收發分置連續波雷達關鍵技術試驗研究

尹華橋,王順喜

(1. 中國電子科技集團公司第三十八研究所,合肥230088；2. 61195部隊,南京210008)

收發分置連續波雷達關鍵技術試驗研究

尹華橋1,王順喜2

(1. 中國電子科技集團公司第三十八研究所,合肥230088；2. 61195部隊,南京210008)

主要論述了為解決收發分置連續波雷達的直達波抑制及高速目標的大時寬信號處理等關鍵技術,利用現有設備進行技術改造,建立試驗系統開展直達波抑制和目標探測專題試驗研究,通過實測直達波數據對收發分置連續波體制雷達的直達波抑制進行可行性分析,并通過探測實際目標回波數據處理分析對雷達工作波形設計、大時寬信號回波處理等關鍵技術進行了攻關驗證。

連續波；雷達；直達波；大時寬信號

0 引 言

收發分置連續波體制雷達技術中,發射陣對接收陣的直達波影響不可避免,必須考慮采取直達波抑制技術。同時,該類雷達一般需具備對遠距離高速小目標進行探測,設計時多采用發射大時寬信號的方法,而由于觀測目標具有很高的速度和加速度,會造成回波線形調頻斜率發生變化,同時目標在雷達發射脈沖的時間內跨越了多個距離單元,這將使接收的匹配濾波器和脈壓處于失配狀態。因此,對高速目標大時寬信號回波檢測處理也必須進行專題研究。

為有效解決該種體制雷達的直達波抑制及高速目標的大時寬信號處理等關鍵技術,擬利用現有設備進行技術改造,建立試驗系統開展直達波抑制和目標探測專題試驗。通過實測直達波數據對收發分置連續波體制雷達的直達波抑制進行可行性分析,并通過探測實際目標回波數據處理分析對雷達工作波形設計、大時寬信號回波處理等關鍵技術進行攻關驗證。

1 試驗系統構建

基于該雷達的收發站分離,發射連續波體制,試驗系統設備直接采用了某產品的樣機系統進行改造,對波形設計、系統時序以及收發站同步等軟硬件改造,通過記錄儀采集接收目標回波數據后離線處理的方式完成多項試驗任務。

試驗系統觀測目標方式如圖1所示。該系統主要有發射車、接收車和電源車三部分組成,如圖2所示。

圖1 試驗系統觀測目標示意圖

圖2 試驗系統組成框圖

為滿足試驗要求,對原有系統進行改造如下：

(1) 波形設計與時序

采用信號源(E8267D)送激勵信號方式實現發射不同形式信號需求,同時儀表需接一路10 MHz外部時鐘和觸發信號。

時序控制軟件依據工作模式、工作狀態的變動及時更改。

(2) 收發站時頻同步

原樣機工作時,發射車和接收車采用分時工作方式避免了直達波的干擾問題,現要利用該套設備對目標進行探測試驗,發射站與接收站之間在滿足直達波隔離要求的同時還必須保證同步工作,使兩站之間的時頻關系滿足嚴格的相參關系,因此需要將收發站之間的光纜連接進行時頻同步信號改動。

(3) 數據采集與存儲

試驗系統要求對探測目標的回波數據進行實時采集、存儲,現有樣機系統的數字接收機A/D采集板不能滿足試驗系統需求,采用外接合適的采集卡和大容量數據記錄儀進行數據采集、存儲和后續處理分析。

2 關鍵技術攻關試驗

2.1 直達波抑制專題試驗

因試驗系統僅一路接收通道,擬采用以下兩種方式進行直達波抑制專題試驗。

(1) 單通道數據采集試驗

直接采集接收機直達波數據,利用相鄰兩個周期的接收通道數據進行直達波對消處理。

直達波數據產生有兩種方式：一是發射機不工作,直接將信號源輸出射頻信號接入接收機回波輸入端,采集I、Q數據；二是發射機工作,通過接收發射站車副瓣直達波信號,采集實際回波I、Q數據,再進行后續處理。

