脉冲压缩体制雷达中精密测距功能的实现

解决作用距离和分辨力之间的矛盾。

由于系统中采用了中频采样、数字脉压等技术 ,当前周期的回波信息 需要延迟若干个重复周期才能送至测距系统 ,因此距离跟踪回路的参数要做相应调整。

关键词 :宽带信号 ;测距 ;脉冲压缩 ;目标检测
距离分辨力与发射脉冲宽度无关 ,而是发射脉冲频带宽 度成正比。

因而只要对发射宽脉冲进行编码调制 ,使其
具有大的频带宽度 ,对目标回波进行匹配处理后
( 即脉冲压缩) 就能获得分辨力很好的窄脉冲输出 , 即τp ≈ 1/ B ( 式中τp 为处理后的输出脉冲宽度; B 为发射脉冲频带宽度) 。

根据这一原理 , 发射脉冲宽度和带宽都足够
大的信号 , 雷达就能同时具有大的作用距离和高的距离分辨力。

引 言
跟踪测量雷达通常采用窄脉冲信号工作 ,主要用于 器控制 、靶场测量和空间探测任务 ,对目标进行高精
、高数据率的连续跟踪测量[ 1 ] 。

当目标距离变化时 , 达通过距离随动系统移动距离波门 ,使距离随回波运 ,以实现对目标距离的连续跟踪。

该雷达发射的是固
载频的脉冲 ,其距离分辨力与发射脉冲宽度成反比 。

原理及框图
增加作用距离 ,就要求加大发射脉冲宽度 ,这样必然 2 降低距离分辨力 。

雷达作用距离和雷达分辨能力是
达的两项重要性能指标。

根据雷达模糊原理 ,雷达的
测距系统的组成框图如图 1 所示 。

图 1 测距系统的组成框图 该测距系统由软件和硬件两部分组成 。

硬件部分主要包括接口模块、D S P 处理模块、定时 完成处理结果向其他系统的传送任务 ; D S P 处理模块 完成脉冲压缩 、目标检测、测距回路闭环跟踪控制等 ;定。

关匹配滤波 ,通常用时域处理和频域处理两种方法实现
这一过程[ 2 ] 。

由于通用 D SP 软件化及灵活性的特点 ,
本系统采用 D S P 芯片 TS201[ 3 ]
实现脉压。

实测 16384 点 F F T 时间为 762 . 5μs ( TS201/ 500 M Hz 主频) ,16384
软件部分主要包括数字脉冲压缩、α2β滤波、目标跟
制、工作方式控制、数据交换等模块。

其中 ,数字脉
缩完成回波信号的脉压处理 ;α2
β滤波器完成跟踪 距离及运动速度的滤波平滑和预测外推 ;目标跟踪
模块的主要功能是根据雷达指定的工作方式和有
测数据判断目标的跟踪与丢失 ,控制α、
β参数的选 点脉压时间约 1 . 8 m s ,所以脉压处理要占用一个
( = F r 292 . 7661 Hz ) 或两个 ( 3 . 2 目标检测
F r = 585 . 5322 Hz ) 脉冲周期 。

工作方式控制模块的主要功能是根据外部控制指令 目标检测采用双门限方法 。

本雷达目标主要出现
在无杂波区 ,影响目标检测的主要因素是热噪声 ,因此 采用噪声门限作为第一门限。

第一门限检测后 ,进行第 二门限的检测 ,并作为目标发现和消失的判断。

检测准 则为 N/ M ,即在 M 次脉冲照射中 , 有 N 次以上的信号 超过第一门限判为发现 , 则检测器判为目标发现。

目标 检测原理如图 2 所示。

关数据完成距离截获方式、判 N 、避盲、应反转换 制 ;数据交换模块通过高速串口、光纤等其他系统 数据 。

系统实现
脉冲压缩
数字脉冲压缩技术应用数字信号处理方法完成相
图 2 目标检测原理框图
式中 , M 为雷达重复周期数 ; N 为某距离单元判为有目
N 的最佳近似公式为
N ≌1 . 5
标过第一门限的个数; P d1 为单次照射周期检测率; P fa1
为单次照射周期虚警率 。

