一種提高LFMCW體制雷達測距精度的方法

張宏宇，王冬華,李云飛,尚 娟,張 恒

(1. 海軍指揮所指揮技術保障室，北京 100841；2. 中國船舶重工集團公司第七二四研究所,南京 211153)

一種提高LFMCW體制雷達測距精度的方法

張宏宇1，王冬華2,李云飛2,尚 娟2,張 恒2

(1. 海軍指揮所指揮技術保障室，北京 100841；2. 中國船舶重工集團公司第七二四研究所,南京 211153)

為了消除距離-速度耦合現(xiàn)象對LFMCW體制雷達測距模糊及精度的影響,雷達發(fā)射信號形式采用對稱三角LFMCW信號,利用運動目標在上/下掃頻段頻譜的對稱性仿真驗證了單目標環(huán)境下去距離-速度耦合的有效性,提高了雷達的測距精度。針對多目標環(huán)境下對稱三角LFMCW體制雷達上/下掃頻段目標配對問題,提出了一種聯(lián)合MTD通道檢測結果與目標距離信息的方法進行上/下掃頻段目標的準確配對,從而實現(xiàn)對多目標去距離-速度耦合。仿真結果證明了該方法的有效性。

LFMCW雷達;距離-速度耦合;動目標檢測

0 引 言

線性調(diào)頻連續(xù)波(LFMCW)體制雷達具有質(zhì)量輕、體積小、結構簡單、分辨力高、無距離盲區(qū)等優(yōu)點,從而在近距離、高分辨場合得到越來越廣泛的應用[1-2]。但是,由于雷達采用了線性調(diào)頻波形,其模糊函數(shù)固有的距離-速度耦合特性導致雷達對目標及距離和速度的測量存在模糊現(xiàn)象,嚴重影響了雷達的測距精度[3]。針對LFMCW體制雷達的局限性,本文首先分析了距離-速度耦合現(xiàn)象。為了實現(xiàn)距離-速度的去耦合,雷達發(fā)射信號采用對稱三角LFMCW信號[4],然后分析并仿真驗證了采用此發(fā)射信號形式時單目標情形下去距離-速度耦合的有效性。針對多目標情形下上/下掃頻段目標配對問題,提出了聯(lián)合利用MTD各通道檢測結果與目標距離信息來實現(xiàn)目標配對的方法。仿真驗證了多目標情形下目標配對方法的有效性,提高了雷達的測距精度。

1 LFMCW雷達距離-速度耦合

設LFMCW雷達發(fā)射信號有效時寬為T,其最大探測距離為Rmax,則目標最大回波時延

如圖1所示,第k周期發(fā)射信號形式為

(1)

其中,A0、φ0分別為發(fā)射信號的振幅和隨機初相;f0為發(fā)射信號中心頻率;μ=B/T為調(diào)頻斜率,B為發(fā)射信號有效帶寬;Tr為信號重復周期[5]。

圖1 LFMCW雷達發(fā)射信號示意圖

假設目標距雷達R0,徑向速度為v,則目標模型為

(2)

那么，目標回波延遲為

(3)

其中τ0=2R0/c為目標回波起始延遲時間。第k周期目標回波信號可以表示為

(4)

(5)

其中,ΦR(t)為第k周期目標回波信號的瞬時相位,Kref為目標反射系數(shù)。為了得到第k周期的差拍信號,將SR(t)與ST(t)進行混頻,則差拍信號為

(6)

(7)

因為τ(t+kTr)=τ0+(2v/c)(t+kTr),帶入式(7),化簡后得

(8)

(9)

在距離軸上進行FFT運算,頻譜峰值出現(xiàn)在fR處,因此測定目標的距離為

R0+fdT(c/2B)

(10)

