超高速运动目标回波及其对雷达检测的影响

维普资讯 http://www.cqvip.com 第２９卷第８期　现代雷达　Ｖｏ１．２９　Ｎｏ．８　２００７年８月　Ｍｏｄｅｒｎ　Ｒａｄａｒ　Ａｕｇｕｓｔ　２００７　超高速运动目标回波及其对雷达检测的影响　陈建军，王盛利　（南京电子技术研究所，　南京２１００１３）　【摘要】　超高速运动目标是现代雷达目标检测中遇到的新情况。文中建立了超高速运动目标的回波模型，得出其信　号模型是一多项式调频信号。根据超高速运动目标回波信号的特点，给出了先进行多普勒处理再进行脉冲压缩的超高速　运动目标检测方法。分析了目标的超高速运动对雷达目标检测的影响，并对理论分析进行了仿真验证。最后给出了问题　的解决方向。　【关键词】超高速运动目标；回波模型；雷达目标检测；多普勒处理　中图分类号：ＴＮ９５７　文献标识码：Ａ　Ｅｃｈｏ　Ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　Ｕｌｔｒａ－ｈｉｇｈ　Ｓｐｅｅｄ　Ｍｏｖｉｎｇ　Ｔａｒｇｅｔ　ａｎｄ　Ｉｔｓ　Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｎ　Ｒａｄａｒ　Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ＣＨＥＮ　Ｊｉａｎ－ｊｕｎ，ＷＡＮＧ　Ｓｈｅｎｇ—ｌｉ　（Ｎａｎｊｉｎｇ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，　Ｎａｎｊｉｎｇ　２１００１３，Ｃｈｉｎａ）　【Ａｂｓｔｒａｃｔ】　Ｕｈｒａ—ｈｉｇｈ　ｓｐｅｅｄ　ｍｏｖｉｎｇ　ｔａｒｇｅｔ　ｉｓ　ａ　ｎｅｗ　ｃａｓｅ　ｆｏｒ　ｒａｄａｒ　ｔｒａｇｅｔ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｅｃｈｏ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｏｖｉｎｇ　ｔｒａｇｅｔ　ｉｓ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ａｎｄ　ｉｔ　ｉｓ　ｓｈｏｗｎ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｒｅｔｕｒｎ　ｓｉｇｎａｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔａｒｇｅｔ　ｉｓ　ａ　ｐｏｌｙｎｏｍｉａｌ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｍｏｄｕｌａｔｅｄ　ｓｉｇｎａｌ　ａｃｔｕａｌｌｙ．Ａ　ｎｅｗ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｎ　ｗｈｉｃｈ　Ｄｏｐｐｌｅｒ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｗａｓ　ｄｏｎｅ　ｂｅｆｏｒｅ　ｔｈｅ　ｐｕｌｓｅ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ　ｗａｓ　ｐｕｔ　ｆｏｒｗａｒｄ　ｂａｓｉｎｇ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｕｈｒａ—ｈｉｇｈ　ｓｐｅｅｄ　ｍｏｖｉｎｇ　ｔａｒｇｅｔ￣ｒｅｔｕｒｎ　ｓｉｇｎａ１．