基于多調(diào)頻斜率單脈沖信號的多目標(biāo)參數(shù)測量

彭玲玉，王建衛(wèi)

(南京電子技術(shù)研究所，　南京 210039)

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基于多調(diào)頻斜率單脈沖信號的多目標(biāo)參數(shù)測量

彭玲玉，王建衛(wèi)

(南京電子技術(shù)研究所，南京 210039)

摘要：對多目標(biāo)的高精度參數(shù)測量是雷達面臨的重要挑戰(zhàn)。文中在分析線性調(diào)頻信號距離-多普勒耦合效應(yīng)的基礎(chǔ)上，對傳統(tǒng)的正負調(diào)頻斜率脈沖信號實現(xiàn)單目標(biāo)參數(shù)測量算法進行改進，提出一種利用多調(diào)頻斜率合成脈沖信號實現(xiàn)多目標(biāo)參數(shù)測量方法，解決了傳統(tǒng)方法只能適用于單目標(biāo)環(huán)境下的局限性，實現(xiàn)高精度多目標(biāo)距離、速度測量，更好地抑制了虛假目標(biāo)的出現(xiàn)，有效解決了線性調(diào)頻信號脈沖壓縮帶來的距離走動誤差。仿真驗證了該方法的有效性，且具有良好的測量精度和穩(wěn)定的抗干擾性能。

關(guān)鍵詞：多調(diào)頻斜率合成脈沖信號；多目標(biāo)；參數(shù)測量；脈沖壓縮

0引言

作為常用雷達信號之一，相對于其他發(fā)射信號，線性調(diào)頻信號具有很多優(yōu)點：能夠獲得較大的時寬帶寬積，而且很容易用數(shù)字技術(shù)產(chǎn)生，技術(shù)上比較成熟；信號處理系統(tǒng)簡單，并且可以通過改變信號極性和斜率得到較好的抗干擾能力[1]。但是線性調(diào)頻信號經(jīng)過脈沖壓縮后具有很強的距離多普勒效應(yīng)，會產(chǎn)生距離多普勒耦合[2]，使得距離量測有一定偏差(偏差和徑向速度與耦合系數(shù)有關(guān))，為后續(xù)的目標(biāo)狀態(tài)估計和數(shù)據(jù)互聯(lián)帶來較大影響。

對距離-多普勒耦合測距誤差進行修正的常用方法有兩種。一種為數(shù)據(jù)處理方法，將耦合系數(shù)引入卡爾曼濾波器(EKF)的測量方程，在濾波器中對目標(biāo)的徑向速度進行估計。文獻[3]采用EKF和無跡卡爾曼濾波器的方法進行帶距離多普勒耦合距離走動的濾波，距離精度有很大改善，但對于高耦合系數(shù)和高速目標(biāo)也不再適用。也可以先不考慮耦合的影響，讓濾波器在有偏條件下進行濾波和估計，然后用估計的徑向速度對距離進行修正，但在高耦合系數(shù)時精度較低。另一種為速度估計算法，常見方法是發(fā)射信號采用正負調(diào)頻斜率脈沖信號，回波信號經(jīng)過脈沖壓縮處理后得到未修正的距離測量值，根據(jù)正負調(diào)頻信號脈沖壓縮距離走動誤差大小相等、正負相反的特性得到真實目標(biāo)距離值，從而實現(xiàn)對目標(biāo)的參數(shù)估計。這種方法的突出特點是算法簡單，實現(xiàn)起來方便，適用于實時應(yīng)用。文獻[4]將頻域上互不重疊、耦合系數(shù)不同的兩個線性調(diào)頻發(fā)射脈沖相干合成一個脈沖信號，根據(jù)脈沖壓縮的頻率選通特性實現(xiàn)測速，獲得很好的測速精度，但是增加了實際系統(tǒng)的復(fù)雜程度。

上述提及的方法在單目標(biāo)環(huán)境下非常有效，但在多目標(biāo)環(huán)境下則不再適用。實際戰(zhàn)情中，雷達探測范圍內(nèi)一般均存在多個目標(biāo)。因此，解決多目標(biāo)參數(shù)估計問題更具有實際意義。本文提出一種多調(diào)頻斜率合成的脈沖信號，根據(jù)距離-多普勒耦合偏差的計算公式建立方程組，利用逐次篩選方法識別真實目標(biāo)，得到多目標(biāo)環(huán)境下脈沖信號對目標(biāo)參數(shù)估計的新算法，并通過仿真試驗證明了算法的有效性。

