LFM脈沖壓縮雷達近距遮擋分析

于貴龍 李慧敏 李 偉

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

脈沖體制雷達采用收發分時工作是產生近距遮擋的根源。文獻［1］針對高脈沖重復頻率(HPRF)雷達的近距遮擋問題進行了研究，解決方案包括多重PRF 和記憶跟蹤法，文獻［2］給出了線性調頻信號在近距遮擋情況下的雷達方程，文獻［3］討論了其脈壓方法，文獻［4，5］討論了準連續波體制雷達近距遮擋情況下編碼信號的最優碼型設計方法。上述文獻在研究近距遮擋問題時，均未考慮率接收機收發開關切換時間的影響，對于最小探測距離只有十幾米、甚至幾米的極近程探測雷達來說，接收機收發開關切換時間對近距遮擋的影響是不可忽略的。本文針對LFM 脈沖信號，分析了接收機收發開關切換時間對近距遮擋的影響，在此基礎上對近距遮擋情況下的匹配濾波器輸出SNR、測角精度、測距精度等問題進行了深入討論。

1 收發切換時間對近距遮擋的影響

脈沖雷達以收發分時的方式進行工作，發射期間，接收機關閉，雷達向空間輻射能量，發射結束后，接收機接通，正常接收目標回波信號。對于近距目標，當目標回波到達雷達時，發射機仍然處于發射狀態，而接收機處于關斷狀態，回波信號不能被正常接收。對于脈寬為T 的發射信號，發生遮擋的距離為，小于此距離的目標，都將發生近距遮擋。假定目標距離為R，且，則可接收的目標回波時間范圍為，回波時寬為，目標距離越近，回波時寬越窄，理論上不存在探測盲區，最多只會產生時寬損失。

實際中，由于接收機從關斷到接通收發開關切換需要一定的時間(Tsw，Time of switch)，在發射結束時刻，收發開關切換信號有效后接收機還要再等待Tsw后才能進入正常接收狀態，導致近距遮擋更為惡化。根據目前的器件水平，Tsw通常為幾十納秒量級。由于Tsw的存在將導致如下問題:

b)回波時寬更短:處于近距遮擋范圍內的目標，回波時寬減小為;

2 近距遮擋情況下回波SNR 分析

當目標處于遮擋區時，接收的回波時寬小于發射信號時寬，匹配濾波時引起時寬失配。對于LFM信號，時寬失配同時也體現為帶寬失配，帶寬失配比例和時寬失配比例是相等的。對于處于遮擋區的目標，回波信號帶寬B'與發射信號帶寬B 的關系為B'，這里把Rsw=Tswc/2 稱作完全遮擋距離，Rpulse=Tc/2 稱作脈寬距離。可見開關切換時間Tsw越大，對于同一距離目標的回波，帶寬損失越大，所以要盡量降低Tsw。當T sw一定時，目標的距離R 越近，回波信號帶寬越窄，脈壓后的脈沖寬度越大，相應的距離分辨單元越大，這是LFM 信號時寬失配脈壓的特點。這里只考慮時寬失配對匹配濾波的影響，對于多普勒失配的影響不做分析。設回波信號時寬完整時，即R≥(Rpulse+Rsw)，匹配濾波器的信噪比增益為GSNR(Rpulse+Rsw)，則當目標處于遮擋區時，即R＜(Rpulse+Rsw)，匹配濾波器的信噪比增益為:

目標處于遮擋區，距離越近遮擋越大，匹配濾波器失配脈壓產生的信噪比損失越大，但是，距離越近匹配濾波器輸入端回波信噪比越強，回波信噪比與距離是四次方關系，距離減小一半，信噪比提高12dB，這兩個因素對SNR 的影響是相反的。下面綜合考慮這兩個因素分析近距遮擋情況下信噪比的變化。

設目標距離為Rpulse+Rsw，回波信號剛好能獲得完整時寬，在該位置處目標回波信噪比為SNR(Rpulse+Rsw)，則在距離R 處目標回波信噪比為:

在近距遮擋情況下，目標回波經匹配濾波器后的輸出信噪比為:

SNR(R)是以R 為自變量的函數，SNR(R)對R求導數，可以獲得SNR(R)的極大值位置和單調區間，這里直接給出計算結果。當R=2Rsw時，為極大值位置，信噪比最大;當2R sw＜R＜(Rpulse+Rsw)時，SNR(R)隨R 的減小單調遞增，即距離減小信噪比增加;當Rsw＜R＜2Rsw時，SNR(R)隨R 的減小單調遞減，即距離減小信噪比減小。近距遮擋情況下，SNR 隨R 的變化曲線如圖1所示。

圖1 近距遮擋情況下LFM 脈沖信號的R-SNR 曲線

3 近距遮擋情況下測量精度分析

在雷達系統中，影響測角精度和測距精度的因素很多，但是波束寬度、信號帶寬和信噪比是最主要的。測角精度計算式為［6］:

θB為波束寬度，是一個常數，可見σθ只與SNR有關，SNR 是R 的函數，當2Rsw＜R＜R(Rpulse+R sw)時，距離減小，匹配濾波器輸出信號信噪比增大，測角誤差變小，測角精度提高;當R sw＜R＜2R sw時，距離減小，匹配濾波器輸出信號信噪比減小，測角誤差變小，測角精度迅速降低。在近距遮擋情況下，LFM 脈沖信號測角精度σθ與距離R 的關系曲線如圖2所示。

