相參捷變頻雷達(dá)接收機(jī)及動目標(biāo)處理技術(shù)

張晨路，公緒華，劉一民

(1. 清華大學(xué) 電子工程系，　北京 100084；　2. 空軍裝備研究院 雷達(dá)所，　北京 100085)

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相參捷變頻雷達(dá)接收機(jī)及動目標(biāo)處理技術(shù)

張晨路1，公緒華2，劉一民1

(1. 清華大學(xué) 電子工程系，北京 100084；2. 空軍裝備研究院 雷達(dá)所，北京 100085)

摘要：在現(xiàn)代雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展中，相參捷變頻雷達(dá)因其目標(biāo)分辨能力和在電子對抗戰(zhàn)中的優(yōu)勢而越來越多地被應(yīng)用。文中介紹了三種相參捷變頻雷達(dá)接收機(jī)的體制，并分析了各自的原理以及適用的應(yīng)用場景。針對該體制在雜波抑制上的難題，提出一種基于最優(yōu)輸出信雜比的雜波濾波器的設(shè)計(jì)方法，對回波信號進(jìn)行雜波抑制以實(shí)現(xiàn)動目標(biāo)處理。展示了由原理樣機(jī)進(jìn)行的外場實(shí)驗(yàn)，通過對外場實(shí)驗(yàn)獲取得真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，驗(yàn)證了系統(tǒng)的相參性和動目標(biāo)處理的有效性。

關(guān)鍵詞：相參捷變頻雷達(dá)；雷達(dá)接收機(jī)；動目標(biāo)處理；雜波抑制

0引言

在現(xiàn)代雷達(dá)技術(shù)的快速發(fā)展中，提高雷達(dá)對目標(biāo)的分辨能力與加強(qiáng)雷達(dá)自身在對抗中的存活能力是主要的兩方面目標(biāo)。相參捷變頻(FAC)雷達(dá)在這兩個(gè)方面都有很好的發(fā)展前景：一方面，相參可以帶來分辨能力上的好處；另一方面，頻率捷變可以使雷達(dá)在電子反對抗中獲得優(yōu)勢。所以，相參捷變頻雷達(dá)被認(rèn)為是未來雷達(dá)發(fā)展中很有競爭力的體制之一[1-2]。

相參與捷變同為雷達(dá)的經(jīng)典技術(shù)[3]，考慮二者的結(jié)合，尤其是捷變頻率范圍的提高和更高靈活性的需求，對接收機(jī)和信號處理都帶來了新的挑戰(zhàn)[4]。在信號處理方面，由于雜波抑制的困難導(dǎo)致了相參捷變頻雷達(dá)在很長一段時(shí)期發(fā)展緩慢。本文通過設(shè)計(jì)一個(gè)最優(yōu)輸出信雜比的雜波濾波器來實(shí)現(xiàn)對動目標(biāo)的處理。在接收機(jī)方面，傳統(tǒng)的接收機(jī)技術(shù)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)相參和捷變頻兩部分的功能，但是隨著一些新技術(shù)的引入，比如文獻(xiàn)[5]所實(shí)現(xiàn)的基于光器件的相參捷變頻雷達(dá)，相參捷變頻雷達(dá)的體制更加豐富。

本文將介紹相參捷變頻雷達(dá)接收機(jī)的幾種實(shí)現(xiàn)原理，同時(shí)給出一種對于相參捷變頻雷達(dá)信號動目標(biāo)的相參積累和雜波抑制技術(shù)，并用原理樣機(jī)采集的實(shí)際數(shù)據(jù)來展示處理的效果。

1相參捷變頻雷達(dá)接收機(jī)技術(shù)

相參體制是現(xiàn)代雷達(dá)中廣泛采用的體制，它可以提供信號的相位信息來獲得額外的分辨率和雜波抑制性能。由于在相參體制中要求發(fā)射信號和解調(diào)信號保持嚴(yán)格的相位同步關(guān)系，所以要求相參雷達(dá)接收機(jī)的設(shè)計(jì)可以保證這種嚴(yán)格的同步關(guān)系。

捷變頻技術(shù)可以快速地切換雷達(dá)的工作頻率，使雷達(dá)更難被探測，因而在電子對抗中獲得優(yōu)勢。捷變頻根據(jù)捷變的尺度分為脈組間捷變和脈沖間捷變兩種：脈組間捷變指的是頻率的捷變發(fā)生在相參處理間隔(CPI)之間；脈沖間捷變指的是頻率的捷變發(fā)生在CPI內(nèi)的每個(gè)脈沖之間。本文介紹的相參捷變頻雷達(dá)的捷變指的是脈沖間捷變。捷變頻要求雷達(dá)接收機(jī)具有快速切換頻率的能力。

