高速目標(biāo)距離、多普勒走動(dòng)及其補(bǔ)償方法

劉育才，馬曉靜

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，合肥 230088；2.解放軍電子工程學(xué)院，合肥 230031)

高速目標(biāo)距離、多普勒走動(dòng)及其補(bǔ)償方法

劉育才1，馬曉靜2

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，合肥 230088；2.解放軍電子工程學(xué)院，合肥 230031)

臨近空間飛行器的出現(xiàn)對(duì)現(xiàn)役雷達(dá)系統(tǒng)提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，其高超聲速特點(diǎn)導(dǎo)致的跨距離單元、跨多普勒單元現(xiàn)象使雷達(dá)系統(tǒng)常用的相參積累處理失效，必須通過(guò)對(duì)目標(biāo)回波信號(hào)進(jìn)行速度、加速度補(bǔ)償才能實(shí)現(xiàn)有效的積累。本文首先分析了臨近空間目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)特性，及其導(dǎo)致距離、多普勒走動(dòng)的原因，然后提出了通過(guò)Keystone變換以及加速度補(bǔ)償處理的方法，并對(duì)工程實(shí)現(xiàn)中面臨的問(wèn)題進(jìn)行了分析，最后通過(guò)仿真驗(yàn)證了算法的可行性。

臨近空間目標(biāo)；距離、多普勒走動(dòng)；Keystone變換；加速度補(bǔ)償

0 引 言

臨近空間高超聲速目標(biāo)能夠在稀薄大氣層作持續(xù)的高超聲速飛行，具有飛行速度快、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、投送能力遠(yuǎn)、突防能力強(qiáng)等特點(diǎn)，能夠完成高空偵察、臨空轟炸、遠(yuǎn)程快速精確打擊重要目標(biāo)等任務(wù)。其中，高超聲速巡航導(dǎo)彈(速度3.5(7 Ma)、高超聲速飛機(jī)(速度4(10 Ma)、高超聲速空天飛行器(速度8(20 Ma)等為臨近空間高超聲速目標(biāo)的典型代表，未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)也會(huì)被首當(dāng)使用。

臨近空間目標(biāo)的高速高機(jī)動(dòng)特性使雷達(dá)對(duì)其進(jìn)行探測(cè)時(shí)產(chǎn)生困難，主要表現(xiàn)在其高速高機(jī)動(dòng)特點(diǎn)引發(fā)的在雷達(dá)積累時(shí)間內(nèi)跨距離單元、多普勒單元現(xiàn)象,使雷達(dá)回波難以有效積累。

1 跨距離單元及其解決方法

在波束駐留時(shí)間內(nèi)，常規(guī)目標(biāo)飛行速度較慢，可以認(rèn)為目標(biāo)在積累時(shí)間內(nèi)不會(huì)跨越距離單元，此時(shí)常規(guī)積累都是針對(duì)同一個(gè)距離單元內(nèi)的回波進(jìn)行的；而臨近空間高超聲速目標(biāo)由于速度快，在積累時(shí)間內(nèi)有可能跨距離單元，即不同周期的脈沖回波包絡(luò)位置不同。如果基于同一個(gè)距離單元作相參積累，就會(huì)導(dǎo)致目標(biāo)的能量泄露而造成積累損失，所以要解決相參積累時(shí)的目標(biāo)跨距離單元問(wèn)題，即距離補(bǔ)償，就是將不同周期的脈沖回波的包絡(luò)進(jìn)行對(duì)齊。

雷達(dá)成像中的Keystone變換法無(wú)需目標(biāo)速度信息即可校正目標(biāo)的線(xiàn)性距離走動(dòng)，在校正目標(biāo)走動(dòng)的同時(shí)保持回波信號(hào)的相位關(guān)系，從而通過(guò)相參積累提高檢測(cè)信噪比。Keystone變換原理如下：

雷達(dá)接收的基帶回波信號(hào)可以表示成二維形式：

(1)

(2)

如果目標(biāo)在tm時(shí)刻近似以恒速飛行，即R(tm)=R0+vtm，v為目標(biāo)的徑向速度，則匹配濾波后的信號(hào)為

式中

式(3)第1個(gè)指數(shù)項(xiàng)表示目標(biāo)在0時(shí)刻的位置，第2個(gè)指數(shù)項(xiàng)為多普勒效應(yīng)引起的載波相位變化，第3個(gè)指數(shù)項(xiàng)即對(duì)應(yīng)回波包絡(luò)平移。 平移使得目標(biāo)能量分散到多個(gè)距離單元，最終導(dǎo)致相參積累增益下降，嚴(yán)重時(shí)甚至無(wú)法完成檢測(cè)。

