脈沖多普勒雷達(dá)波形自適應(yīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)與工程應(yīng)用

摘要：針對(duì)有效提高相參積累得益，設(shè)計(jì)了一種脈沖多普勒雷達(dá)波形自適應(yīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)工程應(yīng)用方法。該文通過(guò)理論分析和計(jì)算機(jī)仿真分析，給出了PD波形實(shí)時(shí)自適應(yīng)優(yōu)化生成方法和工程應(yīng)用策略。分析結(jié)果表明，該方法能夠快速迭代求解出PD波形最優(yōu)解，兼顧工程化復(fù)雜度和高效性，保證雷達(dá)信號(hào)處理實(shí)時(shí)性和容錯(cuò)性，滿足工程化應(yīng)用需求。

關(guān)鍵詞：脈沖多普勒雷達(dá);雷達(dá)波形;自適應(yīng)

中圖分類號(hào)：TN973.3? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：1007-9416（2020）04-0000-00

0引言

脈沖多普勒雷達(dá)（Pulse Doppler Radar，下文簡(jiǎn)稱PD雷達(dá)）能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行高精度測(cè)速、測(cè)距，PD雷達(dá)兼具連續(xù)波（CW）雷達(dá)與脈沖雷達(dá)二者的優(yōu)點(diǎn)，工程應(yīng)用中，多采用高脈沖重復(fù)頻率（HPRF），使其具有卓越的距離與速度分辨力[1-3];并且通過(guò)利用多脈沖積累方式，構(gòu)建一系列濾波器組，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)在強(qiáng)雜波背景環(huán)境下高檢測(cè)性能[4];PD雷達(dá)工作方式靈活，能夠更好地利用小脈寬、大占空比方式，充分利用雷達(dá)系統(tǒng)資源，提升雷達(dá)探測(cè)效能[5-7];另外，PD雷達(dá)通過(guò)同時(shí)測(cè)量速度與距離等目標(biāo)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)基于Doppler處理技術(shù)的合成孔徑圖像;在抗干擾方面，通過(guò)脈沖捷變頻或脈間捷變頻方式，提升雷達(dá)抗干擾效能[8]。鑒于上述諸多優(yōu)勢(shì)，PD體制雷達(dá)在軍事、航空航天、民用車載雷達(dá)等諸多領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用。

隨著雷達(dá)探測(cè)對(duì)象不斷更新?lián)Q代，并且涌現(xiàn)大量新型目標(biāo)對(duì)象，對(duì)雷達(dá)探測(cè)技術(shù)提出了更高需求，現(xiàn)有新型雷達(dá)硬件成本較高，這就需要充分挖掘雷達(dá)處理性能，通過(guò)工作參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)精細(xì)化處理，提升雷達(dá)探測(cè)效能。并在雷達(dá)系統(tǒng)優(yōu)化處理過(guò)程中，同時(shí)需要兼顧工程化復(fù)雜度和高效性，保證雷達(dá)信號(hào)處理實(shí)時(shí)性和容錯(cuò)性。

為實(shí)現(xiàn)PD體制雷達(dá)高效工程應(yīng)用，盡可能降低雷達(dá)處理?yè)p失，本文重點(diǎn)研究了PD雷達(dá)波形自適應(yīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)與工程應(yīng)用。在通常PD雷達(dá)波形應(yīng)用中，一般重點(diǎn)考慮目標(biāo)在距離、速度兩維模糊情況，往往忽略PD雷達(dá)濾波器細(xì)化設(shè)計(jì)，多普勒濾波器組通常采用3dB交疊，通過(guò)對(duì)多普勒濾波器組（即PD雷達(dá)波形）優(yōu)化設(shè)計(jì)，使目標(biāo)多普勒位置始終處于某一個(gè)濾波器中心，從而降低多普勒濾波器帶來(lái)系統(tǒng)損失，其中多普勒濾波器組帶來(lái)的系統(tǒng)損失如圖1所示。

本文提出了一種PD雷達(dá)波形自適應(yīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)工程應(yīng)用方法，滿足雷達(dá)工程應(yīng)用實(shí)時(shí)計(jì)算和容錯(cuò)性需求。本文在建立PD雷達(dá)模型的基礎(chǔ)上，對(duì)其數(shù)學(xué)模型進(jìn)行推導(dǎo)分析，探討了PD波形實(shí)時(shí)自適應(yīng)優(yōu)化生成方法和工程應(yīng)用策略，利用實(shí)時(shí)的PD波形自適應(yīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)工程應(yīng)用方法，仿真了工程應(yīng)用時(shí)距離-速度兩維模糊情況，驗(yàn)證了相關(guān)波形實(shí)時(shí)生成方法的有效性。

1 PD波形信號(hào)模型及參數(shù)優(yōu)化

假定雷達(dá)探測(cè)的目標(biāo)距離、速度分別為R1，V1，需要優(yōu)化設(shè)計(jì)PD波形參數(shù)分別有：重復(fù)周期fr1、信號(hào)脈寬、積累脈沖數(shù)N1。則雷達(dá)脈沖波形占空比、不模糊距離和目標(biāo)多普勒頻率如下所示。

（1）

其中，c為光速，為提升雷達(dá)探測(cè)威力，一般保持較高占空比，根據(jù)實(shí)際需求，雷達(dá)脈沖波形占空比在一定距離段范圍內(nèi)，保持固定值，則目標(biāo)所處位置如下所示。

（2）

其中，為目標(biāo)距離模糊次數(shù)，為PD波形優(yōu)化條件變量，其值域范圍如下所示。

（3）

為確保目標(biāo)多普勒頻率落在多普勒濾波器組的某個(gè)濾波器中間，假設(shè)目標(biāo)落在第M1個(gè)濾波器中心，則目標(biāo)多普勒頻率可表示為：

