脈沖多普勒雷達(dá)高重頻測(cè)距技術(shù)設(shè)計(jì)與仿真?

姚國(guó)國(guó) 周業(yè)軍 劉小鯤

（1.中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院 洛陽(yáng) 471009）（2.中國(guó)空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部 北京 100094）

1 引言

高重頻波形非常適用于雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的速度搜索、測(cè)量和跟蹤。在速度搜索模式下，采用高重頻波形進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的相參積累，可使目標(biāo)在低信噪比的環(huán)境下獲得盡可能遠(yuǎn)的探測(cè)距離并獲能獲得較好的速度分辨率。但若僅使用簡(jiǎn)單高重頻波形，無(wú)法對(duì)目標(biāo)進(jìn)行測(cè)距，并且當(dāng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度較低、處于遠(yuǎn)距離時(shí)，雷達(dá)收發(fā)天線的副瓣電平和雜波問(wèn)題會(huì)降低目標(biāo)的探測(cè)距離。而采用高重頻線性調(diào)頻波形可使雷達(dá)同時(shí)具備測(cè)速和測(cè)距能力，通過(guò)利用目標(biāo)回波的速度和距離等信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)有效檢測(cè)和確認(rèn)，并且一定程度上提高雜波環(huán)境下目標(biāo)的檢測(cè)能力［1］。

目前脈沖多普勒雷達(dá)高重頻模式下進(jìn)行測(cè)距常用的方法有：一是選擇多組脈沖重復(fù)頻率在多個(gè)相參處理周期上進(jìn)行解距離模糊的方法；二是使用相位編碼或頻率調(diào)制波形進(jìn)行測(cè)距。利用多重PRF法解距離模糊，存在著要同時(shí)解決距離模糊和距離遮擋的問(wèn)題［2～6］。

本文利用線性調(diào)頻波形在高重頻模式下實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的距離和速度的測(cè)量，若雷達(dá)波束內(nèi)僅有一個(gè)目標(biāo)，利用兩個(gè)相參幀周期，可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)速度和距離的測(cè)量；若雷達(dá)波束內(nèi)有多個(gè)目標(biāo)，利用三個(gè)相參幀周期，即實(shí)現(xiàn)對(duì)多目標(biāo)的速度和距離的測(cè)量。該方法具有信息處理流程和算法簡(jiǎn)單、占用信息處理資源少和不存在解距離模糊等優(yōu)點(diǎn)。

2 測(cè)距原理與處理算法

雷達(dá)在目標(biāo)搜索狀態(tài)下，使用高重頻工作模式時(shí)，會(huì)存在嚴(yán)重的測(cè)距模糊（測(cè)距單值性），為消除高重頻模式下的測(cè)距模糊，采用線性調(diào)頻測(cè)距法，在檢測(cè)到目標(biāo)和目標(biāo)的速度節(jié)拍之后，采用頻率調(diào)制模式，在線性調(diào)頻節(jié)拍，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的距離測(cè)量。

2.1 測(cè)距原理

在線性調(diào)頻節(jié)拍時(shí)，雷達(dá)載頻為

式中：ft(t)為發(fā)射載頻；f0為發(fā)現(xiàn)、檢測(cè)節(jié)拍時(shí)的發(fā)射載頻；S為線性調(diào)頻的調(diào)頻斜率。

線性調(diào)頻節(jié)拍時(shí)，目標(biāo)回波信號(hào)的頻率為

上述公式中：S、c為已知量，fd可由系統(tǒng)在目標(biāo)發(fā)現(xiàn)、檢測(cè)節(jié)拍（無(wú)線性調(diào)頻模式）測(cè)得，?fr可由系統(tǒng)在線性調(diào)頻檢測(cè)節(jié)拍測(cè)得，由式（5）可算的目標(biāo)的真實(shí)距離Ru。

如果在一個(gè)雷達(dá)波束內(nèi)有n個(gè)目標(biāo)，則會(huì)有n個(gè) fd（ fd1，fd2，…fdn）和n個(gè) ?fr（?fr1，?fr2，… ?frn），可采用兩個(gè)不同調(diào)頻斜率S值的線性調(diào)頻節(jié)拍，測(cè)出兩組?fr，解算出兩組距離值，并比較兩組距離值中相同的兩個(gè)Ru即是目標(biāo)的真實(shí)距離。

2.2 處理算法

多目標(biāo)測(cè)距的處理方法。

1）在發(fā)現(xiàn)（檢測(cè)）節(jié)拍，系統(tǒng)輸出的目標(biāo)信號(hào)與檢測(cè)門限（無(wú)線性調(diào)頻時(shí)）比較，當(dāng)超出時(shí)，輸出目標(biāo)標(biāo)志KT0，其中KT0為多普勒檢測(cè)區(qū)域中的編號(hào)；

