合成寬帶脈沖多普勒雷達(dá)

毛二可, 范花玉

(1. 北京理工大學(xué)嵌入式實(shí)時(shí)信息處理技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100081;2. 北京理工大學(xué)信息與電子學(xué)院雷達(dá)技術(shù)研究所, 北京 100081)

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合成寬帶脈沖多普勒雷達(dá)

毛二可1,2, 范花玉1,2

(1. 北京理工大學(xué)嵌入式實(shí)時(shí)信息處理技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100081;2. 北京理工大學(xué)信息與電子學(xué)院雷達(dá)技術(shù)研究所, 北京 100081)

合成寬帶脈沖多普勒(pulse Doppler,PD)雷達(dá)可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)距離和速度二維高分辨;具備良好的相參特性,利用相推原理能實(shí)現(xiàn)極高的測(cè)距和測(cè)速精度,可用于復(fù)雜目標(biāo)多部件微動(dòng)測(cè)量;具有較強(qiáng)的抗雜波和抗干擾性能。闡述了合成寬帶PD雷達(dá)體制及其主要信號(hào)形式,介紹了合成寬帶PD雷達(dá)的距離速度二維高分辨實(shí)現(xiàn)原理,總結(jié)了合成寬帶PD雷達(dá)的主要特性,最后通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了合成寬帶PD雷達(dá)的微動(dòng)測(cè)量能力、高精度測(cè)距測(cè)速能力和相參ISAR成像能力。

合成寬帶信號(hào); 脈沖多普勒雷達(dá); 距離速度二維高分辨; 抗雜波; 抗干擾; 微動(dòng)測(cè)量

0 引 言

20世紀(jì)60年代,為了解決強(qiáng)雜波下發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的難題,人們提出了脈沖多普勒(pulse Doppler,PD)雷達(dá)體制,該體制最早建立在窄帶信號(hào)基礎(chǔ)上,并在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用。PD雷達(dá)不僅能夠在頻域?qū)崿F(xiàn)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)與雜波的分離,而且具有單根譜線濾波的能力,能夠提供精確的目標(biāo)速度信息。在預(yù)警探測(cè)和防空反導(dǎo)領(lǐng)域,要求雷達(dá)同時(shí)具備發(fā)現(xiàn)和識(shí)別目標(biāo)的能力,即要求雷達(dá)同時(shí)實(shí)現(xiàn)距離和速度二維高分辨,這就是寬帶脈沖多普勒雷達(dá)。根據(jù)相關(guān)報(bào)道美國(guó)最新的幾種相控陣?yán)走_(dá)均采用了寬帶脈沖多普勒雷達(dá)體制,但相關(guān)寬帶雷達(dá)所采用的波形、參數(shù),以及能夠兼容距離高分辨和速度高分辨的雷達(dá)解決方案等未見(jiàn)公開(kāi)報(bào)導(dǎo)。

根據(jù)雷達(dá)系統(tǒng)理論,雷達(dá)速度測(cè)量分辨率與相參積累時(shí)長(zhǎng)有關(guān),時(shí)間越長(zhǎng)則分辨率越高,因此PD雷達(dá)采用脈沖串以加大信號(hào)處理時(shí)間;而距離測(cè)量分辨率與信號(hào)帶寬相關(guān),帶寬越大則分辨率越高,然而速度在脈沖串內(nèi)引起的回波包絡(luò)走動(dòng)也越大,造成回波相參積累損失。若采用瞬時(shí)窄帶合成寬帶信號(hào),其中每個(gè)脈沖是窄帶的,對(duì)高速目標(biāo)允許有較長(zhǎng)的相參處理時(shí)間,同時(shí)多個(gè)載頻不同的脈沖可以合成大帶寬信號(hào),提高距離分辨力[1]。綜上可知,合成寬帶信號(hào)可以兼容PD處理,合成寬帶PD雷達(dá)就是基于合成寬帶信號(hào)的寬帶PD雷達(dá)。

本文首先闡述了合成寬帶PD雷達(dá)兩種主要的信號(hào)形式及其應(yīng)用特點(diǎn),接著介紹了合成寬帶PD雷達(dá)的距離速度二維高分辨實(shí)現(xiàn)原理,然后總結(jié)了合成寬帶PD雷達(dá)的主要特點(diǎn),最后基于自研的S波段實(shí)驗(yàn)雷達(dá),開(kāi)展了一系列微波暗室和外場(chǎng)實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了合成寬帶PD雷達(dá)的微動(dòng)測(cè)量能力、高精度測(cè)距測(cè)速能力和相參ISAR成像能力。

1 合成寬帶PD雷達(dá)信號(hào)形式

頻率步進(jìn)信號(hào)是典型的瞬時(shí)窄帶合成寬帶信號(hào)[2],以頻率步進(jìn)信號(hào)為基礎(chǔ)[3],在各脈沖或子脈沖內(nèi)進(jìn)行頻率編碼或相位編碼調(diào)制,可以得到合成寬帶PD雷達(dá)兩種主要的信號(hào)形式:即多周期脈沖間頻率步進(jìn)信號(hào)和多周期脈沖內(nèi)頻率步進(jìn)信號(hào)。

多周期脈沖間頻率步進(jìn)信號(hào)的時(shí)頻圖如圖1所示,該信號(hào)也稱(chēng)為多周期頻率步進(jìn)脈沖序列信號(hào)。每個(gè)脈沖重復(fù)周期只發(fā)射一個(gè)脈沖,不同脈沖重復(fù)周期的脈沖具有頻率步進(jìn)的載頻,多個(gè)脈沖重復(fù)周期構(gòu)成一個(gè)頻率步進(jìn)周期,多個(gè)頻率步進(jìn)周期構(gòu)成一個(gè)相參處理周期。

