基于線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)的低速小目標(biāo)檢測方法

劉艷蘋

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州 225001)

基于線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)的低速小目標(biāo)檢測方法

劉艷蘋

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州 225001)

低分辨率脈沖體制雷達(dá)對小目標(biāo)探測能力有限，提出了一種基于線性調(diào)頻連續(xù)波(LFMCW)雷達(dá)的低速小目標(biāo)檢測方法，利用LFMCW雷達(dá)高距離分辨率的優(yōu)勢，采用快速傅里葉變換(FFT)處理、非相參積累以及恒虛警處理等，有效提高了信噪比，降低了虛警率。

線性調(diào)頻連續(xù)波；差拍信號；快速傅里葉變換；非相參積累；恒虛警

0 引 言

線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)具有高距離分辨率、無距離盲區(qū)、良好的低截獲性能以及結(jié)構(gòu)簡單、體積小巧、重量輕等特點，主要應(yīng)用于雷達(dá)成像、精確制導(dǎo)、機載導(dǎo)航設(shè)備等方面，也應(yīng)用于工業(yè)控制、戰(zhàn)場偵察、氣象監(jiān)測等不同領(lǐng)域[1]。在邊防、安防領(lǐng)域，對小型無人機、地面運動小目標(biāo)的探測需求越來越迫切，針對這一類雷達(dá)反射截面積小、速度低的小目標(biāo)，傳統(tǒng)的低分辨率脈沖體制雷達(dá)無法達(dá)成低速小目標(biāo)探測能力要求，因此可采用具有高距離分辨率的線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)進行慢速小目標(biāo)探測。

1 線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)工作原理

線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)的發(fā)射信號是線性調(diào)頻信號，接收的回波信號是延時了的線性調(diào)頻信號。線性調(diào)頻連續(xù)波信號有鋸齒波、對稱三角波2種頻率調(diào)制方式，鋸齒波是一種單斜率線性調(diào)頻連續(xù)波，理論和實踐證明采用這種波形的雷達(dá)存在嚴(yán)重的距離速度耦合現(xiàn)象，對多目標(biāo)環(huán)境中的運動目標(biāo)檢測影響很大。但在探測低速小目標(biāo)時，距離速度耦合的影響在距離精度要求的范圍內(nèi)，因此采用處理上相對簡單的鋸齒波作為發(fā)射信號。

如圖1所示，實線表示發(fā)射信號，時寬為τ，帶寬為B，重復(fù)周期為T，虛線表示接收回波信號，二者除了在時間上延遲了t外，形狀相同[2]。發(fā)射信號與接收回波信號經(jīng)過混頻器混頻后得到二者的差拍信號?？梢钥闯?，發(fā)射信號的時寬τ遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大作用距離對應(yīng)的回波延時tm，而且差拍信號的頻率正比于目標(biāo)距離，不同的回波延時對應(yīng)不同的差拍頻率，二者成線性關(guān)系。

從圖1中還可以看出，不同的延時t對應(yīng)不同的差拍頻率fb，對應(yīng)關(guān)系如下：

(1)

且延時t與距離R滿足關(guān)系式:

(2)

式中：c為光速。

結(jié)合式(1)和式(2)可得到:

(3)

由式(3)可以看出，差拍頻率fb與距離R成線性關(guān)系，在差拍頻率恒定的有效時段Te進行采樣，通過快速傅里葉變換(FFT)便可以得到相應(yīng)的信號功率譜，通過計算功率譜所在位置便可以測得目標(biāo)到雷達(dá)的徑向距離。

2 檢測方法

由線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)的工作原理可以看出線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)的分析對象是發(fā)射信號和目標(biāo)回波信號的差拍信號。對目標(biāo)的檢測就是對差拍信號的頻率進行檢測，差拍信號的頻率與目標(biāo)距離成比例關(guān)系，通過距離向FFT處理獲得回波信號的差拍頻率信息，再根據(jù)調(diào)頻曲線斜率計算出對應(yīng)目標(biāo)的距離信息。

