高速運動的微弱目標檢測方法研究

張 放，徐 磊，顧 兵

(中國船舶集團有限公司第八研究院，江蘇 揚州 225101)

0 引 言

為了檢測微弱目標，雷達通常增加積累時間來獲取回波信噪比的提高[1]。如果目標是高速運動狀態(tài)，則回波可能在積累期間出現(xiàn)跨距離單元的偏移，導致目標能量分散在相鄰的多個距離單元，此時如仍在同一個距離單元進行相干積累則難以提升檢測效果。因此，有必要在積累前對高速目標回波的距離偏移進行校正，使目標回波落在同一個距離單元，之后再進行相干積累可以達到改善目標信噪比、提升目標檢測能力的目的。由于檢測前目標速度未知，進一步采取步進搜索的方法在預(yù)設(shè)的目標速度范圍內(nèi)進行搜索，通過門限判決輸出最終結(jié)果。

1 包絡(luò)插值移位法

考慮一部線性調(diào)頻脈沖雷達，其第n個回波的基帶信號可表示為：

(1)

式中：Tb為發(fā)射脈寬；b為調(diào)頻率；fc為載波頻率；fd為目標多普勒頻率；τn為第n個脈沖的延遲時間且τn=2(R0+nvT)/c，R0為目標在0時刻的距離，v為目標速度,僅考慮目標勻速運動的情況，即v為常數(shù)。

經(jīng)匹配濾波后，信號頻譜表示為：

(2)

將式(2)變換到時域，得到輸出[2-4]：

(3)

時域信號包絡(luò)p(n,t)為：

(4)

由τn=2(R0+nvT)/c可知，導致每個脈沖出現(xiàn)距離偏移的時間項為2nvT/c，令δn=2nvT/c,將式(3)信號重構(gòu)為：

z(n,t)=x(n,t+δn)=(bT0-fd)·

(5)

重構(gòu)后信號Z(n,t)的包絡(luò)p(n,t+δn)為：

(6)

從式(6)和Z(n,t)的相位可以看出，信號重構(gòu)后其包絡(luò)峰值始終在τ0-fd/b位置，距離偏移被校正，而脈沖間相位是n的線性關(guān)系，不影響相干積累[5]。

包絡(luò)插值移位法實現(xiàn)方法如下：

(1) 設(shè)采樣間隔為Ts，采樣點數(shù)為M，初始采樣時刻為t0，則第n個脈沖第m個采樣點可以表示為：

(7)

(2) 根據(jù)待校正速度的初值v，利用上式的采樣信號進行線性插值、移位處理，可以得到：

z(n,m)=x(n,m+Δm)-[x(n,m+Δm+1)-

x(n,m+Δm)]/Ts·(δn-ΔmTs)

(8)

式中：n=0,1,2,…,N-1；Δm=int(δn/Ts)，其中int表示取整數(shù)。

(3) 對上述插值后的信號做相干積累，輸出為：

(9)

幅度最大時即為積累后的結(jié)果。

(4) 門限判決，將相干積累結(jié)果進行包絡(luò)檢波后與預(yù)設(shè)門限比較，如果低于門限值，則改變速度搜索值，重新執(zhí)行以上過程；反之，表明目標存在，并記下峰值，繼續(xù)速度搜索直至出現(xiàn)最高峰，取此時的速度值為目標速度的粗略估計值，輸出判決結(jié)果。

2 時域平移法

從式(4)可知，第n個脈沖包絡(luò)的峰值偏移的距離為δn=2(n-1)vT/c，n=0,1,2,…,N-1。如果將每一個壓縮脈沖采樣，并將每個脈沖的采樣點作為矩陣的一行依次存入矩陣，則矩陣的每一行都是某一個脈沖的采樣點，每個脈沖偏移的時間量就可以表現(xiàn)為偏移的采樣點數(shù)。這時可以將矩陣按照每行偏移的點數(shù)分塊，然后對每一分塊的列向量作相應(yīng)移位，相當于把所有回波做時間分段處理，從而對各個脈沖的距離偏移進行補償[6]。

時域平移實現(xiàn)方法如下：

設(shè)積累的脈沖總數(shù)為m，假設(shè)m個脈沖包絡(luò)的峰值移動了x個采樣點，因此，x=2vT(m-1)c-1/Ts，Ts為采樣間隔。由于采樣時刻可能會偏離峰值時刻，所以當x為小數(shù)時，為便于算法處理，對上式小數(shù)部分進行四舍五入，即x=round[2vT(m-1)c-1/Ts]，round為四舍五入操作。