圖1 多周期脈沖間頻率步進(jìn)信號(hào)時(shí)頻圖Fig.1 Time-frequency image of multi-cycle inter-pulse stepped frequency signal

多周期脈沖內(nèi)頻率步進(jìn)信號(hào)的時(shí)頻圖如圖2所示,該信號(hào)也稱(chēng)為多周期頻率步進(jìn)子脈沖序列信號(hào)。每個(gè)脈沖重復(fù)周期發(fā)射一串由多個(gè)載頻步進(jìn)的子脈沖組成的子脈沖序列,序列內(nèi)的各個(gè)子脈沖相互正交,多個(gè)脈沖重復(fù)周期構(gòu)成一個(gè)相參處理周期。

圖2 多周期脈沖內(nèi)頻率步進(jìn)信號(hào)時(shí)頻圖Fig.2 Time-frequency image of multi-cycle intra-pulse stepped frequency signal

上述兩種信號(hào)中,脈沖或子脈沖間載頻步進(jìn)方式可以是線性步進(jìn)或隨機(jī)跳頻,脈沖或子脈沖內(nèi)調(diào)制方式可以采用單頻、線性調(diào)頻或相位編碼等。

多周期脈沖間頻率步進(jìn)信號(hào)與傳統(tǒng)的頻率步進(jìn)信號(hào)類(lèi)似,其優(yōu)點(diǎn)是信號(hào)產(chǎn)生、發(fā)射和接收簡(jiǎn)單,但是由于頻率步進(jìn)在不同發(fā)射脈沖之間進(jìn)行,相參處理周期相對(duì)較長(zhǎng),因此受目標(biāo)運(yùn)動(dòng)影響較大,適用于探測(cè)低速目標(biāo),且對(duì)數(shù)據(jù)率要求不高的場(chǎng)景。典型的信號(hào)包括簡(jiǎn)單頻率步進(jìn)信號(hào)[4]、調(diào)頻步進(jìn)信號(hào)[5]和頻率步進(jìn)相位編碼信號(hào)[6-7]。這類(lèi)信號(hào)一般采用時(shí)分的方法進(jìn)行同頻點(diǎn)分離。

多周期脈沖內(nèi)頻率步進(jìn)信號(hào)的產(chǎn)生、發(fā)射和接收與大時(shí)寬帶寬信號(hào)一致,但是相比第一種信號(hào)形式,這種信號(hào)的頻率步進(jìn)發(fā)生在同一個(gè)發(fā)射脈沖的不同子脈沖序列之間,在同樣帶寬條件下,其相參處理周期較短,因此受目標(biāo)運(yùn)動(dòng)影響較小,適用于探測(cè)高速目標(biāo)。典型的信號(hào)包括頻率編碼信號(hào),大時(shí)寬帶寬Chirp信號(hào),頻率相位復(fù)合編碼信號(hào)[8]。為進(jìn)行PD處理,這類(lèi)信號(hào)可以采用頻分的方法對(duì)各子脈沖進(jìn)行同頻點(diǎn)分離,如針對(duì)大時(shí)寬帶寬Chirp信號(hào),提出了通過(guò)多子脈沖切分等效為寬帶PD處理的成像方法[9],該方法不僅能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)距離-速度二維高分辨,而且能夠降低信號(hào)采樣率,減少信號(hào)處理量,便于信號(hào)的實(shí)時(shí)處理。

2 合成寬帶PD雷達(dá)原理

合成寬帶PD雷達(dá)的目標(biāo)距離和速度二維高分辨處理分兩步進(jìn)行:先對(duì)不同頻點(diǎn)的窄帶脈沖或子脈沖進(jìn)行PD處理,從速度維對(duì)目標(biāo)與雜波進(jìn)行分辨,然后對(duì)目標(biāo)所在速度維進(jìn)行合成脈壓處理,得到目標(biāo)距離-速度二維高分辨成像結(jié)果,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)回波的相參積累。

具體的合成寬帶PD雷達(dá)原理如圖3所示。合成寬帶PD雷達(dá)發(fā)射多周期頻率步進(jìn)信號(hào),并利用時(shí)分或頻分的方法分離出各個(gè)步進(jìn)頻點(diǎn)的回波;然后對(duì)多周期的同頻點(diǎn)回波脈沖信號(hào)進(jìn)行頻譜分析(PD處理),不僅可以從頻率域?qū)Σ煌俣鹊哪繕?biāo)和雜波進(jìn)行分離,達(dá)到抑制雜波和進(jìn)行多目標(biāo)分辨的目的,而且可測(cè)得各個(gè)目標(biāo)回波的徑向速度;進(jìn)而可對(duì)不同步進(jìn)頻點(diǎn)不同速度通道的回波進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償,減弱運(yùn)動(dòng)對(duì)一維高分辨距離成像的影響;然后對(duì)每個(gè)速度通道的不同步進(jìn)頻點(diǎn)回波信號(hào)進(jìn)行相參合成脈壓處理,進(jìn)一步得到每個(gè)速度通道的一維高分辨距離像,從而得到目標(biāo)的距離-速度二維高分辨成像結(jié)果,實(shí)現(xiàn)目標(biāo)回波的相參積累;對(duì)該相參積累結(jié)果進(jìn)行二維恒虛警檢測(cè),最終實(shí)現(xiàn)目標(biāo)距離和速度二維高分辨測(cè)量。