在差拍信號有效區(qū)間進行采樣的數(shù)據(jù)，相當(dāng)于對數(shù)據(jù)加了矩形窗。由于矩形窗在頻域的副瓣比較高，僅為-13 dB，為了降低副瓣的影響，對采樣信號進行加窗，窗函數(shù)選擇低副瓣、主瓣展寬較小的海明窗。

2.1 FFT點數(shù)的選取

如圖2所示，實線為發(fā)射波形，虛線為最大不模糊距離僅為Rmax的回波波形，即最大延時為tmax，最大差拍頻率為fmax，信號調(diào)頻帶寬為B，信號時寬為τ，發(fā)射周期為T，用于頻率檢測的最大時長為τ-tmax，即為有效采樣區(qū)間，采樣頻率為fs，在有效采樣區(qū)間內(nèi)可采樣點數(shù)M=(τ-tmax)fs，考慮到工程實現(xiàn)中需留有一定余量，采樣點數(shù)通常為小于M的整數(shù)。

最大不模糊距離Rmax的回波頻域示意圖如圖3所示，采樣頻率fs≥2fmax，fmax為最大不模糊距離Rmax在頻譜上的位置，因此FFT處理之后，有效數(shù)據(jù)在頻域上的分布范圍為0～fmax。

FFT點數(shù)的選取與系統(tǒng)所要求的距離精度和距離分辨率有關(guān)。根據(jù)信號帶寬計算得到系統(tǒng)距離分辨率為:

R=c/2B

(4)

(5)

可得N≥fsτ，由于可采樣點數(shù)M=(τ-tmax)fs，tmax為大于零的數(shù)，故N>M，同時FFT處理的點數(shù)又要滿足是2的整數(shù)次冪，所以FFT點數(shù)N選取大于M的且為2的整數(shù)次冪的數(shù)[3]。實際采樣點數(shù)M小于FFT點數(shù)N，長度不足的部分補零。

2.2 非相參積累

非相參積累是將一次掃描時間內(nèi)連續(xù)nB個重復(fù)周期同一距離單元的視頻回波信號能量積累起來，通過積累，進一步提高信噪比?；跈C械掃描的搜索雷達(dá)的脈沖間積累采用滑窗積累，滑窗寬度為天線波束掃過點目標(biāo)的時間內(nèi)目標(biāo)回波脈沖數(shù)量，可通過式(6)計算得到：

(6)

式中:θB為天線波束寬度;T為脈沖重復(fù)周期;ωm為天線掃描速度[4]。

2.3 恒虛警處理

恒虛警處理(CFAR)可選擇鄰近距離單元選大恒虛警或雜波圖恒虛警。

2.3.1 鄰近距離單元選大恒虛警

鄰近距離恒虛警分別對檢測單元兩側(cè)的回波幅度進行積累平均，并比較兩側(cè)均值，選擇較大的值作為恒虛警檢測的門限。鄰近距離單元選大恒虛警(GOCA-CFAR)檢測的原理圖如圖4所示。

2.3.2 雜波圖恒虛警

雜波圖恒虛警以靜態(tài)雜波圖作為恒虛警檢測門限，靜態(tài)雜波圖存儲于非易失存儲器內(nèi)，在雜波圖建立期間采用遞歸常數(shù)進行積累。

雜波圖迭代公式由下式來描述：

(7)

式中:Dn,m(l)為天線第l個掃描周期得到的數(shù)據(jù)，共有I個距離門和J個脈沖的數(shù)據(jù)，等于這個方位-距離單元上所有采樣數(shù)據(jù)的均值:

En,m(l)=ω[Dn,m(l)-En,m(l-1)]+En,m(l-1)

(8)

