HPRF脉冲多普勒频率步进雷达信号处理与参数设计

２频率步进雷达及其频时转换处理［１］
没频率步进信号的脉冲重复周期为ｒ，发射脉冲
宽度为ｒ，载频起始频率为＾，频率步进阶梯为△，，频 率步进数为＿】ｖ．频率步进发射信号可以表示为…：
。（￡）：莹。ｃｔｆ生譬丝）产‘¨酮； （１）
对于稃向距离为Ｒ。的一个静止点目标，发射信号 经过距离延迟２Ｒ。／ｃ，由相参接收机接收，接收机的检 波输出为：
达时频转换（ＤＦｒ）处理的基础＿匕，给出了ＨＰＲＦ ＰＤ频率步进雷达系统参数设计准则及频时耦合的解决方法，以及距离 模糊问题的解决方案理论分析和仿真结果证明，这种雷达体制可以同时获得不模糊测速和距离高分辨性能
关键词： 雷达；频率步进；时频转换处理；波形分析；解模糊
中国分类号：ＴＮ９５８，３
文献标识码： Ａ
４ ＩｔＰＩＩＦ ＰＩＤ频率步进雷达参数设计
在传统频率步进雷达参数设计中，脉冲带宽耳与 步进频率彰、是近似相当的；即１ＤＦＴ或ＤＦＴ结果的距离 覆盖范围１／△，与脉冲宽度ｒ相当【７ Ｊ．对于静止目标，处 理所获得的是目标的一维高分辨距离像；对于运动目
标，所获得的是目标循环移动后的一维高分辨距离像． 但是在ＨＰＲＦ情况下，通过雷达系统参数设计，频率步 进雷达可以在一个频率步进周期内同时获得无模糊测 速和高分辨测距． ４．１雷达系统参数设计
ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ｒａｄａｒ ｓｃｈｅｍｅ ｃａｎ ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｙ ａｃｈｉｅｖｅ ｕｎａｒｆｉｂｉｇｔｌｏｕｓ ｖＣｌＯＣｔｒｙ ａｎｄ ｈｉ出ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｒａｎｇｉｎｇ
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｒａｄａｒ；ｓ蜘】ｐｅｄ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ；ｌｉｍｅ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｗａｎｓｆｏｒｍａｆｉｏｎ；ｗａｖｅｆｃｃｍ ａｎａｌｙｓｉｓ；锄Ｍｇｕｉ哼ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ
Ｔｅ批ｇｙ Ｃａ∞枷ｍ，Ｂｅｉｊｉｒ＊１００８４６。（３ｔｉｎａ） （１ ＲａｄａｒＲｅｓｅａｒｃｈ Ｌａｂ，＆．ｉｊｌｎｇＩ酣ｔｌＺｕｔｅ—Ｔｅｄｕｕ．ｑｏｇｙ，Ｂｅｌｊｍｇ １０００８１，Ｃｈ／ｎａ
２ Ｃｈｉｎａ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ
Ｇｒｏｕｐ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｔｅｐｐｅｄ－ｆ№ｑｕｅｎｃｙ ｒａｄａｒ ｈａｓ ｔｈｅ ａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｈｉ出ｒａｎｇｅ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ（Ｉ－ＩＲＲ）Ｉｔ ｎｏｒｍａｌｌｙ ａｄｏｐｔｓ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ—ｔｉｍｅ ｔｒａｎｓ－
上述时频转换处理的物理意义是：在ＤＦＴ处理中， Ⅳ个频率步进同波脉冲可以被视为一个时宽』ｖｒ、带宽