取 P fa1 为 0 . 01 时 , 算出 P fa 为 10 - 10 量级 , 满足虚警
M
( 1)
若积累数为 32 ,根据上式可算出有 8 次超过第一
的信号即判为发现目标。

检测门限的选取应保证在虚警概率 P fa 一定的条 使检测率 P d 最大 :
N
- 7
概率 P N ≤10 的要求 。

当 P fa1 为 50 % , P d 最大为 99 . 89 % ,满足系统检测概率不低于 98 %的要求。

P fa1 为0 . 01 , P d1 为 50 %时 ,信噪比为 6dB ,归一化门限装订 值为 3 . 04 。

3 . 3 距离自动跟踪原理和方法
距离自动跟踪系统的原理如图 3 所示。

∑C
k P k
) N - k
N d1 ( 1 - ( )
2 P d =
P d1 k = M N
P fa =
∑
C k P
k 1
( 1 - P fa1 ) N - k
( 3)
N fa k = M
图 4 距离跟踪回路的结构图
图 4 中 , D 为误差产生器 ; z - 1
为单位延时算子 ; 回路等效噪声带宽 B n 可表示为
+ ∞
1
2π
∫
- ∞
为积分器的传递函数 ;α、β分别为距离和速度支路 j ωT r
| <( e | 2
d ω
B n = ( 7)
1
滤波系数; K 为延迟的重复周期数 。

回路加速度系数 K a 可用下式表示 :
该跟踪回路的闭环传递函数可表达为
K a = βF 2 ( 8)
r
=
(α +β) Z - α
这里需要说明的是 : K ≥2 时 , 距离回路的闭环特
<( z ) ( 4)
Z
K+2
2 Z
K+1
+ Z K
+ (
α +β) Z - α - 征式的分母为高次多项式 , 等效噪声带宽 很难直接 B n K = 2 时 , 图 4 所示回路的闭环传递函数的表达式
积出 , 暂按梯形面积积分法进行近似积分计算 , 可求得
近似值。

计算步骤为 :先根据 K a 和 F r 由式 ( 8) 确定β, 然
后选择合适的α, 使其满足回路等效噪声带宽 B n 的要 求 。

当 F r = 292 . 766 Hz 或 585 . 5322 Hz 时 ,根据式 ( 7)和(8) 计算距离跟踪回路参数 。

K = 2 和 K = 3 时的回路参数α、β、B n 和 K a 的计算结果见表 1 和表 2 。

(α +β
) Z - α <( z ) =
( 5)
Z
4
- 2 Z 3 + Z 2
+ (
α +β) Z - α K = 3 时 ,图 4 所示回路的闭环传递函数的表达式
(α +β
) Z - α <( z ) =
( 6)
Z 5 - 2 Z 4
+ Z 3 + (α +β) Z - α
表 1
Ⅱ型线性离散系统距离跟踪回路参数选择 ( K = 2 )
序号
F r = 292 . 7661 Hz
F r = 585 . 5322 Hz
α
β
K a (1/ s 2 )
B n ( Hz) α β
K a (1/ s 2 )
B n ( Hz) 1
9 . 628 ×10 - 2 9 . 334 ×10 - 4
80
10
5 . 518 ×10 - 2 2 . 333 ×10 - 4
80
10
2
1 . 548 ×10 - 1 3 . 500 ×
10 - 3
300
20 9 . 688 ×10 - 2 8 . 750 ×
10 - 4
300
20
3
1 . 988 ×10 - 1 1 . 516 ×10 - 2
1300
40
1 . 528 ×10 - 1 3 . 79
2 ×10 - 3
1300
40
表 2
Ⅱ型线性离散系统距离跟踪回路参数选择 ( K = 3)
动和 100 m/ s 3
匀加加速运动的目标分别测试 Ⅱ型距离 跟踪回路的性能 ,每种运动目标又分别用 10 Hz 、20 Hz 和 40 Hz 三种回路带宽进行跟踪 ,结果见表 3 。