1正負調(diào)頻斜率信號單目標(biāo)參數(shù)測量模型

正負調(diào)頻脈沖信號是常用的線性調(diào)頻脈沖信號，若信號脈沖寬度為τ，載波中心頻率為f0，頻率從f1～f2變化，K為調(diào)頻斜率，其波形示意圖如圖 1所示。

圖1　典型的正負調(diào)頻脈沖波形示意圖

設(shè)雷達在第n+1個脈沖周期內(nèi)發(fā)射的正負調(diào)頻脈沖信號為

(1)

假定目標(biāo)模型為R(t)=R0-vt，其中，R0為目標(biāo)距離雷達的初始距離，v是目標(biāo)的徑向速度(設(shè)定遠離雷達為正)，c為光速。目標(biāo)的瞬時回波延遲td[5]可表示為

(2)

一般情況下v?c，有

(3)

因此，雷達接收到的第n+1個周期的正負調(diào)頻斜率回波信號為[6]

(4)

(5)

假設(shè)多普勒頻移為fd，則線性調(diào)頻信號的載波中心頻率應(yīng)為

(6)

可得

(7)

(8)

式中：R′為修正后的真實距離；R為修正前的測量距離。

圖2　距離100 km、徑向速度2 km/s時的距離走動情況

2多調(diào)頻斜率合成脈沖信號多目標(biāo)參數(shù)測量模型

2.1多調(diào)頻斜率合成信號發(fā)射模型

多目標(biāo)環(huán)境下，回波信號經(jīng)過脈沖壓縮后包含了所有目標(biāo)的參數(shù)信息，正負調(diào)頻斜率估計目標(biāo)參數(shù)法容易因距離配對錯誤導(dǎo)致虛假目標(biāo)的產(chǎn)生。因此，上述方法不能解決多目標(biāo)參數(shù)估計問題。為了能在多目標(biāo)環(huán)境下精確獲得距離和速度信息，我們提出一種利用三個調(diào)頻斜率合成的脈沖信號作為發(fā)射信號。該發(fā)射信號S(t)由三個具有不同調(diào)頻斜率的信號組成

(9)

S(t)=Sa(t)+Sb(t)+Sc(t)

(10)

其中

假設(shè)存在n個目標(biāo)，雷達接收到的回波信號Sr(t)是n個目標(biāo)回波信號的疊加，將發(fā)射信號經(jīng)過n個目標(biāo)后得到的回波進行多通道處理，大致處理流程如圖3所示。回波信號分別經(jīng)過三個匹配濾波器Sa(t)、Sb(t)、Sc(t)進行脈沖壓縮處理后得到三個一維距離像。

圖3　系統(tǒng)處理流程示意圖

每個一維像距離都有n個峰值，這n個峰值分別對應(yīng)n個目標(biāo)未修正的距離信息。假設(shè)這3組未修正的距離信息分別為Ra、Rb、Rc，并且有

(11)

其中

(12)

式中：i,j,m,p,q,x∈[1,n]。

圖4是雷達探測范圍內(nèi)存在三個目標(biāo)情況下的距離一維像。

圖4　3個目標(biāo)時得到的距離一維像

2.2逐次篩選距離配對法實現(xiàn)多目標(biāo)參數(shù)測量

(13)

則該目標(biāo)的真實距離

(14)

徑向速度

(15)

從上述分析可知，只要正確配對每一個目標(biāo)距離的三次測量值，即可以完成對速度、距離信息的測量。利用上述特性，本文提出一種逐次篩選法來實現(xiàn)距離正確配對[8]。具體算法描述如下：

(1)Ra={r11,r12,…,r1n}，Rb={r21,r22,…,r2n}，Rc={r31,r32,…,r3n}中所有配對情況有n3種。計算出所有可能的n3種配對情況下使

(16)

