(信息工程大學(xué) 密碼工程學(xué)院,昆明 650032)
隨著雷達(dá)技術(shù)的不斷發(fā)展,在越來越多的領(lǐng)域中都應(yīng)用了一定程度的雷達(dá)技術(shù),雷達(dá)的目標(biāo)跟蹤是雷達(dá)技術(shù)中的一個(gè)重要組成成分,這項(xiàng)技術(shù)的成熟程度決定著雷達(dá)對目標(biāo)的跟蹤精確度,具有精準(zhǔn)度的雷達(dá)目標(biāo)跟蹤、直交流控制、模擬項(xiàng)數(shù)字控制成為了未來雷達(dá)目標(biāo)跟蹤的發(fā)展趨勢,本文便主要針對雷達(dá)目標(biāo)的跟蹤精確度偏差補(bǔ)償問題進(jìn)行研究[1]。
雷達(dá)的追蹤目標(biāo)一般處于海、陸、空三個(gè)環(huán)境中,當(dāng)雷達(dá)對目標(biāo)進(jìn)行追蹤時(shí),雷達(dá)發(fā)射的波束直接掃描到目標(biāo)上,此時(shí)對目標(biāo)進(jìn)行定位需要考慮兩種情況對雷達(dá)目標(biāo)的跟蹤精準(zhǔn)度造成的影響,陸地與海洋中會出現(xiàn)干擾雷達(dá)波束的雜質(zhì),使雷達(dá)獲取的目標(biāo)測量位置數(shù)據(jù)受到影響;而對空中的目標(biāo)進(jìn)行跟蹤時(shí)會出現(xiàn)多徑效應(yīng),增強(qiáng)雷波束的信噪比周期,這種情況的出現(xiàn)很難應(yīng)用常規(guī)的區(qū)域信號處理手段解決,因此空中目標(biāo)的多徑效應(yīng)的產(chǎn)生會影響雷達(dá)對目標(biāo)追蹤的精準(zhǔn)度。雷達(dá)追蹤目標(biāo)的精準(zhǔn)度隨著波束掃描角度的改變而改變,這一本質(zhì)特征也是造成雷達(dá)追蹤目標(biāo)產(chǎn)生誤差的重要原因之一[2]。
為了提高雷達(dá)對目標(biāo)的追蹤準(zhǔn)確度,對雷達(dá)目標(biāo)追蹤偏差進(jìn)行補(bǔ)償,本文將基于數(shù)據(jù)優(yōu)先級提出雷達(dá)目標(biāo)跟蹤偏差補(bǔ)償方法。本文提出的方法基于數(shù)據(jù)優(yōu)先級處理,主要解決雷達(dá)對目標(biāo)的精準(zhǔn)測量偏差補(bǔ)償,并應(yīng)用雷達(dá)單相脈沖、極化相位控制等技術(shù)[3]。
雷達(dá)對極化目標(biāo)的測量是在三維空間中的坐標(biāo)系下進(jìn)行的,雷達(dá)觀測坐標(biāo)系需要與目標(biāo)的坐標(biāo)系相同,在兩坐標(biāo)系之間建立完整的雷達(dá)波束航道,如果目標(biāo)的信號姿態(tài)已經(jīng)知道,則可以通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)化的形式將雷達(dá)位置固定在三維空間坐標(biāo)系中。雷達(dá)極化測量目標(biāo)信號時(shí)采用的發(fā)射器在三維空間坐標(biāo)系中,實(shí)時(shí)地對目標(biāo)所放出的電磁波進(jìn)行檢測,從而能夠達(dá)到雷達(dá)對目標(biāo)信號的實(shí)時(shí)測量要求[4]。
為了提高雷達(dá)對目標(biāo)信號測量的精準(zhǔn)度,本文將采用極化散射的方式對目標(biāo)信號進(jìn)行測量。建立如圖1所示的三維空間坐標(biāo)系。
圖1 三維空間坐標(biāo)系模型圖
