雜波區(qū)內(nèi)低速目標(biāo)合成寬帶處理方法研究*

秦慶兵

（安徽博微長安電子有限公司 六安 237010）

1 引言

步進(jìn)頻信號作為一種合成寬帶信號，通過發(fā)射頻率步進(jìn)脈沖串，在帶寬較窄的系統(tǒng)上采用一定的處理算法實(shí)現(xiàn)寬帶信號合成［1～5］，具有瞬時帶寬低、合成帶寬高和易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)［6］。在積累的過程中，由于步進(jìn)頻信號本身就是一種多普勒敏感信號，需要進(jìn)行速度補(bǔ)償［7］。現(xiàn)有文獻(xiàn)對頻域合成方法原理的研究一般限于靜止目標(biāo)所引起的回波信號［8］，也可認(rèn)為是運(yùn)動目標(biāo)引起的回波經(jīng)過精確補(bǔ)償后的結(jié)果。但在實(shí)際工程中目標(biāo)可能會受如地雜波背景等非理想因素的影響，最終合成的高分辨率一維距離像會出現(xiàn)柵瓣，這給目標(biāo)分類與識別工作帶來了非常嚴(yán)重的危害，而研究這種“非理想”情形在現(xiàn)實(shí)中更為實(shí)用［9］。

本文介紹了合成寬帶基本原理、多普勒性能，并對雜波背景對目標(biāo)合成寬帶的影響進(jìn)行了仿真分析，著重探討了目標(biāo)視在多普勒速度與工作重頻之間關(guān)系對雜波抑制下的目標(biāo)合成寬帶的影響，并得出幾個有益的工程設(shè)計結(jié)論。

2 合成寬帶基本原理

一個具有N 個階躍的頻率步進(jìn)脈沖串的發(fā)射波形可表示為［10］

接收到的信號為

目標(biāo)的延時為

同相混頻器產(chǎn)生的基帶分量輸出為

混頻器輸出的相位是

混頻器的輸出是低通濾波在t=Si時刻采樣的基帶響應(yīng)，這里Si為在前一個脈沖到該脈沖之間在接近回波信號的中心處產(chǎn)生的采樣信號。假設(shè)采樣時間是如下設(shè)置的：

采樣輸出為

IDFT表示為

由此可以得到符合距離分布復(fù)數(shù)形式的幅度為

至此就完成了脈沖綜合，峰值出現(xiàn)在：

令l0=2NRΔf/c，則對應(yīng)的距離為

最大不模糊距離窗的寬帶為

3 多普勒性能

當(dāng)雷達(dá)和目標(biāo)相對運(yùn)動時，由于相對速度的存在而產(chǎn)生距離多普勒耦合現(xiàn)象［11～12］。當(dāng)目標(biāo)勻速運(yùn)動時，混頻器輸出的相位是

由于速度存在而產(chǎn)生的相位差為

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第一項為常數(shù)項，進(jìn)行IDFT 時不會引起距離移動；第二和第三項為一次項，由于目標(biāo)運(yùn)動而引起距離像位置移動，即距離徙動；第四項為平方相位項，將展寬距離向地峰值響應(yīng)，降低信噪比，即距離色散［13］，要進(jìn)行精確測距或者成像，在進(jìn)行IDFT之前需要進(jìn)行速度補(bǔ)償。

4 雜波影響下低速目標(biāo)速度補(bǔ)償結(jié)果影響分析

為了便于分析，將雜波單元與目標(biāo)散射單元仿真在不同距離單元，仿真條件為第一次發(fā)射載頻2.5GHz，重頻1000Hz，子帶寬8MHz，采樣率20 MHz，步進(jìn)6MHz，步進(jìn)16次，每組脈沖數(shù)15，為了便于觀察將雜波點(diǎn)與目標(biāo)散射點(diǎn)距離拉開進(jìn)行仿真，第一個散射點(diǎn)為固定雜波點(diǎn)，第二、三個散射點(diǎn)為運(yùn)動目標(biāo)的兩個散射點(diǎn)，第一二三點(diǎn)幅值比為2∶2∶3，位置分別為1255m、1300m、1330m，采用頻域速度補(bǔ)償方法，所有仿真含頻譜拼接的相位補(bǔ)償。

單目標(biāo)運(yùn)動速度為90m/s，目標(biāo)視在多普勒處于不模糊重頻中間，與雜波多普勒完全拉開，寬帶合成結(jié)果對比如圖1和圖2所示。

