LFM脈沖壓縮雷達(dá)近距遮擋分析

于貴龍 李慧敏 李 偉

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

脈沖體制雷達(dá)采用收發(fā)分時(shí)工作是產(chǎn)生近距遮擋的根源。文獻(xiàn)［1］針對(duì)高脈沖重復(fù)頻率(HPRF)雷達(dá)的近距遮擋問(wèn)題進(jìn)行了研究，解決方案包括多重PRF 和記憶跟蹤法，文獻(xiàn)［2］給出了線性調(diào)頻信號(hào)在近距遮擋情況下的雷達(dá)方程，文獻(xiàn)［3］討論了其脈壓方法，文獻(xiàn)［4，5］討論了準(zhǔn)連續(xù)波體制雷達(dá)近距遮擋情況下編碼信號(hào)的最優(yōu)碼型設(shè)計(jì)方法。上述文獻(xiàn)在研究近距遮擋問(wèn)題時(shí)，均未考慮率接收機(jī)收發(fā)開(kāi)關(guān)切換時(shí)間的影響，對(duì)于最小探測(cè)距離只有十幾米、甚至幾米的極近程探測(cè)雷達(dá)來(lái)說(shuō)，接收機(jī)收發(fā)開(kāi)關(guān)切換時(shí)間對(duì)近距遮擋的影響是不可忽略的。本文針對(duì)LFM 脈沖信號(hào)，分析了接收機(jī)收發(fā)開(kāi)關(guān)切換時(shí)間對(duì)近距遮擋的影響，在此基礎(chǔ)上對(duì)近距遮擋情況下的匹配濾波器輸出SNR、測(cè)角精度、測(cè)距精度等問(wèn)題進(jìn)行了深入討論。

1 收發(fā)切換時(shí)間對(duì)近距遮擋的影響

脈沖雷達(dá)以收發(fā)分時(shí)的方式進(jìn)行工作，發(fā)射期間，接收機(jī)關(guān)閉，雷達(dá)向空間輻射能量，發(fā)射結(jié)束后，接收機(jī)接通，正常接收目標(biāo)回波信號(hào)。對(duì)于近距目標(biāo)，當(dāng)目標(biāo)回波到達(dá)雷達(dá)時(shí)，發(fā)射機(jī)仍然處于發(fā)射狀態(tài)，而接收機(jī)處于關(guān)斷狀態(tài)，回波信號(hào)不能被正常接收。對(duì)于脈寬為T(mén) 的發(fā)射信號(hào)，發(fā)生遮擋的距離為，小于此距離的目標(biāo)，都將發(fā)生近距遮擋。假定目標(biāo)距離為R，且，則可接收的目標(biāo)回波時(shí)間范圍為，回波時(shí)寬為，目標(biāo)距離越近，回波時(shí)寬越窄，理論上不存在探測(cè)盲區(qū)，最多只會(huì)產(chǎn)生時(shí)寬損失。

實(shí)際中，由于接收機(jī)從關(guān)斷到接通收發(fā)開(kāi)關(guān)切換需要一定的時(shí)間(Tsw，Time of switch)，在發(fā)射結(jié)束時(shí)刻，收發(fā)開(kāi)關(guān)切換信號(hào)有效后接收機(jī)還要再等待Tsw后才能進(jìn)入正常接收狀態(tài)，導(dǎo)致近距遮擋更為惡化。根據(jù)目前的器件水平，Tsw通常為幾十納秒量級(jí)。由于Tsw的存在將導(dǎo)致如下問(wèn)題:

b)回波時(shí)寬更短:處于近距遮擋范圍內(nèi)的目標(biāo)，回波時(shí)寬減小為;

2 近距遮擋情況下回波SNR 分析

當(dāng)目標(biāo)處于遮擋區(qū)時(shí)，接收的回波時(shí)寬小于發(fā)射信號(hào)時(shí)寬，匹配濾波時(shí)引起時(shí)寬失配。對(duì)于LFM信號(hào)，時(shí)寬失配同時(shí)也體現(xiàn)為帶寬失配，帶寬失配比例和時(shí)寬失配比例是相等的。對(duì)于處于遮擋區(qū)的目標(biāo)，回波信號(hào)帶寬B'與發(fā)射信號(hào)帶寬B 的關(guān)系為B'，這里把Rsw=Tswc/2 稱作完全遮擋距離，Rpulse=Tc/2 稱作脈寬距離?？梢?jiàn)開(kāi)關(guān)切換時(shí)間Tsw越大，對(duì)于同一距離目標(biāo)的回波，帶寬損失越大，所以要盡量降低Tsw。當(dāng)T sw一定時(shí)，目標(biāo)的距離R 越近，回波信號(hào)帶寬越窄，脈壓后的脈沖寬度越大，相應(yīng)的距離分辨單元越大，這是LFM 信號(hào)時(shí)寬失配脈壓的特點(diǎn)。這里只考慮時(shí)寬失配對(duì)匹配濾波的影響，對(duì)于多普勒失配的影響不做分析。設(shè)回波信號(hào)時(shí)寬完整時(shí)，即R≥(Rpulse+Rsw)，匹配濾波器的信噪比增益為GSNR(Rpulse+Rsw)，則當(dāng)目標(biāo)處于遮擋區(qū)時(shí)，即R＜(Rpulse+Rsw)，匹配濾波器的信噪比增益為:

目標(biāo)處于遮擋區(qū)，距離越近遮擋越大，匹配濾波器失配脈壓產(chǎn)生的信噪比損失越大，但是，距離越近匹配濾波器輸入端回波信噪比越強(qiáng)，回波信噪比與距離是四次方關(guān)系，距離減小一半，信噪比提高12dB，這兩個(gè)因素對(duì)SNR 的影響是相反的。下面綜合考慮這兩個(gè)因素分析近距遮擋情況下信噪比的變化。

設(shè)目標(biāo)距離為Rpulse+Rsw，回波信號(hào)剛好能獲得完整時(shí)寬，在該位置處目標(biāo)回波信噪比為SNR(Rpulse+Rsw)，則在距離R 處目標(biāo)回波信噪比為:

在近距遮擋情況下，目標(biāo)回波經(jīng)匹配濾波器后的輸出信噪比為:

SNR(R)是以R 為自變量的函數(shù)，SNR(R)對(duì)R求導(dǎo)數(shù)，可以獲得SNR(R)的極大值位置和單調(diào)區(qū)間，這里直接給出計(jì)算結(jié)果。當(dāng)R=2Rsw時(shí)，為極大值位置，信噪比最大;當(dāng)2R sw＜R＜(Rpulse+Rsw)時(shí)，SNR(R)隨R 的減小單調(diào)遞增，即距離減小信噪比增加;當(dāng)Rsw＜R＜2Rsw時(shí)，SNR(R)隨R 的減小單調(diào)遞減，即距離減小信噪比減小。近距遮擋情況下，SNR 隨R 的變化曲線如圖1所示。

圖1 近距遮擋情況下LFM 脈沖信號(hào)的R-SNR 曲線

3 近距遮擋情況下測(cè)量精度分析

在雷達(dá)系統(tǒng)中，影響測(cè)角精度和測(cè)距精度的因素很多，但是波束寬度、信號(hào)帶寬和信噪比是最主要的。測(cè)角精度計(jì)算式為［6］:

θB為波束寬度，是一個(gè)常數(shù)，可見(jiàn)σθ只與SNR有關(guān)，SNR 是R 的函數(shù)，當(dāng)2Rsw＜R＜R(Rpulse+R sw)時(shí)，距離減小，匹配濾波器輸出信號(hào)信噪比增大，測(cè)角誤差變小，測(cè)角精度提高;當(dāng)R sw＜R＜2R sw時(shí)，距離減小，匹配濾波器輸出信號(hào)信噪比減小，測(cè)角誤差變小，測(cè)角精度迅速降低。在近距遮擋情況下，LFM 脈沖信號(hào)測(cè)角精度σθ與距離R 的關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2 近距離遮擋情況下LFM 脈沖信號(hào)的σθ-SNR 曲線

測(cè)距精度計(jì)算式為［6］:

式中，SNR 是R 的函數(shù)，對(duì)于LFM 信號(hào)，在近距遮擋情況下回波信號(hào)帶寬B'也是R 的函數(shù)。距離減小，SNR 增加，σR減小，但是隨著距離減小，B'也減小了，使得σR增大，這兩個(gè)因素對(duì)σR的影響是相反的。下面綜合考慮這兩個(gè)因素分析近距遮擋情況下測(cè)距精度的變化。

根據(jù)前面的推導(dǎo)，測(cè)距精度計(jì)算式可以進(jìn)一步寫(xiě)為:

σR(Rpulse+Rsw)為R=R pulse+R sw時(shí)的測(cè)距精度，將上式對(duì)R 求導(dǎo)，可得在Rsw＜R＜(Rpulse+Rsw)區(qū)間，隨著距離減小，測(cè)距精度逐漸惡化，距離越近，惡化的越快。在近距遮擋情況下，LFM 脈沖信號(hào)測(cè)距精度σR與距離R 的關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3 近距離遮擋情況下LFM 脈沖信號(hào)的σR-SNR 曲線

