一種基于高重頻波形的慢速目標(biāo)檢測(cè)新方法

朱 偉，賀 芃，王鳳艷，馬曉靜

(1. 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，合肥 230088；2. 上海船用柴油機(jī)研究所，上海 201108；3. 國(guó)防科技大學(xué) 電子對(duì)抗學(xué)院，合肥 230037)

0 引 言

隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的需要，雷達(dá)由傳統(tǒng)的三坐標(biāo)向四坐標(biāo)發(fā)展。為了獲取目標(biāo)的距離、方位、仰角之外的徑向速度信息，高重頻波形在目標(biāo)分離、機(jī)動(dòng)目標(biāo)跟蹤、多目標(biāo)分辨等場(chǎng)景下得到廣泛應(yīng)用。

與低重頻波形相比，高重頻波形具有如下優(yōu)勢(shì)：(1)測(cè)速不模糊，回波多普勒信息更精細(xì)化；(2)在距離、方位、仰角維度上無(wú)法對(duì)目標(biāo)進(jìn)行分辨時(shí)可以利用精細(xì)的多普勒信息進(jìn)行目標(biāo)分辨；(3)對(duì)已跟蹤的目標(biāo)利用徑向速度信息可進(jìn)行載機(jī)投彈、機(jī)載導(dǎo)彈發(fā)射等分離目標(biāo)進(jìn)行判斷；(4)對(duì)高機(jī)動(dòng)目標(biāo)將速度信息接入跟蹤回路，可提高目標(biāo)的跟蹤穩(wěn)定性；(5)對(duì)已跟蹤上的目標(biāo)可以通過(guò)跟蹤回路給出的距離預(yù)計(jì)值進(jìn)行解距離模糊，不需要使用多種高重頻波形組合解模糊，節(jié)省系統(tǒng)資源。

當(dāng)然，高重頻波形也存在缺點(diǎn)，主要有如下幾點(diǎn)：(1)測(cè)距模糊，進(jìn)行目標(biāo)搜索時(shí)需要通過(guò)多種高重頻波形組合解模糊的方式保證全距離段無(wú)模糊，使得系統(tǒng)資源的浪費(fèi)嚴(yán)重；(2)距離無(wú)模糊范圍小，遠(yuǎn)區(qū)目標(biāo)會(huì)折疊到近區(qū)雜波區(qū)，強(qiáng)雜波對(duì)弱目標(biāo)檢測(cè)有影響；(3)速度分辨率有限，速度分辨率由波形駐留時(shí)間決定，受系統(tǒng)資源的限制，波形駐留時(shí)間不可能無(wú)限增大，即速度分辨率始終有上限。

由于速度分辨率有限，當(dāng)目標(biāo)低速運(yùn)動(dòng)或者切向機(jī)動(dòng)時(shí)目標(biāo)相對(duì)雷達(dá)徑向速度較小，若目標(biāo)在距離上折疊到近區(qū)強(qiáng)雜波區(qū)，雷達(dá)難以在強(qiáng)地雜波中進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)，容易造成目標(biāo)丟失、跟蹤中斷。這可以通過(guò)增加波形駐留時(shí)間來(lái)提高速度分辨率。但是，這需要花費(fèi)大量的系統(tǒng)資源，同時(shí)駐留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致目標(biāo)產(chǎn)生跨距離單元、跨多普勒單元的現(xiàn)象，而且無(wú)法從根本上解決強(qiáng)雜波背景下慢速目標(biāo)的檢測(cè)問(wèn)題。

針對(duì)強(qiáng)雜波中慢速目標(biāo)的檢測(cè)問(wèn)題，文獻(xiàn)[1]提出基于CFAR和形態(tài)學(xué)濾波的信號(hào)處理方法抑制不必要的地雜波并實(shí)現(xiàn)“低慢小”目標(biāo)的檢測(cè)；文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)了基于零頻抑制與雜波圖的地面慢速目標(biāo)檢測(cè)方法，采用空間鄰域插值方式完成目標(biāo)區(qū)域的雜波背景積累，解決慢速目標(biāo)檢測(cè)不連續(xù)問(wèn)題；文獻(xiàn)[3]提出基于十字窗改進(jìn)的多幀積累算法，實(shí)現(xiàn)海面弱小慢速目標(biāo)檢測(cè)；文獻(xiàn)[4]提出于基于小波分析的自適應(yīng)雜波抑制技術(shù)進(jìn)行雷達(dá)慢速目標(biāo)分離；文獻(xiàn)[5]提出了復(fù)雜的海雜波背景下的非相干慢速目標(biāo)檢測(cè)算法。以上大量的研究均集中在信號(hào)處理層面，通過(guò)抑制雜波提高信雜噪比的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)慢速目標(biāo)檢測(cè)，并沒(méi)有從信號(hào)波形角度進(jìn)行特別設(shè)計(jì)。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文提出一種變初相高重頻波形，對(duì)變初相高重頻波形進(jìn)行慢速目標(biāo)檢測(cè)的原理進(jìn)行說(shuō)明，最后給出仿真和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果。