圖3 合成寬帶PD雷達(dá)原理框圖Fig.3 Principle diagram of the synthetic wideband PD radar

3 合成寬帶PD雷達(dá)特點(diǎn)

合成寬帶PD雷達(dá)具有良好的相參性能和瞬時(shí)窄帶合成寬帶特性,使其易于實(shí)現(xiàn)距離和速度二維高分辨,抗雜波和抗干擾性能顯著增強(qiáng);同時(shí)兩種不同的信號(hào)形式使合成寬帶PD雷達(dá)信號(hào)設(shè)計(jì)更靈活,能夠適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)景需求。下面總結(jié)了合成寬帶PD雷達(dá)的八大特點(diǎn)。

(1) 幅相一致性校正易于實(shí)現(xiàn),能夠?qū)崿F(xiàn)接近理想的雷達(dá)性能

大時(shí)寬帶寬Chirp信號(hào)很難進(jìn)行幅相一致性校正,若選定幾個(gè)頻點(diǎn)進(jìn)行幅相校正,校正效果有限,且校正點(diǎn)附近的頻譜也會(huì)受影響;對(duì)多周期頻率步進(jìn)合成寬帶信號(hào),可以采用時(shí)分或頻分方法區(qū)分各個(gè)步進(jìn)頻點(diǎn),這有利于實(shí)現(xiàn)基于每個(gè)頻點(diǎn)的幅相一致性校正處理。

(2) 同時(shí)具備高距離分辨率和高多普勒分辨率

頻率步進(jìn)合成寬帶信號(hào)為大時(shí)寬帶寬信號(hào),其模糊函數(shù)近似呈 “圖釘形”,可進(jìn)行理想的匹配濾波處理,能夠?qū)崿F(xiàn)基于寬帶信號(hào)的高距離分辨和高速度分辨。

(3) 可解速度模糊

對(duì)于導(dǎo)彈等超高速目標(biāo),可以根據(jù)目標(biāo)速度范圍,遍歷目標(biāo)所有可能的模糊數(shù),對(duì)目標(biāo)進(jìn)行相應(yīng)的速度補(bǔ)償,當(dāng)速度補(bǔ)償結(jié)果最接近目標(biāo)真值時(shí),匹配處理結(jié)果的幅值最大,從而可通過(guò)多通道并行處理求解速度模糊數(shù),即通過(guò)加大硬件處理能力解速度模糊[10],因此寬帶PD雷達(dá)原則上可以不用參差重復(fù)頻率來(lái)解速度模糊,在相同數(shù)據(jù)率條件下提高了雷達(dá)威力。

(4) 可通過(guò)波形設(shè)計(jì)使雷達(dá)無(wú)距離模糊

①對(duì)一般雷達(dá),當(dāng)回波延時(shí)超過(guò)雷達(dá)重復(fù)周期時(shí),目標(biāo)回波會(huì)出現(xiàn)距離模糊;而對(duì)于采用多周期頻率步進(jìn)合成寬帶信號(hào)的寬帶PD雷達(dá),通過(guò)改變本振延時(shí),即利用接收機(jī)處理可以分別得到所需匹配的距離段[11-12],因此,在單個(gè)頻率步進(jìn)周期相參積累時(shí)間內(nèi),不存在距離模糊。

②若對(duì)頻率步進(jìn)脈沖進(jìn)行調(diào)制,如脈內(nèi)進(jìn)行相位編碼,且不同頻率步進(jìn)周期內(nèi)脈沖采用不同的相位編碼類(lèi)型,則此時(shí)信號(hào)不存在周期性,即雷達(dá)無(wú)距離模糊。

(5) 在雜波中檢測(cè)目標(biāo)的能力增強(qiáng)

①采用多周期頻率步進(jìn)合成寬帶信號(hào),相對(duì)于其他寬帶信號(hào)形式,對(duì)高速目標(biāo)允許有多個(gè)脈沖重復(fù)周期的相參處理時(shí)間。

②對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo),PD雷達(dá)體制可以有效去除強(qiáng)雜波[13];對(duì)靜止或低速目標(biāo),由于雷達(dá)的寬帶特性,寬帶PD雷達(dá)的雜波分辨單元面積(或體積)小,雜波強(qiáng)度低,另外由于距離分辨率提高,雜波分布趨于稀疏,雜波區(qū)中出現(xiàn)大量無(wú)雜波或低雜波區(qū),使得雜波所占距離單元數(shù)減少[14]。

③距離上無(wú)雜波折疊。對(duì)多周期脈沖間頻率步進(jìn)信號(hào),其雷達(dá)接收機(jī)的本振信號(hào)也為頻率步進(jìn)信號(hào),只有相應(yīng)距離段回波混頻后為中頻,其他距離段回波因偏離中頻被中放的帶通濾波器所抑制,我們把合成寬帶PD雷達(dá)的這種特性稱(chēng)為距離選通性,即能夠通過(guò)改變本振信號(hào)延時(shí),來(lái)選擇性接收不同脈沖重復(fù)周期內(nèi)的目標(biāo)回波[11-12]。當(dāng)雷達(dá)工作在強(qiáng)地/海雜波環(huán)境時(shí),若采用窄帶中高重頻PD雷達(dá),較遠(yuǎn)距離的面雜波可以折疊到近距離回波上,使雜波與目標(biāo)回波在時(shí)間上重合;若采用多周期頻率步進(jìn)信號(hào)的寬帶PD雷達(dá),由于距離上無(wú)雜波折疊,故近距離小目標(biāo)只需與同距離的雜波競(jìng)爭(zhēng),提高了檢測(cè)小目標(biāo)的能力。