相參捷變頻雷達(dá)兼具二者的特點(diǎn)，接收機(jī)要滿足相參和捷變頻兩方面的要求[6]。目前實(shí)現(xiàn)相參捷變頻雷達(dá)接收的手段主要有三種：直接頻率合成(DS)、

直接數(shù)字式頻率合成(DDS)和光調(diào)制與光解調(diào)。

1.1直接頻率合成

DS接收機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖 1所示。DS接收機(jī)通過DS改變射頻本振的頻率來實(shí)現(xiàn)頻率的捷變。DS通過一個(gè)或多個(gè)晶體振蕩器，經(jīng)過開關(guān)轉(zhuǎn)換、倍頻、分頻得到所需要的頻率。DS的優(yōu)勢在于頻率切換速度快、相位噪聲低，劣勢在于設(shè)備量大、成本高。

圖1　直接頻率合成接收機(jī)結(jié)構(gòu)

設(shè)系統(tǒng)中頻為fIF，中頻輸入信號為

SIF(t)=rectT(t)cos[2πfIF(t)+φ(t)]

(1)

式中：rectT(t)為時(shí)寬為T的矩形窗；φ(t)為具體的調(diào)制波形的相位函數(shù)。系統(tǒng)本振選擇頻率為fn的本振，則射頻發(fā)射信號為

STX(t)=cos[2π(fn+fIF)t+φ(t)]·rectT(t)

(2)

接收到的目標(biāo)回波信號為

SRX(t)=STX(t-τ)

(3)

式中：τ=2R/c為目標(biāo)因距離產(chǎn)生的延時(shí)。經(jīng)過與發(fā)射同樣的本振信號下變頻后，回波中頻信號為

SRIF(t)=cos[2πfIF(t)-2π(fn+fIF)τ+φ(t-τ)]·

rectT(t-τ)

(4)

可見，在回波中頻信號中，系統(tǒng)沒有帶來額外的相位變化，所以接收機(jī)是滿足相參性的。

通過改變射頻本振頻率實(shí)現(xiàn)的相參捷變頻雷達(dá)接收機(jī)同現(xiàn)有的非捷變雷達(dá)中頻部分保持兼容，現(xiàn)有的系統(tǒng)只需加入頻率控制部分即可獲得頻率捷變的功能。由于捷變發(fā)生在脈沖間，使得接收機(jī)同時(shí)只能接受一個(gè)脈沖的回波，主要應(yīng)用于低脈沖重復(fù)頻率(PRF)的場景，在中、高PRF下作用距離會受到限制。

1.2直接數(shù)字式頻率合成

DDS接收機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖 2所示。直接頻率合成通過改變中頻的頻率來實(shí)現(xiàn)頻率的捷變。

系統(tǒng)采用數(shù)字中頻的方案，使用DDS直接生成中頻上的波形。設(shè)系統(tǒng)中頻基頻為fIF，跳頻間隔為Δf，則當(dāng)系統(tǒng)工作在第k個(gè)頻點(diǎn)時(shí)，DDS中存儲的數(shù)字波形為

SDIF(n)=cos[2π(fIF+kΔf)nTs+φ(nTs)]

0≤n≤T/Ts

(5)

式中：Ts為DDS的時(shí)鐘周期，則輸出的中頻波形為

SIF(t)=rectT(t)cos[2π(fIF+kΔf)t+φ(t)]

(6)

圖2　直接數(shù)字頻率合成接收機(jī)結(jié)構(gòu)

使用固定本振射頻為fc的接收機(jī)將SIF上變頻到射頻

STX(t)=cos[2π(fc+kΔf+fIF)t+φ(t)]·rectT(t)

(7)

接收信號SRX形式同式(3)一樣，經(jīng)過與發(fā)射同樣的本振信號下變頻后的中頻信號為

SRIF(t)=cos[2π(fIF+kΔf)t-2π(fc+kΔf+fIF)τ+

φ(t-τ)]·rectT(t-τ)

(8)

之后對中頻信號使用和DDS相同的時(shí)鐘源進(jìn)行采樣，在數(shù)字域?qū)Σ蓸有盘栠M(jìn)行濾波處理，選出對應(yīng)頻點(diǎn)k的信號。由于使用相同的時(shí)鐘源，同時(shí)發(fā)射波形的初相已知，可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)收到的回波信號中，系統(tǒng)沒有帶來額外的相位變化，故此接收機(jī)系統(tǒng)為相參的。

