三频段准连续波雷达信号目标检测性能分析*

郑志宽，何 强，韩壮志

(1.军械工程学院电子与光学工程系，石家庄050003;2.解放军63961部队，北京100012)

1 引言

目前低截获率雷达大多采用连续波体制和准连续波体制，连续波雷达的收发隔离问题一直难以解决，而准连续波雷达将连续波雷达技术和脉冲技术结合在一起，使雷达信号既像连续波雷达信号一样具有大的时宽带宽积，又采用脉冲雷达发射、接收分时工作的方式，彻底解决了连续波雷达发射信号的泄露问题。准连续波雷达的信号形式可以采用线性调频信号也可以采用伪码调相信号，它具有被截获概率低、电磁兼容性好、作用距离远等优点。但准连续波雷达也存在严重不足，由于信号的占空比大，发射脉冲的遮挡效应严重，存在较大的距离盲区，尤其是对近距离和远距离的目标探测动态范围影响大[1－2]。

针对相位编码准连续波雷达，高梅国等人提出了一种脉内长短码结合的波形设计方法[3]，在一个脉冲重复周期内依次发射长码和短码，并分别接收回波、分别脉压，将脉压后的结果无缝拼接起来，短码脉压结果取前段，长码脉压结果取后段。此方法虽然可以解决回波遮挡所引起的近距离盲区问题，但由于相位编码信号本身存在多普勒冗余度很差的固有缺陷，而现代雷达越来越多的要面对高速的运动目标，所以对目标各项参数的检测并不理想。

针对线性调频准连续波雷达，刘高辉等人提出一种基于分时发射技术的双线性间断调频准连续波[4]，即在一个脉冲重复周期内交替发射频谱互不重叠的两个线性调频脉冲信号，但并没有给出两个线性调频信号的脉冲宽度，而回波遮挡对信号检测的影响也未考虑在内，不具有一般性。

综合准连续波体制雷达存在的不足和现有信号形式的优缺点，本文提出一种基于频分复用的窄脉冲和宽脉冲相结合的三频段信号。线性调频脉冲信号是一种通过线性频率调制获得大时宽带宽积的脉冲压缩信号，适用于杂波背景下的高速、小目标的检测与跟踪，而对不同距离范围的目标采取不同时宽的信号进行检测，可有效解决回波遮挡问题。

2 系统组成和信号处理流程

2.1 系统结构

三频段准连续波雷达的发射系统和接收系统组成如图1所示，发射系统包括三频段信号产生模块、两级级联的上变频器、固态功率放大模块和发射天线单元等，其中三频段信号产生模块由作者设计，其余为通用模型。三频段信号经计算机仿真产生后，直接将参数注入信号发生器，从而产生三频段信号，再通过两级上变频、固态功率放大和天线将信号辐射出去。接收系统包括天线、收发转换装置、接收跳频本振、中频接收分机、ADC单元、频率抽取部分、低通滤波单元和信号处理模块等，其中ADC单元、频率抽取部分、低通滤波单元和信号处理模块由作者设计，其余为通用模型。接收跳频本振的功能是完成信号同步接收，中频接收分机和ADC单元完成三路回波信号的正交分解和数字化任务，频率抽取和低通滤波完成线性调频回波的解调频处理，信号处理分机的任务是完成目标距离和径向速度的估计。

图1 三频段准连续波雷达的发射系统和接收系统框图Fig.1 Transmitting and receiving system block diagram of three frequency ranges quasi－continue wave radar

2.2 信号处理原理

2.2.1 线性调频信号目标检测原理

假设理想点目标与雷达的相对距离为R，为了探测这个目标，雷达发射信号s(t)，电磁波以光速C向四周传播，经过时间R/C后电磁波到达目标，一部分电磁波被目标散射，再经过时间R/C后被雷达接收天线接收。雷达的回波信号可表示为

式中，M表示目标的个数，τi是光速在雷达与目标之间往返一次的时间。

为了从雷达回波信号sr(t)提取出表征目标特性的τi(表征相对距离)，常用的方法是对sr(t)进行匹配滤波处理[5]，结果为

so(t)中包含目标的特征信息τi，从so(t)中可以得到目标的个数M和每个目标相对雷达的距离。

2.2.2 窄带采样理论

对于带通信号，根据Nyquist带通抽样定理，抽样速率并不需要一定大于信号最高频率的2倍，用较低的采样速率也可以正确地反映带通信号的特性。

窄带信号接收的欠采样理论:设一窄带信号x(t)，其频率范围在(fL，fH)内，f0为该信号中心频率。当以fS(fS＜f0)对x(t)进行采样时，x(t)会同nfS的信号进行混频，其频谱就会以fS为周期进行搬移。