Ⅳ△厂的Ｃｈｉｒｐ信号以ｒ为间隔的采样，Ｃｈｉｒｐ信号的等 效调频斜率为ｋ＝△∥ｒ，频率步进雷达用频率步避的 本振信号与回波信号混频，等效于对Ｃｈｉｒｐ信号的去斜 处理；对混频后的信号采样、做ＤＴＩ＇处理，ＤＦＦ结果中不 同的频率成分就对应不同距离的目标．
叫
比较上两个公式，显然有：
ＢＦ一皿≥ａｆ
（１２）
（２）Ｂ＂与去斜后频差Ⅳ和ＰＲＦ的关来自百度文库 从去斜处理的角度分析．对于调频斜率为ｋ＝Ａｆ／ ■的频率步进信号，去斜后的最大信号带宽为：
ａｆ＝ｔ争＝等等＝ａｆ轰 （１３）
其中尺。为最大目标距离．根据式（１３）： 如果雷达系统工作于ＬＰＲＦ模式，即系统不存在距
１引言
频率步进雷达是一种重要的距离高分辨雷达，它发 射一串载频线性跳变的窄带脉冲，对回波脉冲通常采用 频时转换（ＩＤＦｒ）的处理方法获得合成宽带高分辨距离 像．采用频率步进信号可以显著降低数字信号处理机的 瞬时带宽，降低雷达系统的硬件实现难度．
频率步进雷达的参数选取决定了雷达的基本性能， 同时信号处理算法的选择也起着关键的作用采用频时 转换（ｍｒｒ）处理和目标抽取算法，可以得到静止目标的 高分辨距离像…．但是对于运动目标，需要通过运动补 偿解决目标速度产生的耦合时移和波形发散”～ｉ
ｙ（扯莹Ⅲｆ＿ｔ－ｉｒ－ｒ／２－２Ｒｏ／ｃ＋２ｖｔ／ｃ）
．ｅ－州‘Ⅲ（等一警）
（５）
每个距离单元上的检波器输出回波信号相位为：
ｐ＝一２喝警＋２“ｒ０警；Ｌ一２”－△，争＋２ｎｉ△，警ｚ耳（６）
其中一次相位２砥譬；ｔ会造成耦合时移，二次辐位
２“ｉ△，譬以会造成波形发散，因此需要在ⅢＦＴ处理前
对回波信号相位进行运动补偿”４１
个距离单元上的Ⅳ个采样，可以看成是以掣、为间隔， 对带宽为Ｂ＝Ｎ△，的同波频谱的采样，故Ⅲ盯后有距 离高分辨的效果．频时转换处理频率步进雷达的关键 性能主要由发射脉宽ｒ、脉冲重复周期丹、采样问隔 ７ｊ、频率步进阶梯Ⅳ、频率步进数Ⅳ决定．１．
对ｒ径向速度为”（朝向雷达为正）、初始径向距离 为岛的匀速运动目标，接收机的榆波输出为Ｌｌ Ｊ：
ｙ（￡）：莹。ｔ ｔ－ｉＴｒ－ｖ／２－２Ｒｏ／ｃ］ｅ曲＂【胡争
（２） 对每个距离单元上的检波输出信号采样、归一化、 做ＴＤ订处理：
，（１）：∑。母‘¨如寻，“；
（３）
Ｙ（对 ｋ）ＩｌＤ丌＝｜结｜果群求揣模：¨拈０，１，２，…，肌１
（４）
刘静止目标，就可以通过ｚ：Ｒｏｕ。ｄｆ迅型１得到
目标距离凰． 上述频时转换处理的物理意义是：目标回波在每
第９期 ２００７年９月
电
子学
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ＡＣＩ＇Ａ ＥＬＥＣＴＲＯＮ／ＣＡ ＳＩ］＇ＪＩＣＡ
Ｖｄ ３５ Ｎｏ ９ Ｓ叩２００７
ＨＰＲＦ脉冲多普勒频率步进雷达信号处理与参数设计
任丽香１，龙腾１，远海鹏２
１北京理工大学雷达技术研究所，北京１０００８１；２中蚓电子科技集团公司，北京１０（３８４６）
摘要：频率步进雷达是一种距离高分辨雷达，传统的处理方法是采用频时转换（ＩＤＶＩ＂）获得目标的一维距离
文章编号： ０３７厶２１１２（２００７）０９．１６３０－０７
Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ａｎｄ Ｐａｒａｍｅｔｅｒ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ＨＰＲＦ Ｐｕｌｓｅｄ—Ｄｏｐｐｌｅｒ Ｓｔｅｐｐｅｄ—Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｒａｄａｒ
ＲＥＮ Ｌｉ．蟊ａｎ９１．ＬＯＮＧ Ｔｅｎ９１．ＹＵＡＮ Ｈａｉ—ｐｅｎ９２
收稿日期：２００ｆ；一０３—２４；修回日期：２００７＿《）１一ｔ５