(6) 利用相推原理能實(shí)現(xiàn)極高的測(cè)距精度

頻率步進(jìn)合成寬帶信號(hào)更容易實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間相參處理,有利于實(shí)現(xiàn)更高精度的相推測(cè)距,該特性可以應(yīng)用于微動(dòng)測(cè)量[15-16],為目標(biāo)識(shí)別提供更多的參考信息。

(7) 可用于高速目標(biāo)探測(cè)

頻率步進(jìn)合成寬帶PD雷達(dá)能同時(shí)測(cè)速和測(cè)距,再結(jié)合適當(dāng)?shù)男盘?hào)波形選擇和參數(shù)設(shè)計(jì)[17],寬帶PD雷達(dá)能夠具備較強(qiáng)的高速目標(biāo)處理能力。

(8) 優(yōu)良的抗干擾和低截獲性能

采用多周期頻率步進(jìn)調(diào)制脈沖和多周期頻率步進(jìn)調(diào)制子脈沖序列信號(hào),不同脈沖重復(fù)周期的雷達(dá)信號(hào)不具有周期性,并且每個(gè)發(fā)射脈沖內(nèi)可以進(jìn)行隨機(jī)的頻率和相位編碼,采用現(xiàn)有基于數(shù)字射頻存儲(chǔ) (DRFM) 技術(shù)的干擾裝備,很難對(duì)其進(jìn)行有效干擾。

4 合成寬帶PD雷達(dá)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本文基于自研的一套S波段合成寬帶PD雷達(dá),開(kāi)展了一系列微波暗室與外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。首先在微波暗室開(kāi)展了音叉振動(dòng)實(shí)驗(yàn)、角反射器位移實(shí)驗(yàn)和單擺實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了合成寬帶PD雷達(dá)極高的相位穩(wěn)定度和良好的相參性能,展示了其高精度相推測(cè)距和微動(dòng)測(cè)量能力;然后開(kāi)展了外場(chǎng)彈射鋼球?qū)嶒?yàn),分析得到了鋼球的高精度相推測(cè)距和測(cè)速結(jié)果,驗(yàn)證了合成寬帶PD雷達(dá)同時(shí)實(shí)現(xiàn)距離和速度二維高分辨的能力;最后開(kāi)展了民航飛機(jī)實(shí)驗(yàn),獲得了飛機(jī)的高質(zhì)量ISAR圖像,驗(yàn)證了合成寬帶PD雷達(dá)的相參ISAR成像能力。

S波段實(shí)驗(yàn)雷達(dá)原理框圖如圖4所示[17-18],頻率步進(jìn)信號(hào)源利用DDS產(chǎn)生基帶頻率步進(jìn)信號(hào),經(jīng)過(guò)鎖相倍頻電路產(chǎn)生頻率步進(jìn)發(fā)射脈沖信號(hào)和頻率步進(jìn)本振信號(hào);回波信號(hào)經(jīng)混頻后得中頻信號(hào),放大后經(jīng)中頻采樣得回波I、Q信號(hào),信號(hào)采集完成后即可進(jìn)行非實(shí)時(shí)處理。

圖4 S波段實(shí)驗(yàn)雷達(dá)原理框圖Fig.4 Principle diagram of the S-band trial radar

S波段實(shí)驗(yàn)雷達(dá)發(fā)射峰值功率為100 W,信號(hào)中心載頻為3.3 GHz,中頻采樣率為100 MHz,在進(jìn)行信號(hào)處理時(shí)將根據(jù)信號(hào)瞬時(shí)帶寬進(jìn)行抽取操作。實(shí)驗(yàn)采用頻率步進(jìn)合成寬帶信號(hào),根據(jù)目標(biāo)作用距離選用簡(jiǎn)單頻率步進(jìn)信號(hào)或者頻率步進(jìn)相位編碼信號(hào),信號(hào)合成帶寬均為320 MHz。當(dāng)探測(cè)200 m以?xún)?nèi)目標(biāo),如開(kāi)展微波暗室實(shí)驗(yàn)和彈射鋼球?qū)嶒?yàn)時(shí),選用簡(jiǎn)單頻率步進(jìn)信號(hào);當(dāng)探測(cè)10 km以?xún)?nèi)目標(biāo)時(shí),如開(kāi)展民航飛機(jī)ISAR成像實(shí)驗(yàn),選用頻率步進(jìn)相位編碼信號(hào),具體參數(shù)如表 1所示。

表1 合成寬帶信號(hào)參數(shù)表

4.1 微動(dòng)測(cè)量能力

目前微動(dòng)測(cè)量的難點(diǎn)在于提取幅度極小的微動(dòng)特征信號(hào),突破該瓶頸最有效的辦法是提高雷達(dá)對(duì)精細(xì)運(yùn)動(dòng)的刻畫(huà)能力,即提高雷達(dá)精確測(cè)距的能力[15]。利用相位信息進(jìn)行測(cè)距,可以顯著提高測(cè)距精度。下面通過(guò)微波暗室實(shí)驗(yàn),根據(jù)目標(biāo)回波的相位信息,提取目標(biāo)微動(dòng)。