圖1 不含雜波目標(biāo)速度補(bǔ)償前后對比圖

圖2 含雜波目標(biāo)速度補(bǔ)償前后對比圖

定性分析：通過圖1 可以看出，補(bǔ)償前波形展寬發(fā)散，補(bǔ)償后合成目標(biāo)散射點(diǎn)聚合。圖2（a）未進(jìn)行速度補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)果（含雜波）的雜波點(diǎn)理論上雜波點(diǎn)幅度聚合，目標(biāo)散射點(diǎn)發(fā)散，其主要原因是頻域相位拼接能夠最大程度地依據(jù)窗內(nèi)最大散射點(diǎn)進(jìn)行大致的多普勒補(bǔ)償（不含帶內(nèi)補(bǔ)償），且目標(biāo)速度不高，通過相位拼接后發(fā)散影響降低。從圖2 可以看出，在目標(biāo)速度低且強(qiáng)度大于雜波情況下，補(bǔ)償前后與不含雜波情況基本相同，補(bǔ)償前雜波散射點(diǎn)發(fā)散至較小的幅度。由圖2（c）和（d）對比可以看出，雜波抑制后速度補(bǔ)償后合成寬帶效果較理想。

單目標(biāo)運(yùn)動速度為60m/s，目標(biāo)多普勒第一次步進(jìn)的視在多普勒速度與雜波多普勒重合（頻譜的邊），進(jìn)行速度補(bǔ)償及不進(jìn)行速度補(bǔ)合成結(jié)果對比如圖3所示。

圖3 含雜波目標(biāo)速度補(bǔ)償前后對比圖

定性分析：對比圖2 和圖3 可以看出，當(dāng)目標(biāo)視在多普勒處在合成帶寬的邊帶時，含雜波信號目標(biāo)速度補(bǔ)償前的合成寬帶信號存在一定的發(fā)散變形，含雜波信號目標(biāo)速度補(bǔ)償后的合成寬帶信號目標(biāo)信號增強(qiáng)，雜波信號展寬，當(dāng)含雜波信號進(jìn)行雜波抑制，目標(biāo)速度補(bǔ)償后的合成寬帶信號目標(biāo)信號基本未受影響，只是柵瓣較無雜波時有所抬升。

目標(biāo)速度與中心某頻點(diǎn)速度模糊重合，模擬目標(biāo)速度58.8697m/s，在第8 次步進(jìn)點(diǎn)（中心載頻2.548GHz），目標(biāo)模糊多普勒頻率與雜波多普勒頻率重合仿真效果如圖4所示。

圖4 含雜波目標(biāo)速度補(bǔ)償前后對比圖

定性分析：對比圖3和圖4可以看出，當(dāng)目標(biāo)視在多普勒處在合成帶寬的中心時，含雜波信號目標(biāo)速度補(bǔ)償前的合成寬帶信號存在一定的發(fā)散變形，含雜波信號目標(biāo)速度補(bǔ)償后的合成寬帶信號目標(biāo)信號增強(qiáng)，雜波信號展寬，當(dāng)含雜波信號進(jìn)行雜波抑制，目標(biāo)速度補(bǔ)償后的合成寬帶雜波及目標(biāo)信號變形嚴(yán)重。當(dāng)目標(biāo)視在多普勒速度處在合成帶寬的中心時，經(jīng)過雜波抑制，目標(biāo)信號被極大抑制，導(dǎo)致合成帶寬后半段信號在頻域相位拼接不正確，以致合成寬帶像不正確。

5 結(jié)語

通過理論分析和仿真可以得出幾個有益的結(jié)論用以指導(dǎo)工程實(shí)踐。1）在進(jìn)行雜波抑制的合成寬帶工程設(shè)計應(yīng)用時應(yīng)避免目標(biāo)的視在速度落在雜波多普勒譜之內(nèi)，若無法避免，則應(yīng)盡量避免目標(biāo)視在多普勒落在合成帶寬的中心，降低雜波對合成寬帶的影響。2）當(dāng)目標(biāo)速度較低時，通過頻域相位拼接可以一定程度地補(bǔ)償目標(biāo)速度，降低距離像發(fā)散影響。3）通過雜波仿真及距離色散效應(yīng)分析可知，當(dāng)開窗內(nèi)存在不同速度散射點(diǎn)時，不利于速度補(bǔ)償，因此工程設(shè)計需選取大小適宜的步進(jìn)頻合成寬帶開窗。

本文僅仿真了信號較雜波信號大且目標(biāo)速度較低的情況，后續(xù)可以進(jìn)一步仿真雜波信背景下子帶寬、信號相對大小等參數(shù)對合成寬帶影響。