基于脈沖壓縮的彈載雷達(dá)目標(biāo)檢測方法研究

齊恩勇

（中國空空導(dǎo)彈研究院河南洛陽471099）

隨著軍事技術(shù)的發(fā)展，空中作戰(zhàn)面臨著越來越嚴(yán)酷的戰(zhàn)場環(huán)境，對精確制導(dǎo)雷達(dá)型空空導(dǎo)彈的制導(dǎo)精度、抗干擾、抗雜波以及多目標(biāo)分辨等戰(zhàn)技性能提出了更高的要求，彈載雷達(dá)是雷達(dá)型空空導(dǎo)彈的重要組成部分，雷達(dá)型空空導(dǎo)彈實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)性能需求的技術(shù)基礎(chǔ)是彈載雷達(dá)的探測能力和探測精度，因此彈載雷達(dá)應(yīng)該具有探測距離遠(yuǎn)和測量精度高的工作性能[1]。隨著現(xiàn)代戰(zhàn)場環(huán)境的日益復(fù)雜以及信息處理能力的飛速發(fā)展，為了提高雷達(dá)型空空導(dǎo)彈的作戰(zhàn)性能，彈載雷達(dá)必須能夠在復(fù)雜的戰(zhàn)場環(huán)境中具有多目標(biāo)分辨能力、正確識別目標(biāo)和干擾、準(zhǔn)確測量被跟蹤目標(biāo)的信息，為制導(dǎo)系統(tǒng)提供精準(zhǔn)目標(biāo)測量信息。在此應(yīng)用背景下，傳統(tǒng)單一波形的主動尋的彈載雷達(dá)導(dǎo)引技術(shù)已經(jīng)不能很好適應(yīng)現(xiàn)代空戰(zhàn)的需求，采用多重頻波形體制，根據(jù)作戰(zhàn)環(huán)境信息切換工作波形，在精確測量目標(biāo)速度和角度信息的同時(shí)，提供對目標(biāo)距離的精確測量，通過增加高分辨的距離測量信息，使彈載雷達(dá)具有多目標(biāo)分辨和目標(biāo)干擾分辨能力，提高彈載雷達(dá)的抗干擾能力和復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境下探測能力，在主動尋的彈載雷達(dá)系統(tǒng)考慮應(yīng)用中重頻測距波形，可有效提高彈載雷達(dá)的目標(biāo)探測能力。因此采用基于線性調(diào)頻波形的脈沖壓縮技術(shù)，使得彈載雷達(dá)具備高距離分辨力的目標(biāo)探測能力，能夠滿足復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境中的作戰(zhàn)需求[2-3]。

脈沖壓縮技術(shù)能夠在確保彈載雷達(dá)作用距離的前提下提高距離分辨力，是實(shí)現(xiàn)高分辨的有效途徑。脈沖壓縮是指發(fā)射寬脈沖調(diào)制信號經(jīng)接收壓縮處理后獲得窄脈沖的過程[4]。由于壓縮是對已知發(fā)射信號的回波作相關(guān)處理，因此脈沖壓縮技術(shù)也具有較高的抗干擾能力。彈載雷達(dá)采用大時(shí)寬帶寬的線性調(diào)頻信號波形，具有探測距離遠(yuǎn)和距離分辨力高的性能，同時(shí)也具備較高的速度分辨能力。本文描述基于線性調(diào)頻波形的脈沖壓縮技術(shù)在主動尋的彈載雷達(dá)導(dǎo)引系統(tǒng)中的應(yīng)用情況。