圖2 近距離遮擋情況下LFM 脈沖信號的σθ-SNR 曲線

測距精度計算式為［6］:

式中，SNR 是R 的函數，對于LFM 信號，在近距遮擋情況下回波信號帶寬B'也是R 的函數。距離減小，SNR 增加，σR減小，但是隨著距離減小，B'也減小了，使得σR增大，這兩個因素對σR的影響是相反的。下面綜合考慮這兩個因素分析近距遮擋情況下測距精度的變化。

根據前面的推導，測距精度計算式可以進一步寫為:

σR(Rpulse+Rsw)為R=R pulse+R sw時的測距精度，將上式對R 求導，可得在Rsw＜R＜(Rpulse+Rsw)區間，隨著距離減小，測距精度逐漸惡化，距離越近，惡化的越快。在近距遮擋情況下，LFM 脈沖信號測距精度σR與距離R 的關系曲線如圖3所示。

圖3 近距離遮擋情況下LFM 脈沖信號的σR-SNR 曲線

4 減近距遮擋影響的措施

從以上分析可以看出，影響失配脈壓效果的因素主要包括發射時間T 和開關切換時間Tsw兩部分。發射時間越短，產生近距遮擋的范圍越小，但是信號的平均功率會減小，影響遠區探測;開關切換時間Tsw則是越小越好，它依賴于器件的響應速度，目前Tsw通常可以做到幾十個納秒。雷達設計者比較關注兩點:威力和精度。威力與雷達的輻射能量有關，當雷達發射功率一定時，必須通過增大脈沖寬度的方式來提高作用距離，這同時將使近距遮擋范圍增大，所以作用距離和近距遮擋是相互矛盾的，此消彼長。為了兼顧雷達遠距和近距的探測性能，工程上采取較多的是長短脈沖分集法和長短脈沖切換法。

長短脈沖分集法發射信號如圖4所示。

圖4 長短脈沖分集法

長短脈沖在同一脈沖發射周期內連續順序發射，短脈沖負責近距目標探測，長脈沖負責遠距目標探測，可以在一個PRI內完成對近距和遠距的目標探測。長短脈沖信號在頻域上間隔開，保證頻域隔離度，長短脈沖信號帶寬相等，則接收機帶寬至少是兩倍的信號帶寬加間隔頻率，對應的A/D 采樣率必須是接收機帶寬的兩倍以上，限于A/D 采樣率的有限性及后續信號處理數據量的壓力，采用長短脈沖分集時，調頻帶寬不能太大。例如按計算，在信噪比為12dB 的條件下，要求測距精度為1m，所需的信號帶寬不小于25MHz(計算得σR=0.83m)，設頻率間隔5MHz，則接收機帶寬必須大于55MHz，A/D 采樣率必須大于110MHz。在測距精度要求較高的場合，使用長短脈沖分集法，對信號處理器的硬件要求是很高的。

長短脈沖切換法發射信號如圖5所示。

圖5 長短脈沖切換法

長短脈沖分時發射，在相鄰周期進行切換，與長短脈沖分集相比，時間利用率低。但是這種形式對接收機和信處沒有特殊要求，按照信號帶寬設計即可。由于長短脈沖分時發射，數據率降低，可積累的脈沖數減少，PRI增大，PRF 減小，多普勒容限降低。

5 結束語

本文主要研究了LFM 脈沖信號近距遮擋問題。近距遮擋范圍由發射信號脈寬和接收機收發開關切換時間決定，近距遮擋引起時寬失配和帶寬失配，最終影響匹配濾波器輸出信號的SNR 和系統的測角精度、測距精度。分析發現在近距遮擋范圍內，接收機收發開關切換時間Tsw是一個關鍵的參數，其對應距離為。匹配濾波器輸出信號SNR 以2R sw為分界，隨距離減小先逐漸增加，過分界點后快速減小;測角精度以2Rsw為分界，隨距離減小先逐漸減小，過分界點后快速惡化;測距精度隨距離減小快速惡化。針對失配脈壓的影響，討論了長短脈沖分集法和長短脈沖切換法的特點。

［1］李建彬，夏桂芬.高重頻PD 雷達導引頭抗距離遮擋技術［J］.電視技術，2008，48(10):41-44.

［2］張軍，占榮輝.LFM 脈沖雷達距離維快速搜索處理算法［J］.國防科技大學學報，2008，30(6):114-117.

［3］何松華，黃大華，張軍.線性調頻脈沖壓縮雷達遮擋區目標檢測研究［J］.現代雷達，2009，31(3):14-17.

［4］袁偉明.一種新的準連續波雷達波形設計方法研究［J］.現代雷達.2007，29(9):16-19.

［5］王海青，張勁東，李晟.準連續波雷達的抗距離遮擋波形優化［J］.數據采集與處理，2011，26(5):531-535.

［6］丁鷺飛，張平.雷達系統［M］.西安電子科技大學出版社，1984:79-84，89-92.

［7］丁鷺飛，耿富錄.雷達原理［M］.西安電子科技大學出版社，2006.

［8］邢孟道，王彤，李真芳.雷達信號處理基礎［M］.電子工業出版社，2012，118-120.