Ｔｈｅｎ　ｗｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｕｈｒａ—ｈｉｇｈ　ｓｐｅｅｄ　ｍｏｖｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔａｒｇｅｔ　ｏｎ　ｒａｄａｒ　ｄｅ—　ｔｅｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｖａｌｉｄｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｗａｓ　ｐｒｏｖｅｄ　ｂｙ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ａｔ　ｌａｓｔ，ｗｅ　ｓｈｏｗ　ａ　ｗａｙ　ｔｏ　ｓｏｌｖｅ　ｔｈｉｓ　ｐｒｏｂｌｅｍ．　【Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ】ｕｈｒａ—ｈｉｇｈ　ｓｐｅｅｄ　ｍｏｖｉｎｇ　ｔｒａｇｅｔ；ｔａｒｇｅｔ　ｅｃｈｏ　ｍｏｄｅｌ；ｒａｄａｒ　ｔｒａｇｅｔ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ；Ｄｏｐｐｌｅｒ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　冲积累和脉冲压缩的影响。　０　引　言　ｌ　超高速运动目标回波模型　现代飞行器的速度越来越快，目前无人机的速度已　经可以达到３　４Ｏ０　ｍ／ｓ…，这对传统体制的雷达目标检　假设超高速运动目标作匀速直线飞行，其与雷达的　测提出了挑战。目标的超高速运动会使目标的径向距　几何关系图如图１所示。　离变化率出现较高次幂的变化，使目标表现出高机动　性。在现代脉冲多普勒雷达体制中，目标检测的基本方　法是先对单个脉冲进行脉冲压缩，再对整个脉冲串进行　积累　。目标的高机动性会引起目标回波波动剧烈，从　而使传统的脉冲压缩和多普勒处理无法聚集信号的能　量，不能有效地检测目标。　本文建立了超高速运动目标的回波信号模型，得出　其信号模型实际上是一多项式相位信号。介绍了传统　图１　目标与雷达的几何关系图　脉冲多普勒雷达检测目标的一般原理，主要是讨论了对　在图１中，以雷达为坐标原点建立直角坐标系，假　线性调频信号（Ｃｈｉｒｐ）的脉冲压缩技术和通过多普勒处　设目标开始时的坐标为（　，Ｙｏ，　）；目标飞向雷达，速度　理而实现的相干脉冲串积累技术。针对目标回波信号　为　，与ｚ轴的夹角为０，与　轴的夹角为　，则目标相　的特点我们给出了先进行多普勒处理再进行脉冲压缩　对于雷达的瞬时距离近似为　的信号处理思路。分别讨论了目标的超高速运动对脉　收稿日期：２００７－０３－０２　修订日期：２００７－０７－０２　维普资讯 http://www.cqvip.com 第８期　陈建军，等：超高速运动目标回波及其对雷达检测的影响　６１　，　一　＋≥（　２＋　（１）　的。信号首先经过采样，对其进行离散化后再处理。　设Ａ／Ｄ采样器的采样时间间隔为　，则信号ｓ　（ｔ）的　离散形式为ｓ，（ｍＴｓ），这里用ｓ，（ｍ）表示ｓ，（ｍｒｓ），可以　得到由式（４）所表示的超高速运动目标回波信号的离　散形式为　，ｖ—ｌ　（＼　　Ｒ　／　‘　一　÷（半２　ｓ　（ｍ）＝　ｇ，［　（ｍ）一ｎＴ］×　ｎ＝Ｕ　式中：　。