使用DDS的相參捷變頻雷達(dá)接收機(jī)可以實(shí)現(xiàn)在高重頻下的多通道接收。如果每一個(gè)頻點(diǎn)發(fā)射的信號不大于調(diào)頻間隔Δf，對采樣得到的中頻信號通過不同的數(shù)字濾波器，即可同時(shí)得到不同頻點(diǎn)的回波信號。

DDS相參捷變頻雷達(dá)接收機(jī)的優(yōu)勢在于同現(xiàn)有的射頻接收機(jī)保持兼容，可以應(yīng)用于高重頻的場景下；劣勢在于由于使用DDS直接生成中頻信號，系統(tǒng)的帶寬受到器件的限制，目前在大帶寬(如大于1 GHz)的應(yīng)用中還比較困難。

DDS接收機(jī)可以和DS接收機(jī)技術(shù)混合使用，從而在一定程度上兼顧大帶寬和多種PRF。

1.3基于微波光子學(xué)的接收機(jī)

隨著微波光子學(xué)的發(fā)展，借助光電手段來完成相參捷變頻雷達(dá)接收機(jī)的調(diào)制與解調(diào)成為可能。借助光電手段的相參捷變頻雷達(dá)接收機(jī)如圖 3所示[7]。圖中實(shí)線為光信號通路，虛線為電信號通路。

圖3　基于光調(diào)制的接收機(jī)

圖中重要的光學(xué)器件有鎖模激光器(MLL)、馬赫曾德爾調(diào)制器(MZM)、光學(xué)帶通濾波器(OBPF)，串并轉(zhuǎn)換器(S/P)、色散補(bǔ)償光纖(DCF)、光電探測器(PD)等。其中，MLL相當(dāng)于頻率源，用于產(chǎn)生一組在光譜上呈現(xiàn)梳妝特性的激光，梳妝譜之間的間隔為Δν；OBPF可以對光譜進(jìn)行頻率的選擇和加權(quán)；MZM相當(dāng)于混頻器，其輸入是光信號和電信號，輸出是兩個(gè)輸入信號混頻后的光信號；S/P將串行的光信號轉(zhuǎn)為并行的光信號，用來解決采樣速率不足的問題；DCF用于將信號在時(shí)域上拉伸。

基于光的接收機(jī)的發(fā)射流程如下：

首先，MLL產(chǎn)生一組在光譜上間隔為Δν的梳妝譜激光，通過OBPF保留其中N+1個(gè)譜線，所得到的信號SMLL為

(9)

式中：ν為激光器的工作頻率，取決于激光器的波長。DDS生成的中頻信號SIF為

SIF(t)=rectT(t)cos[2πfIFt+φ(t)]

(10)

然后，SMLL與DDS生成的中頻電信號一起通過MZM，將中頻電信號調(diào)制到每一條梳狀光譜的譜線上。MZM的調(diào)制過程可以表示為

SMOD(t)=SMLL(t)·[1+M·SIF(t)]

(11)

式中：M為調(diào)制深度。將式(9)和式(10)帶入式(11)，得到調(diào)制后的光信號

Cncos[2π(ν+nΔν±fIF)t+φ(t)]·

rectT(t)

(12)

式中：B和C表示信號的幅度。經(jīng)過PD后，得到

Encos(2πnΔνt)}+[…]

(13)

其中，第一項(xiàng)為將中頻信號上變頻到nΔν±fIF的分量；第二項(xiàng)為互相差頻出的載波信號；[…]為省略掉的兩倍于光頻率的部分。通過濾波器將要發(fā)射的頻率分量選出，得到最后的發(fā)射信號為

STX(t)=cos[2π(kΔν-fIF)t+φ(t)]·rectT(t)

(14)

接收信號SRX形式同式(3)一樣，將接收到的射頻信號SRX與同一個(gè)MLL產(chǎn)生的光信號SMLL經(jīng)過MZM，得到解調(diào)光信號

Gncos{2π[ν+(n±k)Δν±fIF]t?