1 原理描述與仿真分析

為了提高彈載雷達(dá)系統(tǒng)的探測能力、目標(biāo)信號的分辨力和測量精度，要求雷達(dá)信號具有大的時(shí)寬、帶寬以及發(fā)射信號功率，提高信號能量也需要增大信號的時(shí)寬。而固定載頻的脈沖信號時(shí)寬帶寬積等于1，不能同時(shí)保證信號的大時(shí)寬和大帶寬。根據(jù)匹配濾波器理論，采用基于線性調(diào)頻的脈沖壓縮技術(shù)，在寬脈沖內(nèi)實(shí)施線性調(diào)頻來增大信號的頻帶寬度，從而得到大時(shí)寬帶寬積的發(fā)射信號，對接收的回波信號進(jìn)行匹配濾波，即脈沖壓縮處理以獲得具有高分辨力的窄脈沖。發(fā)射大時(shí)寬帶寬積信號，在確保作用距離的同時(shí)提高距離分辨力和速度分辨力[4-5]。線性調(diào)頻信號對多普勒的容忍度高[1，5]，在回波信號有較大的多普勒頻移，匹配濾波器仍能保證脈沖壓縮后峰值增益，線性調(diào)頻波形適合應(yīng)用于多普勒頻率變化范圍較大的空空導(dǎo)彈彈載雷達(dá)導(dǎo)引系統(tǒng)。

線性調(diào)頻（Linear Frequency Modulation，LFM）信號波形可以表示為[5-7]：

調(diào)頻帶寬B=Kτ，調(diào)頻斜率K=B/τ，線性調(diào)頻信號的時(shí)寬帶寬積為D=τB，在脈沖寬度內(nèi)，信號的瞬時(shí)頻率隨時(shí)間t線性變化，表示為：

線性調(diào)頻波形是通過線性頻率調(diào)制獲得大時(shí)寬帶寬積信號，接收時(shí)采用匹配濾波器，通過匹配濾波后，將接收能量壓縮到窄脈沖中，也相當(dāng)于在不提高發(fā)射功率的條件下，得到較高的輸出信號信噪比。壓縮脈沖寬度完全由發(fā)射脈沖持續(xù)期內(nèi)發(fā)射頻率的變化確定，頻率變化，即調(diào)頻帶寬B越大，壓縮脈沖越窄[5]。時(shí)寬-帶寬積也稱為脈沖壓縮比，即接收的脈沖信號被壓縮的程度，對于脈沖壓縮信號，τB＞＞1。

脈沖壓縮是經(jīng)匹配濾波實(shí)現(xiàn)的，匹配濾波函數(shù)根據(jù)發(fā)射信號波形生成[5，8]，其頻譜特性滿足幅度譜與信號頻譜相同、相位譜是信號相位譜的共軛。線性調(diào)頻信號的匹配濾波器時(shí)域脈沖響應(yīng)為h(t)=s*(-t)，則

因此，線性調(diào)頻信號經(jīng)過匹配濾波函數(shù)h（t）后的脈沖壓縮輸出信號為：

其包絡(luò)近似為sinc函數(shù)形狀。

實(shí)際應(yīng)用中，采用數(shù)字脈壓的頻域處理方法，其算法原理是進(jìn)行傅立葉變換（FFT）得到回波信號采樣數(shù)據(jù)的頻譜S（w），再將S（w）與匹配濾波器的頻域響應(yīng)H（w）相乘，最后進(jìn)行逆傅立葉變換（IFFT），得到脈沖壓縮結(jié)果數(shù)據(jù)。對于數(shù)字脈壓處理，由于需要對接收信號進(jìn)行有限采樣點(diǎn)的FFT，線性調(diào)頻信號脈沖壓縮輸出的sinc函數(shù)波形存在較大的旁瓣信號，影響系統(tǒng)的檢測性能，必須采取旁瓣抑制措施。為降低脈壓輸出信號的旁瓣，在IFFT之前還需要進(jìn)行旁瓣抑制加權(quán)處理，即加窗處理，實(shí)際上是失配處理，以實(shí)現(xiàn)旁瓣抑制濾波[5，9]，彈載雷達(dá)采用的脈沖壓縮原理如圖1所示。

圖1 帶有加窗處理的脈沖壓縮原理圖

為了對脈沖壓縮進(jìn)行仿真分析，選定脈沖重復(fù)頻率、脈沖寬度、調(diào)頻帶寬，相應(yīng)確定采樣頻率，對線性調(diào)頻脈沖壓縮進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如圖2所示。