为了不发生频带重叠，抽样频率fS应满足下列条件:

在式(3)中，n取能满足 fS≥2(fH－fL)的最大正整数，所以用fS进行等间隔采样，得到的信号采样值x(nTS)能准确地确定原始信号x(t)。

带通信号采样定理表明:对带通信号而言，可按远低于两倍信号最高频率的采样率来进行采样。带通信号采样定理的应用大大降低了所需的采样速率，为后面的数据处理奠定了基础[6－7]。

2.3 信号处理流程

2.3.1 参数选择原则及三频段信号

信号参数选取满足以下原则:

(1)调频带宽B的大小主要根据距离分辨率进行选取，为后续信号处理的方便，3个线性调频信号设置相同的带宽;

(2)信号的脉冲宽度主要依据目标距离范围进行选取，长信号探测远距离目标，中信号探测距离稍近，可以弥补长信号的探测盲区，短信号探测近距离目标，弥补中信号的探测盲区;

(3)发射信号的占空比最大为0.5，在可以保证距离分辨率的前提下，尽量增大占空比，以提高发射信号的能量，从而增大探测距离;

(4)为防止频谱混叠，需要在3个线性调频信号的频带之间设置隔离带。

本文所设计的三频段信号由3个线性调频信号组成，时间长度分别为 7 μs、64 μs 和 128 μs(尾部对齐)，每段信号各占用5 MHz带宽，为防止实际输出信号由于频带延拓而出现频谱交叉干扰，各信号之间设置1 MHz的隔离带，3个线性调频信号的频率范围分别为－8.5 ～ －3.5 MHz、－2.5 ～2.5 MHz和3.5 ～8.5 MHz，共占用 17 MHz带宽，该信号的波形图和时频图如图2所示。

图2 三频段信号波形图和时频图Fig.2 Waveform and time－frequency diagrams

雷达发射的一个脉冲内同时含有3个频段的信号，接收时这个三频段信号经窄带采样后，分3个通道数字下变频和低通滤波后，就可以按照其频带将3个信号分别进行信号的处理。由一路信号变成三路信号，这样大时宽脉冲信号能够探测较远距离，而窄脉冲信号又能消除宽脉冲信号的近距离盲区，并能高精度的分辨近距离目标，从而解决探测距离、距离分辨率的矛盾和近距离盲区问题。

2.3.2 目标回波的脉冲压缩处理

假设雷达以重复周期T发射LFM信号:

式中，f0为发射信号的载频，Tp为脉冲宽度，K为调频斜率。对应的基频信号为

此时，距离为R处的目标回波可表示为

接收回波的参考信号为

则R处目标的基频回波可表示为

对其进行匹配滤波，脉压后目标的回波

分析式(9)可以看出，目标回波经脉冲压缩后是一个与距离R有关的sinc脉冲，脉冲的宽度与B=KTp成反比，目标的回波多普勒体现在相位项exp[－j2πf0R/c]中。

2.3.3 三频段信号接收实例分析

三频段信号的3个线性调频信号的频率范围分别为－8.5 ～ －3.5 MHz、－2.5 ～ 2.5 MHz和 3.5～8.5 MHz，共占用 17 MHz带宽。以 60 MHz的中频频率上变频输出，则发射的三频段信号的频带范围变为51.5～68.5 MHz。三频段信号可表示为

式中，Tpi是第i个信号的脉冲宽度，fi是第i个信号的中心频率，Ki是第i个信号的调频斜率。

假设只有一个距离为R的目标情况下，雷达回波信号可表示为

信号接收依据窄带信号的欠采样理论，由式(3)可知，三频段信号的采样频率范围为[137/(n+1)，103/n]，下面对n取值范围进行分析:当n=2，采样频范围变为[46，51];n=3时，无整数采样频率可取。因此，只能使n=2，取采样频率fs=50 MHz＞34 MHz，可满足要求。