2）在線性調(diào)頻S1節(jié)拍，發(fā)射調(diào)頻斜率為S1的線性調(diào)頻信號(hào)，目標(biāo)信號(hào)在信號(hào)處理機(jī)中濾波、積累、與檢測(cè)門限（有線性調(diào)頻時(shí)）比較，當(dāng)超出時(shí)，輸出目標(biāo)標(biāo)志KT1；

3）在線性調(diào)頻S2節(jié)拍，發(fā)射調(diào)頻斜率為S2的線性調(diào)頻信號(hào)，輸出目標(biāo)信號(hào)與檢測(cè)門限（有線性調(diào)頻時(shí)）比較，當(dāng)超出時(shí)，輸出目標(biāo)標(biāo)志KT2；

4）聯(lián)合 KT0、KT1，可求出 ?f，按式（5）可計(jì)算出 Ru1、Ru2；

5）聯(lián)合 KT0、KT2，可求出 ?f，按式（5）可計(jì)算出；

6）將上述結(jié)果進(jìn)行解算，可計(jì)算出目標(biāo)距離R1、R2。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

3.1 系統(tǒng)組成與設(shè)計(jì)

以X波段脈沖多普勒雷達(dá)為例，其基本組成原理框圖見圖1，包含發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、天線、頻率綜合器（產(chǎn)生各種本振信號(hào)和基準(zhǔn)信號(hào)等）、信號(hào)處理機(jī)（采樣預(yù)處理、信息處理）等。DDS產(chǎn)生30MHz的單頻信號(hào)或線性調(diào)頻信號(hào)，與2本振信號(hào)混頻、濾波、放大得到L波段的信號(hào)，再與1本振信號(hào)混頻、濾波、放大得到X波段發(fā)射信號(hào)，通過(guò)天線輻射出去；從天線接收到的目標(biāo)回波信號(hào)經(jīng)過(guò)低噪放、兩級(jí)混頻、濾波和放大，得到中心頻率為60MHz的多路中頻信號(hào)，中頻信號(hào)進(jìn)入采樣預(yù)處理板，完成A/D變換、數(shù)字下變頻、抽取、濾波等，得到包含目標(biāo)信息的基帶信號(hào)，對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行信息處理，可得到目標(biāo)的速度、距離、角度等信息。

3.2 系統(tǒng)仿真

仿真設(shè)定條件：

1）發(fā)射信號(hào)載頻為10GHz，發(fā)射路DDS為30MHz，接收中頻頻率為60MHz，脈沖重復(fù)頻率250kHz，相參積累時(shí)間8ms；

2）共2個(gè)目標(biāo)。目標(biāo)1的速度和距離分別為300m/s、30000m；目標(biāo)2的速度和距離分別為500m/s、45000m；

3）發(fā)射調(diào)頻斜率為S1、S2分別取30kHz/ms、15kHz/ms。

按照?qǐng)D1的原理組成框圖，利用雷達(dá)系統(tǒng)級(jí)仿真軟件 SystemVue 建立仿真模型［7～9］。模型包含Transmitter（發(fā)射機(jī)）、Antenna（天線）、TargetEco（目標(biāo)1回波、目標(biāo)2回波）、Receiver（接收機(jī)）、采樣預(yù)處理（由數(shù)字下變頻RADAR_DDC、數(shù)字抽取DownSample、低通濾波器LPF等組成）。

圖1 雷達(dá)系統(tǒng)的基本組成原理框圖

發(fā)射DDS（包含脈沖調(diào)制、線性調(diào)頻）經(jīng)過(guò)兩次上變頻、濾波、放大，得到頻率為10GHz發(fā)射信號(hào)，接入天線模型，天線模型的輸出接入目標(biāo)回波模型。發(fā)射線性調(diào)頻信號(hào)時(shí)的發(fā)射信號(hào)頻譜見圖2。

圖2 發(fā)射線性調(diào)頻信號(hào)時(shí)的發(fā)射頻譜

從目標(biāo)1和目標(biāo)2反射的回波信號(hào)由天線接收進(jìn)入接收機(jī)，經(jīng)過(guò)兩次下變頻、濾波、放大，得到頻率為60MHz的中頻信號(hào)。