1 變初相高重頻波形

為了信號(hào)處理相參處理的需要，常規(guī)高重頻波形的每個(gè)脈沖發(fā)射初相調(diào)制均為同一個(gè)值。變初相高重頻波形在高重頻波形的基礎(chǔ)上改變高重頻波形每個(gè)脈沖的初相，相鄰脈沖的初相差呈現(xiàn)線性變化規(guī)律，這樣后續(xù)的信號(hào)處理仍然可進(jìn)行相參處理。

以N個(gè)脈沖的高重頻波形為例，對(duì)N個(gè)發(fā)射脈沖的初相分別進(jìn)行調(diào)制，第1,2,…,N個(gè)發(fā)射脈沖的初相分別調(diào)制相位為φn(n=1,2,…,N)，φn的值為

(1)

其中，φ為脈沖初相的變化參數(shù)。

相鄰脈沖的初相相位差為

=(n-1)·φ

(2)

可以看出，相鄰脈沖的初相相位差為線性變化。

2 慢速目標(biāo)檢測(cè)算法

本算法基本思想為：通過(guò)改變高重頻波形每個(gè)脈沖的初相，使得相鄰脈沖的初相差線性變化?？紤]雜波在近區(qū)而目標(biāo)在遠(yuǎn)區(qū)，兩者在無(wú)模糊距離內(nèi)距離折疊的次數(shù)不同。目標(biāo)折疊次數(shù)多，使得回波各個(gè)脈沖的相位內(nèi)包含兩個(gè)分量，一個(gè)是目標(biāo)或雜波自身速度帶來(lái)的多普勒頻移，慢速目標(biāo)與雜波的多普勒頻移相差不大；另一個(gè)是脈沖初相變化帶來(lái)的相位分量。由于目標(biāo)和雜波在距離上折疊的次數(shù)不同，第2個(gè)分量不一致。因此，可以在多普勒維度上將目標(biāo)與雜波分開，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)雜波背景下慢速目標(biāo)的檢測(cè)。

高重頻波形參數(shù)如下：重復(fù)周期Tr；重復(fù)頻率fr；脈沖個(gè)數(shù)為N；對(duì)應(yīng)的最大無(wú)模糊距離為Rmax=cTr/2，其中c為光速；脈沖初相的變化參數(shù)為φ。

雜波參數(shù)如下：考慮雜波的距離位于距離無(wú)模糊區(qū)內(nèi)，多普勒頻率fdC的范圍為-fdCmax～fdCmax，通常fdCmax?fr。

目標(biāo)參數(shù)如下：距離為RT，徑向速度為vT。目標(biāo)折疊到距離無(wú)模糊區(qū)的折疊次數(shù)為K=?RT/Rmax」，其中?·」表示向下取整；目標(biāo)多普勒頻率為fdT=2vT/λ，其中λ表示雷達(dá)波長(zhǎng)。

由于雜波距離近，目標(biāo)距離遠(yuǎn)，因此收到第n個(gè)脈沖回波里包含的是第n個(gè)脈沖的雜波回波信號(hào)和第n-K個(gè)脈沖的目標(biāo)回波信號(hào)。因此，第n個(gè)脈沖和第n+1脈沖接收回波的相位Φn和Φn+1分別為

Φn=φn+ζn-K+φn-K

(3)

Φn+1=φn+1+ζn+1-K+φn+1-K

(4)

其中φn、φn+1為雜波多普勒帶來(lái)的脈間相位變化，ζn-K、ζn+1-K為目標(biāo)速度帶來(lái)的脈間相位變化。

對(duì)回波信號(hào)分別進(jìn)行相位補(bǔ)償，補(bǔ)償值為當(dāng)前發(fā)射脈沖的調(diào)制相位。得到第n個(gè)脈沖和第n+1脈沖接收回波的相位Φ′n和Φ′n+1分別為

Φ′n=φn+ζn-K+φn-K-φn

(5)

Φ′n+1=φn+1+ζn+1-K+φn+1-K-φn+1

(6)

相應(yīng)地，第n+1脈沖和第n個(gè)脈沖接收回波的相位差為

ΔΦn=(φn+1-φn)+(ζn+1-K-ζn-K)+

(φn+1-K-φn-K)-(φn+1-φn)

=2πfdCTr+2πfdTTr+(n-K-1)·φ-(n-1)·φ

=2πfdCTr+2πfdTTr-K·φ

=2πfdCTr+2πf′dTTr

(7)

考慮到雜波信號(hào)強(qiáng)，多普勒維上影響范圍大，可以將目標(biāo)多普勒頻率偏移到L倍雜波多普勒頻率以外，同時(shí)目標(biāo)多普勒頻率不能偏移到重復(fù)頻率以外。