实际上频率步进雷达的信号处理也可以采用时频 转换（Ｄ打）的方式进行．采用这种分析方法的优点是： 在高脉冲重复频率（ＨＰＲＦ）的情况下，可以通过雷达系 统参数设计和信号处理，同时获得不模糊的测速性能和 距离高分辨性能；这时也口丁把频率步进雷达看作足一种 载频跳变的脉冲多普勒（ＰＤ）雷达．本文所研究的时频 转换处理最早由Ｍｙｅｒｓ １９９６年提出＿５，…，但是Ｍｖｅｒｓ只介 绍了时频转换处理在ＨＰＲＦ模式下的一种具体系统实 现，本文则从理论卜分析了时频转换处理的原理，并给 出了时频转换处理在ＨＰＲＦ模式下的频率步进雷达系 统参数设计原则和关键信号处理问题解决方案．
ｆｏｒｍａｔｉｏｎ（ＩＤＦＦ）ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｔＯ ｇｅｔ ｔｈｅ ｒａｎｇｅ ｐｒｏｆｉｌｅ ｏｆ ｔａｒｇｅｔｓ Ａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅｌｙ ｓｔｅｐｐｅｄ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｒａｄａｒ Ｃａｌｌ ａｌｓｏ ｕｓｅ ｔｉｍｅ－ｆｘｅｑｕｅｎｃｙ
Ⅻ幽ｍ曲讲Ｌ（Ｄ门）ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ｗｉｆｆｌ ｗｈｉｃｈ ｈ ｉｓ ｓｅｅｎ∞ａ ｋｉｎｄ ｏｆ砌ｓｅｄ－ｄｏｐｐｉ瞰ｍ）ｎ妇ｓ ｔｈａｔ ｕｓｅ ｓｌｅｐｒ）ｅｄ４ｒｅｑｕｅｎｃｙ础‰
对运动目标也可采用时频转换处理，这种情况下 时频转换处理也可从ＰＤ处理的角度分析．将式（６）的 回波相位变化部分改写为：
２嘶警饵磕·辫旧地心警咽（９）
对式（９）进行Ｄ丌处理，式中各项在ＤＦ＇Ｉ＂结果中的 意义如下：
（１）一次剌位项一２。．△ｊ２Ｒｏ．珥：距离为Ｒ。的目标
１
。
ｒ
由步进频率产生的耦合频率譬警；
３频率步进雷达的时频转换处理
３．１静止目标的时频转换处理 实际上频率步进雷达的信号处理也可以采用时频
转换（ＤＦＴ）的方式进行式（２）巾每个距离单元＾的检 波输出信号采样、归一化后，做ＤＦｆ处理：
，（ｉ）＝∑ｅ口”瓴＋浏’％ｅ呷“ｉ
ｆ７）
ｙ㈤然Ｉ后＝对０ｉＤＦ鬻Ｉ＂‰结果¨求女模：：０，％２…，Ⅳ－１（８）
本文安排如下：第二：部分简单介绍了频率步进雷
万方数据
箔９期
任丽香：ＨＰＲＦ脉冲多普勒频率步进雷达信号处理与参数设计
１６３１
达及其频时转换（ＤＦｒ）处理，第三部分分析了频率步进 雷达的时频转换（ＤＦｒ）处理原理，第四部分给出了 ＨＰＲＦ ＰＩ）频率步进雷达的系统参数议汁原则和特殊信 号处理方法，第血部分是仿真结果ｉ
离模糊（冠一≤Ｗ”－’），此时有矽≤ａｆ；考虑到通常雷达为
保持足够的平均发射功率，一般有Ｒ．。一等，所以Ｖａ
△，．这时的中频接收机带宽口，只要满足式（１２）的约束
即可；这与普通频率步进雷达对中频接收机带宽的要 求是～致的．实际Ｅ ＬＰＲＦ模式下的频率步进ＤＦＦ处理 与ｒＤＦＴ处理完全相同．
【２）一次相位项２ｎ－ｆｎ业·ｉＴｒ：目标速度引起的多谱
勒频率而２； （３）二次相位项２７ｔｉ△厂型∞：造成处理结果的发
散［２ ３，…，
万方数据
电
了
学
２００７年
根据３．１和３．２的分析，频率步进的时频转换处理 有两种物理解释：以ｃ／（２Ａｆ）为周期的时域上的距离结 果，或以ＰＲＦ为周期的频域上的速度结果．如果看成是 以ｃ／（２Ａｆ）为周期的时域上的距离结果，目标运动速度 会对目标测距造成耦合时移，这与通常的ＩＤＦＦ处理相 同．如果看成是以ＰＲＦ为周期的频域上的速度结果，频 率步进产生的目标距离像会造成运动目标多普勒的耦 合频移；因此当这种雷达采用ＤＦＴ方式对运动目标处 理时，可以看成是载频跳变的ＰＤ雷达，跳变载频的效 果是可以在ＰＤ测频的同时获得目标的距离高分辨，但 是会在目标多普勒的处理结果上叠加一个耦合频移．