在坐標(biāo)系中給信號的波形制定一套參數(shù),當(dāng)目標(biāo)在運(yùn)動的狀況下分為兩種情況對目標(biāo)信號進(jìn)行測量,一種情況是忽略目標(biāo)運(yùn)動的距離彎曲程度,確定目標(biāo)參數(shù)包絡(luò)處于對齊的狀態(tài),考慮多普勒定律完成運(yùn)動參數(shù)在坐標(biāo)系中的參數(shù)積累,補(bǔ)償雷達(dá)相位中時(shí)間二次項(xiàng)的參數(shù)運(yùn)算;另一種情況是考慮到目標(biāo)運(yùn)動的距離彎曲程度,將雷達(dá)坐標(biāo)系中的參數(shù)與目標(biāo)信號的坐標(biāo)系位置參數(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)匹配,完成匹配后,應(yīng)用匹配數(shù)據(jù)對目標(biāo)的運(yùn)動彎曲距離進(jìn)行校正并保證包絡(luò)對齊,考慮多普勒參數(shù)定律完成雷達(dá)相位中的時(shí)間二次項(xiàng)運(yùn)算,保證目標(biāo)信號的參數(shù)累積[5]。運(yùn)動狀況下目標(biāo)先后測量的處理方法程序如圖2所示。
圖2 運(yùn)動狀況下目標(biāo)先后測量的處理方法程序框圖
通常情況下,在雷達(dá)中應(yīng)用濾波器對目標(biāo)的回波信號進(jìn)行濾波匹配,目標(biāo)在一定的運(yùn)動范圍內(nèi)小于雷達(dá)到目標(biāo)距離的分辨率,雷達(dá)對目標(biāo)信號的檢測可以忽略由于濾波器失配而造成的影響,可以應(yīng)用線性補(bǔ)償?shù)姆绞綄?shí)時(shí)檢測目標(biāo)信號進(jìn)行雷達(dá)的極化測量,由于多普勒定律具有擴(kuò)展的可能性,容易對線性補(bǔ)償方法下的目標(biāo)運(yùn)動時(shí)間二次項(xiàng)運(yùn)算產(chǎn)生影響,不利于雷達(dá)對目標(biāo)信號的參數(shù)累積,因此,需要通過濾波器來對雷達(dá)脈沖波形進(jìn)行控制[6]。
在實(shí)際的雷達(dá)目標(biāo)信號檢測中,目標(biāo)的速度常常是未知的,因此目標(biāo)信號相關(guān)參數(shù)不能準(zhǔn)確地認(rèn)定,本文便以一定的時(shí)間間隔對目標(biāo)信號進(jìn)行搜索,將搜索到的信號值與波形信號進(jìn)行對比匹配,若兩組數(shù)據(jù)匹配成功則說明雷達(dá)對速度未知情況下的目標(biāo)信號參數(shù)測量較為準(zhǔn)確,能夠進(jìn)一步地對目標(biāo)速度進(jìn)行估測。
雷達(dá)對于目標(biāo)的位置測量由于受到多方面的因素影響,會出現(xiàn)一定程度的偏差,本文將應(yīng)用相位控制方法對測量出來的數(shù)據(jù)偏差進(jìn)行校準(zhǔn)。首先測出雷達(dá)距離目標(biāo)之間相位步長,篩選出相位步長在一個(gè)單位范圍內(nèi)的距離條件,對目標(biāo)的回波信號進(jìn)行部署校正,要求不同步長的目標(biāo)回波距離采用不同的補(bǔ)償方式[7]。
根據(jù)相位距離不同對雷達(dá)所測得的回波信號進(jìn)行校準(zhǔn),若雷達(dá)距離目標(biāo)的相位偏差較大,本文將采用速度相位校準(zhǔn)的方法,并最終對校準(zhǔn)結(jié)果作為參數(shù)的積累,速度校準(zhǔn)后相位的參數(shù)積累被回波包絡(luò)聚集到一個(gè)單元格內(nèi),限制相位的距離運(yùn)動和多普勒定律擴(kuò)展通道。若雷達(dá)距離目標(biāo)的相位偏差較小,本文將對目標(biāo)的加速度進(jìn)行相位距離估算校準(zhǔn),首先本文將測出多普勒定律的擴(kuò)展頻率,通過目標(biāo)加速度與速度之間的聯(lián)系計(jì)算出三維坐標(biāo)系中每個(gè)單元格所蘊(yùn)含的能量,獲取能量最大的單元格中多普勒定律擴(kuò)展頻率值,在對多普勒定律頻率進(jìn)行搜索預(yù)測時(shí),將所有的目標(biāo)加速度以及回波信號進(jìn)行初步校準(zhǔn),將初步校準(zhǔn)的結(jié)果圖與多普勒三維圖相結(jié)合表現(xiàn)出來如圖3所示。