式中:1>ω>0(例如1/8);l為天線掃描次數(shù)。

所謂的靜態(tài)雜波圖，是按空間劃分多個空間單元，對空間單元內(nèi)雷達(dá)架設(shè)周邊環(huán)境初始偵測的雜波進行多個天線周期積累平均，從而獲得雜波均值，用于固定環(huán)境下檢測意外目標(biāo)。

3 仿真驗證

設(shè)計一線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)，波束寬度為1°，天線轉(zhuǎn)速為20 r/min，信號調(diào)頻帶寬150 MHz，調(diào)頻時寬1.8 ms，調(diào)頻周期2 ms，最大不模糊距離1.8 km。

根據(jù)上述各公式，可計算出有效采樣區(qū)間為1 788 μs，最大差拍頻率為1 MHz，因此可采用2 MHz作為采樣時鐘。在有效信號時間內(nèi)采樣點數(shù)為3 576個，F(xiàn)FT處理點數(shù)采用4 096，不夠的數(shù)據(jù)補零，F(xiàn)FT處理可實現(xiàn)的距離分辨率0.878 m，帶寬為150 MHz的線性調(diào)頻信號理論上距離分辨率為1 m，因此FFT點數(shù)的選取滿足系統(tǒng)性能要求。

假設(shè)目標(biāo)距離在0.9 km處，即差拍頻率為0.5 MHz，模擬的目標(biāo)信噪比0 dB，經(jīng)過FFT處理后目標(biāo)信噪比為31 dB，非相參積累后目標(biāo)信噪比為32 dB。圖5～圖7分別是混合噪聲的差拍信號、經(jīng)過FFT等相關(guān)處理后的結(jié)果和經(jīng)過CFAR處理后的結(jié)果。

仿真結(jié)果顯示在0.9 km的位置有一目標(biāo)，表明經(jīng)過FFT處理和非相參積累，信噪比得到明顯改善，比傳統(tǒng)的脈沖雷達(dá)信號處理的信噪比改善效果顯著，再經(jīng)過恒虛警處理后，有效降低了噪聲虛警，又進一步提高了信號檢測能力。

4 結(jié)束語

本文結(jié)合了線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)和脈沖體制雷達(dá)的傳統(tǒng)信號處理方法，將其應(yīng)用于連續(xù)波體制搜索雷達(dá)慢速小目標(biāo)的檢測。通過仿真結(jié)果分析和實際工程應(yīng)用，這一系列檢測方法可有效檢測出噪聲和地物雜波背景下慢速小目標(biāo)，而對于海雜波等背景下慢速小目標(biāo)的檢測則需要進一步探索和研究。

[1] 楊帆.LFMCW雷達(dá)信號處理算法研究及實現(xiàn)[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2007.

[2] 張琳.線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)信號處理技術(shù)[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2003.

[3] 李鮮武.數(shù)字調(diào)頻連續(xù)波測距雷達(dá)方程[J].雷達(dá)科學(xué)與技術(shù)，2009，7(5)：329-332.

[4] SKOLNIK M I.雷達(dá)系統(tǒng)導(dǎo)論[M].林茂庸，程云明，毛二可，等譯.北京：國防工業(yè)出版社，1992.

DetectionMethodofLow-velocitySmallTargetsBasedonLFMCWRadar

LIU Yan-ping

(The 723 Institute of CSIC，Yangzhou 225001，China)

The detecting capability of low-resolution pulse system radar to small targets is restricted,this paper puts forward a detecting method based on linear frequency modulation continuous wave (LFMCW) radar for low-velocity small target,utilizes the advantage of high range revolution of LFMCW radar,adopts fast Fourier transform (FFT) processing,non-coherent integration and constant false alarm (CFAR) processing,etc.,effectively improves the signal to noise ratio,reduces the false alarm ratio.

linear frequency modulation continuous wave;beat signal;fast Fourier transform;non-coherent integration;constant false alarm

2017-07-08

TN957.51

A

CN32-1413(2017)05-0080-03

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.06.017