值最小的一組距離配對(i,j,m∈[1,n])，此處假設(shè)距離配對為r1p,r2q,r3x(p,q,x∈[1,n])。

(3)從Ra、Rb、Rc中分別剔除r1p,r2q,r3x，Ra={r11,r12,…,r1(n-1)}，Rb={r21,r22,…,r2(n-1)}，Rc={r31,r32,…,r3(n-1)}中所有配對情況有(n-1)3種，重復(fù)步驟1～2，直至得到n個目標(biāo)的距離速度信息。

算法流程圖如圖5所示。

圖5　逐次篩選距離配對算法流程圖

該算法的三次距離提取均是在同一時間點完成的，避免了由于目標(biāo)加速度的影響而導(dǎo)致的測距誤差。因此，比一般方法測量精度更高，也更具有實用性。如果有多個目標(biāo)距離非常相近但速度不同，但是根據(jù)距離-多普勒耦合偏差公式可知，距離走動并不相等，并且每次判斷只檢測出一個目標(biāo)，所以還是可以準(zhǔn)確得到所有目標(biāo)信息。

3仿真試驗

圖6　3個目標(biāo)的距離速度信息

連續(xù)觀測多個回波脈沖進行仿真處理，測得的距離與速度圖像情況如圖7～圖10所示(M=50)。

圖7　50個脈沖測距曲線

圖8　50個脈沖測速結(jié)果

圖9　絕對速度誤差曲線

圖 6表明：通過逐次篩選距離配對法得到的3個目標(biāo)的距離速度信息與真實值幾乎完全重合，證實了

本文算法在多目標(biāo)環(huán)境對于目標(biāo)參數(shù)估計的有效性。多個連續(xù)脈沖測速的仿真結(jié)果表明：該算法在多目標(biāo)環(huán)境下對于目標(biāo)參數(shù)準(zhǔn)確估計是完全可行的，徑向速度測量誤差可以維持在小于0.1 m/s的量級甚至更小，顯然這個精度對于雷達修正多普勒耦合距離、準(zhǔn)確建立航跡、多目標(biāo)跟蹤過程有重要的意義，充分驗證了本文提出的算法的有效性。

4結(jié)束語

本文在傳統(tǒng)脈沖信號對于單目標(biāo)測速測距的基礎(chǔ)上，提出了一種利用多個調(diào)頻斜率信號合成的脈沖信號實現(xiàn)對多目標(biāo)參數(shù)測量的算法。該算法利用對回波信號采取多通道處理方式后逐次篩選距離配對實現(xiàn)多目標(biāo)速度距離估計，有效避免了處理過程中虛假目標(biāo)的產(chǎn)生，進一步提高了參數(shù)測量的精度。仿真驗證了該方法的有效性，表明具有良好的測量精度和穩(wěn)定的抗干擾性能。

參 考 文 獻

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彭玲玉女，1989年生，碩士研究生。研究方向為通信與信息系統(tǒng)。

王建衛(wèi)男，1974年生，博士，高級工程師。研究方向為雷達數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)融合等。

Measurement of Multi-targets′Parameters byUsing Synthesized LFM Pulse

PENG Lingyu，WANG Jianwei

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

Abstract：High-precision measurement of multi-targets′ parameters is an important challenge for radar. Based on the analysis of the linear frequency modulation(LFM) signal range-Doppler coupling effect, the traditional algorithm using positive and negative frequency modulation pulse signal to estimate the single target′s velocity and range is improved. In this paper, a novel method is presented, using multiple chirp rate synthesized LFM pulse to measure the multi-targets′ parameters. It solves the limitations that the traditional method can only be applied to single-target environment, and achieves high precision of range and velocity measurement. It makes it convenient to compensate the LFM signal′s distance error, and avoids those false targets. The computer simulation proves that the method is practical, and shows good measuring precision and stability robustness.

Key words：multiple chirp rate synthesized linear frequency modulation pulse; multi-objects; parameters measurement; pulse compression

中圖分類號：TN957.52

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1004-7859(2016)02-0047-04

收稿日期：2015-10-26

修訂日期：2015-12-28

通信作者：彭玲玉Email：plyyeah91@163.com

DOI：·數(shù)據(jù)處理· 10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.02.011