分布式全相參雷達相位差閉環跟蹤技術

韓小妹， 李雁斌， 黃 勇

（1.空軍駐上海航天局軍事代表室；2.上海無線電設備研究所，上海200090）

0 引言

分布式全相參雷達要求各單元雷達實現發射相參和接收相參，然而為實現發射相參，需要對目標處各單元雷達發射信號的相位差進行跟蹤估計。對于同一目標，由于各單元雷達的分散布設造成雷達與目標的距離各不相同，因此，各單元雷達的發射信號在目標處會產生與其距離差相對應的相位差。同時，分布式系統中各單元雷達間的相位同步誤差也會對目標處各信號間的相位差產生影響。因此，需要對目標處各信號的相位差進行跟蹤估計，進而利用跟蹤結果對發射信號進行相位調整，以實現發射相參的目的［1］。

1 分布式全相參工作原理

分布式全相參雷達系統的工作過程包括接收相參工作模式和發射相參工作模式。系統首先發射正交波形實現接收相參，然后發射相參波形實現發射相參，從而完成全相參工作。

1.1 接收相參工作模式

如圖1所示，每部雷達除接收自己發射信號產生的目標回波之外，還接收其他單元雷達發射信號產生的回波，并采用與發射正交波形匹配的一組濾波器，經過精確的接收延時與相位控制，實現匹配相參處理獲得N2的最大信噪比增益。

圖1 接收相參模式

1.2 發射相參工作模式

分布式全相參雷達的工作原理如圖2所示，各單元雷達發射完全相同的波形，通過精確的發射時間和相位控制，使各單元雷達的發射信號在目標處同時同相相加，即發射全相參，這個相參合成的發射信號經目標發射后，由各單元雷達接收，再經過精確的接收延時和相位控制，進行接收相參合成處理，獲得N3的最大信噪比增益。

圖2 分布式全相參雷達系統框圖

2 同步誤差對相參性能的影響

基于上述工作原理，針對雙站分布式全相參雷達系統，對相參合成后的信噪比改善進行了仿真分析。

假設單元雷達1 和單元雷達2 發射相同波形，并可表示為

式中：u為調頻斜率。

兩路信號在發射時通過時間和相位補償確保信號在目標處相參疊加，目標散射回波信號經不同延時后合成產生模擬目標回波，在兩部單元雷達內對模擬目標回波信號分別進行匹配濾波（共2個信道），再經過時間和相位補償實現全相參合成。

圖3（a）表示雷達在單站、接收相參、全相參工作模式下的回波信號脈壓結果。其中，綠色實線表示單站回波信號的脈壓結果，藍色點劃線表示接收相參合成后的脈壓結果，紅色虛線表示全相參合成后的脈壓結果。圖3（b）表示雷達在接收相參、全相參工作模式下的合成信噪比改善情況。相對于單站信噪比，藍色虛線表示接收相參合成信噪比改善，紅色實線表示全相參合成信噪比改善。

對圖3中的仿真數據分析可知：

a）相對于單站回波，相參合成后脈壓信號幅度提高了4倍（N2倍）；

b）接收相參合成信噪比改善約為6dB；

c）全相參合成信噪比改善約為9dB。

上述仿真結果與第1 章中的理論分析結果一致。

圖4表示雷達在兩種工作模式下不同時延誤差對合成信噪比的影響情況。

對圖4中仿真數據分析可知，雷達在全相參合成工作模式下，信道間的時延誤差將導致造成信噪比迅速惡化，約0.04Tp的時延誤差（Tp為脈壓后的脈沖寬度）就將引起3dB 的信噪比損失；而雷達在接收相參工作模式下，信道間的時延誤差對信噪比的影響相對較小。可以看出，分布式全相參雷達對于時間同步誤差及相位同步誤差的要求非常苛刻，需要專門設計分布式全相參雷達的時間及相位的同步方案。

圖3 回波信號脈壓與信噪比改善結果

圖4 不同時延誤差對合成信噪比的影響

3 相位閉環跟蹤環路

為了實現分布式全相參雷達的相位同步，系統在實現目標檢測跟蹤的過程中，除了采用經典的距離跟蹤環路、速度跟蹤環路和角度跟蹤環路外，還需增加了相位跟蹤環路，對目標處各信號的相位差進行跟蹤估計，進而利用跟蹤結果對發射信號進行相位調整，以實現發射相參的目的。

首先假設兩部單元雷達的發射信號分別為

式中：f0為本振信號中心頻率；Δθ為兩部單元雷達的相位同步誤差。

當上述兩個發射信號到達目標時可表示為

因此，在目標處兩信號的相位差為

式中：ΔφR 表示路程差R1-R2引起的相位差。

結合分布式全相參雷達的工作原理，下面分別闡述接收相參相位跟蹤環路和發射相參相位跟蹤環路。

3.1 接收相參相位跟蹤環路

在接收相參工作模式下，各單元雷達的發射信號相互正交，因此，在同一雷達上，我們利用各單元雷達回波信號的正交性，通過匹配濾波的方式可以分別得到不同雷達的回波信號。利用不同回波信號的相位信息以得到相位差的估計值，如圖5所示。