2π(kΔν-fIF)τ±φ(t-τ)}·rectT(t-τ)

(15)

之后，將采樣的光脈沖序列通過一個(gè)S/P，將高速的串行光脈沖轉(zhuǎn)換為低速率多通道的光脈沖。每個(gè)并行通道的信號通過DCF將光信號在時(shí)域上拉伸，以便進(jìn)行采樣。將光信號通過PD，與式(13)同理可得對采樣信號(忽略了拉伸和串并轉(zhuǎn)換，因?yàn)槠渲皇枪獠蓸訉?shí)現(xiàn)的方法，相當(dāng)于直接對信號進(jìn)行采樣)

φ(t-τ)}·rectT(t-τ)

(16)

可見，采樣信號中并沒有因?yàn)橄到y(tǒng)參數(shù)引入的附加相位，故此接收機(jī)是相參的。

基于光器件的接收機(jī)具有跳頻帶寬大、頻帶一致性好的特點(diǎn)，但由于引入了光電轉(zhuǎn)換會不可避免地帶來信噪比上的損失。同時(shí)，由于MLL和MZM的特點(diǎn)，不同射頻通道的信號會被同時(shí)搬移到基帶，可以接收各個(gè)頻點(diǎn)的回波信號，但是和傳統(tǒng)中、高PRF雷達(dá)一樣有距離模糊的現(xiàn)象。

表1總結(jié)了三種接收機(jī)的特點(diǎn)，工程中可以根據(jù)具體的應(yīng)用場景來選擇合適的體制。

表1　三種接收機(jī)體制的特點(diǎn)

2相參捷變頻雷達(dá)動目標(biāo)處理技術(shù)

將相參捷變頻雷達(dá)中頻波形記為a(t)，對于一個(gè)包含N個(gè)脈沖的CPI，發(fā)射信號為

(17)

式中：Tr為脈沖重復(fù)間隔；f0為射頻基頻；Δf為調(diào)頻間隔；Mn為第n個(gè)脈沖的頻點(diǎn)序號。則距離為R、速度為v的目標(biāo)回波為

(18)

式中：β=2v/c為速度帶來的多普勒；τ=2R/c為距離帶來的延時(shí)。將每一個(gè)脈沖使用對應(yīng)的頻率解調(diào)到基帶，并在τ′+nTr采樣基帶信號。假設(shè)a((1+β)(τ′+nTr-τ)-nTr)在脈沖間保持不變，并且βMnΔf(τ′-τ)?1，可以得到目標(biāo)在第n個(gè)脈沖的回波信號為

(19)

式中：C(R,v)是只與R和v有關(guān)的系數(shù)，不隨脈沖變化。假定接收到的回波中包含一個(gè)目標(biāo)散射點(diǎn)和Nc個(gè)雜波散射點(diǎn)。其中，目標(biāo)散射點(diǎn)距離為Rt，速度為vt，散射強(qiáng)度為ρt；第i個(gè)雜波散射點(diǎn)距離為Ri，速度為vi；且散射強(qiáng)度為ρi。則在無噪情況下，基帶回波為

(20)

式中：wn為接收機(jī)噪聲。

嘗試構(gòu)筑一個(gè)在最大化信雜比意義下的最優(yōu)雜波濾波器。將上式中不同脈沖的信號重組為一個(gè)N×1的向量

y=[y0,y1,…,yN-1]T

(21)

則雜波濾波器的輸出可以表示為wHy，其中，w為濾波器的系數(shù)，同樣也是一個(gè)N×1的向量。最優(yōu)雜波濾波器可以通過求解以下優(yōu)化問題得出

(22)

式中：R=E{yHy}為接收信號向量y的協(xié)方差矩陣；u(Rt,vt)為距離為Rt、速度為vt的目標(biāo)的導(dǎo)引矢量，具體形式為

(23)

假定雜波和噪聲是獨(dú)立的，協(xié)方差矩陣R可以寫成

R=Rc+σ2I

(24)

式中：Rc為雜波協(xié)方差矩陣；σ2為噪聲功率；I為單位矩陣。

通過拉格朗日乘子法解[8]中的優(yōu)化問題得到最優(yōu)雜波抑制濾波器為

(25)

(26)

通過一些方法我們可以估計(jì)出雜波的秩，那么我們可以使用降維的方法來處理。對Rc進(jìn)行奇異值分解，并選取其中最大的L個(gè)奇異值組成新的Σc，這些奇異值在U中對應(yīng)的向量組成一個(gè)新的N×L的矩陣Uc。則

(27)

根據(jù)矩陣求逆引理[9]和式(24)可以計(jì)算出

(28)

