LFMCW雷达旁瓣大目标虚警消除新方法

刘贤明，谢 恺，吴学伍

(解放军陆军军官学院，合肥 230031)

连续波雷达是一种以连续波信号作为发射信号来获得目标的距离或速度信息的雷达体制。线性调频连续波雷达是发射信号为线性调频信号的连续波雷达。该体制雷达具有以下优点:容易实现极高的距离、速度分辨率;发射功率低、抗截取能力强;不存在距离盲区。因此，线性调频连续波雷达在战场监视［1-2］、汽车防撞、无损伤探测等各个领域得到了广泛应用。由于战场目标各异，RCS从0.2 m2(爬行者)到50 m2(坦克、重型车辆)，两者相差250倍，约为24 dB。本系统设计的天线第一旁瓣衰减为15 dB，其余旁瓣衰减均值为25 dB，旁瓣大目标将在主瓣内形成虚假目标。基于此问题，本文提出了1个完整周期90°扫描内(90°扫描又叫“scanning”)消除虚假目标的新方法。

1 频扫天线及主副瓣性能

本LFMCW雷达采用频扫体制，在1个周期90°方位扫描中有N个频点，每个频点对应1个方向，发射M次重复的线性调频波形用于2次FFT动目标检测(MTD)。

根据平面天线阵列方向性系数估算公式

可知，上述尺寸的平面天线阵方向性系数 D≈33 dB。按32 dB泰勒加权实现-25 dB副瓣，方向性系数降低 1.2 dB(波束宽度由 2.4°增加至3.114°)，频扫天线阵效率为 40%(-4 dB)，电缆损失约0.5 dB，总损失约 5.7 dB，最大增益约为27.3 dB，扫描至 45°时损失 -2 dB，扫描至 25°时损失0.5 dB。根据频扫波束指向与频率点的对应关系，计算得到带内方向性系数和增益，如表1所示。

表1 频率增益关系

天线增益最大相差2.5 dB，均值在26 dB左右。

2 虚警成因分析

每个频点发射M次重复的线性调频波形，通过MTD后得到目标的距离和速度信息。对于一般的目标(RCS不是很大的目标)，只可能在某个频点或其附近频点的对应方向上测得目标的距离和速度信息。但对于坦克、重型车辆等大RCS目标而言，由于天线副瓣的影响，将会在主瓣内形成虚假目标。

雷达方程［3］为

其中:S为检测到的信号功率;Pt为发射功率;Gt为发射天线增益;Gr为天线增益;σ为目标RCS;L为损耗因子，包括发射传输线、接收传输线和电波双程传播损耗等。

由式(1)可知:雷达目标可检测功率与目标RCS成正比，和天线增益成正比。雷达检测环境包含了RCS从0.2 m2(爬行者)到50 m2(坦克、重型车辆)，两者RCS相差250倍，约24 dB。大目标位于旁瓣时，第一副瓣为-15 dB，其余旁瓣均值为-25 dB。也就是说，位于旁瓣的大目标由于RCS的影响将会表现为位于主瓣的小目标，产生虚警。

3 虚警判定与消除

以典型雷达参数为例，fs=50 MHz(采样频率)，M=1 024(“凝视”次数)，N=36(频点数)，B=25 MHz(调频带宽)，T=128 μs，μ =7.5 ×1012Hz/s(调频率)，PRI=167 μs，天线波束宽度水平方向3°。图1为雷达频率调制发射波形。

图1 雷达频率调制发射波形

雷达切向分辨率为

雷达1个频点扫描的时间Tstaring=M×PRI=范围的扫描时间为 Tscaning=N·Tstaring=6 s。在一个方位上时，目标距离如果越距离单元，将要满足，即216 km/h。一般的地面目标不会超过这个速度，故不用考虑一个方位上目标越距离单元的情况。

图2 目标在天线扫描过程中出现的位置

图3 真实大目标位置及虚假目标位置

根据以上2种目标速度分类，按照以下步骤可以消除旁瓣内的大目标虚警［4-6］。

1)大目标搜索。从近至远，从第3个距离单元开始搜索(前2个距离单元，杂波太大，不予检测)，当出现以下2种情况时，确认为同一大目标并转到步骤2)。

Case 1:在连续K个频点上(连续K个方位上，K≥6)，同一距离单元内都检测为有目标，且目标速度小于

Case 2:在连续K个频点上(连续K个方位上，K≥6)，目标的距离呈线性变化。取最近距离单元与最优距离单元算平均速度，并与此几个距离单元上的目标速度做比较，大致相当时，判定为同一目标。

2)将判为同一目标的2次FFT结果进行比较，找出最大值，此最大值对应的方向即为真实大目标方向，其他的目标信息均为虚警。

3)消除虚警。剔出虚假目标，保留真实目标，计算目标的速度

4)重复步骤1)直至距离单元达到最大。

4 仿真实验

仿真条件:2个大目标径向做匀速运动，目标参数为 R1=1 km，R2=2 km;v1=1 m/s，v2=30 m/s;分别位于0°和18°。经雷达程序仿真得到二次FFT部分数据，如表2所示。

根据仿真数据画出的目标位置如图4所示，运用算法去虚警后的目标位置如图5所示。

从仿真数据上看，在大目标主瓣上，2次FFT后的数值很大。在确定存在旁瓣大目标虚警后，利用天线方向图特性，确定2次FFT最大值方向为真实的大目标方向。

表2 二次FFT仿真数据

图4 去虚警前两大目标的位置

图5 去虚警后两大目标的位置

5 结束语

研究了旁瓣大目标虚警的确定以及消除方法，对结合某项目的雷达信号处理方法得到的处理数据进行仿真，验证了方法的可行性。在牵涉到如直升机之类的高速目标时，在连续频点扫描过程中，相隔1个方位向的时间内，目标可能已经运动了几个距离单元，这对大目标及其虚警的判定比较困难，下一步将重点研究。

［1］林俭芳.国外便携式战场侦察雷达的现状与发展趋势［J］.中国雷达，2009(2):27-29.

［2］Lighthart L P，Nieuwkerk L R.System aspects of a solidstate FM-CW weather surveillance radar［C］//Conference Proceeding，IEE Int，Radar Conf.London:［s.n.］，1997:112-115.

［3］丁鹭飞.雷达原理［M］.西安:西安电子科技大学出版社，2010.

［4］［美］Mark A.Richards.雷达信号处理基础［M］.北京:电子工业出版社，2008.

［5］［美］Merrill.Skolnik.雷达系统导论［M］.北京:电子工业出版社，2006.

［6］何友，关键，彭应宁，等.雷达自动检测与恒虚警处理［M］.北京:清华大学出版社，1999.