一種毫米波脈沖壓縮雷達角跟蹤新方法

張 鈞, 楊 健, 范慶輝

(北京遙感設備研究所,北京100854)

0 引言

毫米波脈沖壓縮雷達通常發射具有大時寬帶寬積的信號,如本文研究的線性調頻脈沖壓縮信號,這既能提高雷達探測能力又能提高雷達的距離分辨力。線性調頻脈沖壓縮信號是通過在脈沖持續時間內信號頻率的連續性變化來獲得大的信號帶寬[1,2]。可見,脈沖壓縮雷達可以獲得較高的徑向距離分辨力,當徑向距離分辨率遠小于目標尺寸時,可以得到目標多散射中心在雷達徑向距離軸上的投影分布圖(目標的一維距離像),它反映了不同目標在幾何結構和物理特性上的差異,這使脈沖壓縮雷達具有有效抑制目標的幅度起伏、角閃爍噪聲、距離噪聲的優點,這使其成為雷達研究的一個熱點[3]。

毫米波脈沖壓縮雷達回波信號一般具有多峰的特征,在選擇跟蹤點時會將其回波信號凝聚到最大點上,即選幅度最大的散射點作為跟蹤點,這可抑制其它點對測角精度的影響。艦船目標雷達回波信號經脈沖壓縮、M TD后形成 RD圖,在RD圖上艦船目標一般要跨越幾個多普勒單元,可見選最大值點并不能完全使用RD圖信息。隨著彈目相對運動或目標姿態的改變,幅度最大點會起伏不定,這將導致測角誤差偏大,而合理使用RD圖信息才可減小目標的幅度起伏、角閃爍等的影響,為此本文研究了在RD圖上區域加權選擇跟蹤點方法。

1 脈沖壓縮

毫米波脈沖壓縮雷達發射線性調頻信號(或Chirp信號),它是通過對載波進行線性頻率調制而得到的。線性調頻矩形脈沖信號的復數表達式可以寫成為[4]

若在同一發射周期內,目標的姿態角不變,不同發射周期內目標的姿態角不同,則目標回波響應為

若由于目標運動引起的多普勒頻率為 f d,則式(2)可表示為

對式(3)表示的回波進行混頻、解調后得到基帶信號:

基帶回波信號經過匹配濾波后的輸出為

式中:D=B T表示輸入脈沖和輸出脈沖的寬度比(即壓縮比);H2(ω)=kRi*(ω)exp(-jωt0),(ω)為輸入信號的傅里葉變換的共軛。

對M個同一距離單元的回波數據做FFT即可實現MTD,對M TD結果進行求模所形成的三維圖反映了目標的距離-多普勒特性,所以此圖也稱為RD圖。

2 單脈沖振幅和差式測角原理

振幅和差式測角原理是在同一角平面內發射兩個相同但部分重疊的波束,將其接收信號進行和差處理。如果目標處于兩波束的重疊方向(稱為等信號方向),則兩波束收到的信號強度相同,否則一個波束收到的信號強于另一波束收到的信號。

假設系統中不存在幅度或相位不平衡,天線和差器的兩個輸入端的信號為[1]

式中:A為雷達方程決定的常數;θ0為波束偏角;F(θ)為雷達波束方向性函數;ε為目標偏離等信號強度點的角度;φ為回波信號初始相位;k=|F′(θ0)/F(θ)|為歸一化常數(角誤差斜率)。

一般來說,和差信號經過A/D轉換器、數字下變頻、正交解調后,和差信號分解為同相和正交相兩部分,角誤差可表示為

其中:

可見,必須在和、差通道選擇跟蹤點,選擇最強散射點進行跟蹤即可,但艦船目標一般要跨越幾個多普勒單元,選最大值點并不能完全使用RD圖信息,而合理使用RD圖信息才可減小目標的幅度起伏、角閃爍等的影響。

3 毫米波脈沖壓縮雷達跟蹤點選擇

選擇回波幅度最大散射點作為跟蹤點,能抑制其它散射點對測角精度的影響,但如果回波幅度最大的散射中心其回波幅度隨彈目的相對運動或目標姿態的改變而起伏不定,會導致測角誤差偏大,甚至角跟蹤失敗。

毫米波脈沖壓縮雷達回波信號經M TD后形成RD圖,而艦船目標一般要跨越幾個多普勒單元,選最大值點并不能完全使用RD圖信息,而合理使用RD圖信息才可減小目標的幅度起伏、角閃爍等的影響,獲得穩定的角跟蹤效果。

在獲得了和差通道M TD結果,以和通道最大值的0.8倍作為門限,過門限的點保留,差通道選擇與和通道對應的位置,使用這些點分別計算角誤差,將各角誤差平均加權作為輸出的角誤差,即為

式中:εi為過門限各點計算出的角誤差;N為過門限的點數。

4 實驗結果

實驗數據使用某雷達照射10 km、5 km、4 km處運動的漁船所采集到的數據,由于海面波動使船發生顛簸,船的姿態變化復雜,導致錄取數據的起伏和角閃爍均較強。由于艦船目標的RD圖一般跨越多個多普勒單元,于是一般來說本文方法在RD圖上選擇的是一個區域。圖1表示和通道選取的跟蹤區域及其投影圖,圖2表示方位差通道選取的跟蹤區域及其投影圖,雷達與漁船的距離是5 km。

圖1 和通道選取的跟蹤區域及其投影

圖2 方位差通道選取的跟蹤區域及其投影

對比圖3(b)、3(d)、3(f)可以看出,隨著距離的減小最大值法計算出角誤差變化范圍增大,目標的幅度起伏、角閃爍對測角的影響增強。圖3(f)為以上三圖中角誤差變化范圍最大的,可見不考慮目標的幅度起伏、角閃爍對測角的影響直接使用最大值法會導致測角誤差偏大。圖3(a)、3(c)、3(e)與圖 3(b)、3(d)、3(f)對比可見,圖 3(a)、3(c)、3(e)的角誤差變化范圍變小,角誤差也變得平滑,這說明本文計算角誤差方法可有效減小目標的幅度起伏、角閃爍對測角的影響,使用此角誤差對目標跟蹤,可獲得更加穩定的角跟蹤效果。

圖3 不同距離兩種測角方法計算的角誤差

5 結論

毫米波脈沖壓縮雷達回波信號經脈沖壓縮、M TD后形成RD圖。在RD圖上艦船目標一般要跨越幾個多普勒單元,選最大值點跟蹤并不能完全使用 RD圖信息。為此,本文研究了在 RD圖上區域加權跟蹤點選擇方法。使用本文方法和最大值法分別處理實采數據,說明本文方法可有效減小目標的幅度起伏、角閃爍等的影響,獲得穩定的角跟蹤效果。

[1] 賀志毅.合成寬帶毫米波雷達導引頭的理論及實現[D].航天第二研究院博士學位論文,2002.

[2] 胡體玲.3 mm波段高分辨力單脈沖雷達技術研究[D].南京理工大學博士學位論文,2007.

[3] 吳順君,程曉春,等.雷達信號處理和數據處理技術[M].北京:電子工業出版社,2008.

[4] 李保國,馬君國,趙宏鐘,等.毫米波單脈沖雷達高精度測角算法研究[J].系統工程與電子技術,2005,27(10):1673-1695.

[5] 蘇宏艷,朱淮城.毫米波雷達高分辨抑制角閃爍試驗研究[J].雷達科學與技術,2007,5(5):335-348.