圖3 初步校準(zhǔn)結(jié)果與多普勒三維結(jié)合圖
為了提高對雷達(dá)目標(biāo)跟蹤偏差補(bǔ)償方法的準(zhǔn)確性,本文還通過增加雷達(dá)的相位發(fā)射功率,降低雷達(dá)信號接收器的信噪比系數(shù)等一系列措施對雷達(dá)跟蹤目標(biāo)的偏差進(jìn)行矯正,由于部分目標(biāo)信號較為弱小,使雷達(dá)不能快速地、實(shí)時(shí)地對其進(jìn)行檢測,因此利用多普朗擴(kuò)展來改善雷達(dá)監(jiān)測性能運(yùn)行環(huán)境從而提升相位的距離,進(jìn)一步提升了雷達(dá)對目標(biāo)跟蹤的精準(zhǔn)度。高速目標(biāo)進(jìn)行相位參數(shù)積累時(shí),與目標(biāo)相鄰的回波信號有著固定時(shí)間的信號脈沖,相位時(shí)域上有著一定的延時(shí),通過指數(shù)函數(shù)運(yùn)算即可完成在時(shí)域上的延遲計(jì)算,能夠顯著地節(jié)省人工運(yùn)算量, 為相位控制偏差校準(zhǔn)提供了便利的條件[8]。圖4為相位脈沖模型圖。
圖4 相位脈沖模型圖
在完成了相位控制偏差校準(zhǔn)的基礎(chǔ)上,采用數(shù)據(jù)優(yōu)先級方法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)跟蹤偏差補(bǔ)償方法。根據(jù)極化脈沖技術(shù)實(shí)現(xiàn)極化脈沖測角補(bǔ)償;考慮陣列中互耦和陣列輻射特性不同以及波束指向下陣列極化特性差異提出雷達(dá)跟蹤目標(biāo)位置差異補(bǔ)償方法,雷達(dá)合成波束的極化特性將會根據(jù)雷達(dá)掃描角度變化,使得雷達(dá)獲取極化信息的敏感度趨向于波束角度,在相同的環(huán)境下雷達(dá)的計(jì)劃信息提取更趨向于波束角度方向。據(jù)此精準(zhǔn)地獲取目標(biāo)所在位置以及目標(biāo)所發(fā)出的回波極化信息,實(shí)現(xiàn)雷達(dá)跟蹤目標(biāo)位置差異補(bǔ)償;最后基于超分辨率成像技術(shù)完成目標(biāo)跟蹤偏差補(bǔ)償后的雷達(dá)目標(biāo)成像。
極化脈沖技術(shù)能夠克服雷達(dá)掃描順序和天線波束敏感度對目標(biāo)固有特性位置角度的測量問題,應(yīng)用單個(gè)極化脈沖對雷達(dá)跟蹤目標(biāo)角度的測量技術(shù)已經(jīng)成熟,這種傳統(tǒng)的單一性極化脈沖在進(jìn)行角度測量時(shí),往往會受到天線極化和回波匹配程度的形象,當(dāng)目標(biāo)回波與天線的極化程度嚴(yán)重不匹配時(shí),甚至?xí)斐衫走_(dá)跟蹤目標(biāo)丟失。本文為了避免這種問題出現(xiàn),使用波束方向圖與目標(biāo)脈沖極化聯(lián)合匹配,減小因?yàn)椴ㄐ涡盘柵c目標(biāo)極化失配而導(dǎo)致的目標(biāo)位置角度偏差的產(chǎn)生。在常規(guī)的平面三維坐標(biāo)系中,雷達(dá)將追蹤目標(biāo)的所在位置劃分為四個(gè)不同的三維遙感模式如圖5所示。
圖5 4個(gè)不同的三維遙感模式圖