因此，脈沖初相的變化參數(shù)φ取值范圍為

(8)

綜上所述，本文算法步驟如下：

步驟1：根據(jù)目標(biāo)、雜波相關(guān)參數(shù)，利用式(8)計(jì)算脈沖初相的變化參數(shù)；

步驟2：對(duì)N個(gè)發(fā)射脈沖的初相分別進(jìn)行調(diào)制；

步驟3：對(duì)N個(gè)接收脈沖的回波信號(hào)分別進(jìn)行相位補(bǔ)償，各個(gè)脈沖的補(bǔ)償相位為φn；

步驟4：剔除沒(méi)有目標(biāo)回波的前K個(gè)脈沖，對(duì)后N-K個(gè)接收脈沖分別進(jìn)行脈沖壓縮；

步驟5：對(duì)N-K個(gè)脈沖壓縮結(jié)果在脈沖維進(jìn)行FFT處理(相干積累)；

步驟7：計(jì)算目標(biāo)的無(wú)偏移多普勒頻率。

算法流程圖如圖1所示。

3 計(jì)算機(jī)仿真和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理

為了驗(yàn)證本文方法的有效性，計(jì)算機(jī)仿真條件如下：

(1) 高重頻波形參數(shù)：重復(fù)周期360 μs，重復(fù)頻率2 777.8 Hz，脈沖個(gè)數(shù)為66，對(duì)應(yīng)的最大無(wú)模糊距離為54 km，雷達(dá)波長(zhǎng)為1 m；

(2) 雜波參數(shù)：距離范圍為0～50 km，雜波的多普勒分布范圍為-6～6 Hz。

(3) 目標(biāo)參數(shù)：距離為240 km，徑向速度為2 m/s，多普勒頻率為4 Hz。目標(biāo)折疊到距離無(wú)模糊區(qū)的折疊次數(shù)為4，折疊后目標(biāo)距離為24 km，目標(biāo)信雜噪比為-15 dB。

分別用常規(guī)高重頻波形和變初相高重頻波形進(jìn)行處理，脈沖初相的變化參數(shù)φ為-0.1396。仿真的距離-多普勒頻譜結(jié)果如圖2、圖3所示。圖中，橫軸表示距離模糊后的距離，單位為km；縱軸為多普勒頻率，單位為Hz；顏色表示多普勒譜強(qiáng)度，單位為dB。

從圖2中可以看出，常規(guī)高重頻波形的處理結(jié)果里面目標(biāo)湮沒(méi)在雜波中，無(wú)法在多普勒上進(jìn)行分辨。從圖3中可以看出，從本文方法的處理結(jié)果中可以明顯看到24 km處的目標(biāo)。目標(biāo)距離單元的多普勒頻譜如圖4所示，可以看出目標(biāo)的多普勒頻率已經(jīng)偏出雜波區(qū)。

為了驗(yàn)證本文方法在實(shí)際雷達(dá)中的性能，將本文方法應(yīng)用于某雷達(dá)，對(duì)針對(duì)切向飛行目標(biāo)探測(cè)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理結(jié)果如圖5所示。圖中，橫軸表示距離模糊后的距離，單位為km；縱軸為多普勒頻率，單位為Hz；顏色表示多普勒譜強(qiáng)度，單位為dB。

從圖5可以得出，處理結(jié)果中可以明顯看到模糊距離為17.69 km處的切向目標(biāo)，目標(biāo)的多普勒頻率已經(jīng)偏出雜波區(qū)。

5 結(jié)束語(yǔ)

雷達(dá)使用高重頻波形進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)時(shí)，由于速度分辨率有限，當(dāng)目標(biāo)慢速運(yùn)動(dòng)時(shí)，若目標(biāo)折疊到近區(qū)強(qiáng)雜波區(qū)，雷達(dá)難以在強(qiáng)地雜波中進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)，容易造成目標(biāo)丟失、跟蹤中斷。為此，本文提出一種基于變初相高重頻波形的慢速目標(biāo)檢測(cè)方法。通過(guò)改變發(fā)射脈沖的初相，使得回波中目標(biāo)與雜波的相位發(fā)生變化，造成目標(biāo)多普勒通道的偏移，完成目標(biāo)與雜波在多普勒維的分辨，不需要增加額外的系統(tǒng)資源，同時(shí)可以通過(guò)偏移后的目標(biāo)多普勒通道信息計(jì)算目標(biāo)的真實(shí)徑向速度。計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理結(jié)果證明，本文算法能夠有效地解決高重頻波形時(shí)強(qiáng)雜波背景下慢速目標(biāo)的檢測(cè)跟蹤問(wèn)題。應(yīng)當(dāng)指出的是，當(dāng)目標(biāo)位于高重頻波形的距離無(wú)模糊區(qū)時(shí)，本文方法無(wú)法將目標(biāo)和雜波在多普勒維進(jìn)行分離。