（4）

其中，為目標(biāo)多普勒頻率模糊次數(shù)，i，j為PD波形優(yōu)化條件變量M1邊界條件，當(dāng)雷達(dá)波形無(wú)反雜波需求時(shí)，i，j可分別取0，N1-1，當(dāng)有反雜波需求時(shí)，i，j為[0，N1-1]中的自定義值。

根據(jù)雷達(dá)威力方程，計(jì)算雷達(dá)對(duì)當(dāng)前距離上的目標(biāo)探測(cè)所需的波形參數(shù)，按照雷達(dá)威力和速度分辨率需求，設(shè)置PD波形模板參數(shù)，設(shè)定目標(biāo)距離為R0，目標(biāo)重復(fù)頻率為fr0，脈沖波形占空比同樣為、脈沖積累個(gè)數(shù)為N0，則通過(guò)距離威力換算有：

（5）

（6）

結(jié)合式（4）和式（6）有：

（7）

在保證雷達(dá)速度分辨率的同時(shí)，通過(guò)遍歷參數(shù)（，），求解，使其滿足式（4）中邊界條件的整數(shù)，即可遍歷結(jié)束，此時(shí)即可求得PD波形參數(shù)值（fr1，，，，）。

2 PD雷達(dá)波形自適應(yīng)優(yōu)化工程應(yīng)用

根據(jù)上述PD波形信號(hào)模型及參數(shù)遍歷模型分析可知，通過(guò)基準(zhǔn)模板式快速迭代計(jì)算雷達(dá)PD波形模板和波形信號(hào)參數(shù)，可以獲取對(duì)應(yīng)該目標(biāo)最優(yōu)探測(cè)的PD波形。在工程應(yīng)用過(guò)程中，目標(biāo)跟蹤的PD波形參數(shù)可根據(jù)目標(biāo)跟蹤的先驗(yàn)信息，按照基準(zhǔn)模板快速外推迭代計(jì)算得出。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證本文方法的有效性，本節(jié)將通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)PD雷達(dá)波形自適應(yīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)工程應(yīng)用方法進(jìn)行仿真分析驗(yàn)證。

下面給出PD雷達(dá)波形自適應(yīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)工程應(yīng)用方法的仿真參數(shù)，如表1所示：

下面給出了目標(biāo)初始距離為300km，速度為500km，波形基準(zhǔn)模板的脈沖重復(fù)頻率為1KHz，脈沖積累數(shù)為100，脈沖占空比為0.25條件下，基于該波形基準(zhǔn)模型下最優(yōu)波形求解分析圖如圖2所示。

通過(guò)上述仿真圖分析可知，目標(biāo)所在位置附近都有最優(yōu)波形解。目標(biāo)仿真條件為目標(biāo)加速度動(dòng)態(tài)范圍[-20g，20g]，在1Hz目標(biāo)跟蹤數(shù)據(jù)率條件下，目標(biāo)相對(duì)速度動(dòng)態(tài)范圍為[-200m/s，200m/s]，從上圖可以看出，PD波形在該波形基準(zhǔn)條件下，依然存在最優(yōu)波形解。

在工程應(yīng)用過(guò)程中，采用PD波形對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤處理時(shí)，目標(biāo)一般處于建立了較穩(wěn)定航跡，基于這一先驗(yàn)條件，可以根據(jù)目標(biāo)距離、速度、航向、加速等先驗(yàn)知識(shí)，可以便于建立次優(yōu)PD波形模板，基于次優(yōu)PD波形模板，僅需迭代幾次就可求解最優(yōu)化PD波形參數(shù)，計(jì)算時(shí)間優(yōu)于1ms，從而驗(yàn)證了工程應(yīng)用的可行性。當(dāng)目標(biāo)存在大機(jī)動(dòng)時(shí)，最優(yōu)PD波形參數(shù)迭代求解時(shí)間優(yōu)于2ms，同樣滿足該方法的工程應(yīng)用。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)雷達(dá)探測(cè)PD波形應(yīng)用中存在濾波器組之間交疊損失，為有效降低相參積累損失，設(shè)計(jì)了一種PD雷達(dá)波形自適應(yīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)工程應(yīng)用方法。本文通過(guò)理論分析和計(jì)算機(jī)仿真分析，探討了PD波形實(shí)時(shí)自適應(yīng)優(yōu)化生成方法和工程應(yīng)用策略，分析結(jié)果表明，該方法能夠迭代求解出PD波形最優(yōu)解，同時(shí)兼顧工程化復(fù)雜度和高效性，保證雷達(dá)信號(hào)處理實(shí)時(shí)性和容錯(cuò)性，滿足工程化應(yīng)用需求。

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收稿日期：2020-03-18

作者簡(jiǎn)介：胡柏林（1988—），男，安徽桐城人，碩士研究生，雷達(dá)總體設(shè)計(jì)師，研究方向：雷達(dá)總體設(shè)計(jì)。

Adaptive Optimal Design and Engineering Application of Pulse Doppler Radar Waveform

HU Bo-lin

（No.38 Research Institute of CETC， Hefei Anhui? 230088）

Abstract： In order to improve the benefit of coherent accumulation effectively， an application method of adaptive optimal design of PD radar waveform is designed. Based on the theoretical analysis and computer simulation analysis， the real-time adaptive optimization generation method and engineering application strategy of PD waveform are presented. The analysis results show that this method can solve the optimal solution of PD waveform quickly and iteratively， taking into account the complexity and efficiency of engineering， ensuring the real-time and fault tolerance of radar signal processing， and meeting the needs of engineering application.

Key words： Pulse Doppler radar;? Radar waveform;? Adaptive