4.1.1 音叉振動(dòng)實(shí)驗(yàn)

在微波暗室中,分別用頻率步進(jìn)PD雷達(dá)和麥克風(fēng)音頻處理方法測(cè)定兩個(gè)標(biāo)稱(chēng)值分別為64 Hz和512 Hz的音叉振動(dòng)頻率。采用麥克風(fēng)錄入的音頻處理方法,測(cè)量得到64 Hz音叉頻率為63 Hz,512 Hz音叉頻率為536 Hz。

實(shí)驗(yàn)測(cè)量64 Hz音叉頻率為63.1 Hz,512 Hz音叉頻率為535.6 Hz,與麥克風(fēng)測(cè)量值基本一致。圖5顯示出了512 Hz音叉回波分析結(jié)果,由音叉測(cè)距結(jié)果可知,音叉振動(dòng)幅度小于0.1 mm。音叉振動(dòng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了合成寬帶雷達(dá)測(cè)量極微小運(yùn)動(dòng)的能力,展示了實(shí)驗(yàn)雷達(dá)極高的相位穩(wěn)定度。

圖5 512 Hz音叉回波測(cè)距及頻譜分析結(jié)果Fig.5 Ranging result and spectrum analysis of 512 Hz tuning fork echo

4.1.2 角反射器位移實(shí)驗(yàn)

在微波暗室中,將角反射器置于位移精度可達(dá)0.01 mm的精密位移平臺(tái)上,實(shí)驗(yàn)中通過(guò)精密位移平臺(tái)調(diào)整角反射器相對(duì)于測(cè)量雷達(dá)的徑向距離,并通過(guò)雷達(dá)測(cè)量該距離,從而驗(yàn)證雷達(dá)的測(cè)相和測(cè)距精度。

實(shí)驗(yàn)中設(shè)置平臺(tái)的位移增量分別為1 mm,0.5 mm,0.2 mm和0.1 mm,且每種情況錄取10個(gè)位置。圖6顯示出了位移增量為0.2 mm時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖6 位移增量為0.2 mm時(shí)角反射器回波測(cè)距結(jié)果Fig.6 Ranging results of corner reflector echo when displacement increment is 0.2 mm

由于積累后角反射器回波信噪比較高,各位置距離測(cè)量均方根誤差約為0.001 6 mm,即相位測(cè)量均方根誤差為0.013°,驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)雷達(dá)具有極高的相位穩(wěn)定度;同時(shí),由測(cè)距結(jié)果可知,其測(cè)距精度達(dá)亞mm量級(jí),驗(yàn)證了合成寬帶PD雷達(dá)的高精度相推測(cè)距能力。

4.1.3 單擺實(shí)驗(yàn)

在微波暗室中,利用合成寬帶雷達(dá)觀測(cè)單擺運(yùn)動(dòng)軌跡,并測(cè)量其振動(dòng)頻率。

當(dāng)θ較小時(shí)(θ<5°),sinθ≈θ,即當(dāng)單擺擺動(dòng)幅度很小時(shí),單擺作簡(jiǎn)諧振動(dòng),振動(dòng)頻率為

(1)

當(dāng)θ較大時(shí)(θ≥5°),單擺作非線性運(yùn)動(dòng),其振動(dòng)頻率包括1次、3次和5次諧波:

(2)

式中，ω≈ω0。實(shí)驗(yàn)中單擺所用鋼球直徑為3 cm,單擺擺長(zhǎng)為0.776 m,由式(1)可知,鋼球單擺理論頻率為0.565 8 Hz。

當(dāng)鋼球擺幅較大時(shí),單擺運(yùn)動(dòng)軌跡如7 (a) 所示,由圖可知單擺做類(lèi)正弦運(yùn)動(dòng);對(duì)單擺運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行頻譜分析,分析結(jié)果如7(b) 所示,從圖中不僅能夠觀察到0.569 Hz的單擺振動(dòng)頻率,還能觀察到頻率為1.705 Hz的3次諧波和2.843 Hz的5次諧波。

單擺實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了合成寬帶雷達(dá)測(cè)量目標(biāo)微小運(yùn)動(dòng)的能力,同時(shí)由單擺頻譜測(cè)量值與理論值對(duì)比分析可知,合成寬帶相推測(cè)距的精度很高,該技術(shù)有望應(yīng)用于目標(biāo)微動(dòng)特性反演。

圖7 鋼球單擺運(yùn)動(dòng)分析Fig.7 Pendulum oscillation analysis of the ejection ball

4.2 高精度測(cè)距測(cè)速能力

彈射直徑為5 cm的鋼球,通過(guò)合成寬帶PD處理,即從多普勒域抑制靜止或低速?gòu)?qiáng)雜波,并得到鋼球所在速度維上的一維高分辨距離像,從距離和速度兩維同時(shí)實(shí)現(xiàn)鋼球回波的相參積累,提高回波信噪比;同時(shí)由于寬帶PD雷達(dá)良好的相參性能,可以在所得一維高分辨距離像的基礎(chǔ)上對(duì)鋼球進(jìn)行高精度相推測(cè)距和測(cè)速處理。

相位測(cè)距存在嚴(yán)重的距離模糊,常采用包絡(luò)測(cè)距解相位測(cè)距模糊的思想[19-20],該方法稱(chēng)為相推測(cè)距。由于實(shí)際中并不確知雷達(dá)初相和目標(biāo)相對(duì)雷達(dá)的真實(shí)距離,故一般通過(guò)測(cè)量相鄰幀距離增量實(shí)現(xiàn)相推測(cè)距[16],而相鄰幀距離變化率即為目標(biāo)速度,故求取相鄰幀距離增量后,即可得到相應(yīng)的高精度相推測(cè)距和測(cè)速結(jié)果。