在圖2中的上圖為直接進(jìn)行匹配濾波的仿真結(jié)果，下圖為加窗后的失配處理仿真結(jié)果。直接進(jìn)行匹配濾波處理主副比為13.5 dB，加窗后脈沖壓縮的主副比提高到34 dB，可見主副比得到了明顯的提高，有效抑制了脈沖壓縮輸出的旁瓣電平，確保彈載雷達(dá)信號檢測能力。

圖2 線性調(diào)頻脈沖壓縮仿真示意圖

2 應(yīng)用分析

線性調(diào)頻信號具有較大的時(shí)寬帶寬積，即脈沖壓縮比，能夠獲得較高的脈壓處理增益，經(jīng)脈沖壓縮后信噪比有較大的提高；通過脈間積累處理，同時(shí)完成距測量和速度（多普勒頻率）測量，增加了目標(biāo)信號檢測識別的信息源[10]。對于彈載雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，選擇線性調(diào)頻信號作為發(fā)射波形，既要根據(jù)技術(shù)性能要求，發(fā)揮出線性調(diào)頻脈沖壓縮的技術(shù)優(yōu)勢，又要兼顧工程上的可實(shí)現(xiàn)性，確定合適的脈沖壓縮比、信號波形參數(shù)、脈沖壓縮處理的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)以及相應(yīng)的信號與信息處理算法。脈沖壓縮體制能同時(shí)提高作用距離和距離分辨力。距離分辨力ΔR取決于線性調(diào)頻信號帶寬B:

線性調(diào)頻信號頻寬B越大，則壓縮后的脈沖寬度越窄，距離分辨力也越高。在確定的脈沖壓縮比前提下，則需要在作用距離和距離分辨力之間進(jìn)行綜合選擇，以滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求[11]。

線性調(diào)頻波形設(shè)計(jì)主要確定信號脈壓帶寬、脈沖重復(fù)頻率和脈沖寬度等波形參數(shù)。脈壓帶寬的確定需要考慮以下因素：目標(biāo)干擾分辨要求、多目標(biāo)分辨要求以及高分辨條件下的目標(biāo)反射面積特性等；脈沖重復(fù)頻率的選取需要保證距離模糊不嚴(yán)重，同時(shí)避免過多的雜波頻譜混疊；脈沖寬度的計(jì)應(yīng)保證在中重頻測距模式下彈載雷達(dá)的作用距離滿足系統(tǒng)探測性能要求[4，12-13]。

線性調(diào)頻信號經(jīng)過脈沖壓縮后的輸出信號，除主峰窄脈沖外還存在較高距離旁瓣。在多目標(biāo)環(huán)境中，強(qiáng)回波的旁瓣會淹沒弱小回波的主峰，影響系統(tǒng)對微弱信號的檢測能力，高旁瓣電平會降低系統(tǒng)的多目標(biāo)分辨能力，也可能超過檢測門限造成虛警。在脈沖壓縮處理的實(shí)際應(yīng)用中，采用加權(quán)處理的旁瓣抑制措施，即如圖1所示，在IFFT之前進(jìn)行加窗處理，根據(jù)系統(tǒng)對旁瓣電平抑制要求，選擇適宜的窗函數(shù)，匹配函數(shù)與窗函數(shù)在實(shí)際應(yīng)用中可以先行合并一次性處理，形成失配濾波函數(shù)。加權(quán)處理實(shí)質(zhì)上是失配處理，降低旁瓣電平的同時(shí)會導(dǎo)致主瓣展寬，如上文圖2所示，從而會影響輸出信噪比以及及距離分辨力，失配濾波器設(shè)計(jì)除了考慮窗函數(shù)性能，還需要折中考慮主瓣寬度、脈壓旁瓣以及信噪比損失。漢明（Hamming）窗函數(shù)的調(diào)頻信號脈沖壓縮性能較好，一般選用該窗函數(shù)。彈載雷達(dá)導(dǎo)引系統(tǒng)中采用線性調(diào)頻脈沖壓縮處理，需要綜合考慮時(shí)寬帶寬積、采樣率以及目標(biāo)多普勒頻率變化等因素，以取得滿足系統(tǒng)性能要求的脈沖壓縮效果，確保系統(tǒng)檢測性能[5，9，13]。