Keystone變換是對(duì)頻域信號(hào)Sr(f,tm)的tm軸作尺度變換，令

變換后的回波信號(hào)為

當(dāng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度過(guò)快或雷達(dá)脈沖重復(fù)頻率較低時(shí)，回波信號(hào)會(huì)發(fā)生多普勒模糊，需要對(duì)變換后的結(jié)果進(jìn)行修正，定義多普勒模糊數(shù)為k，則有

(5)

為此，在進(jìn)行Keystone變換時(shí)需要知道目標(biāo)的模糊數(shù)。在多目標(biāo)情況下，當(dāng)多目標(biāo)存在速度模糊且各目標(biāo)的模糊數(shù)不等時(shí)，需要在變換后根據(jù)各目標(biāo)的模糊數(shù)分別進(jìn)行修正。例如，在j次模糊因子修正下，回波信號(hào)中只有模糊數(shù)為j的目標(biāo)得到正確修正，包絡(luò)被拉至同一個(gè)距離單元，相參積累后得到積累峰值，而其他目標(biāo)及噪聲因模糊因子不匹配，無(wú)法有效積累。此時(shí)，可采用最大模糊數(shù)遍歷搜索法，對(duì)每一個(gè)可能的模糊數(shù)進(jìn)行分別修正，保留每個(gè)檢測(cè)單元在各次修正后積累的最大譜值，并記錄相應(yīng)的模糊數(shù)。目標(biāo)信號(hào)在正確模糊因子的修正下將得到積累峰值而被保留下來(lái)，而噪聲由于隨機(jī)性在補(bǔ)償中不會(huì)得到有效積累。

2 跨多普勒單元及其解決方法

由于運(yùn)動(dòng)速度有限，對(duì)于常規(guī)目標(biāo)而言可以認(rèn)為是勻速的，回波的多普勒頻率為常數(shù)，因此對(duì)各個(gè)回波脈沖作快速傅里葉變換就可以進(jìn)行多普勒補(bǔ)償。當(dāng)多普勒通道的頻率和回波的多普勒頻率一樣，相位旋轉(zhuǎn)因子將各個(gè)回波的相位調(diào)整到同相進(jìn)行相加，實(shí)現(xiàn)相參積累。但是，對(duì)臨近空間高超聲速目標(biāo)而言，目標(biāo)可能有機(jī)動(dòng)和加速度，即使是勻速目標(biāo)也會(huì)因?yàn)榕c雷達(dá)視線(xiàn)的夾角發(fā)生變化而造成目標(biāo)跨多普勒單元。此時(shí)，目標(biāo)的回波變?yōu)榉瞧椒€(wěn)信號(hào)(線(xiàn)性調(diào)頻信號(hào)或更復(fù)雜的時(shí)間高階多項(xiàng)式信號(hào))，基于單頻率分量的傅里葉變換已不能將各個(gè)回波脈沖調(diào)整到同相。因此，探測(cè)臨近空間高超聲速目標(biāo)的相參積累需要研究目標(biāo)跨多普勒單元時(shí)的多普勒補(bǔ)償。

Keystone變換只能校正由于勻速運(yùn)動(dòng)引起的距離走動(dòng)項(xiàng)，當(dāng)目標(biāo)存在加速度時(shí)，脈沖間的相參積累還必須考慮加速度引起的回波二次相位項(xiàng)，否則，進(jìn)行相參積累時(shí)會(huì)使信號(hào)的頻譜展寬，積累增益下降。

如果已知目標(biāo)加速度a，則可將Keystone變換結(jié)果與exp(j2πaτm2/λ)相乘實(shí)現(xiàn)對(duì)加速度引起的二次相位項(xiàng)的有效補(bǔ)償，補(bǔ)償后可以實(shí)現(xiàn)有效的相參積累。一般情況下，加速度是未知的，此時(shí)需要根據(jù)目標(biāo)可能的加速度范圍采用多通道搜索的方式進(jìn)行處理。