在傳統(tǒng)包絡(luò)測(cè)距解相位模糊思想的基礎(chǔ)上,我們提出了一種低信噪比條件下的相位解模糊方法,即進(jìn)一步聯(lián)合航跡平滑和最小熵方法解相位模糊,推進(jìn)了相推技術(shù)的工程化應(yīng)用。下面給出高精度相推測(cè)距和測(cè)速結(jié)果。

鋼球隨時(shí)間變化的一維高分辨距離像如圖8所示,由于圖像顯示的動(dòng)態(tài)范圍有限,故將第1～2 650幀一維距離像分開(kāi)繪制。

圖8 鋼球一維高分辨距離像Fig.8 HRRPs of the ejection ball

鋼球包絡(luò)測(cè)距結(jié)果如圖9所示,圖9(a)中濾波前后結(jié)果之差視為包絡(luò)測(cè)距起伏誤差,如圖9(b)所示,統(tǒng)計(jì)可得包絡(luò)測(cè)距起伏均方根誤差為14.19 mm。

圖9 包絡(luò)測(cè)距結(jié)果與測(cè)距起伏誤差示意圖Fig.9 Schematic diagrams of envelope range measurement result and fluctuation error

鋼球相推測(cè)速結(jié)果如圖10所示。由于鋼球是從雷達(dá)左側(cè)斜向右側(cè)彈射,在彈射出去的一小段時(shí)間內(nèi),鋼球相對(duì)雷達(dá)視角變化較大,從而徑向速度變化較大,如圖中速度上升段所示,此后鋼球徑向速度主要受空氣阻力的影響,如圖中減速段所示。由于不知道鋼球真實(shí)速度,故將速度擬合前后的偏差視為相推測(cè)速起伏誤差,如圖10(b)所示,隨著鋼球遠(yuǎn)離雷達(dá),信噪比逐漸降低,約從40 dB以上一直降低到20 dB左右,故相推測(cè)速起伏誤差逐漸增大;當(dāng)脈壓后一維距離像信噪比大于30 dB時(shí),相推測(cè)速起伏均方根誤差為0.057 m/s,當(dāng)信噪比大于20 dB時(shí),相推測(cè)速起伏均方根誤差為0.25 m/s。實(shí)際中將平滑濾波后的結(jié)果作為最終的相推測(cè)速結(jié)果,因?yàn)槠交瑸V波相當(dāng)于對(duì)回波進(jìn)行非相參積累,即等效為提高相推測(cè)速信噪比,故相比于直接測(cè)量結(jié)果,平滑濾波后的測(cè)速精度大約能提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。

圖10 相推測(cè)速結(jié)果與測(cè)速起伏誤差示意圖Fig.10 Schematic diagrams of phase derived velocity measurement result and fluctuation error

同上,根據(jù)相推原理,可推得相推測(cè)距均方根誤差,即當(dāng)信噪比大于30 dB時(shí),相推測(cè)距均方根誤差為0.048 mm,當(dāng)信噪比大于20 dB時(shí),相推測(cè)距均方根誤差為0.21 mm。

4.3 相參ISAR成像能力

基于合成寬帶PD雷達(dá)良好的相參性能,提出了一種基于相推測(cè)速的ISAR成像運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法,該方法結(jié)合距離像互相關(guān)測(cè)速和相推技術(shù),可以獲得高精度的平動(dòng)速度測(cè)量結(jié)果,其測(cè)量精度同時(shí)滿足ISAR成像包絡(luò)對(duì)齊和相位校正的精度要求,能夠?qū)崿F(xiàn)精確運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償,在小轉(zhuǎn)角情況下,再結(jié)合距離-多普勒算法就可以獲得高質(zhì)量的ISAR圖像。

下面分析波音777(Boeing 777-200)飛機(jī)的回波數(shù)據(jù),該飛機(jī)的機(jī)身長(zhǎng)為63.73 m,翼展為60.93 m,錄取場(chǎng)景為飛機(jī)即將降落,此時(shí)飛機(jī)距機(jī)場(chǎng)約為20 km。飛機(jī)隨時(shí)間變化的一維距離像如圖11所示,圖中共繪出了1 024幀一維距離像,飛機(jī)由遠(yuǎn)及近飛向雷達(dá)。

圖11 飛機(jī)一維高分辨距離像Fig.11 HRRPs of the airplane

基于距離像互相關(guān)的相推測(cè)速結(jié)果如圖12所示,濾波前后結(jié)果之差視為相推測(cè)速起伏誤差,如圖12(b)所示,統(tǒng)計(jì)可得相推測(cè)速的起伏均方根誤差為0.061 m/s。同第4.2節(jié)分析,可知平滑濾波相當(dāng)于對(duì)回波進(jìn)行非相參積累,可以進(jìn)一步提高速度測(cè)量精度,故將平滑濾波結(jié)果用于飛機(jī)回波的包絡(luò)對(duì)齊和相位校正處理。

圖12 相推測(cè)速結(jié)果與測(cè)速起伏誤差示意圖Fig.12 Schematic diagrams of phase derived velocity measurement result and fluctuation error