(2) 雙通道數據采集試驗

因試驗系統發射波形由信號源直接產生,可將接收的直達波數據與信號源輸出信號做雙通道同步采集,以信號源直接采集的I、Q數據作為參考信號進行直達波對消處理。

專題試驗采集線性調頻、相位編碼等不同信號形式的直達波數據,并對其進行處理分析。

? 數據1：線性調頻信號,信號源直接輸入接收通道直達波數據,輸入雜噪比大約16 dB,對消比約為14 dB,如圖3所示。

(a)雜噪比16 dB輸入信號

(b)對消前后比較

? 數據2：相位編碼信號,信號源直接輸入接收通道直達波數據,輸入雜噪比約25 dB,對消比約為21 dB,如圖4所示。

(a)雜噪比25 dB輸入信號

(b) 對消前后比較

? 數據3：接收實際發射直達波數據,根據統計對消參考通道和目標通道幅度誤差在12%以上,相位誤差在10°以上。對消前后效果如圖5所示。可見,直達波最強有大約17 dB,起伏很大,通過對消基本能達到噪聲電平附近。

圖5 直達波數據3處理結果

? 數據4：接收實際發射直達波+觀測飛機目標回波數據。對于1 MHz線性調頻信號,雜噪比7 dB,直達波對消約有5 dB,脈壓后信噪比約有2 dB改善。如圖6所示。

(a) 對消前后信號比較

(b) 對消前脈沖壓縮結果

(c) 對消后脈沖壓縮結果

通過仿真分析和實際數據處理結果分析,試驗結論如下：

(1) 采用LMS改進算法可對直達波進行有效對消處理,但直達波對消改善與輸入雜噪比有很大關系,雜噪比越高,對消比也越高；

(2) 雷達的直達波來源于發射站,其距離已知,對目標檢測主要影響是直達波副瓣的大小。通過試驗數據處理表明,本雷達采用的長時線性調頻信號或相位編碼信號都有很強的副瓣抑制能力,主副瓣比大約在40 dB以上,這一點可有效減小直達波對目標信號的影響；

(3) 直達波抑制采用了構建模擬信號作參考信號、信號源直接采集信號作參考信號及相鄰重復周期作為參考對消通道的對消處理方法。通過對實際采集直達波數據的處理及目標檢測,驗證了直達波處理算法及性能。

2.2 大時寬信號回波處理專題試驗

為了驗證高速機動目標對各種波形的長時積累影響,在試驗場擬使用試驗系統對國際空間站目標(ISS)進行探測數據采集分析。但是,受試驗設備、條件限制,空間站實際橫穿合肥上空最近距離超過了試驗系統的威力范圍,因此無法發現目標,故通過觀測民航目標來等效分析回波數據。

民航目標速度較慢。為了驗證目標跨距離單元帶來的失配損失以及補償后的效果,采用了提高雷達信號帶寬的做法,這樣在目標速度較低的情況下可等效分析高速目標回波跨單元的效果。

2.2.1 大時寬信號失配仿真分析

當運動目標經過長時積累(ms量級)時,不僅僅多普勒會對脈沖壓縮產生影響,目標還會在積累過程中出現跨距離單元。這些都會造成處理損失,如圖7所示。

圖7 不同速度、加速度脈沖壓縮損失示意圖(B=1 MHz,T=50 ms)

由上分析可知,當目標具有高初速度、高加速度的顯著特征時,雷達信號采用LFM形式發射時會因高速運動帶來近百千赫的多普勒頻移和距離上的嚴重耦合；在對回波進行脈壓時會因回波形狀的畸變帶來信噪比損失,其損失值與時寬和目標初速度有關,與目標運動加速度關系十分密切。