在象限圖中雷達(dá)所發(fā)出的波束方向與目標(biāo)所產(chǎn)生的波束方向形成零斜差率的波束線段,為了避免全極化天線特性對零斜差波束線段測角性能的影響,需要在合成零斜差波束線段的同時(shí)考慮極化特性的天線合并,零斜差波束測角中全極化天線合并是針對波束陣列而言,每個(gè)波束陣列都可能產(chǎn)生變頻情況,所以需要讓雷達(dá)直接采用ADC儲存方式進(jìn)行數(shù)字采樣[9]。
對零斜差波束線段和極化天線進(jìn)行數(shù)字儲存后,便可以通過數(shù)據(jù)直接進(jìn)行測角,首先對脈沖的N極化和Y極化分別進(jìn)行獨(dú)立的求和求差并與波束的方向線段圖相結(jié)合,再根據(jù)兩極化交叉點(diǎn)所形成的信噪比關(guān)系進(jìn)行非能量干擾合成,根據(jù)合成后的極化坐標(biāo)數(shù)據(jù)可以直接對角度進(jìn)行估計(jì)測量。本文為了確保所測量的角度具有精準(zhǔn)性,應(yīng)用基于最優(yōu)級數(shù)字脈沖技術(shù)進(jìn)行檢驗(yàn),首先對波束的陣列回波和目標(biāo)的波數(shù)方向進(jìn)行聯(lián)合極化處理,獲取脈沖的N極化和Y極化的測角輸出通道,在通道中經(jīng)過目標(biāo)值的檢測后,采用脈沖技術(shù)對目標(biāo)的回波信號進(jìn)行角度檢驗(yàn),然后根據(jù)檢驗(yàn)?zāi)繕?biāo)的波束狀態(tài),將N極化和Y極化的角度輸出通道進(jìn)行最優(yōu)匹配,分別將最佳的角度測量值,傳入到雷達(dá)檢測器中。測角方法的流程如圖6所示。
圖6 測角方法的流程圖
研究基于優(yōu)先級的雷達(dá)目標(biāo)方向圖,是對雷達(dá)天線輻射特性分析的重要手段,對雷達(dá)目標(biāo)方向圖進(jìn)行求解分析使雷達(dá)對目標(biāo)的跟蹤在目標(biāo)方向方面有更高的突破,本文將進(jìn)一步對全極化陣列方向圖進(jìn)行綜合性分析,為了補(bǔ)償雷達(dá)對目標(biāo)跟蹤測量的偏差。
本文在研究雷達(dá)目標(biāo)方向圖采用的分析方法是逆過程方法,首先獲取雷達(dá)已經(jīng)合成的雷達(dá)目標(biāo)方向圖特征,在雷達(dá)的數(shù)據(jù)端口進(jìn)行求解和激勵,將受到求解和激勵的數(shù)據(jù)優(yōu)先處理,使雷達(dá)所檢測到的方向圖特征與數(shù)據(jù)陣列的因子相乘,將最終的數(shù)據(jù)傳輸?shù)嚼走_(dá)端口中綜合優(yōu)先級處理,傳統(tǒng)的處理方法常常不對陣列與方向圖之間的差異進(jìn)行合并極化,進(jìn)而導(dǎo)致雷達(dá)對目標(biāo)跟蹤測量位置產(chǎn)生偏移。本文將主要考慮陣列中互耦和陣列輻射特性不同以及波束指向下陣列極化特性差異提出雷達(dá)跟蹤目標(biāo)位置差異補(bǔ)償方法,對于極化隊(duì)列控制的雷達(dá)波束,僅需要對雷達(dá)波束因子進(jìn)行數(shù)據(jù)化控制,雷達(dá)合成波束的極化特性將會根據(jù)雷達(dá)掃描角度變化,使得雷達(dá)獲取極化信息的敏感度趨向于波束角度,在相同的環(huán)境下雷達(dá)的計(jì)劃信息提取更趨向于波束角度方向[10]。
在雷達(dá)目標(biāo)方向圖中,由于各個(gè)陣列的功率大小不同,進(jìn)而形成了雷達(dá)波束功率特性和波束的設(shè)計(jì)陣列方向圖不完全匹配現(xiàn)象,包括雷達(dá)目標(biāo)方向圖中的電平、零差斜率、波束深度等,因此本文為了針對這些現(xiàn)象提出了全極化陣列雷達(dá)靈活空間掃描波束技術(shù),能夠精準(zhǔn)地獲取目標(biāo)所在位置以及目標(biāo)所發(fā)出的回波極化信息,但是這種技術(shù)需要同陣列的合成方向以及極化特性和波束功率同時(shí)的進(jìn)行控制。
