机载PD雷达宽带线性调频信号运动补偿

机载PD雷达宽带线性调频信号运动补偿
曹书华;汪凌艳;赵鹏;张建凌;吴磊
【摘要】Broadband linearly frequency modulated signal is taken as a common method to promote range resolution and anti-interference performance of radar. However,the relative motion between radar and target consumes partial target echo coherent integration energy,influences the target range and frequency resolution. To solve these problems,a motion compensation method based on the improved match filter is found. This method achieves Broadband LFM signal target motion compensation based on compensating target echo phase error. Experimental and simulation results show the effectiveness of the algorithm.%采用宽带线性调频信号能够显著地提高雷达的距离分辨率和抗干扰能力，然而雷达与目标间的相对运动损耗了部分目标回波相参积累能量，影响目标频率向和距离向分辨力。

针对以上问题，提出了一种基于改进匹配滤波函数的运动补偿方法，补偿信号回波中的相位误差，实现宽带线性调频信号目标运动运动补偿。

实验与仿真结果证明了该算法的有效性。

【期刊名称】《火力与指挥控制》
【年(卷),期】2015(000)006
【总页数】5页(P171-175)
【关键词】宽带线性调频信号;脉冲压缩;匹配滤波;运动补偿;脉冲多普勒雷达
【作者】曹书华;汪凌艳;赵鹏;张建凌;吴磊
【作者单位】中航工业雷华电子技术研究所，江苏无锡 214063;中航工业雷华电
子技术研究所，江苏无锡 214063;中航工业雷华电子技术研究所，江苏无锡214063;中航工业雷华电子技术研究所，江苏无锡 214063;中航工业雷华电子技
术研究所，江苏无锡 214063
【正文语种】中文
【中图分类】TP957.51
现代高科技战争对机载PD雷达系统功能与性能提出了越来越高的要求。

一方面要求雷达具有多目标探测、识别、跟踪等多种功能，另一方面要求雷达具有较高灵敏度、抗干扰和低截获性能。

传统的窄带雷达由于发射信号带宽较窄，在目标距离高分辨、低截获和抗干扰性能方面难以满足要求，因此，世界各国相继发展宽带或超宽带机载雷达。

宽带机载雷达具有更高的距离分辨率，从而能够对目标进行分类和识别；具有较宽的带宽，可以提高对隐身目标的探测性能；对外部的窄带电磁信号和噪声的干扰具有更强地抑制能力；宽带信号难以被检测和复制，可以提高雷达的低截获（LPI）
和抗干扰性能［1］。

作为一种新的技术，宽带机载雷达具备很多优势，但在机载PD雷达应用过程中，由于载机与目标间相对较高运动速度，在使用宽带信号时，该速度会引起目标在频域上的展宽，导致目标频率向能量分散或成像方位向模糊；由于宽带信号较高的距离分辨率，在相参积累周期内，目标会跨距离单元走动，引起相参积累能量的损失。

因此，在机载PD雷达探测过程中，必须对宽带信号回波进行一定的补偿，才能满足目标检测或成像的需要［2-7］。

假设雷达发射线性调频脉冲信号，可表示为［8］
式中，为发射脉冲宽度，fo为中心载频，对应波长为为调频斜率，B为调频带宽。

该信号的复包络为
假定目标的初始距离Ro对应的时延为to，即to=；雷达与目标间的径向速度为υ；对于中心频率，雷达与目标间相对多普勒频移为
雷达发射信号周期为T，相参积累脉冲序列为m=0，1，2，…，M-1，第m个脉冲相对于第1个脉冲相参积累时间差τ=m*T。

相对于第1个发射脉冲，后续接收脉冲相位延时。

则雷达接收信号为
接收信号与cos（2πfot）和sin（2πfot）分别进行混频，得到接收信号的基带复信号为
对于每一个PRF同一位置的点，r，是与τ无关的常量；与τ有关的一次调制，而且其脉内调制频率大小不同，由于，所以其调制频率范围是是与τ有关的二次调制。