與目標實際距離相差fdT(c/2B),偏差大小與目標的多普勒速度fd有關,從而不能精確測量運動目標的距離信息。這就是LFMCW雷達的距離-速度耦合問題[6]。

2 對稱三角LFMCW信號

為了提高LFMCW雷達的探測精度,必須解決距離-速度耦合問題。雷達發(fā)射信號形式采用對稱三角LFMCW信號,可以有效解決距離-速度耦合問題。

2.1 單目標

2.2 多目標

對于單目標情形,不存在上/下掃頻段目標間的配對問題。但是,在多目標情形下,只有實現(xiàn)了上/下掃頻段目標間的正確配對,才能有效去距離-速度耦合,提高目標的測量精度。

圖2 上/下掃頻段目標配對示意圖

MTD可以將同一距離不同速度的目標區(qū)分開來,使各目標從MTD不同通道輸出,同時結合各目標的距離信息,可以有效實現(xiàn)上/下掃頻段目標間的正確配對。目標配對示意圖如圖3所示。

首先將上/下掃頻段中從同一MTD通道輸出目標分為一類,然后在每個分類中進行上/下掃頻段目標間的距離比較,距離相差最小的實現(xiàn)配對,最后輸出配對結果。

圖3 目標配對示意圖

(1) 上/下掃頻段MTD通道間配對

將上掃頻段與下掃頻段同一通道處目標歸為一類。若i=k,則

其中Li表示第i通道類集。

(2) 上/下掃頻段同一通道內(nèi)目標距離配對

3 仿真分析

3.1 單目標仿真分析

假設目標距離雷達為30km,徑向速度為200m/s。雷達發(fā)射信號形式為對稱三角波調(diào)制LFM信號,工作頻率為10GHz,脈沖重復周期為2ms,正、負斜率LFM信號調(diào)制帶寬均為10MHz,采樣率為20MHz,信噪比為-9.5dB。正斜率通道中檢測目標結果如圖4所示。從圖4中可以看出,目標距離為29.79km,與真實距離相差210m,距離誤差為7%。

負斜率通道中檢測目標結果如圖5所示。從圖5中可以看出目標距離為30.19km。

因為正/負斜率通道中所檢測的目標距離以目標真實距離鏡像對稱,所以解距離-速度耦合后目標距離為

圖4 LFMCW雷達探測運動目標示意圖

圖5 LFMCW雷達探測運動目標示意圖

與真實距離相差10 m,距離誤差為0.33‰。從仿真結果可以看出,對于單目標情形,此種方法可以有效提高雷達的測距精度。

3.2 多目標仿真分析

雷達發(fā)射信號形式為對稱三角波調(diào)制LFM信號,工作頻率為10 GHz,脈沖重復周期為2 ms,正、負斜率LFM信號調(diào)制帶寬均為10 MHz,采樣率為20 MHz,信噪比為-20 dB。目標參數(shù)設定如表1所示,包括了靜止目標、運動目標、相同距離單元不同速度目標以及不同距離單元速度相同目標,總目標個數(shù)為6個。

表1 目標參數(shù)列表(單位m、m/s)

從表1中可以看出,目標1與目標3為不同距離單元但速度相同的目標,目標4與目標5為相同距離單元但速度不同的目標,目標2為運動目標,目標6為靜止目標。

仿真流程如圖6所示,模擬了20個周期下目標回波信號,進行了快時間向的距離變換、MTD以及目標配對算法。MTD處理選取相鄰16個周期數(shù)據(jù)進行FFT處理。

圖6 信號處理仿真流程

正斜率通道中MTD輸出求模結果如圖7所示。從圖中可以明顯看出,因為作了二次對消處理,所以靜止目標被完全抑制,保留下5個運動目標。

圖7 MTD后上掃頻通道檢測結果

檢測到2個動目標從MTD的第12通道輸出,距離分別為19.8、30.26 km;3個動目標從MTD的第6通道輸出,距離分別為15.08、25.08、29.9 km。具體參數(shù)見表2所示。負斜率通道中MTD輸出求模結果如圖8所示。

表2 上掃頻通道MTD檢測結果(單位m)