對雷達(dá)跟蹤目標(biāo)偏差進(jìn)行補(bǔ)償,使雷達(dá)對目標(biāo)具有超分辨率的圖像是補(bǔ)償方法的基礎(chǔ),本文將通過雷達(dá)發(fā)射器所發(fā)出的寬帶信號獲取高分辨率的目標(biāo)距離,然后利用雷達(dá)控制平臺對目標(biāo)的相對運(yùn)動進(jìn)行分析,使雷達(dá)控制系統(tǒng)對目標(biāo)進(jìn)行長時(shí)間的連續(xù)觀測,增強(qiáng)雷達(dá)對目標(biāo)距離的分辨能力。對雷達(dá)目標(biāo)進(jìn)行超分辨成像需要雷達(dá)接收機(jī)的配合,要求雷達(dá)接收機(jī)必須有應(yīng)對目標(biāo)寬帶信號的能力,能夠有效地克服雷達(dá)信號的調(diào)頻技術(shù),并且接收機(jī)在成像的過程中,需要保證接收機(jī)內(nèi)部設(shè)備的勻速運(yùn)行,確保目標(biāo)等距離成像并將分辨率均勻分布。
現(xiàn)代雷達(dá)通常處于多功能多模式工作狀態(tài),雷達(dá)可以在正常對目標(biāo)跟蹤的同時(shí)對目標(biāo)進(jìn)行三維空間等速旋轉(zhuǎn)跟蹤,能夠及時(shí)應(yīng)對目標(biāo)多普勒時(shí)間變化的回波信號,在實(shí)際應(yīng)用中,雷達(dá)常常對多目標(biāo)進(jìn)行跟蹤,在完成高分辨率的目標(biāo)成像功能之外,還要同時(shí)完成大范圍的目標(biāo)搜索、跟蹤定位等任務(wù),所以本文將在雷達(dá)體系中增加超分辨率成像技術(shù),有效地增強(qiáng)圖像對比和目標(biāo)成像定位精度,利用CPO數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)超分辨率成像從低維數(shù)據(jù)觀測轉(zhuǎn)換到高維空間目標(biāo)觀測,應(yīng)用壓縮感知理論探測目標(biāo)稀疏信號,可以應(yīng)用較短的數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)高分辨率的目標(biāo)成像。傳統(tǒng)的雷達(dá)成像方法主要采用寬帶外推,這類方法主要是以線性預(yù)測和數(shù)據(jù)擬合的方式來對目標(biāo)模型參數(shù)進(jìn)行估計(jì),再通過小孔外推來提高分辨率,這類方法很難對分散目標(biāo)位置進(jìn)行高精準(zhǔn)度的高分辨率成像,由于科技的不成熟不能夠增加寬帶外推的距離,導(dǎo)致傳統(tǒng)的超分辨率成像會因?yàn)樵肼曇约澳P驼`差的原因產(chǎn)生偏移超分辨率成像。
由上述分析可知,基于數(shù)據(jù)優(yōu)先級實(shí)現(xiàn)極化脈沖測角測量,考慮陣列中互耦和陣列輻射特性不同以及波束指向下陣列極化特性差異提出雷達(dá)跟蹤目標(biāo)位置差異補(bǔ)償方法,實(shí)現(xiàn)雷達(dá)目標(biāo)跟蹤偏差補(bǔ)償。通過對增強(qiáng)雷達(dá)對目標(biāo)距離的分辨能力,去除噪聲及模型誤差造成的雷達(dá)目標(biāo)跟蹤圖像的偏差量,實(shí)現(xiàn)雷達(dá)目標(biāo)補(bǔ)償成像。