为雷达与目标之间的初始距离：Ｒ　＝　＋　＋　；　Ｊ＝Ｘｏｓｉｎ０ｃｏｓ￣ｐ＋Ｙｏｓｉｎ０ｓｉｍｐ＋Ｚ０ｃｏｓ０，是与目标的初　ｅｘｐ｛ｊ２　（　（ｍ）一玑　］｝×　始位嚣（　。，Ｙｏ，ｚ。）和运动方向（　，　）有关的物理量。　所以雷达接收到的目标回波信号相对于发射信号　的延时为　，＝　一　÷（　＋　÷（ｃ＼　里　一／　　４ｃｆ＼　／　（２）　假设发射的是线性调频信号　ｓ（ｔ）＝＂２ｇ，（ｔ—ｎＴ）ｅｘｐ（ｊ２，ｒ　ｆ）ｅｘｐ［ｊ￣ｒｋ（ｔ—ｎＴ）　］　（３）　式中：ｇ，（ｔ）为门函数；Ｆ为脉冲的持续时间；ｎ为发射　脉冲信号的序号；Ｔ为脉冲重复周期　为发射信号载　频；｜ｉ｝为信号的线性调频率。　若不考虑传播过程中回波信号幅度的变化，以及天　线方向图对回波信号的调制，则经过混频和低通滤波以　后，雷达接收到的回波信号为　ｓ　（ｔ）＝＂２ｇ，［　（ｔ）一ｎＴ］ｅｘｐ｛ｊ２，ｒ　［　（ｔ）一ｔ］｝Ｘ　ｅｘｐ｛ｊ　［　（ｔ）一ｎＴ］　｝　（４）　其中　＋（　＋２　ＲＩ　）　一÷（　一　÷（　ｔ３＋　（　（５）　可以看出与普通的慢速运动目标回波信号相比，　超高速运动目标的回波信号需要考虑更高次幂的时问　变量，为一系数比较复杂的多项式调频信号。目标回　波信号的这一新特点将会对目标的检测产生影响。　２　脉冲多普勒雷达检测目标的基本原理　现代雷达信号处理技术是以数字信号处理为特征　ｅｘｐ｛ｊ竹｜ｉ｝［　（，ｎ）一ｎ　］　｝　ｍ＝０，１，…，　一１　（６）　式中：　为单个脉冲内的采样点数；Ｎ为积累脉冲数。　从式（６）可以看出所要处理的回波信号是一帧信号　（Ｍ　ＸＮ的二维矩阵），其中一维为快时间维；另一维为慢　时间维，其中包含了目标的距离——多普勒二维信息　］。　常规的脉冲多普勒雷达在检测目标时，一般的做　法是先对快时间维进行脉冲压缩来聚集信弓‘能量；再　对慢时问维通过多普勒处理来滤除杂波，在频域上积　累信号的能量　Ｊ。文献［４］提出了先脉冲积累再脉冲　压缩的信号处理思路，并证明了其可行性。对于超高　速运动目标，如果先进行脉冲压缩再进行脉冲积累，则　距离走动会非常严重，已无法聚集信号能量。因此这　里选择先进行脉冲积累再进行脉冲压缩。　脉冲的积累是通过多普勒处理来实现的。多普勒　处理是对一帧时间内从一个固定的距离接收到的回波　信号进行滤波或者谱分析的总称　Ｊ。在很多情况下，　杂波和噪声信号要比目标回波信号的幅度大的多，这　样仅仅依靠幅度是不能检测出目标的。多普勒处理就　是根据目标回波信号的谱分布和杂波、噪声信号的谱　分布之间的差别，在频域把目标和杂波信号分开。　对于式（３）所示的雷达发射信号，如果目标运动　速度较慢，并假设目标与雷达之间的初始距离所引起　的回波传播延时为ｒ　，多普勒频率为　，则其回波信　号ｓ　（ｔ）为　ｓ　（ｔ）＝ｇ，（ｔ—ｒ月）ｅｘｐ［ｊ２￣ｒ（ｆｏ＋　）（ｔ—ｒ月）］Ｘ　ｅｘｐ［ｊ￣ｒｋ（ｔ—ｒ月）　］　（７）　这里由于脉冲压缩是针对单个脉冲进行的，因此只给　出了一个脉冲的回波形式，并且没有考虑信号幅度的　变化和天线方向图对回波信号的调制。　由匹配滤波理论，白噪声条件下的匹配滤波器的　冲激响应为　（ｆ）＝２＿Ｃ，（ｇｆ。一ｒ　一ｆ）ｅｘｐ［一ｊ２　（　一ｒ　一ｆ）］×　ｅｘｐ［一ｊｚｒｋ（ｔ。