飛機(jī)的ISAR成像結(jié)果如圖13所示,其中圖13(a)～圖13(c)分別為飛機(jī)飛向雷達(dá)、與雷達(dá)視線近似垂直和遠(yuǎn)離雷達(dá)時(shí)的ISAR圖像,從圖中可看到清晰的飛機(jī)輪廓,包括飛機(jī)機(jī)頭、機(jī)翼、機(jī)尾以及發(fā)動(dòng)機(jī);同時(shí)由這3張圖可以判斷,該飛機(jī)有兩個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī),且當(dāng)飛機(jī)飛向雷達(dá)時(shí),每個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)存在不止一個(gè)散射點(diǎn);當(dāng)飛機(jī)與雷達(dá)視線近乎垂直時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)僅存在一個(gè)強(qiáng)散射點(diǎn);當(dāng)飛機(jī)遠(yuǎn)離雷達(dá)時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)回波被遮擋。

圖13(b)中飛機(jī)近似與雷達(dá)垂直,故以其為例分析ISAR圖像中飛機(jī)尺寸。飛機(jī)ISAR成像積累時(shí)長(zhǎng)為1.048 6 s,錄取時(shí)刻飛機(jī)速度約為400 km/h,飛機(jī)距雷達(dá)2 280 m,則飛機(jī)轉(zhuǎn)角近似為2.92°,因此橫向分辨率約為0.891 m,由圖13(b)可知其方位向占據(jù)第97～162個(gè)分辨單元,故飛機(jī)橫向尺寸約為58.8 m,又由圖(b)可知飛機(jī)在縱向尺寸約為56 m。飛機(jī)橫向與縱向尺寸分別對(duì)應(yīng)其機(jī)長(zhǎng)和翼展,可知測(cè)量結(jié)果與飛機(jī)真實(shí)尺寸近似相符。

綜上,ISAR圖像可以用于估計(jì)目標(biāo)尺寸,為目標(biāo)識(shí)別提供參考信息;同時(shí)合成寬帶PD雷達(dá)回波相參,基于距離像互相關(guān)的相推測(cè)速方法可以充分利用ISAR成像時(shí)間內(nèi)全部回波的信息,相當(dāng)于進(jìn)行了整體回波最優(yōu)處理,測(cè)量結(jié)果不存在積累誤差,因此該方法適用于較低信噪比環(huán)境,根據(jù)飛機(jī)回波數(shù)據(jù),可知飛機(jī)各散射點(diǎn)回波幅度相差較大,若定義信噪比為脈壓后一維距離像中最強(qiáng)散射點(diǎn)處的信噪比,則根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),可知該方法適用的最低信噪比約為15 dB。

圖13 飛機(jī)ISAR成像結(jié)果Fig.13 ISAR imaging results of the airplane

5 結(jié) 論

合成寬帶PD雷達(dá)可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)距離和速度二維高分辨,具有較強(qiáng)的抗雜波和抗干擾性能;此外,微動(dòng)提取和ISAR成像均可為目標(biāo)識(shí)別提供重要的參考信息。本文通過(guò)音叉振動(dòng)實(shí)驗(yàn)、角反射器位移實(shí)驗(yàn)、單擺實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了合成寬帶PD雷達(dá)的微動(dòng)測(cè)量能力;通過(guò)彈射鋼球?qū)嶒?yàn),驗(yàn)證了合成寬帶PD雷達(dá)在強(qiáng)雜波中檢測(cè)運(yùn)動(dòng)小目標(biāo)的能力,以及高精度相推測(cè)距測(cè)速性能,其中相對(duì)距離的測(cè)量精度達(dá)到了亞mm或mm量級(jí),測(cè)速精度達(dá)到了cm/s或亞m/s量級(jí);通過(guò)民航飛機(jī)實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了合成寬帶PD雷達(dá)對(duì)復(fù)雜目標(biāo)的高精度相推測(cè)速能力,以及相參ISAR成像能力;上述實(shí)驗(yàn)均驗(yàn)證了合成寬帶PD雷達(dá)良好的相參性能,為其工程化應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

合成寬帶PD雷達(dá)是下一代新體制雷達(dá)發(fā)展的重要方向,該體制雷達(dá)可應(yīng)用于地面對(duì)空情報(bào)雷達(dá)、預(yù)警機(jī)雷達(dá)、戰(zhàn)場(chǎng)偵察及地面火控雷達(dá)等。

[1] Liu H B, Lu J D. Target motion compensation algorithm based on keystone transform for wideband pulse Doppler radar[J].TransactionsofBeijingInstituteofTechnology, 2012, 32(6): 625-630.(劉海波,盧俊道.基于Keystone變換的寬帶脈沖多普勒雷達(dá)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào),2012,32(6):625-630.)

[2] Wehner D R.High-resolutionradar[M]. 2nd ed. Boston: Artech House, 1995: 197-237.

[3] Huang M, Long T. Design and realization of the kind of step frequency and pulse Doppler complex processing[J].JournalofProjectiles,Rockets,MissilesandGuidance, 2005, 25(1): 72-75.(黃默,龍騰.一種步進(jìn)頻率和PD復(fù)合體制的信號(hào)處理技術(shù)[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào),2005,25(1):72-75.)

[4] Long T, Li D, Wu Q Z. Design methods for step frequency waveform and the target pick-up algorithm[J].SystemsEngineeringandElectronics,2001,23(6):26-31.(龍騰,李眈,吳瓊之.頻率步進(jìn)雷達(dá)參數(shù)設(shè)計(jì)與目標(biāo)抽取算法[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù),2001,23(6):26-31.)

