波形切換對雷達距離測量的影響

莊 俊，楊 沛，王 鵬

(中國洛陽電子裝備試驗中心，河南 洛陽 471003)

0 引 言

雷達主要負責完成目標的探測、跟蹤和識別，廣泛應用于機載預警、導航、導彈制導、戰(zhàn)場監(jiān)視、靶場測量和氣象探測等方面，是重要的軍事裝備[1]。

跟蹤雷達為滿足作用距離的需要，在不同的跟蹤距離區(qū)間采用不同的波形參數(shù)，但在實際測試中發(fā)現(xiàn)：波形切換時會產(chǎn)生距離測量值的跳變，影響目標的穩(wěn)定跟蹤。本文對雷達波形切換時產(chǎn)生距離跳變的原因及其對雷達測距的影響進行了分析，并提出了針對性的解決方法，提高了雷達的目標跟蹤穩(wěn)定性。

1 雷達距離跟蹤系統(tǒng)

1.1 雷達距離測量原理

現(xiàn)代雷達多使用脈沖壓縮體制[2]，脈沖壓縮處理一般發(fā)射時使用長脈沖，接收時采用匹配濾波器進行頻率調(diào)制，其實質(zhì)是進行頻率延時處理。脈沖壓縮處理多通過數(shù)字方法來實現(xiàn)，數(shù)字方法又可分為時域脈沖壓縮和頻域脈沖壓縮[3-4]。典型的頻域脈沖壓縮過程如圖1所示。

圖1 頻域脈沖壓縮原理框圖

假設輸入線性調(diào)頻回波信號為s(t)，匹配濾波器的頻率響應為H(ω)[5]，則：

(1)

H(ω)=Ks*(?)exp(-j2πf0t)

(2)

式中：A為信號幅度；τ為脈沖寬度；f0為信號中心頻率；k為調(diào)頻斜率；rect(t/τ)為矩形函數(shù)；K為濾波器的增益常數(shù)。

不考慮多普勒頻移(即fd=0)時，匹配濾波器的輸出為：

cos2πf0(t-t0)

(3)

式中：D為脈沖壓縮比，且有D=Bτ；t0為匹配濾波器輸出固定時延。

線性調(diào)頻信號經(jīng)過匹配濾波后，輸出包絡為sinc函數(shù)，包絡最大值在t=t0時刻[6]。雷達對目標距離的測量值是基于匹配濾波器的輸出峰值出現(xiàn)的時間位置來確定的[7]。

1.2 雷達距離跟蹤

雷達對目標距離跟蹤的一般流程為：搜索發(fā)現(xiàn)目標后，首先根據(jù)目標的歷史航跡預測目標的當前位置，并對目標回波信號采樣(采樣僅在以目標預測距離為中心的距離波門內(nèi)進行)。信號處理系統(tǒng)對采樣信號進行處理，根據(jù)和路信號回波的距離中心，得到目標距離偏離預測值的距離誤差，并將目標的距離誤差送上位機。上位機根據(jù)目標的預測位置坐標和測量得到的誤差，濾波計算出測量時刻目標的距離和速度，并得到下一時刻目標位置預測值。重復上述預測和測量過程，完成對目標的持續(xù)跟蹤。

2 波形切換對測距的影響

雷達為兼顧最小作用距離和最大作用距離的需要，在不同的跟蹤距離區(qū)間采用不同的波形參數(shù)。某型雷達在各跟蹤距離段采用的典型工作波形如表1所示。

表1 雷達各距離段工作波形

測試過程中，設置合作目標由遠及近飛行，速度分別為200 m/s、1 000 m/s及2 000 m/s。記錄雷達對目標的距離跟蹤數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 不同速度時目標距離測量曲線

由圖2可見，當目標距離為9 km(即雷達波形切換時刻)時，雷達所測量的目標距離產(chǎn)生跳變，且不同速度目標回波引起的跳變距離不同。顯然，目標速度與切換波形時的距離跳變現(xiàn)象存在關聯(lián)。

3條測量曲線之間存在較為固定的距離差，說明距離測量存在誤差，且該誤差與目標速度之間存在一定關系。

多普勒頻移是雷達測量目標相對速度的依據(jù)。對于利用多普勒頻移進行測速的雷達，目標不同速度引起的多普勒頻移不同[8]。多普勒頻移會導致接收到的線性調(diào)頻信號在頻率上出現(xiàn)偏移，從而引起距離測量誤差，稱為距離-多普勒耦合效應[9-10]。下面進行詳細分析。

當存在多普勒頻移時，線性調(diào)頻信號經(jīng)過匹配濾波器的輸出信號為：

cos2πf0(t-t0)

(4)

此時，匹配濾波器的輸出信號包絡峰值不在t=t0時刻，其輸出峰值位置發(fā)生偏移，該時間偏移量為：

(5)

雷達對目標距離的測量是基于輸出峰值出現(xiàn)的時間位置。該偏移量將造成雷達測距誤差。由式(5)可知，因多普勒頻移引起的測距誤差為:

