機(jī)載脈沖多普勒雷達(dá)長相參積累目標(biāo)運動補(bǔ)償*

曹書華，房衛(wèi)軍，汪凌艷

(中航工業(yè)雷達(dá)與電子設(shè)備研究院，江蘇無錫 214063)

0 引言

現(xiàn)代機(jī)載脈沖多普勒雷達(dá)常用增加積累時間來提高弱小目標(biāo)的檢測性能。長時間積累中，目標(biāo)運動引起的距離走動嚴(yán)重影響目標(biāo)的能量積累和檢測性能，因此，研究有效的校正距離走動的方法是改善現(xiàn)代雷達(dá)檢測性能的重要途徑之一［1］。

文獻(xiàn)［1］提出基于短時傅里葉交換和 Wignerville分布的解線性調(diào)頻實現(xiàn)相參積累的方法;文獻(xiàn)［2-4］提出Hough變換方法、WVD變換方法和自適應(yīng)小波變換方法;文獻(xiàn)［5-6］提出基于包絡(luò)插值移位補(bǔ)償相參積累的算法。這些算法都比較復(fù)雜，運算量很大［7］。

文中提出了在距離頻域按照目標(biāo)的徑向速度進(jìn)行相應(yīng)的線性相位補(bǔ)償，以達(dá)到目標(biāo)的距離走動補(bǔ)償?shù)哪康?。該方法只需要對雷達(dá)每個周期回波進(jìn)行1次距離向FFT后，乘上相應(yīng)的補(bǔ)償相位，再IFFT到距離時域，即可實現(xiàn)不同時刻目標(biāo)回波的距離對準(zhǔn)，從而使目標(biāo)相參積累能量最大化。尤其該方法與脈壓流程結(jié)合進(jìn)行時，幾乎沒有額外增加運算量，運算方法簡單，有利于工程實現(xiàn)。

1 距離走動補(bǔ)償

由于載機(jī)與目標(biāo)的相對運動，使得載機(jī)與目標(biāo)在雷達(dá)一幀的相參處理時間內(nèi)發(fā)生了距離走動，尤其是相參處理時間較長時，該距離相差1個以上距離單元時，就會導(dǎo)致目標(biāo)相參積累能量在距離維發(fā)散，降低目標(biāo)的相參積累信噪比。

假設(shè)雷達(dá)相參積累任一時刻載機(jī)與目標(biāo)相對距離走動大小為ΔR。如果距離走動量ΔR是距離單元的整數(shù)倍，只需對距離采樣序列進(jìn)行移位即可實現(xiàn)距離對準(zhǔn)。但距離走動量ΔR一般不是距離單元的整數(shù)倍，要對目標(biāo)距離走動進(jìn)行補(bǔ)償，原則上通過內(nèi)插的方法可以由周圍若干點幅度和相位信息恢復(fù)所需距離采樣點的信息。由于插值的方法存在計算量和精度問題，因此，此處考慮采用快速的方法實現(xiàn)距離移動，即在距離頻域乘以一個線性相位實現(xiàn)目標(biāo)的距離時域移動，達(dá)到距離對準(zhǔn)的目的。

假設(shè)某一時刻目標(biāo)回波時域信號為:

對回波信號進(jìn)行距離FFT，變換到距離頻域:

式中:fr為距離頻率;fc為雷達(dá)載頻;P(fτ)為雷達(dá)發(fā)射信號頻譜。對式(2)進(jìn)一步變換得:

式中R0為相參積累開始時刻載機(jī)與目標(biāo)間相對距離。

假設(shè)信號采樣頻率為fs，一個周期內(nèi)距離向采樣點數(shù)為N'。為了做快速傅里葉變換，需要對距離向采樣點補(bǔ)零變成2的冪，假設(shè)距離向補(bǔ)零后FFT點數(shù)為N，則

對式(3)乘上距離參考匹配函數(shù)P*(fτ)，進(jìn)行匹配濾波的同時，乘上距離移動所需的線性相位:

當(dāng)雷達(dá)處于目標(biāo)跟蹤幀時，利用目標(biāo)航跡預(yù)測速度，可以對目標(biāo)距離走動進(jìn)行補(bǔ)償，完全消除由于目標(biāo)距離走動引起的相參積累損失。當(dāng)雷達(dá)處于搜索狀態(tài)，由于目標(biāo)速度未知，當(dāng)檢測迎頭目標(biāo)時，可以使用載機(jī)地速加檢測保護(hù)速度進(jìn)行部分距離走動補(bǔ)償，消除載機(jī)自身運動因素對目標(biāo)相參積累結(jié)果的影響;如果雷達(dá)處理機(jī)硬件資源富余時，可以對目標(biāo)回波進(jìn)行速度分區(qū)，進(jìn)行多次補(bǔ)償，每補(bǔ)償一次速度進(jìn)行一次目標(biāo)檢測，以適應(yīng)不同的目標(biāo)速度的距離走動補(bǔ)償?shù)男枰?，例如速度區(qū)段可以使用50 m/s的步進(jìn)。