一ｒ　一ｆ）　］　（８）　维普资讯 http://www.cqvip.com ６２　现代雷达　２９卷　式中：Ｃ为匹配的常数；Ⅳｎ／２为白噪声的功率谱密度；　ｔ。为期望出现最大信噪比的时刻。　回波信号经过匹配滤波后的输出为　在脉冲积累时间内，多普勒频率的变化为一４．０２　Ｈｚ，　负号表示多普勒频率逐渐减小，可以看出在积累时间　内，多普勒频移已经超过了多普勒分辨单元。　３．２对脉冲压缩的影响　５。（丁　）＝　（　—Ｉ丁１）ｅｘｐ［ｊ２霄（　＋拿）丁］×　ｓｉｎｃ｛詈（　丁＋２Ｌ）（Ｔ一　））（９）　脉冲压缩的结果如式（９）所示，可以看出指数函　数ｅｘｐ［・］中目标多普勒频率的存在会使峰值位置平　移。函数ｓｉｎｃ［・］中的多普勒项会使主瓣展宽。主瓣　式中：丁＝ｔ—ｔ。表示信号的延时；Ｔ为脉冲重复周期；　ｓｉｎｃ（ｘ）＝ｓｉｎ（ｘ）／ｘ为抽样函数。　综上所述，我们所提出对超高速运动目标检测处　理的方框图如图２所示。　天　图２超高速运动目标检测处理方框图　图２中的脉间处理指的是对同一个距离门单元内　的数据进行多普勒处理；脉内处理指的是对快拍数据　的脉冲压缩处理。　３　目标的超高速运动对雷达目标检测的影响　３．１对多普勒处理的影响　普通的雷达目标检测中的多普勒处理是利用ＦＦＴ　将同一个距离单元的回波信号变换到频域，以此来分　离目标回波信号、杂波和噪声信号。从目标的回波模　型式（４）或式（６）可以看出超高速运动目标的回波模　型中目标的多普勒频率为　）＝　一　ｔ一　“　ｔ３　（１０）　可以看出目标回波信号的多普勒频率是时间的高　次函数，而通过多普勒处理实现脉冲的相干积累是基　于在积累时间内，目标回波的多普勒频率基本不变，将　回波变换到频域，回波信号就会在某一根谱线位置叠　加的。所以，多普勒频率的快速变化会造成多普勒谱　的展宽，无法积累信号能量　。假设雷达发射信号的　脉冲重复周期为４　ｍｓ；积累的脉冲数为１２８个；目标的　速度为３　４００　ｍ／ｓ；初始距离为５００　ｋｍ；目标的初始运　动变量尺．为一３４９　ｋｍ。则可以得到多普勒分辨率为　１／　＝０．９５　Ｈｚ，其中　＝Ｎ　ＸＰＲＩ为相干积累时间；而　的展宽一方面会引起目标回波能量扩散，使回波信号　较弱的目标不易被检测到；另一方面，若目标回波信号　较强，则扩展的多普勒谱会影响临近距离单元其他目　标的检测。。　。　对脉冲压缩过程进行了仿真，假设发射信号的波　长为３　ｍ；信号的带宽为３０　ＭＨｚ；脉冲持续时间为　１　ｍｓ。目标的回波延时为３　ｍｓ；多普勒频移分别为　０　Ｈｚ、６８０　Ｈｚ（对应径向速度为１　０２０　ｍ／ｓ）和２　２６７　Ｈｚ　（径向速度为３　４００　ｍ／ｓ）。仿真结果如图３和图４所　示。　∞ｐ／　罂　加　∞　如　∞　一如　加　ｊ薤　洲　——一　＝（）　一ｔ，’＝６８０　ｄ　…　２　２６７　８　ｌ４　８　ｌ６　８　ｌ８　０　时问／×１０－　ｓ　图３　未补偿多普勒频移时的压缩脉冲　——一　＝Ｏ　Ｉ对ｌ日１Ｊ／×ｌ０。‘Ｓ　图４对图３中峰值部分的放大图　可以看出：多普勒频移达到２　２６７　Ｈｚ时，已经不　能分辨出主瓣的位置，信号的能量基本上是均匀随机　地分布在整个时间轴上。仿真结果证明了前面关于多　普勒频移对脉冲压缩影响的理论分析的正确性。