采樣預(yù)處理部分主要由數(shù)字下變頻RA?DAR_DDC、數(shù)字抽取DownSample、低通濾波器LPF等組成。采樣預(yù)處理部分接收接收機(jī)模型輸出的60MHz的中頻信號(hào)，以80MHz采樣率對(duì)其進(jìn)行數(shù)字化采樣，然后經(jīng)過(guò)濾波、數(shù)字下變頻、FIR濾波、抽取等操作，得到低數(shù)據(jù)率的基帶信息［10～11］。共進(jìn)行4*5*4*4=320倍的數(shù)據(jù)抽取，得到80MHz/320=250kHz數(shù)據(jù)率的數(shù)字基帶信號(hào)。經(jīng)過(guò)8ms相參積累，得到250*8=2000個(gè)點(diǎn)的采樣數(shù)據(jù)。對(duì)2000個(gè)點(diǎn)的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT操作，可得到目標(biāo)信號(hào)的頻譜。

圖3是發(fā)射信號(hào)為高重頻脈沖調(diào)制波形（非線性調(diào)頻）時(shí)，經(jīng)過(guò)預(yù)處理后的目標(biāo)信號(hào)頻譜。從圖中可看出經(jīng)過(guò)預(yù)處理后，兩個(gè)目標(biāo)的頻率分別為和目標(biāo)2的速度分別為300m/s、500.625m/s。仿真結(jié)果與設(shè)置值相符，速度的偏差主要由系統(tǒng)的多普勒分辨率影響。

圖3 非線性調(diào)頻時(shí)預(yù)處理后的信號(hào)頻譜

圖4 是發(fā)射信號(hào)為高重頻線性調(diào)頻波形，調(diào)頻斜率分別為15kHz/ms和30kHz/ms，預(yù)處理后的信號(hào)頻譜。從圖中可看出發(fā)射信號(hào)為調(diào)頻斜率為15kHz/ms線性調(diào)頻波形時(shí)，預(yù)處理后兩個(gè)信號(hào)的頻率分別為23kHz和37.875kHz；調(diào)頻斜率為30kHz/ms時(shí)，預(yù)處理后兩個(gè)信號(hào)的頻率分別為26kHz和42.375kHz。

結(jié)合圖3的仿真結(jié)果，可得到：發(fā)射信號(hào)為調(diào)頻斜率分別為30kHz/ms的高重頻線性調(diào)頻波形時(shí)，目標(biāo)1的距離引起的頻率走動(dòng)為6kHz，目標(biāo)2的距離引起的頻率走動(dòng)為9kHz。由此可計(jì)算得到：目標(biāo)1的距離為30000m，目標(biāo)2的距離為45000m。仿真結(jié)果與設(shè)置值相符。

圖4 調(diào)頻斜率分別為15kHz/ms和30kHz/ms預(yù)處理后的信號(hào)頻譜

由仿真結(jié)果可知，可知目標(biāo)1的速度和距離測(cè)量值分別為300m/s、30000m，目標(biāo)2的速度和距離測(cè)量值分別為500.625m/s、45000m，與仿真設(shè)置條件相符，證明了高重頻線性調(diào)頻測(cè)距技術(shù)的可行性。利用三幀相參積累檢測(cè)，即可解算出多個(gè)目標(biāo)的速度和距離信息，并且只需要在信息處理層面進(jìn)行FFT運(yùn)算，具有對(duì)信息處理資源要求相對(duì)較少，信息處理方法簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。相對(duì)于簡(jiǎn)單高重頻脈沖調(diào)制波形來(lái)講，提高了系統(tǒng)的瞬時(shí)帶寬，相對(duì)減小了雜波分辨單元面積（或體積）［12］，可提高雜波背景下對(duì)目標(biāo)的檢測(cè)能力。

4 結(jié)語(yǔ)

本文利用高重頻線性調(diào)頻測(cè)距技術(shù)實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)對(duì)目標(biāo)距離和速度的測(cè)量，論述了測(cè)距原理和處理算法，并對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)各部分的組成和設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹，利用雷達(dá)系統(tǒng)仿真軟件建立了系統(tǒng)仿真模型，對(duì)發(fā)射鏈路、接收鏈路和預(yù)處理部分的仿真模型和仿真結(jié)果進(jìn)行了論述和分析。仿真結(jié)果表明，該測(cè)距技術(shù)切實(shí)可行，并且在較短的時(shí)間內(nèi)信息處理層面只需要進(jìn)行FFT檢測(cè)，就可檢測(cè)出目標(biāo)距離，具有信息處理算法簡(jiǎn)單、對(duì)信息處理資源要求少等特點(diǎn)，同時(shí)由于提高了發(fā)射信號(hào)的瞬時(shí)帶寬，則可在一定程度上提高雜波背景下對(duì)目標(biāo)的檢測(cè)能力。