2 仿真與分析

實驗1:載機(jī)與目標(biāo)間做相對勻速直線運動，相對運動速度大小為600 m/s，距離走動補(bǔ)償速度大小600 m/s。相參積累時間分別為 21 ms，42 ms，84 ms，168 ms，336 ms。雷達(dá)采用脈內(nèi)線性調(diào)頻信號。

從圖1、圖2可以看出:當(dāng)積累時間到達(dá)300 ms左右時，補(bǔ)償前目標(biāo)最大值所在距離門位置為33號距離門，補(bǔ)償后目標(biāo)最大值所在距離門位置為38號距離門;積累時間內(nèi)，按照第1個脈沖時刻目標(biāo)位置為參考基準(zhǔn)，對后續(xù)積累脈沖進(jìn)行了距離走動補(bǔ)償。距離走動補(bǔ)償后，目標(biāo)距離維所占寬度顯著減小。

圖1 距離走動補(bǔ)償前目標(biāo)位置

圖2 距離走動補(bǔ)償后目標(biāo)位置

從圖3、圖4可以看出:如果積累時間較短，即積累時間內(nèi)，目標(biāo)距離走動未能超過1個距離門時，距離走動補(bǔ)償后目標(biāo)積累功率效果不佳;隨著積累時間的延長，當(dāng)目標(biāo)距離走動超過1個距離門時，目標(biāo)功率隨著相參積累時間線性增加，回波能量在距離維得到有效聚集。

實驗2:載機(jī)與目標(biāo)間做相對勻速直線運動，相對運動速度大小為600 m/s，距離走動補(bǔ)償速度大小250 m/s。相參積累時間分別為 21 ms，42 ms，84 ms，168 ms，336 ms。雷達(dá)采用線性調(diào)頻脈壓信號。

圖3 距離走動補(bǔ)償前后目標(biāo)功率

圖4 距離走動補(bǔ)償前后目標(biāo)功率差值

從圖5、圖6可以看出:當(dāng)目標(biāo)絕對徑向速度未知時，如果只補(bǔ)償載機(jī)自身徑向速度和檢測保護(hù)速度，依然能夠補(bǔ)償載機(jī)與目標(biāo)間距離走動所引起的部分相參積累功率損失。

圖5 補(bǔ)償部分速度前后目標(biāo)積累功率

3 結(jié)論

圖6 補(bǔ)償部分速度前后目標(biāo)積累功率差值

機(jī)載脈沖多普勒雷達(dá)目標(biāo)信噪比與相參積累點數(shù)成正比。對于隱身目標(biāo)或小目標(biāo)，正常積累時間，不能實現(xiàn)目標(biāo)檢測時，需要增加相參積累時間，以提高目標(biāo)的相參積累信噪比，實現(xiàn)目標(biāo)遠(yuǎn)距離檢測。但長時間相參積累時，目標(biāo)距離走動問題就更加突出，極大影響了相參積累的效果。當(dāng)積累時間較長時，甚至?xí)霈F(xiàn)積累時間到達(dá)一定長度時，目標(biāo)功率不再增加的情況。通過在距離頻域按照目標(biāo)徑向速度進(jìn)行線性相位補(bǔ)償?shù)姆椒▽崿F(xiàn)了目標(biāo)的距離走動進(jìn)行補(bǔ)償，有效地解決了相參積累過程中載機(jī)與目標(biāo)間的相對運動引起的跨距離門走動問題。通過對某機(jī)載脈沖多普勒雷達(dá)實際試飛數(shù)據(jù)的處理，也證明了該方法的有效性，在雷達(dá)的工程實踐中具有較高的應(yīng)用價值。

［1］保錚.雷達(dá)信號的長時間積累［C］∥第7屆全國雷達(dá)學(xué)術(shù)年會，1999:9－15.

［2］CARSON B D，EVENS E D，WILSON S L.Search radar detection and track with the Hough transform，partⅠ:System concept［J］.IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems，1994(30):102－108.

［3］FRAZER G J，ANDERSON S J.Wigner-Ville analysis of HF radar measurements of an accelerating target［C］∥Proc ISSPA 99.Brisbane，Australia，1999.

［4］WANG G Y，XIA X G，ROOTB T.Maneuvering target detection in over-the-horizon radar by using adaptive chirp let transform and subspace clutter rejection［C］∥Proc ICASSP 03.Hong Kong，China，2003.

［5］朱永鋒，李為民，陳遠(yuǎn)征，等.Chirp雷達(dá)對高速運動目標(biāo)有效相參積累的算法研究［J］.系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2004，26(10):399.

［6］陳遠(yuǎn)征，朱永鋒，趙洪鐘，等.基于包絡(luò)插值移位補(bǔ)償?shù)母咚龠\動目標(biāo)的積累檢測算法研究［J］.信號處理，2004，20(4):387－390.

［7］魏海剛.高速微弱目標(biāo)檢測與跟蹤方法研究［D］.西安:西安電子科技大學(xué)，2013.