由于的存在，在作接收信号相参积累时，目标会在频率向展宽，能量分散且影响目标频率向分辨。

换一个角度去理解这个问题：假设宽带线性调频信号调频范围为，雷达与目标间的径向速度为v。

由于发射信号为宽带线性调频信号，脉内频率成分均不同且差异较大，导致目标脉内不同频率回波的多普勒频率相差较多，在脉压和相参积累后，目标回波在频率向发散，致使目标相参积累能量损失，频率维分辨能力下降。

由于目标运动，使得目标的宽带线性调频信号回波在相参积累后的频率向带宽为：如果雷达发射周期为PRI，相参积累点数为N，相参积累时间为t’。

相参积累时，与FFT子滤波器带宽的比即为信号相参积累的信噪比损失倍数。

即：
假设雷达相参积累时间t’为40 ms，在不同相参积累功率损失情况下，雷达信号带宽与目标径向速度之间的关系曲线如图1所示。

对于接收信号sr（t，τ），需要与匹配滤波函数H（t）卷积，完成脉压处理。

对
每个脉冲的目标回波做脉压处理时，理想的匹配滤波函数只会影响目标回波脉冲采样点的距离向位置和幅度，不会影响相参积累时每个采样点的多普勒频率，因此，
目标回波脉压前后的相参积累特性相同。

接收信号脉压后的输出信号为：
脉压输出信号在处取得最大值，即：由于目标多普勒频率的存在，目标脉压后位置会发生位移，如果需要对目标高精度测距，该位移量需要进行距离矫正；由于目标的距离走动，脉压后目标输出位置随着积累时间的增长也会逐渐偏离原位置，不在同一个距离门上，造成目标相参积累的功率下降。

由于载机与目标的相对运动，目标在雷达相参处理时间内发生了距离走动，尤其是宽带信号采样率较高，在整个相参处理时间序列［PRI0，PRI1，…PRIM-1］中，目标在PRI0与PRIM-1时刻在距离上的位置相差1个以上距离门时，就会导致目标相参积累能量在距离上发散，降低目标的相参积累信噪比；在对目标进行一维距离向分辨和识别时，会影响目标的分辨。

相参积累时间内雷达与目标间的距离门走动量为：
一般雷达视频采样率fs≥B，所以
当雷达积累时间为60 ms时，雷达信号带宽与速度间的关系如图2所示。

雷达采用宽带线性调频信号，主要是为了提高目标距离分辨、抗干扰能力等方面的性能。

由于雷达与目标间的相对运动，使目标宽带信号回波相参积累能量损失、方位分辨能力下降，严重影响雷达目标检测性能。

以上问题归于雷达与目标间的相对距离走动，使不同频率成分的目标回波多普勒频率存在较大差异。

如果对不同PRI 内的目标回波信号进行运动补偿，即：通过距离走动补偿的手段消除雷达与目标间的相对运动所引起的脉内不同频率成分目标回波相位的差异，从而实现目标回波有效相参积累。

如式（4）所示，对于接收信号sr（t），ej2πfo（t-to+Δ）为目标回波的一次相位，是脉冲多普勒雷达检测目标速度的依据，不需要进行补偿。

ejπk（ t-to+Δ）2是导致目标宽带信号回波频率维能量发散的原因，需要对其进行补偿。

具体补偿方式是：对脉压时使用的匹配滤波函数进行一定的修正，在二次相位中消除雷达与
目标的相对运动。

改进的匹配滤波可表示为
对每个PRI脉冲目标回波分别补偿，即可实现目标以第1个脉冲回波中心频率为
基准，积累时间内所有脉冲在频率维均移位到第1个脉冲时目标所在频率滤波器内，消除因载机与目标间的相对机动所引起的相参积累能量发散；同时，也消除了雷达与目标间的相对运动所引起的距离走动。

仿真条件：雷达中心频率f0为10 GHz，信号带宽B为1 GHz，脉宽1 μs，周期为5 μs，雷达与目标间的相对径向速度600 m/s，相参积累脉冲数为512个，目标回波信噪比20 dB。