(6)

由式(6)可知，對于同一勻速運動目標，隨著距離變化，切換波形(信號脈寬、帶寬)時，測量誤差會產(chǎn)生變化。

假設雷達工作頻率為12 GHz，目標運動速度為200 m/s，使用波形1時，距離-多普勒耦合引起的測距誤差為48 m；使用波形2時，該項誤差為9.6 m。

依據(jù)雷達距離跟蹤原理，假設雷達是對距離預測值為中心±τ(τ=1/B)波門內(nèi)的數(shù)據(jù)進行恒虛警率(CFAR)檢測，以確定目標是否存在。當目標運動至9 km，雷達從波形1切換至波形2時，若不考慮隨機誤差，脈沖壓縮處理后的目標回波中心與距離預測值的距離為48-9.6=38.4 m，即目標回波偏離檢測波門中心(距離預測值)38.4 m。此時雷達距離波門寬度計算為±60 m，目標仍在距離波門內(nèi)，距離-多普勒耦合引起的測距誤差減小，所測距離發(fā)生跳變。

若目標速度過大，將導致真實目標的回波中心不在檢測波門內(nèi)，雷達丟失目標，如圖3所示。

圖3 波形切換時測距變化示意圖

綜上所述，波形切換導致距離跳變的本質(zhì)在于目標運動引起的多普勒頻移使接收到的回波信號在頻率上出現(xiàn)偏移，從而產(chǎn)生了距離-多普勒耦合誤差，不同波形(信號脈寬、帶寬)引起的距離-多普勒耦合誤差不同，導致雷達波形切換時所測量目標的距離發(fā)生跳變。因此，為保持對目標的穩(wěn)定跟蹤，必須對距離-多普勒耦合引起的距離測量誤差進行修正。

3 解決方法研究

關于距離-多普勒耦合誤差的修正方法，相關文獻均有研究，但存在一定不足[11-13]。采用交替發(fā)射正負線性調(diào)頻信號的方式可以直接消除距離-多普勒誤差，但需要增加1套發(fā)射接收支路，或者增加工作時序設計的工作量。對原始回波信號的多普勒頻移進行補償時，隨著目標方位變化，fd不停變化，需要存儲大量匹配濾波系數(shù)值，占用較大存儲空間。

以某雷達為研究對象，其信號處理過程為數(shù)字化處理，具有距離回路、速度回路、角度回路以及自動增益控制(AGC)回路。信號處理系統(tǒng)將處理結果發(fā)送給上位機。因此，由信號處理系統(tǒng)在發(fā)送處理結果前對距離-多普勒耦合誤差進行補償，可以有效避免上述問題。

具體實現(xiàn)方法是：雷達穩(wěn)定跟蹤目標的條件下，利用已經(jīng)解算出的目標速度和距離信息，按照公式(6)計算距離-多普勒誤差，對測距結果進行修正，作為最終的距離信息。該方法在信號處理末端進行，計算量小，易于實現(xiàn)。信號處理工作過程如圖4所示。

圖4 進行距離-多普勒補償?shù)男盘柼幚砹鞒虉D

需要注意的是，修正距離-多普勒耦合引起的測距誤差時應考慮調(diào)頻斜率的正負。當線性調(diào)頻信號調(diào)頻斜率k>0時，修正公式為：

(7)

當線性調(diào)頻信號調(diào)頻斜率k<0時，修正公式為：

(8)

式中：R′為修正后距離值；R為修正前距離值。

利用合作目標進行試驗驗證。工作參數(shù)設置為：雷達工作頻率12 GHz，波形參數(shù)選擇同表1。設置合作目標速度為2 000 m/s，分別記錄目標距離-多普勒耦合修正前和修正后的測量結果，并與目標真值進行比較，結果如圖5所示。距離-多普勒耦合誤差修正前后誤差統(tǒng)計如圖6所示。

圖5 距離-多普勒耦合修正前后的距離誤差

圖6 距離-多普勒耦合修正前后誤差統(tǒng)計

從圖5和圖6可以看出，未進行距離-多普勒耦合修正前，距離誤差最大可達486 m；進行修正后，距離誤差最大為13 m。進行距離-多普勒耦合修正后，波形切換時距離測量值未發(fā)生跳變，目標跟蹤穩(wěn)定，且提高了測距精度，證實了該方法的可行性。

4 結束語

本文對采用脈沖壓縮體制的雷達在波形切換時距離測量值產(chǎn)生跳變的問題進行了研究分析，導致波形切換時刻距離跳變的根本原因是存在距離-多普勒耦合誤差，對距離-多普勒耦合產(chǎn)生的原因及其對脈沖壓縮雷達測距的影響進行了研究，提出了一種易于工程實現(xiàn)的距離-多普勒耦合補償方法，并進行了試驗驗證，解決了波形切換時距離測量值的跳變問題，減小了測量誤差。