若对　目标的多普勒频移进行补偿，且假设完全补偿，则经过　∞ｐ／　∞如　维普资讯 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第８期　陈建军，等：超高速运动目标回波及其对雷达检测的影响　６３　补偿后的信号为　粗略地估计目标回波信号的参数，然后用这些参数来　对高次方项进行补偿，补偿之后再进行匹配滤波处理。　ｓ　）＝　［　］ｅｘｐ｛ｊ２＇ｎｆｏ［￣（　一　］）×　（１　１）　在处理慢拍数据时，不能有效地进行多普勒处理　的根本原因是回波信号已不再是单频信号，而是多项　式相位信号，从而导致其多普勒频率也是高次幂的函　ｅｘｐ｛ｊ　［　（ｔ）一ｎＴ］　｝　式中：　（ｔ）的表达式如式（５）所示。对多普勒补偿之　后的脉冲压缩进行了仿真，参数设置与上面相同，仿真　结果如图５和图６所示。　∞　粤　８　ｌｏ　８　ｌ２　８　１４　８　Ｉ６　８　ｌ８　８　２０　８　２２　时间／×１ｏ一　Ｓ　图５多普勒频移补偿后的压缩脉冲　∞　８　ｌ４０　８　Ｉ４５　８　ｌ３【Ｊ　８．１　）　．Ｉ６【Ｊ　８　ｌ６）８　ｌ７０　时间／×ｌ０　Ｓ　图６对图５中峰值部分的放大图　可以看出，虽然对多普勒频移进行了补偿，但是通　过脉冲压缩仍然无法聚集信号的能量，信号的能量比　较均匀地分布在时间轴上。这是因为经多普勒补偿后　的回波信号仍为多项式相位信号，与匹配滤波器的冲　激响应不匹配。　４　问题解决的方向　目前，对脉冲压缩中多普勒频移所引起的主瓣偏　移和副瓣过高的主要改进方法有两种：　（１）采用加窗技术；　（２）采用新的信号形式，如相位编码，频率步进等　信号。　但是考虑到这里回波信号形式已经非常复杂，这　两种方法的效果应该是有限的。我们认为另外一种可　行的处理思路是，先通过在方位向上的多普勒处理来　数。多项式相位信号的傅里叶变换已经不能将其能量　进行聚集，而应采取其他的处理方法。这些方法主要　有匹配傅里叶变换（Ｍｒｒ）、多项式变换（ｖｒ）、多项式　维格纳一维尔变换（ＰＷＶＤ）等。　５　结　语　本文建立了超高速运动目标的回波信号模型，介　绍了脉冲多普勒雷达目标检测的基本原理，提出了对　超高速运动目标的检测处理方法。分析了超高速运动　对脉冲压缩以及脉冲积累的影响，并且进行了试验仿　真。　最后，探讨了问题的解决方向。对目标超高速运　动的影响作进一步的分析和寻找合适的能够积累回波　能量的方法是今后需要研究的方向。　参考文献　［１］　尹怀勤．美国１０倍音速飞机试飞成功［Ｊ］．天津科技，　２００５（１）：４９—５０．　［２］　戴成松．机载脉冲多普勒雷达探测性能检飞［Ｊ］．现代　雷达，１９９８，２０（１）：１—７．　［３］杰里Ｌ伊付斯，爱德华Ｋ里迪．现代雷达原理［Ｍ］．卓　荣邦，杨士毅，张金全，等，译．北京：电子工业出版社，　１９９１．　［４］王盛利，于立，ｌ倪晋麟Ｉ，等．高分辨ＳＡＲ的距离一多　普勒一距离成像方法［Ｊ］．系统工程与电子技术，２００３，　２５（８）：１０１２—１０１４．　［５］　陆林根．线性调频波形消除多普勒频率对距离测量研究　［Ｊ］．系统工程与电子技术，２００２，２４（１１）：１４—１５．　［６］　苏洪涛，刘宏伟，保铮，等．天波超视距雷达机动目标　检测方法［Ｊ］．系统工程与电子技术，２００４，２６（３）：２８３—　２８７．　［７］郭爱芳，侯民胜．ＰＤ雷达距离跟踪系统的计算机仿真　［Ｊ］．电子工程师，２００４，３０（８）：３—５．　陈建军　男，１９８１年生，硕士研究生。研究方向为雷达目　标检测与信号处理。　王盛利　男，１９５７年生，研究员级高级工程师，工学博士。　研究方向为雷达系统设计以及雷达信号处理。