計(jì)對(duì)消參考通道和目標(biāo)通道幅度誤差在12%以上,相位誤差在10°以上。對(duì)消前后效果如圖5所示。可見,直達(dá)波最強(qiáng)有大約17 dB,起伏很大,通過(guò)對(duì)消基本能達(dá)到噪聲電平附近。

圖5 直達(dá)波數(shù)據(jù)3處理結(jié)果

? 數(shù)據(jù)4：接收實(shí)際發(fā)射直達(dá)波+觀測(cè)飛機(jī)目標(biāo)回波數(shù)據(jù)。對(duì)于1 MHz線性調(diào)頻信號(hào),雜噪比7 dB,直達(dá)波對(duì)消約有5 dB,脈壓后信噪比約有2 dB改善。如圖6所示。

(a) 對(duì)消前后信號(hào)比較

(b) 對(duì)消前脈沖壓縮結(jié)果

(c) 對(duì)消后脈沖壓縮結(jié)果

通過(guò)仿真分析和實(shí)際數(shù)據(jù)處理結(jié)果分析,試驗(yàn)結(jié)論如下：

(1) 采用LMS改進(jìn)算法可對(duì)直達(dá)波進(jìn)行有效對(duì)消處理,但直達(dá)波對(duì)消改善與輸入雜噪比有很大關(guān)系,雜噪比越高,對(duì)消比也越高；

(2) 雷達(dá)的直達(dá)波來(lái)源于發(fā)射站,其距離已知,對(duì)目標(biāo)檢測(cè)主要影響是直達(dá)波副瓣的大小。通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理表明,本雷達(dá)采用的長(zhǎng)時(shí)線性調(diào)頻信號(hào)或相位編碼信號(hào)都有很強(qiáng)的副瓣抑制能力,主副瓣比大約在40 dB以上,這一點(diǎn)可有效減小直達(dá)波對(duì)目標(biāo)信號(hào)的影響；

(3) 直達(dá)波抑制采用了構(gòu)建模擬信號(hào)作參考信號(hào)、信號(hào)源直接采集信號(hào)作參考信號(hào)及相鄰重復(fù)周期作為參考對(duì)消通道的對(duì)消處理方法。通過(guò)對(duì)實(shí)際采集直達(dá)波數(shù)據(jù)的處理及目標(biāo)檢測(cè),驗(yàn)證了直達(dá)波處理算法及性能。

2.2 大時(shí)寬信號(hào)回波處理專題試驗(yàn)

為了驗(yàn)證高速機(jī)動(dòng)目標(biāo)對(duì)各種波形的長(zhǎng)時(shí)積累影響,在試驗(yàn)場(chǎng)擬使用試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)國(guó)際空間站目標(biāo)(ISS)進(jìn)行探測(cè)數(shù)據(jù)采集分析。但是,受試驗(yàn)設(shè)備、條件限制,空間站實(shí)際橫穿合肥上空最近距離超過(guò)了試驗(yàn)系統(tǒng)的威力范圍,因此無(wú)法發(fā)現(xiàn)目標(biāo),故通過(guò)觀測(cè)民航目標(biāo)來(lái)等效分析回波數(shù)據(jù)。

民航目標(biāo)速度較慢。為了驗(yàn)證目標(biāo)跨距離單元帶來(lái)的失配損失以及補(bǔ)償后的效果,采用了提高雷達(dá)信號(hào)帶寬的做法,這樣在目標(biāo)速度較低的情況下可等效分析高速目標(biāo)回波跨單元的效果。

2.2.1 大時(shí)寬信號(hào)失配仿真分析

當(dāng)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)積累(ms量級(jí))時(shí),不僅僅多普勒會(huì)對(duì)脈沖壓縮產(chǎn)生影響,目標(biāo)還會(huì)在積累過(guò)程中出現(xiàn)跨距離單元。這些都會(huì)造成處理?yè)p失,如圖7所示。

圖7 不同速度、加速度脈沖壓縮損失示意圖(B=1 MHz,T=50 ms)