像，实际上其处理也可以采崩时频转换（Ｄｒｒ）的方式进行，这时也可把频率步进雷达看作是一种载频跳变的脉冲多普
勒（ＰＤ）雷达采用这种分析方法的优点是，在高重复频率（ＨＰＲＦ）的情况下，可以通过雷达系统的参数设计和信号处 理，同时获得不模糊的测速性能和距离高分辨性能，并解决ＨＰＲＦ ＰＤ雷达的距离模糊问题本论文在分析频率步进雷
４．１．１雷达系统的接收机带宽晚Ｆ （１）目Ｆ与子脉冲带宽且和跳频阶梯△，的关系 首先，雷达系统的中频接收机带宽口，应该满足匹
配滤波条件：
口Ｆ—Ｂ。
（１０）
此外，在频率步进雷达巾，为ｒ避免处理结果发生
混叠，每个采样点成像的距离范围ｉ／Ａｆ必须大干等于
该采样点对应的距离段ｒ…，即：
ｒ≤１嘏足≥△，
（１１）
对于静止目标，式（７）中的目标回波相位变化部分
可以改写为一２。笋堡澎，它在ＤＦｒ结果中对应的频 』ｒ Ｃ
移为等强，它是由目标回波延迟孕所产生的距离耦
』－ｃ
Ｃ
合频差．对静止目标，通过ｆ：Ｒｏ。ｎｄｆ一２ＲｏＮＡｆｌ就可
以得到目标距离凰． 由于日标距离耦合频率是以ｒ为采样间隔进行
ＤＦＴ分析的，采用ＤＦＩ＂频率分析的方法，可以得到ＤＩＴＦ 处理方法对静止１３标的不模糊距离和距离分辨率性能 与Ｈ）丌处理完全相同ｌ“． ３．２运动目标的时频转换处理
ｃｅｄｉｎｇ ｏｆ ｓｔｅｐｐｅｄ－ｆｉ＇ｅｑｕｅｒｌｃｙ ｒａｄａｒｓ．ｂａｓｅｄ ｏｎ ｗｈｉｃｈ ｔｈｅ ＨＰＲＦ ＰＤ ｓｔｅｐｐｅａ—ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｒａｄａｒ ｓｙｓｔｅｎｌ’３ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｄｅｓｉｇｎ ｐｍＫｉｐｌｅ．ｓｏ—
ｌｕｔｉａｎｓ ｔｏ ｔｈｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ－ｔｉｍｅ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｉｓｓｕｅ ａｎｄ ｒａｎｇｅ ａｍｂｉｇｕｉｔｙ ａｒｅ ａＩｓｏ ｇｉｖｅｎ Ｂｏｔｈ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｄｏｒｔ ｒｅｓｕｋ ｐｒｏｖｅ
ｉｎ ａ ｓｉｎｇｔｅ ｄｗｅｌｌ ｕｎｄｅｒ Ｉ－ＩＰＲＦ ｃｉｒｃｕｍｓｔａｎｃｅｓ．Ｔｈｅ ｒａｎｇｅ ａｍｂｉｇｕｉｔｙ ｐｒｏｂｌｅｍ
ＰＤ ｒａｄａ堪ｃａｎ ｂｅ
ｄｅｓ曲ｏｆ ｒｅｓｏｌｖｅｄ ｂｙ ｃａｒｅｆｕｌ
ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｎｄ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄｓ Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｎａｌｙｚｅｓ ｔｈｅ ｔｉｍｅ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｔｒａｎｓｆｏｍｍｌｉｏｎ ｐｒｏ—
Ｔｈｒｏｕｇｈ ｐａｒａｒａｎａｉｃ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｓｉｇｒｌａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｔｈｅ ｒａｄａｒ ｓｙｓｔｅｍ，ＤＦＴ ｍｅｔｈ（：－［ｔ ｃａｎ ａｃｈｉｅｖｅ ｂｏｔｈ ｕｎａｍｂｉｇｕｏｕｓ ｖｅｌｏｃｉｔｙ
ｒａｎ豳ｇ ｉｎ唧ＲＦ ａｎｄ ｈｉ出ｒｅｓｏｌｕｌｉｏｎ