如此，就可以計(jì)算出雜波抑制濾波器w，通過它可以對回波進(jìn)行雜波抑制的處理。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證本文所提出的相參捷變頻雷達(dá)接收機(jī)原理和動目標(biāo)信號處理技術(shù)，研制了一臺相參捷變頻雷達(dá)原理樣機(jī)。原理樣機(jī)工作在X波段(9GHz~10GHz)，合成帶寬為1GHz。其接收機(jī)采用直接頻率合成技術(shù)，有64個(gè)頻點(diǎn)，每個(gè)頻點(diǎn)間隔16MHz，每個(gè)脈沖發(fā)射帶寬32MHz，采用收發(fā)分置的喇叭天線。

實(shí)驗(yàn)場景選擇在一條道路上，將雷達(dá)架設(shè)在道路中心線，一輛汽車在車頂固定兩個(gè)相距30cm的角反射器，沿道路中心線以50km/h的速度勻速遠(yuǎn)離雷達(dá)。

系統(tǒng)相參處理間隔內(nèi)共有1 024個(gè)脈沖，每個(gè)脈沖之間隨機(jī)捷變頻率，捷變序列近似均勻地覆蓋64個(gè)頻點(diǎn)。對回波使用第二節(jié)介紹的處理方式，對零速度的雜波進(jìn)行抑制，得到的結(jié)果如圖4所示。圖中分別展示了距離118.5m處雜波抑制處理前和雜波抑制處理后的高分辨距離-速度。該次試驗(yàn)中，運(yùn)動目標(biāo)與一個(gè)靜止的廂式貨車處于同一粗分辨單元。由于箱式貨車尾部的鏡面反射，在該距離單元形成了強(qiáng)烈的靜止雜波。圖a)為抑制前的處理結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)平面上存在一個(gè)強(qiáng)的目標(biāo)，位于平面零速度的位置，對應(yīng)的是廂式貨車的回波；圖b)為抑制后的處理結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)有一些目標(biāo)分布位于平面-50km/h對應(yīng)的一些細(xì)分辨單元上，這是運(yùn)動目標(biāo)所產(chǎn)生的高分辨距離項(xiàng)。對比雜波抑制前后的處理結(jié)果可以看到，未抑制時(shí)運(yùn)動目標(biāo)由于幅值小被隱藏在大目標(biāo)的旁瓣平臺里無法分辨。抑制后不僅位于平面零速度的目標(biāo)被有效地抑制掉了，同時(shí)平面其他部分的旁瓣平臺也顯著降低，顯現(xiàn)出了位于非零速度上的小目標(biāo)。

圖4　強(qiáng)雜波單元的距離細(xì)分辨-速度平面成像結(jié)果

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)可以在相參捷變頻雷達(dá)接收機(jī)完成合成帶寬的成像工作。同時(shí)在本實(shí)驗(yàn)中，本文所提出的雜波抑制方法在雜波能量比目標(biāo)信號能量高出40 dB的情況下依然可以有效抑制雜波，充分說明了本方法的有效性。

4結(jié)束語

本文介紹并對比了三種相參捷變頻雷達(dá)接收機(jī)的原理和實(shí)現(xiàn)方法。針對相參捷變頻雷達(dá)中的雜波抑制問題，本文提出了一種意在最大化輸出信雜比的雜波濾波器的原理和實(shí)現(xiàn)。通過實(shí)際外場實(shí)驗(yàn)獲取的真實(shí)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了所提出的雜波抑制方法的效果。

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Frequency-agile Coherent Radar Receiver Design and MTI Method

ZHANG Chenlu1，GONG Xuhua2，LIU Yimin1

(1. Department of Electronic Engineering, Tsinghua University,Beijing 100084, China)

(2. Radar Institute of EAAF,Beijing 100085, China)

Abstract：With the development of modern radar system, frequency-agile coherent (FAC) radar becomes increasingly attractive for its advantages in target imaging and electromagnetic counter-countermeasures. Three structures of FAC radar receiver are introduced; their principles and applying situations are analyzed. A clutter suppression method based on best output single-to-clutter ratio filter is proposed, which can implement moving target indication (MTI). Field experiments using FAC radar prototype are made to demonstrate coherent and MTI performance according to analyzed experimental data.

Key words：frequency-agile coherent radar; radar receiver; moving target indication; clutter suppression

DOI：·工藝技術(shù)· 10.16592/ j.cnki.1004-7859.2015.12.017

收稿日期：2015-07-23

修訂日期：2015-09-25

通信作者：張晨路Email：laputa.zcl@gmail.com

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61201356)

中圖分類號：TN974

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1004-7859(2015)12-0074-04