由上分析可知,當(dāng)目標(biāo)具有高初速度、高加速度的顯著特征時(shí),雷達(dá)信號(hào)采用LFM形式發(fā)射時(shí)會(huì)因高速運(yùn)動(dòng)帶來(lái)近百千赫的多普勒頻移和距離上的嚴(yán)重耦合；在對(duì)回波進(jìn)行脈壓時(shí)會(huì)因回波形狀的畸變帶來(lái)信噪比損失,其損失值與時(shí)寬和目標(biāo)初速度有關(guān),與目標(biāo)運(yùn)動(dòng)加速度關(guān)系十分密切。

2.2.2 大時(shí)寬信號(hào)數(shù)據(jù)采集步驟

試驗(yàn)系統(tǒng)觀測(cè)民航機(jī)采集大時(shí)寬信號(hào)回波信號(hào),其步驟主要有：

(1) 信號(hào)源(E8267D)產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行發(fā)射,對(duì)民航機(jī)進(jìn)行探測(cè)；

(2) 通過(guò)塔臺(tái)雷達(dá)引導(dǎo)數(shù)據(jù)包(Radar Box)輸出的民航機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)(方位、仰角)引導(dǎo)雷達(dá)天線轉(zhuǎn)動(dòng),使天線波束實(shí)時(shí)對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)方向；

(3) 由試驗(yàn)系統(tǒng)的接收回波端引出一路射頻信號(hào)接頻譜儀,在頻譜儀上觀測(cè)目標(biāo)回波信號(hào)；

(4) 發(fā)射信號(hào)波形首先用點(diǎn)頻信號(hào),在頻譜儀上觀測(cè)飛機(jī)目標(biāo)多普勒頻移信號(hào),如發(fā)現(xiàn)目標(biāo)信號(hào),立即啟動(dòng)數(shù)據(jù)記錄儀采集飛機(jī)目標(biāo)數(shù)據(jù)；

(5) 目標(biāo)采集數(shù)據(jù)分三步：一是點(diǎn)頻信號(hào)數(shù)據(jù)采集,二是不同調(diào)制信號(hào)數(shù)據(jù)采集(通過(guò)信號(hào)源快速調(diào)用調(diào)制信號(hào)發(fā)射),三是仍回到點(diǎn)頻信號(hào)數(shù)據(jù)采集(確定目標(biāo)仍可檢測(cè)到)；

(6) 采集多種信號(hào)形式目標(biāo)探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行后端離線處理。

2.2.3 大時(shí)寬信號(hào)采集數(shù)據(jù)處理分析

(1)B=5 MHz、T=100 ms線性調(diào)頻信號(hào)

點(diǎn)頻信號(hào)譜如圖8所示，分析如下：目標(biāo)fd=-6.2 kHz,速度約為v=-193.75 m/s,速度-距離耦合約為R=c×fd×T/(2B)=18.6 km。距離分辨率為c/2B=30 m,目標(biāo)在100 ms積累時(shí)間內(nèi)走動(dòng)19.38 m,小于一個(gè)距離分辨單元。

圖8 目標(biāo)點(diǎn)頻信號(hào)回波頻譜

按照點(diǎn)頻測(cè)得多普勒值,進(jìn)行速度補(bǔ)償。線性調(diào)頻信號(hào)脈沖壓縮效果如圖9所示。

圖9 目標(biāo)線性調(diào)頻信號(hào)回波脈沖壓縮

速度-距離修正為45.4-26.81=18.59 km,信噪比改善為91.93-91.25=0.68 dB。

(2)B=30 MHz、T=100 ms線性調(diào)頻信號(hào)

圖10 目標(biāo)點(diǎn)頻信號(hào)回波頻譜

點(diǎn)頻信號(hào)譜如圖10所示，分析如下：目標(biāo)fd=-6.5 kHz,速度約為v=-203.125 m/s,速度-距離耦合約為R=c×fd×T/(2B)=3.25 km。距離分辨率為c/2B=5 m,目標(biāo)在100 ms積累時(shí)間內(nèi)走動(dòng)20.31 m,跨越多個(gè)距離分辨單元。

