一種高速運(yùn)動目標(biāo)長時間積累方法

摘 要： 針對高速運(yùn)動目標(biāo)相位編碼回波信號不能進(jìn)行長時間相參積累，提出雙頻共軛處理方法，該方法采用雙頻共軛及Keystone變換處理，同時解決高速運(yùn)動目標(biāo)越距離單元走動及速度模糊，實(shí)現(xiàn)信號的有效相參積累。采用兩目標(biāo)回波仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了該方法的有效性。

關(guān)鍵詞： 相參積累； Keystone變換； 速度模糊； 越距離單元走動

中圖分類號： TN955?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）13?0028?03

Long?term integration method of high?velocity moving target

ZHANG Tao1， Lü Yan?wei1， ZHANG Lin1， WANG Xiao?dong2

（1. The 27th Research Institute， China Electronics Technology Group Corporation， Zhengzhou 450047， China；

2. Air Defense Force College of PLA， Zhengzhou 450052， China）

Abstract： Since the phase?coded echo signal of high?velocity moving target can’t be long?term coherent integration， a method of double?frequency conjugate processing is proposed in this paper， in which the double?frequency conjugate processing and Keystone transform are adopted to solve the range migration and velocity ambiguity of high?velocity moving target simultaneously and realize effective coherent integration. The two targets echo simulation signals were used in experiment. The experimental results indicate that the method is effective.

Keywords： coherent integration； Keystone transform； velocity ambiguity； range migration

0 引 言

微弱信號的檢測和跟蹤是當(dāng)前雷達(dá)領(lǐng)域的難點(diǎn)之一，雷達(dá)信號的相干積累，可極大地改善目標(biāo)的檢測信噪比。但是，當(dāng)目標(biāo)運(yùn)動速度較高時，相干積累時間有限，長時間相干積累時目標(biāo)會產(chǎn)生越距離單元走動問題，為獲得長相干積累時間，需進(jìn)行距離走動校正處理。Keystone變換是校正越距離單元走動的常用方法[1?10]，文獻(xiàn)[2]采用Keystone變換可有效補(bǔ)償越距離單元走動，但是當(dāng)運(yùn)動目標(biāo)存在多普勒模糊時，需要預(yù)置模糊數(shù)。文獻(xiàn)[4?5]利用雙頻共軛處理解決運(yùn)動目標(biāo)速度模糊問題，將該方法用于空中動目標(biāo)成像。文獻(xiàn)[6]針對相位編碼信號，采用Keystone變換實(shí)現(xiàn)回波信號的長時間相干積累，但該方法需要預(yù)估模糊數(shù)來求解速度模糊。

相位編碼信號是雷達(dá)常用的脈沖壓縮信號，相位編碼信號采用偽隨機(jī)編碼技術(shù)，具有良好的低截獲特性，抗干擾性能好。本文在目標(biāo)徑向速度對相位編碼信號脈壓性能可忽略的前提下，針對相干積累過程中越距離單元走動以及速度模糊問題，采用雙頻共軛處理和Keystone變換，實(shí)現(xiàn)相位編碼雷達(dá)信號的長時間相干積累，提高運(yùn)動目標(biāo)的檢測性能，仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性。

1 回波信號模型

采用巴克碼作為相位編碼信號，[M]位巴克碼為二相編碼信號，脈寬為[Tp]的脈沖被分成[M]個寬度為[Ts]的子脈沖，每個子脈沖相位為0或[π]，則雷達(dá)發(fā)射的基帶信號可以表示為：

[u（t）=q=0M-1rectt-qTsTsexp（jπbq）] （1）

式中：[rect（?）]為矩形脈沖信號；[bq]為取值0或1的巴克碼。

設(shè)在遠(yuǎn)處有一個勻速直線運(yùn)動的點(diǎn)目標(biāo)，則第[n]個脈沖的基帶回波信號為[s（t，n）]：

[s（t，n）=Au（t-τn）exp（-j2πfcτn）] （2）

式中：[A]為目標(biāo)回波幅度；[t=t-nTr]表示快時間；[Tr]為脈沖重復(fù)周期；[fc]為載波頻率；[τn=2R0+vnTrc]為第[n]個脈沖回波時延，[R0]為第一個發(fā)射脈沖時刻目標(biāo)與雷達(dá)的相對距離，[v]為雷達(dá)與目標(biāo)的徑向速度。

脈壓后的信號頻譜為：

[So（f，n）=AP（f）P?（f）exp[-j2π（f+fc）τn] =AP（f）2exp-j4πcR0（f+fc）×exp-j4πc（f+fc）vnTr] （3）

式中[P（f）]為相位編碼脈沖信號的頻譜。

相應(yīng)的時域信號為：

[so（t，n）=A?psf（t-τn）exp（-j2πfcτn）] （4）

式中：[psf（t）=F-1（f）P（f）2]，為點(diǎn)散布函數(shù)。

由式（4）可見，各脈壓信號的峰值位置位于[τn]處，發(fā)射脈沖不同，回波的延遲時間也不同，則脈壓后信號峰值在距離軸上的位置不同，即發(fā)生了距離走動。發(fā)射信號帶寬越大，目標(biāo)速度越高，距離走動越明顯。距離走動使得回波信號能量分散到不同距離分辨單元，從而大大降低雷達(dá)檢測性能[1]。