仿真1：目标补偿速度大小为0 m/s，即：直接对目标回波进行相参积累，不对目标运动进行补偿。

仿真2：补偿目标速度大小为300 m/s，即：对目标进行部分速度的运动补偿。

仿真3：补偿目标速度大小为600 m/s，即：对目标运动速度进行完全补偿。

通过上述分析可知，宽带调频信号回波多普勒频率范围为，依据上述仿真条件，计算出该目标回波多普勒频率范围为［38 kHz，42 kHz］，对应频谱上频率门位置为［97.3，107.5］。

从图3可以看出，仿真目标多普勒频率范围与上述理论分析结果一致。

从图5和图6可以看出，对目标运动速度进行部分补偿后，目标频率
维宽度变窄，相参积累能量得到一定程度的提高。

从图7和图8可以看出，对目
标运动速度进行完全补偿后，目标频率向宽度最窄，能量汇聚在发射信号中心频率对应多普勒频率fd所在的滤波器且得到最大程度的积累。

通过图9可以看出，对目标速度进行线性补偿后，目标能量得到线性提高，当补偿速度与目标径向速度相同时，目标相参积累功率最大。

仿真4：目标位置［300 m，301 m］，目标信噪比分别为20 dB和10 dB，其
他仿真条件同上。

运动补偿前和运动补偿后的目标位置如下页图10和图11所示。

目标运动补偿前，两个目标距离向混叠在一起，无法分辨，而且目标位置前移，不
能反映目标真实位置信息；当进行运动补偿后，两个目标在距离向完全分开，且各自处于真实位置。

当采用宽带线性调频信号在对特定目标利用一维距离向高分辨进行目标识别时，必须对宽带回波信号进行运动补偿，否则会导致目标回波混叠，难以实现目标的高分辨。

雷达采用宽带线性调频信号一般用于解决发射脉宽与距离分辨之间的矛盾，用于目标高分辨或对地高分辨成像；另外一个很重要方面，就是用于拓展雷达信号瞬时带宽，增加电子战系统信号侦测难度，迫使其采用宽带干扰，降低雷达接收信号单位带宽的干扰谱密度，增加雷达信干比，提高雷达的抗干扰性能。

但是，当用于脉冲多普勒雷达目标探测时，如果目标速度未知，使用宽带线性调频信号会带来目标回波多普勒频率展宽，目标相参积累能量损失，且目标测速不准的问题，尤其对于机载脉冲多普勒雷达，雷达与目标间相对运动速度较高，上述问题表现的更为突出。

当雷达处于目标跟踪状态，由于目标的先验信息中已知了目标速度，利用上述运动补偿的方法对目标宽带线性调频信号进行补偿，避免了目标多普勒频率展宽和相参积累能量损失的问题，实现目标回波的最优检测。

当使用宽带线性调频信号对目标进行目标识别和分辨时，利用雷达窄带信号获取目标速度信息，依据该速度信息对目标回波进行运动补偿，可以实现目标的距离高分辨。

对于机载雷达，当目标速度未知时，通过上述分析可知，如果只补偿载机运动速度和检测保护速度，即对目标运动速度进行部分补偿，依然可以减小目标相参积累部分能量损失和距离向位置混叠。

宽带线性调频信号因其在目标距离分辨率和抗干扰方面的优异性能而在脉冲多普勒雷达领域得到广泛应用。

由于宽带线性调频信号带宽较宽，导致同一运动目标回波多普勒频率差异较大，相参积累后多普勒频率展宽、能量损失，尤其对于机载脉冲多普勒雷达，雷达与目标间的相对径向速度较大，该问题表现更加严重。

上述现象归结于相参积累期间雷达与目标间的相对距离走动，按照雷达与目标间径向运动速
度大小进行距离走动补偿，可消除宽带雷达目标多普勒频率展宽与距离混叠现象，实现目标相参积累后能量的最大化及距离和频率向的高分辨。

【相关文献】
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