基于線性調(diào)頻脈沖壓縮處理的彈載雷達(dá)目標(biāo)信號檢測工作原理如圖3所示[10，14]。彈載雷達(dá)導(dǎo)引系統(tǒng)接收的回波信號的正交化采樣值經(jīng)過脈沖壓縮匹配濾波處理，得到旁瓣抑制后的脈壓結(jié)果數(shù)據(jù)，脈沖壓縮后的信號數(shù)據(jù)首先進(jìn)行預(yù)處理，包括按距離門對數(shù)據(jù)進(jìn)行重排，同一距離門的數(shù)據(jù)進(jìn)行加窗處理；然后再對相同距離門的數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析（FFT），這樣得到速度-距離二維頻譜矩陣，對二維頻譜矩陣實(shí)施二維CFAR檢測，根據(jù)CFAR檢測結(jié)果，經(jīng)過識別確認(rèn)算法，檢測截獲目標(biāo)回波信號，再經(jīng)過信息處理算法，提取目標(biāo)距離和速度（多普勒頻率）測量信息，并且根據(jù)頻譜數(shù)據(jù)相應(yīng)提取到目標(biāo)角度測量信息。目標(biāo)的這些測量信息作為制導(dǎo)系統(tǒng)的輸入信息，從而實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的跟蹤。

圖3 基于脈沖壓縮的目標(biāo)信號檢測原理圖

圖3所示的基于脈沖壓縮的目標(biāo)檢測處理算法已經(jīng)在空空導(dǎo)彈彈載制導(dǎo)雷達(dá)系統(tǒng)中得到了成功應(yīng)用。由于采用了線性調(diào)頻波形的脈沖壓縮處理技術(shù)，在提高距離分辨力和目標(biāo)信息測量精度的基礎(chǔ)上，提高了彈載制導(dǎo)雷達(dá)系統(tǒng)的探測能力和目標(biāo)信號檢測能力，使得彈載制導(dǎo)雷達(dá)系統(tǒng)的多目標(biāo)分辨、目標(biāo)干擾分辨以及抗干擾能力得到提升，從而有效提高了雷達(dá)型空空導(dǎo)彈在復(fù)雜的戰(zhàn)場環(huán)境中技術(shù)能力和作戰(zhàn)性能。

3 結(jié)論

為了提高雷達(dá)型空空導(dǎo)彈的作戰(zhàn)性能，彈載雷達(dá)必須能夠在復(fù)雜的戰(zhàn)場環(huán)境中具有多目標(biāo)分辨能力、正確識別目標(biāo)和干擾、準(zhǔn)確測量被跟蹤目標(biāo)的信息，為制導(dǎo)系統(tǒng)提供精準(zhǔn)目標(biāo)測量信息。提高目標(biāo)信息分辨力和測量精度是多目標(biāo)分辨和抗干擾的需要，是提高彈載雷達(dá)制導(dǎo)系統(tǒng)性能的關(guān)鍵技術(shù)。本文描述了基于線性調(diào)頻信號的脈沖壓縮處理的基本原理，并對脈沖壓縮效果進(jìn)行了仿真分析。對線性調(diào)頻脈沖壓縮處理在彈載雷達(dá)系統(tǒng)應(yīng)用中需要考慮和關(guān)注的波形參數(shù)設(shè)計(jì)和失配濾波器設(shè)計(jì)等進(jìn)行了描述分析。提出了基于線性調(diào)頻脈沖壓縮處理的彈載雷達(dá)目標(biāo)信號檢測和目標(biāo)信息提取算法框架并進(jìn)行了原理描述。采用基于線性調(diào)頻波形的脈沖壓縮技術(shù)，使得彈載雷達(dá)具備高距離分辨力的目標(biāo)探測能力，易于實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)分辨和目標(biāo)干擾分辨[15-16]，有效提高彈載雷達(dá)的復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境下探測能力和抗干擾能力，滿足復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境作戰(zhàn)需求。