二相編碼信號為多普勒敏感信號[6]，為了不影響脈壓性能，速度容限[v1]為：

[v1<λ8MTs] （5）

相干積累時間內(nèi)，若目標(biāo)速度引起的距離變化小于半個距離分辨單元，則可忽略距離走動影響，得速度容限[v2]：

[v2

其中[N]為脈沖積累個數(shù)。

本文研究目標(biāo)速度[v]（[v2

2 基于雙頻共軛處理的距離走動校正方法

目標(biāo)的距離走動校正可由Keystone變換[1]完成，Keystone變換借助內(nèi)插的方法實(shí)現(xiàn)：

[Y（f，m）=Sof，fcfc+fm=nSo（f，n）sincfcfc+fm-n] （7）

在多普勒模糊的情況下，Keystone變換公式修正為：

[Y（f，m）=exp-j2πkfrfcfc+fmTr×nSo（f，n）sincfcfc+fm-n] （8）

式中，模糊數(shù)[k]定義為：

[2vc（fc+f）=kfr+fd， fd

Keystone變換可有效地去除低信噪比目標(biāo)的距離走動，但當(dāng)運(yùn)動目標(biāo)的速度較高，產(chǎn)生多普勒模糊時，Keystone變換的應(yīng)用受到限制，使用雙頻共軛處理可解決上述問題[5]。假設(shè)雷達(dá)同時發(fā)射兩個載頻分別為[fc1]和[fc2]的相位編碼信號，雙頻共軛處理方法首先對回波信號進(jìn)行脈沖壓縮，得：

[sr1（t，tn）=i=1QAi?psft-2Ri（tn）c×exp-j4πcfc1Ri（tn）] （10）

[sr2（t，tn）=i=1QAi?psft-2Ri（tn）c×exp-j4πcfc2Ri（tn）] （11）

式中[Q]為散射點(diǎn)個數(shù)。

將這兩個載頻對應(yīng)的脈壓信號進(jìn)行共軛相乘處理，共軛相乘的結(jié)果由各個散射點(diǎn)目標(biāo)的自身項(xiàng)及交叉項(xiàng)組成，只要各散射點(diǎn)的斜距差大于一個距離分辨單元，交叉項(xiàng)可以忽略，得：

[sr（t，tn）=sr2（t，tn）?sr1?（t，tn）≈i=1QAi?psft-2Ri（tn）c2×exp-j4πc（fc2-fc1）Ri（tn）] （12）

對信號幅值開方，將功率量綱調(diào)整為電壓量綱，則式（12）轉(zhuǎn)化為：

[sr（t，tn）≈i=1QAipsft-2Ri（tn）c×exp-j4πc（fc2-fc1）Ri（tn）] （13）

信號[sr（t，tn）]等效中心頻率為[Δf]（[Δf=fc2-fc1]），該頻率遠(yuǎn)小于信號載頻，這相當(dāng)于雷達(dá)的等效工作波長大大增加，目標(biāo)的多普勒頻率大大降低，從而避免了多普勒模糊，使得Keystone變換可能應(yīng)用于目標(biāo)速度較高的情況。若目標(biāo)最大徑向速度為[Vmax]，為了避免多普勒模糊，則：

[Δf<14fr?cVmax] （14）

3 仿真實(shí)驗(yàn)

仿真參數(shù)設(shè)置：雷達(dá)工作頻段Ku頻段，采用13位巴克碼，子碼脈沖寬度[Ts]=50 ns，脈沖重復(fù)周期[Tr]=100 μs，相干積累脈沖數(shù)[N=256，]雷達(dá)載頻[fc1]=16 GHz，[fc2]=16.1 GHz，目標(biāo)1徑向速度[Vt1=]300 m/s，起始距離[R01=]1 000 m，目標(biāo)2徑向速度[Vt2=]1 400 m/s，起始距離[R02]=1 500 m。

采用載頻1，對兩運(yùn)動目標(biāo)回波信號直接進(jìn)行距離脈壓處理，回波信號直接距離脈壓處理后的結(jié)果如圖1（a）所示，由圖可見，兩個目標(biāo)都存在距離走動現(xiàn)象，特別是高速運(yùn)動目標(biāo)2，距離走動更為明顯。采用本文方法對兩運(yùn)動目標(biāo)回波信號進(jìn)行距離脈壓處理，距離脈壓處理后的結(jié)果如如圖 1（b）所示，由圖可見，兩個目標(biāo)的距離走動都得到較好的校正，脈壓結(jié)果處于同一距離分辨單元。

圖1 回波信號距離脈壓處理結(jié)果比較

圖2（a）為256個脈沖直接相參積累的結(jié)果，由圖可見，目標(biāo)1運(yùn)動速度慢，跨距離門較少，直接相參積累性能稍差，目標(biāo)2運(yùn)動速度快，存在嚴(yán)重的距離走動現(xiàn)象，直接相參積累性能很差，影響后續(xù)目標(biāo)檢測處理。圖2（b）為256個脈沖采用本文方法相參積累的結(jié)果，可以看出，兩個目標(biāo)相參積累性能都有所提高，特別是高速運(yùn)動目標(biāo)2，采用本文方法積累后幅度明顯高于直接相參積累方法。

4 結(jié) 論

本文探討了高速運(yùn)動目標(biāo)的越距離單元走動以及速度模糊問題，針對相位編碼信號，提出了解決上述問題的方法，仿真結(jié)果驗(yàn)證了本文方法的有效性。本文方法不需要知道目標(biāo)的具體速度信息，可用于多目標(biāo)環(huán)境，對于改善雷達(dá)對微弱高速運(yùn)動目標(biāo)的檢測性能具有一定的推動作用。

圖2 相參積累結(jié)果比較

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