圖8 MTD后下掃頻通道檢測結果

從圖8中可以看出,5個運動目標從MTD不同通道輸出;3個運動目標從MTD的第3通道輸出,距離分別為14.93、24.92、30.11 km;2個運動目標從MTD的第12通道輸出,距離分別為20.21、29.75 km。下掃頻通道MTD檢測結果見表3。

表3 下掃頻通道MTD檢測結果(單位m)

利用上/下掃頻段目標距離信息及目標輸出通道信息,根據(jù)2.2節(jié)所述配對算法實現(xiàn)上/下掃頻通道目標間的配對。配對結果見表4。

表4 上/下掃頻通道目標配對結果

根據(jù)上/下掃頻通道目標配對結果對目標距離進行修正,最終測量結果見表5。從表中可以看出,目標距離較上掃頻通道或下掃頻通道中目標測距精度有很大提高。

表5 目標測量結果及誤差

通過仿真分析可以看出,對于多目標環(huán)境,包括運動目標、靜止目標、距離相同速度不同目標、速度相同距離不同目標情形下,聯(lián)合上/下掃頻通道所檢測的目標距離信息和MTD輸出通道信息,可以實現(xiàn)上/下掃頻段目標的有效配對,從而正確修正目標距離信息,有效提高了LFMCW體制雷達的測距精度。

4 結束語

本文分析了線性調(diào)頻連續(xù)波(LFMCW)體制雷達的距離-速度耦合現(xiàn)象及特點,提出了一種聯(lián)合MTD通道目標信息與目標距離信息實現(xiàn)上/下掃頻段目標配對方法,從而去距離-速度耦合。通過計算機仿真證明了該方法的有效性,提高了雷達的測距精度。

[1] 肖漢.LFMCW雷達信號處理算法研究與實現(xiàn)[D].電子科技大學,2005.

[2] 孫暉.LFMCW雷達信號處理技術研究[D].南京理工大學,2010.

[3] 肖漢,等.LFMCW雷達多目標MTD-速度配對法[J].電波科學學報,2005,20(6),721-715.

[4] 侯志,等.一種對稱三角線性調(diào)頻連續(xù)波雷達的校正算法[J].兵工學報,2010,31(12),1547-1550.

[5] 李石.LFMCW雷達信號處理軟硬件設計[D].西安電子科技大學,2010.

[6] 楊帆.LFMCW雷達信號處理算法研究及實現(xiàn)[D].西安電子科技大學,2007.

A method to improve ranging accuracy of LFMCW radar

ZHANG Hong-yu1, WANG Dong-hua2, LI Yun-fei2, SHANG Juan2, ZHANG Heng2

(1.Command Technical Support Room of Naval Command Post, Beijing 100841;2. No.724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

To eliminate the effects of range-velocity coupling on the ranging accuracy of the LFMCW radar, the symmetrical triangular LFMCW signals are adopted for the transmitting signals. According to the spectral symmetry of the moving targets in the up and down sweep frequency, the range-velocity decoupling is simulated and verified to be effective in the single-target environment, with the ranging accuracy of the radar improved. In view of the target pairing in the up and down sweep frequency for the symmetrical triangular LFMCW radar in the multi-target environment, a method is proposed that combines the MTD results and the target range information to perform the accurate target pairing and the range-velocity decoupling. The method is verified to be effective via the simulation.

LFMCW radar; range-velocity coupling; MTD

2016-11-20;

2016-12-03

張宏宇(1982-)，男，工程師，研究方向：指揮自動化；王冬華(1988-),男,助理工程師,碩士,研究方向:雷達信號處理;李云飛(1982-),男,高級工程師,碩士,研究方向:雷達信號處理;尚娟(1985-),女,工程師,碩士,研究方向:雷達信號處理;張恒(1982-),男,高級工程師,碩士,研究方向:雷達信號處理。

TN

A

1009-0401(2017)01-0009-04