[5] Lord R T. Aspects of stepped-frequency processing for low-frequency SAR systems[D]. Cape Town: University of Cape Town, 2000.

[6] Berizzi F, Martorella M, Bernabo M. A range profiling technique for synthetic wideband radar[J].IEEERadarSonarNavigation, 2008, V2(5): 334-350.

[7] Sitler K L, Temple M A, Novack R C. High range resolution profiling using phase-coded, stepped-frequency waveforms[J].ElectronicsLetters, 2002, 38(1):46-48.

[8] He Y. Study on the coded multi-modulation signal analysis and processing[D]. Changsha: National University of Defense Technology, 2009. (何元. 編碼復(fù)合調(diào)制信號(hào)分析與處理技術(shù)研究[D]. 長(zhǎng)沙: 國(guó)防科技大學(xué), 2009.)

[9] Zhang H G, Fan H Y, He S H, et al. Multi-subpulse process of large time-bandwidth product chirp signal[J].JournalofBeijingInstituteofTechnology, 2015, 24(4):501-507.

[10] Li Y, Zeng T, Long T, et al. Range migration compensation and Doppler ambiguity resolution by keystone transform[C]∥Proc.oftheInternationalConferenceonRadar, 2006:1-4.

[11] Myers H, Moore R, Butler W, et al. Common aperture multiband radar (CAMBR)[C]∥Proc.oftheRadarProcessing,Technology,andApplications, 1996, V2845:2-13.

[12] Myers H, Moore R, Butler W, et al. Common aperture multiband radar (CAMBR)[C]∥Proc.oftheIEEENationalRadarConference, 1997: 143-148.

[13] Bao Y X, Mao E K, He P K, et al. Clutter cancellation and high resolution processing in HPRF stepped-frequency radar[J].ModernRadar, 2009, 31(1): 58-61. (包云霞, 毛二可,何佩琨, 等. 高重頻頻率步進(jìn)雷達(dá)的雜波抑制和高分辨處理[J]. 現(xiàn)代雷達(dá), 2009, 31(1): 58-61.)

[14] Merrill I S.Introductiontoradarsystems[M]. 3rd ed. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2007: 427-430.

[15] Fan H Y, Ren L X, Mao E K. A micro-motion measurement method on wideband radar phase derived ranging[C]∥Proc.oftheIETRadarConference, 2013: 1-4.

[16] Liu Y X, Zhu D K, Li X, et al. Micromotion characteristic acquisition based on wideband radar phase[J].IEEETrans.onGeoscienceandRemoteSensing, 2014, 52(6): 3650-3657.

[17] Huang C, Ren L X, Mao E K. Design of a time delayed receiver local oscillator in stepped-frequency radar[C]∥Proc.oftheIETRadarConference, 2009: 1-4.

[18] Ren L X, Long T, Yuan H P. Signal processing and parameter design of HPRF pulsed-Doppler stepped-frequency radar[J].ActaElectronicaSinica, 2007, 35(9): 1630-1636. (任麗香, 龍騰, 遠(yuǎn)海鵬. HPRF脈沖多普勒頻率步進(jìn)雷達(dá)信號(hào)處理與參數(shù)設(shè)計(jì)[J]. 電子學(xué)報(bào), 2007, 35(9): 1630-1636.)

[19] Fritz S. An improved process for phase-derived-range measurements[P]. World Intellectual Property Organization Patent, 2005.

[20] Fritz S.Process for phase-derived-range measurements[P].U.S.Patent,US 7046190 B2, 2005-2-10.

Synthetic wideband pulse Doppler radar

MAO Er-ke1,2, FAN Hua-yu1,2

(1.BeijingKeyLaboratoryofEmbeddedReal-timeInformationProcessingTechnology,BeijingInstituteofTechnology,Beijing100081,China; 2.RadarResearchLab,SchoolofInformationandElectronics,BeijingInstituteofTechnology,Beijing100081,China)

The synthetic wideband pulse Doppler (PD) radar can simultaneously achieve high range and velocity resolution. And it has good performance of coherence, so high range and velocity measurement precision can be achieved by using the phase derived principle and it can be applied to micro-motion measurement of complex targets with multi-components. Besides, it has good performance of anti-clutter and anti-jamming. In this paper a synthetic wideband PD radar system and its main signal forms are presented; the principle of achieving high range and velocity resolution is introduced; moreover, the main properties of the synthetic wideband PD radar are summarized; finally, the abilities of the synthetic wideband PD radar, including the abilities of micro-motion measurement, precise range and velocity measurement and coherent ISAR imaging, are verified by a series of experiments.

synthetic wideband signal; pulse Doppler (PD) radar; high range and velocity resolution; anti-clutter; anti-jamming; micro-motion measurement

2016-04-27;

2016-07-14;網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版日期:2016-08-22。

國(guó)家自然科學(xué)基金(61301189)；高等學(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智計(jì)劃(B14010)資助課題

TN 958

A

10.3969/j.issn.1001-506X.2016.12.06

毛二可(1934-),男,中國(guó)工程院院士,教授,博士研究生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)槔走_(dá)系統(tǒng)、數(shù)字信號(hào)處理。

E-mail:maoerke@bit.edu.cn

范花玉(1989-),女,博士研究生,主要研究方向?yàn)楹铣蓪拵Ю走_(dá)信號(hào)處理。

E-mail:fan_huayu@sina.com

網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/11.2422.TN.20160822.1008.010.html