3 工程實(shí)現(xiàn)可行性分析

對(duì)于搜索雷達(dá)，目標(biāo)的速度、加速度信息是未知的。在此情況下，對(duì)于跨距離單元、跨多普勒單元回波信號(hào)的處理需要通過(guò)Keystone變換以及加速度補(bǔ)償進(jìn)行兩維搜索。臨近空間目標(biāo)速度快，最大可達(dá)20 Ma。當(dāng)目標(biāo)相對(duì)雷達(dá)切向勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，視角變化會(huì)引起目標(biāo)相對(duì)雷達(dá)徑向速度的變化，產(chǎn)生一定的加速度。加速度大小和目標(biāo)距離以及速度有關(guān)，不同速度條件下加速度隨距離變化曲線(xiàn)如圖1所示。因此，需要補(bǔ)償?shù)乃俣确秶s為-20～20 Ma，加速度范圍約為-20 g～20 g。運(yùn)算量非常大。在實(shí)際應(yīng)用中，速度、加速度量化的間隔決定了矩陣的維數(shù)。理論上，間隔越小越能減少目標(biāo)真實(shí)運(yùn)動(dòng)參數(shù)與量化值偏差所導(dǎo)致的增益損失(跨越損失)。然而，量化精度的增高也意味著數(shù)據(jù)量的增加，必須在量化精度和增益損失之間作一個(gè)折中，把運(yùn)算量控制在可以實(shí)現(xiàn)的范圍內(nèi)。

4 仿真分析

仿真條件：載頻300 MHz，信號(hào)帶寬0.4 MHz，脈沖重頻200 Hz，積累脈沖數(shù)128個(gè)，目標(biāo)速度20 Ma，加速度20 g，各個(gè)處理節(jié)點(diǎn)仿真結(jié)果如圖2～5所示。

圖1 速度10 Ma、20 Ma時(shí)加速度變化曲線(xiàn)

圖2 目標(biāo)距離走動(dòng)情況

圖3 Keystone變換結(jié)果

圖4 Keystone變換、加速度補(bǔ)償前后積累情況

圖5 加速度補(bǔ)償前后積累增益變化情況

5 結(jié)束語(yǔ)

美、俄等國(guó)正在大力發(fā)展臨近空間平臺(tái)及武器系統(tǒng)，開(kāi)展了多次密集試驗(yàn)，突破了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，在臨近空間高超聲速平臺(tái)和武器研究領(lǐng)域獲得了“里程碑”式的發(fā)展。高超聲速飛行器具有突出的快速反應(yīng)能力，使得“全球到達(dá)、全球作戰(zhàn)”的作戰(zhàn)理念成為可能，對(duì)世界各國(guó)傳統(tǒng)防空系統(tǒng)提出了新的挑戰(zhàn)。本文在臨近空間目標(biāo)特征的基礎(chǔ)上，分析了其高速高機(jī)動(dòng)特點(diǎn)給雷達(dá)系統(tǒng)帶來(lái)的難題，通過(guò)理論以及仿真分析給出了解決方法，對(duì)臨近空間目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展具有一定的參考意義。

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[3] 吳孫勇，廖桂生，朱圣棋，楊志偉.提高雷達(dá)機(jī)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)性能的二維頻率域匹配方法[J]. 電子學(xué)報(bào)，2012(12).

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[5] 張順生，曾濤.基于Keystone變換的微弱目標(biāo)檢測(cè)[J]. 電子學(xué)報(bào)，2005(9).

[6] 王姣，李明，陳洪猛.基于Keystone變換的多目標(biāo)距離走動(dòng)校正[J]. 雷達(dá)科學(xué)與技術(shù)，2012(12).

Range/Doppler migration and compensation methods for hypersonic targets

LIU Yu-cai1, MA Xiao-jing2

(1.No. 38 Research Institute of CETC, Hefei 230088;2. Electronic Engineering Institute, Hefei 230031)

The advent of near space aircraft brings challenges to the radar systems in service. The hypersonic characteristics of near space targets result in the phenomena of range/Doppler cell migration, which make the coherent accumulation processing abnormal. Therefore, it is necessary that velocity and acceleration compensation should be made for the echo signals to realize effective accumulation. Firstly, the motion characteristics of near space targets and the reasons that lead to range/Doppler migration are analyzed. Secondly, the problems faced in the engineering implementation are also analyzed through the Keystone transform and the acceleration compensation. Finally, the algorithm is verified to be feasible through the simulation.

near space target; range/Doppler migration; Keystone transform; acceleration compensation

2014-03-19

劉育才(1982-)，男，工程師，碩士，研究方向：雷達(dá)總體技術(shù)；馬曉靜(1983-)，女，教員，研究方向：雷達(dá)系統(tǒng)與雷達(dá)對(duì)抗。

TN959.6

A

1009-0401(2014)02-0004-03