4 減近距遮擋影響的措施

從以上分析可以看出，影響失配脈壓效果的因素主要包括發(fā)射時(shí)間T 和開(kāi)關(guān)切換時(shí)間Tsw兩部分。發(fā)射時(shí)間越短，產(chǎn)生近距遮擋的范圍越小，但是信號(hào)的平均功率會(huì)減小，影響遠(yuǎn)區(qū)探測(cè);開(kāi)關(guān)切換時(shí)間Tsw則是越小越好，它依賴于器件的響應(yīng)速度，目前Tsw通?？梢宰龅綆资畟€(gè)納秒。雷達(dá)設(shè)計(jì)者比較關(guān)注兩點(diǎn):威力和精度。威力與雷達(dá)的輻射能量有關(guān)，當(dāng)雷達(dá)發(fā)射功率一定時(shí)，必須通過(guò)增大脈沖寬度的方式來(lái)提高作用距離，這同時(shí)將使近距遮擋范圍增大，所以作用距離和近距遮擋是相互矛盾的，此消彼長(zhǎng)。為了兼顧雷達(dá)遠(yuǎn)距和近距的探測(cè)性能，工程上采取較多的是長(zhǎng)短脈沖分集法和長(zhǎng)短脈沖切換法。

長(zhǎng)短脈沖分集法發(fā)射信號(hào)如圖4所示。

圖4 長(zhǎng)短脈沖分集法

長(zhǎng)短脈沖在同一脈沖發(fā)射周期內(nèi)連續(xù)順序發(fā)射，短脈沖負(fù)責(zé)近距目標(biāo)探測(cè)，長(zhǎng)脈沖負(fù)責(zé)遠(yuǎn)距目標(biāo)探測(cè)，可以在一個(gè)PRI內(nèi)完成對(duì)近距和遠(yuǎn)距的目標(biāo)探測(cè)。長(zhǎng)短脈沖信號(hào)在頻域上間隔開(kāi)，保證頻域隔離度，長(zhǎng)短脈沖信號(hào)帶寬相等，則接收機(jī)帶寬至少是兩倍的信號(hào)帶寬加間隔頻率，對(duì)應(yīng)的A/D 采樣率必須是接收機(jī)帶寬的兩倍以上，限于A/D 采樣率的有限性及后續(xù)信號(hào)處理數(shù)據(jù)量的壓力，采用長(zhǎng)短脈沖分集時(shí)，調(diào)頻帶寬不能太大。例如按計(jì)算，在信噪比為12dB 的條件下，要求測(cè)距精度為1m，所需的信號(hào)帶寬不小于25MHz(計(jì)算得σR=0.83m)，設(shè)頻率間隔5MHz，則接收機(jī)帶寬必須大于55MHz，A/D 采樣率必須大于110MHz。在測(cè)距精度要求較高的場(chǎng)合，使用長(zhǎng)短脈沖分集法，對(duì)信號(hào)處理器的硬件要求是很高的。

長(zhǎng)短脈沖切換法發(fā)射信號(hào)如圖5所示。

圖5 長(zhǎng)短脈沖切換法

長(zhǎng)短脈沖分時(shí)發(fā)射，在相鄰周期進(jìn)行切換，與長(zhǎng)短脈沖分集相比，時(shí)間利用率低。但是這種形式對(duì)接收機(jī)和信處沒(méi)有特殊要求，按照信號(hào)帶寬設(shè)計(jì)即可。由于長(zhǎng)短脈沖分時(shí)發(fā)射，數(shù)據(jù)率降低，可積累的脈沖數(shù)減少，PRI增大，PRF 減小，多普勒容限降低。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文主要研究了LFM 脈沖信號(hào)近距遮擋問(wèn)題。近距遮擋范圍由發(fā)射信號(hào)脈寬和接收機(jī)收發(fā)開(kāi)關(guān)切換時(shí)間決定，近距遮擋引起時(shí)寬失配和帶寬失配，最終影響匹配濾波器輸出信號(hào)的SNR 和系統(tǒng)的測(cè)角精度、測(cè)距精度。分析發(fā)現(xiàn)在近距遮擋范圍內(nèi)，接收機(jī)收發(fā)開(kāi)關(guān)切換時(shí)間Tsw是一個(gè)關(guān)鍵的參數(shù)，其對(duì)應(yīng)距離為。匹配濾波器輸出信號(hào)SNR 以2R sw為分界，隨距離減小先逐漸增加，過(guò)分界點(diǎn)后快速減小;測(cè)角精度以2Rsw為分界，隨距離減小先逐漸減小，過(guò)分界點(diǎn)后快速惡化;測(cè)距精度隨距離減小快速惡化。針對(duì)失配脈壓的影響，討論了長(zhǎng)短脈沖分集法和長(zhǎng)短脈沖切換法的特點(diǎn)。

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