為了驗(yàn)證本文方法的有效性,在不同的角度對雷達(dá)對目標(biāo)的跟蹤偏差進(jìn)行補(bǔ)償,以基于多路徑反射的雷達(dá)目標(biāo)跟蹤偏差補(bǔ)償方法為實(shí)驗(yàn)對比方法,進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)研究,通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果來證明本文方法的穩(wěn)定可靠性。
首先,設(shè)定雷達(dá)的信號寬帶參數(shù)為500 MHz,載頻為6.5 GHz,實(shí)驗(yàn)中調(diào)節(jié)脈沖的波束頻率為200 Hz,選取雷達(dá)測量圖中的多普勒寬度適中的超分辨率成像圖,預(yù)防實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)偶然性,兩種方法分別對雷達(dá)跟蹤目標(biāo)的偏差進(jìn)行多次補(bǔ)償,并分別采用126次脈沖回波技術(shù)對補(bǔ)償結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn),應(yīng)用雷達(dá)相位控制手段最大范圍的減少周圍環(huán)境信噪比的強(qiáng)度,保障了實(shí)驗(yàn)環(huán)境的穩(wěn)定性。為了表現(xiàn)兩種方法下對雷達(dá)跟蹤目標(biāo)偏差補(bǔ)償?shù)木珳?zhǔn)程度,將兩種圖像的最終結(jié)果圖利用目標(biāo)回波數(shù)的形式表現(xiàn)出來,圖7為精準(zhǔn)度補(bǔ)償對比圖。
圖7 實(shí)驗(yàn)精準(zhǔn)度補(bǔ)償對比圖
本文方法分別通過脈沖極化測角、對目標(biāo)方向圖、目標(biāo)超分辨率圖像、以及微弱信號測量同時(shí)進(jìn)行偏差補(bǔ)償,通過脈沖極化測角測量確定雷達(dá)目標(biāo)偏轉(zhuǎn)角度,減小因?yàn)椴ㄐ涡盘柵c目標(biāo)極化失配而導(dǎo)致的目標(biāo)位置角度偏差的產(chǎn)生;考慮陣列中互耦和陣列輻射特性不同以及波束指向下陣列極化特性差異,根據(jù)雷達(dá)掃描角度變化,精準(zhǔn)地獲取目標(biāo)所在位置以及目標(biāo)所發(fā)出的回波極化信息,完成目標(biāo)方位補(bǔ)償,最后通過超分辨率成像技術(shù)完成雷達(dá)目標(biāo)補(bǔ)償成像。
根據(jù)圖中的對比結(jié)果可知,基于多路徑反射的雷達(dá)目標(biāo)跟蹤偏差補(bǔ)償方法主要應(yīng)用寬帶外推的方式對雷達(dá)跟蹤目
標(biāo)進(jìn)行線性預(yù)測和數(shù)據(jù)擬合,這種方式主要適應(yīng)于雷達(dá)技術(shù)不發(fā)達(dá)時(shí)期的偏差補(bǔ)償,而當(dāng)代的雷達(dá)具有多功能表現(xiàn)性,需要從多方面同時(shí)進(jìn)行偏差補(bǔ)償,精準(zhǔn)度較低,而本文方法對雷達(dá)跟蹤目標(biāo)偏差的補(bǔ)償精準(zhǔn)度較高,能夠有效去除噪聲、方位及模型誤差造成的雷達(dá)目標(biāo)跟蹤圖像的偏差量,實(shí)現(xiàn)對雷達(dá)目標(biāo)的準(zhǔn)確跟蹤。
本文針對雷達(dá)目標(biāo)跟蹤偏差提出了新的補(bǔ)償方法,從補(bǔ)償目標(biāo)信號的測量到應(yīng)用極化脈沖對雷達(dá)目標(biāo)的測量均提出了新的有效解決方法,根據(jù)數(shù)據(jù)優(yōu)先級原則選取適宜測量方案,實(shí)現(xiàn)對雷達(dá)目標(biāo)跟蹤偏差補(bǔ)償方法的研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所提方法的補(bǔ)償精準(zhǔn)度高,能夠從多方面完成雷達(dá)偏差補(bǔ)償。