2.2.2 大時寬信號數據采集步驟

試驗系統觀測民航機采集大時寬信號回波信號,其步驟主要有：

(1) 信號源(E8267D)產生激勵信號進行發射,對民航機進行探測；

(2) 通過塔臺雷達引導數據包(Radar Box)輸出的民航機實時數據(方位、仰角)引導雷達天線轉動,使天線波束實時對準目標方向；

(3) 由試驗系統的接收回波端引出一路射頻信號接頻譜儀,在頻譜儀上觀測目標回波信號；

(4) 發射信號波形首先用點頻信號,在頻譜儀上觀測飛機目標多普勒頻移信號,如發現目標信號,立即啟動數據記錄儀采集飛機目標數據；

(5) 目標采集數據分三步：一是點頻信號數據采集,二是不同調制信號數據采集(通過信號源快速調用調制信號發射),三是仍回到點頻信號數據采集(確定目標仍可檢測到)；

(6) 采集多種信號形式目標探測數據進行后端離線處理。

2.2.3 大時寬信號采集數據處理分析

(1)B=5 MHz、T=100 ms線性調頻信號

點頻信號譜如圖8所示，分析如下：目標fd=-6.2 kHz,速度約為v=-193.75 m/s,速度-距離耦合約為R=c×fd×T/(2B)=18.6 km。距離分辨率為c/2B=30 m,目標在100 ms積累時間內走動19.38 m,小于一個距離分辨單元。

圖8 目標點頻信號回波頻譜

按照點頻測得多普勒值,進行速度補償。線性調頻信號脈沖壓縮效果如圖9所示。

圖9 目標線性調頻信號回波脈沖壓縮

速度-距離修正為45.4-26.81=18.59 km,信噪比改善為91.93-91.25=0.68 dB。

(2)B=30 MHz、T=100 ms線性調頻信號

圖10 目標點頻信號回波頻譜

點頻信號譜如圖10所示，分析如下：目標fd=-6.5 kHz,速度約為v=-203.125 m/s,速度-距離耦合約為R=c×fd×T/(2B)=3.25 km。距離分辨率為c/2B=5 m,目標在100 ms積累時間內走動20.31 m,跨越多個距離分辨單元。

按照點頻測得多普勒值，進行速度補償。目標回波信號線性調頻速度補償前后脈沖壓縮如圖11所示。

圖11 目標回波信號線性調頻速度補償前后脈沖壓縮對比圖(紅色為補償后)

經過仿真分析和實際采集飛機目標回波數據處理分析,對線性調頻大時寬信號的目標回波處理試驗結論主要有：

(1) 目標高速運動帶來的跨距離單元損失比較嚴重,必須進行補償；

(2) 對線性調頻信號回波處理,當運動目標經長時積累會出現跨距離單元,此時跨距離損失要遠大于多普勒損失。在進行速度補償時,不能簡單地只進行多普勒補償,還要進行跨距離補償；

(3) 試驗對目標回波的處理表明,目前已初步掌握了大時寬信號的目標檢測和處理方法,同時采集的試驗數據可為后續的進一步研究提供便利,可驗證各種算法的有效性。

3 結束語

通過建立試驗系統對收發分置連續波雷達的直達波抑制和大時寬信號回波處理關鍵技術進行了有效的攻關驗證。但是,鑒于試驗條件、試驗設備的限制,對高速小目標的信號檢測仍需在后續工程實踐中進行更深入的研究。

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Research on a test system of key technologies of bistatic CW radar

YIN Hua-qiao1, WANG Shun-xi2

(1. No.38 Research Institute of CETC, Hefei 230088;2.Unit 61195 of the PLA,Nanjing 210008)

In order to solve the technical problem of the direct wave suppression and the large time-width signal processing of high-speed targets for the bistatic CW radar, a test system is built to carry out the test and study of the special subjects on the direct wave suppression and the target detection through the technical innovation of the existing equipment. The feasibility of the direct wave suppression for the bistatic CW radar is analyzed through the direct wave data measured. Besides, the key technologies such as the waveform design and the large time-width signal echo processing are verified through the processing and analysis of the target echo data.

CW; radar; direct wave; large time-width signal

2014-10-20；

2014-11-03

尹華橋(1966-),男,高級工程師,研究方向：雷達系統；王順喜(1978-),男,工程師,碩士,研究方向：電磁場與微波技術。

TN958.94

A

1009-0401(2014)04-0023-04