按照點(diǎn)頻測(cè)得多普勒值，進(jìn)行速度補(bǔ)償。目標(biāo)回波信號(hào)線性調(diào)頻速度補(bǔ)償前后脈沖壓縮如圖11所示。

圖11 目標(biāo)回波信號(hào)線性調(diào)頻速度補(bǔ)償前后脈沖壓縮對(duì)比圖(紅色為補(bǔ)償后)

經(jīng)過(guò)仿真分析和實(shí)際采集飛機(jī)目標(biāo)回波數(shù)據(jù)處理分析,對(duì)線性調(diào)頻大時(shí)寬信號(hào)的目標(biāo)回波處理試驗(yàn)結(jié)論主要有：

(1) 目標(biāo)高速運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的跨距離單元損失比較嚴(yán)重,必須進(jìn)行補(bǔ)償；

(2) 對(duì)線性調(diào)頻信號(hào)回波處理,當(dāng)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)經(jīng)長(zhǎng)時(shí)積累會(huì)出現(xiàn)跨距離單元,此時(shí)跨距離損失要遠(yuǎn)大于多普勒損失。在進(jìn)行速度補(bǔ)償時(shí),不能簡(jiǎn)單地只進(jìn)行多普勒補(bǔ)償,還要進(jìn)行跨距離補(bǔ)償；

(3) 試驗(yàn)對(duì)目標(biāo)回波的處理表明,目前已初步掌握了大時(shí)寬信號(hào)的目標(biāo)檢測(cè)和處理方法,同時(shí)采集的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可為后續(xù)的進(jìn)一步研究提供便利,可驗(yàn)證各種算法的有效性。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)建立試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)收發(fā)分置連續(xù)波雷達(dá)的直達(dá)波抑制和大時(shí)寬信號(hào)回波處理關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了有效的攻關(guān)驗(yàn)證。但是,鑒于試驗(yàn)條件、試驗(yàn)設(shè)備的限制,對(duì)高速小目標(biāo)的信號(hào)檢測(cè)仍需在后續(xù)工程實(shí)踐中進(jìn)行更深入的研究。

[1] Skolnik M I. Radar Handbook[M].Mcgraw-HiLL Publishing Company,1990.

[2] Dr.Eli Brookner. Phase-Array and Radar Breakthroughs,IEEE,2006.

[3] 吳曼青. 數(shù)字陣列雷達(dá)及其進(jìn)展[J].中國(guó)電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào),2006.

[4] 張明友.數(shù)字陣列雷達(dá)與軟件化雷達(dá)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2008.

[5] 張賢達(dá).現(xiàn)代雷達(dá)信號(hào)處理[M].北京:清華大學(xué)出版社,1995.

Research on a test system of key technologies of bistatic CW radar

YIN Hua-qiao1, WANG Shun-xi2

(1. No.38 Research Institute of CETC, Hefei 230088;2.Unit 61195 of the PLA,Nanjing 210008)

In order to solve the technical problem of the direct wave suppression and the large time-width signal processing of high-speed targets for the bistatic CW radar, a test system is built to carry out the test and study of the special subjects on the direct wave suppression and the target detection through the technical innovation of the existing equipment. The feasibility of the direct wave suppression for the bistatic CW radar is analyzed through the direct wave data measured. Besides, the key technologies such as the waveform design and the large time-width signal echo processing are verified through the processing and analysis of the target echo data.

CW; radar; direct wave; large time-width signal

2014-10-20；

2014-11-03

尹華橋(1966-),男,高級(jí)工程師,研究方向：雷達(dá)系統(tǒng)；王順喜(1978-),男,工程師,碩士,研究方向：電磁場(chǎng)與微波技術(shù)。

TN958.94

A

1009-0401(2014)04-0023-04