距离跟踪误差测试
对 10000 m/ s 匀速运动目标、1500 m/ s 2
匀加速运
表 3 距离回路跟踪性能的测试结果
可见 ,该 Ⅱ型线性离散系统距离跟踪回路对速度的
滞后很小 ,可忽略不计 ; 而对加速度存在明显的动 后 ,在目标加速度一定的情况下 ,加速度动态滞后 K a 的增大逐渐减小 ,而且动态滞后误差与理论计 较一致。

距离的随机误差均满足指标要求。

参 考 文 献
丁鹭飞 ,耿富录. 雷达原理 [ M ] . 西安 : 西安电子科技大学
出版社 ,2002 贺知明 , 等. 数字脉压时域与频域处理方法的对比研究 [J ] . 电子科技大学学报 ,31 (2) :1202124 A n alo g Devices. Inc. Tiger S H A RC Embedded Pro ce s so r ADSP 2TS 201 [ M ] ,2005
徐敏. 单脉冲测量雷达测速技术研究[ J ] . 现代雷达 ,2005 ,
27 (1) :58261
车俐 , 蒋留兵. 精密跟踪雷达中全软件实现测距和测速
[J ] . 现代雷达
,2005 , 30 (4) :56258 [ 1 ] [ 2 ]
[ 3 ] 结 论
[ 4 ]
宽带信号及脉冲压缩技术在雷达中的应用有效解 雷达作用距离和距离分辨力的矛盾。

本文论述了
压缩体制雷达精密测距功能的实现 ,测试了 Ⅱ型距 踪回路的性能 ,测试结果表明该测距系统达到了设 求。

[ 5 ] 序号
目标运动参数
B n ( Hz)
距离随机误差
( m ) 动态滞后误差
( m )
1
·
V 0 = 10000 m / s , A 0 = 0m/ s 2 , A 0 = 0m/ s 3
10
1 . 23
- 0 . 07
2
·
V 0 = 10000 m / s , A 0 = 0m/ s
2
, A 0 = 0m/ s 3
20
1 . 80
0 . 05
3
· V 0 = 10000 m / s , A 0 = 0m/ s 2 , A 0 = 0m/ s 3
40
2 . 53
- 0 . 06
4
· V 0 = 0 m / s , A 0 = 1500 m / s 2
, A 0 = 0 m / s 3
10
1 . 23
- 18 . 74
5
· V 0 = 0 m / s , A 0 = 1500 m / s 2
, A 0 = 0 m / s 3
20
1 . 86
- 4 . 99
6
·
V 0 = 0 m / s , A 0 = 1500 m / s 2 , A 0 = 0 m / s 3
40
2 . 52
- 1 . 11
7
· V 0 = 0 m / s , A 0 = 0m/ s
2
, A 0 = 100 m / s 3
10
3 . 12
- 6 . 69
8 ·
V 0 = 0 m / s , A 0 = 0m/ s 2
, A 0 = 100 m / s 3
20 2 . 01 - 1 . 71
9
·
V 0 = 0 m / s , A 0 = 0m/ s
2
, A 0 = 100 m / s 3
40
2 . 53
- 0 . 45
序号
F r = 292 . 7661 Hz
F r = 585 . 5322 Hz
α β
K a (1/ s 2 )
B n ( Hz) α β
K a (1/ s 2 )
B n ( Hz) 1 8 . 768 ×10 - 2 9 . 334 ×10 - 4
80 10 5 . 218 ×10 - 2 2 . 333 ×10 - 4
80 10
2
1 . 326 ×10 - 1 3 . 500 ×10 - 3
300
20
8 . 832 ×10 - 2 8 . 750 ×10 - 4
300
20
3
1 . 374 ×10 -
2 1 . 516 ×
10 - 2
1300
46
1 . 30
2 ×10 - 1
3 . 792 ×
10 - 3
1300
40。