圖5 接收相參相位跟蹤環路

在單元雷達1處，回波信號經過單元雷達1的本振信號下變頻至基帶信號，再通過匹配濾波分離出兩通道信號：

然后通過鑒相器獲得單元雷達1兩通道信號的相位差估計

3.2 發射相參相位跟蹤環路

在發射相參工作模式下，首先利用相位差估計值對發射的相參信號進行相位調整，實現在目標處兩相參信號的同相疊加，并等效為在目標處有一個發射源向兩雷達分別發射信號，然后再對相位差進行跟蹤。發射相參工作模式下的相位差跟蹤如圖6所示。

假設目標處兩部單元雷達同相疊加后的合成信號為

則兩部單元雷達接收到的回波信號分別經過各自的本振信號下變頻至基帶信號后，可表示為

圖6 發射相參相位跟蹤環路

兩路基帶信號通過鑒相器獲得相位差估計值

比較式（6）與式（14）可得，由于相位同步誤差Δθ的存在，發射相參工作模式下得到的相位差估計值

因此，相位同步誤差將影響發射相參工作模式下的相位差跟蹤精度，從而進一步影響分布式系統的相參性能。

4 相位閉環跟蹤算法

本文提出了一種基于回波信噪比動態估計的相參差閉環跟蹤算法，該方法不依賴目標的先驗回波信號數據，實現分布式全相參雷達的相位閉環跟蹤。

由分布式全相參雷達方程可知：

式中，N 為單元雷達個數；Pt為單元雷達發射功率；G 為單元雷達天線增益；λ為工作波長；σ為目標散射截面積；R 為目標相對距離；L 為系統和空間損耗。

由式（16）可知，在單元雷達數目、發射功率、天線增益、工作波長、目標散射截面積、系統和空間損耗一定的條件下，回波信噪比與目標相對距離R 的4次方成反比，根據雷達輸出的目標相對距離，可以實時計算出當前狀態下分布式雷達全相參工作的回波信噪比估計值，定義合成效率為

式中：S／N 是發射相參工作模式下對相參合成的回波信號進行采集并實時計算的輸出信噪比。

設定最低合成效率指標ηmin，在相參性能監測模塊實時計算合成效率，通過與最低合成效率指標ηmin的比較來確定系統的下一步工作狀態：當≥ηmin時，表明系統相參性能滿足指標要求，則系統循環工作在發射相參工作模式下；而當＜ηmin時，表明系統相參性能不滿足指標要求，則系統需要重新回到接收相參工作模式進行全相參的引導。

為此，提出了回波信噪比動態估計的相位差閉環跟蹤算法：首先，分布式雷達進行接收相參工作，發射正交波形進行相位差跟蹤估計，此時的相位差跟蹤方法是理想的無偏跟蹤過程；然后，分布式雷達轉入發射相參工作，利用上一步所得的相位差估計值，對各單元雷達發射的相參信號進行相位調整以實現發射相參。同時，在發射相參波形條件下進行相位差估計值更新，此后整個系統循環工作在發射相參工作模式下。在此基礎上，在系統的輸出端增加相參性能監測模塊對系統的相參性能進行監測，當系統全相參合成信噪比改善低于8dB時，系統需要重新回到接收相參工作模式進行全相參引導，實現相位差的閉環跟蹤，如圖7所示。

圖7 相參差閉環跟蹤工作流程

5 結論

本文分析了分布式全相參雷達的理論模型，針對分布式全相參雷達這一新體制雷達的實現所面臨的相位差跟蹤問題，根據分布式雷達系統的工作特點，分別提出了接收相參、發射相參工作模式下的相位差跟蹤環路。通過理論推導可知，在接收相參工作模式下可實現相位差的理想跟蹤；而在發射相參工作模式下，各單元雷達的相位同步誤差將影響相位差的跟蹤精度。最后，提出了一種基于回波信噪比動態估計的相參差閉環跟蹤算法，使得系統全相參合成信噪比改善不低于8dB。

［1］ 魯耀兵，張履謙，周萌萌，等.分布式陣列相參合成雷達技術研究［J］.系統工程與電子技術，2013，35（8）：1657-1662.

［2］ 曹哲，柴振海，高紅衛，等.分布式陣列相參合成雷達技術研究與試驗［J］.現代防御技術，2012，40（4）：1-11.

［3］ 殷丕磊，楊小鵬，曾濤，等.分布式全相參雷達的相位差跟蹤技術［J］.信號處理，2013，29（3）：313-318.

［4］ 曾濤，殷丕磊，楊小鵬，等.分布式全相參雷達系統時間與相位同步方案研究［J］.雷達學報，2013，2（1）：105-110.