(1) 按照偏移點數(shù)將矩陣等分為x+1塊，若不能整除則矩陣被分為x+2塊。

(2) 對矩陣進行平移，矩陣的第1塊由于沒有發(fā)生偏移，因此不進行平移，將第2塊平移1列，第3塊平移2列,……,將第x+1塊平移x列。

(3) 對重構(gòu)后的矩陣進行相干積累。

3 仿真驗證

設(shè)線性調(diào)頻脈沖雷達載頻3 GHz，脈沖重復(fù)頻率600 Hz，發(fā)射脈寬40 μs，信號帶寬2 MHz，采樣頻率4 MHz，目標所處初始距離50 km，速度2 000 m/s，積累脈沖數(shù)為128。預(yù)設(shè)搜索最大速度為3 000 m/s，搜索步進30 m/s。

3.1 包絡(luò)插值移位法

從圖1～圖3可見，高速目標產(chǎn)生距離偏移，目標回波分布在相鄰的幾個距離單元。從圖5～圖7可見，目標回波經(jīng)校正后落在同一個距離單元。從圖4、圖8和圖9可見，經(jīng)校正后相干積累結(jié)果相比校正前有較明顯的提高。圖10是相干積累結(jié)果與搜索速度的關(guān)系圖，可見在目標速度附近可得到最大輸出。

圖1 校正前頻域脈壓總回波

圖2 校正前頻域脈壓總回波(等高線視圖)

圖3 校正前頻域脈壓總回波(等高線視圖局部放大)

圖4 校正前直接相干積累結(jié)果

圖5 校正后頻域脈壓總回波

圖6 校正后頻域脈壓總回波(等高線視圖)

圖7 校正后頻域脈壓總回波(等高線視圖局部放大)

圖8 校正后相干積累結(jié)果

圖9 校正前后的相干積累結(jié)果比較

圖10 相干積累結(jié)果與搜索速度關(guān)系

圖11 校正前頻域脈壓總回波

圖12 校正前頻域脈壓總回波(等高線視圖)

圖13 校正前頻域脈壓總回波(等高線視圖局部放大)

圖14 校正前直接相干積累結(jié)果

圖15 校正后頻域脈壓總回波

圖16 校正后頻域脈壓總回波(等高線視圖)

圖17 校正后頻域脈壓總回波(等高線視圖局部放大)

圖18 校正后相干積累結(jié)果

圖19 校正前后的相干積累結(jié)果比較

圖20 相干積累結(jié)果與搜索速度關(guān)系

3.2 時域平移法

從圖11～圖13可見，高速目標產(chǎn)生距離偏移，目標回波分布在相鄰的幾個距離單元。從圖15～圖17可見，目標回波經(jīng)校正后落在同一個距離單元。從圖14、圖18和圖19可見，經(jīng)校正后相干積累結(jié)果相比校正前有較明顯的提高。圖20是相干積累結(jié)果與搜索速度的關(guān)系圖，可見在目標速度附近可得到最大輸出。

3.3 仿真結(jié)果分析

從仿真結(jié)果看，上述2種方法均實現(xiàn)了對高速目標長時間積累出現(xiàn)的距離偏移的校正，達到了改善目標信噪比、提升目標檢測能力的目的。其中，包絡(luò)插值移位法相干積累輸出最大值為24 865，對應(yīng)的搜索速度值為2 005 m/s；時域平移法相干積累輸出最大值為17 204，對應(yīng)的搜索速度值為21 515 m/s?？梢?，包絡(luò)插值移位法的積累效果要優(yōu)于時域平移法，其速度搜索精度也較高，但在積累時間變長時運算量較大，實時性不夠理想；而時域平移法只進行簡單的移位，復(fù)雜程度較低，實時性優(yōu)于包絡(luò)插值移位法，但在目標信噪比很低時，其搜索精度以及積累效果不夠理想，可考慮應(yīng)用在實時性要求較高的場景。

4 結(jié)束語

本文對高速運動的微弱目標在長時間積累過程中出現(xiàn)的目標距離偏移進行了分析，對包絡(luò)插值移位法和時域平移法對距離偏移的校正效果進行了仿真驗證。仿真結(jié)果顯示2種方法都能校正距離偏移現(xiàn)象，使得相干積累效果得以提升。2種方法在速度搜索精度、積累效果和處理實時性方面存在差異，在具體工程實踐中可以根據(jù)使用需求和2種方法的適用條件加以應(yīng)用，以進一步提升雷達在復(fù)雜環(huán)境條件下的探測能力。