三路单独数字下变频的目的是将三路信号频率均降至零频附近，则3个NCO基准频率分别取fNCO1=54 MHz，fNCO1=60 MHz，fNCO1=66 MHz，雷达回波信号经过混频后，变为由包含目标信息的零中频信号和无用的高频杂波所组成的复合信号，再将信号分别进行低通滤波后，就可提取出3个线性调频信号。之后可参照2.2.1节和2.3.2节所述的单个线性调频信号检测目标理论来提取目标参数。

3 模糊函数及近距离盲区的消除

3.1 模糊函数

线性调频信号的模糊函数可以表示为

取模得到

线性调频信号的三维模糊图如图3所示，图中水平轴为延时，其界限为正、负脉冲宽度(±T);斜轴为多普勒频率，其界限为正、负调频带宽(±B);纵轴为

图3 线性调频信号的三维模糊图Fig.3 Three－dimensional fuzzy figure of LFM signal

3.2 抗近距离盲区

准连续波体制雷达结合了连续波雷达与脉冲雷达两者的优点，它的发射脉冲占空比近似为0.5，与脉冲体制相比，准连续波体制具有更低的峰值功率，降低了对固态发射机的功率要求，具有良好的低截获性;与连续波体制相比，又具有收发时间隔离的优点。

准连续波雷达收发共用一个天线，发时不收，收时不发，避免了连续波雷达的泄露问题，但是高占空比的发射信号不可避免地会带来近距离盲区。由于回波信号被截断，原本具有良好脉冲压缩性能的发射信号在接收端进行脉压处理时主瓣峰值下降，旁瓣抬高，主旁瓣比迅速下降，这对目标检测非常不利。而三频段信号既保留了线性调频信号的传统优势，又可以有效解决雷达回波的距离遮挡问题[8－9]。

准连续波体制雷达的各个回波遮挡情况如图4所示。

图4 回波遮挡示意图Fig.4 Echo block diagram

假设光速为c，脉冲宽度为Tr，脉冲重复周期为T，对于准连续波体制雷达，由于收发开关的转换，当目标距离R＜cTr/2时，回波信号前部被截断，只能接收后部，称为前遮挡回波;当cTr/2＜R＜c(T－Tr)/2时，回波信号全部被接收，此时无遮挡;当 R＞c( T－Tr)/2时，回波信号后部被截断，只能接收前部，称为后遮挡回波。

回波遮挡之后的信号处理是一个部分相关过程，会给目标的检测带来很多不利影响，比如会造成信噪比的降低、主瓣的偏移等。图5显示了用线性调频信号检测位于1 km、9 km、18 km处的3个目标时，回波遮挡时对目标位置信息检测的影响。

图5 回波遮挡对目标位置信息检测的影响Fig.5 The influence of the echo block on the target position information detection

三频段信号采用脉宽长短结合的线性调频信号去探测目标，长信号能量大，探测距离远，但是探测近距离目标时的性能受回波遮挡影响很大，用中信号和短信号来消除长信号的近距离盲区，同理，短信号也可以消除中信号的近距离盲区，而短信号虽然理论上也存在近距离盲区，但由于距离太近，对目标的检测一般会转入光学设备，对准连续波战场侦察雷达而言，短信号所谓的近距离盲区可以不予考虑。

4 仿真验证

接收回波功率可表示为

其中，Pt为雷达发射功率，G为雷达天线增益，σ是目标的散射截面积，λ为所用波长，R是目标距离。

准连续波体制雷达收发共用一个天线，所以对三频段信号来说，Pt、G、σ、λ是相同的，只有目标的距离不同会影响接收回波功率的相对大小，并且接收回波功率Pr反比于目标与雷达之间距离R的四次方。随着目标距离的增加，回波功率Pr下降很快。短信号虽然在理论上可以检测远距离目标，并且不会产生回波遮挡，但是由于其时宽很窄，要探测远距离目标，必须有很大的峰值功率，不符合战场侦察雷达低截获概率的要求，也违背了三频段信号的设计初衷。在仿真验证时，考虑到战场侦察雷达所处的真实环境，以典型的行人、装甲车辆、直升机的发现距离为背景设定目标。假设目标1、2、3分别位于1 km、9 km、18 km 处，用 LFM1探测目标3，目标1、2在LFM1的盲区;用LFM2探测目标2，目标1位于LFM2的盲区;最后用 LFM3探测目标1，弥补LFM2的盲区。考虑到接收回波功率的大小，不考虑LFM2对目标3的检测性能，以及LFM3对目标2、3的检测性能，3个LFM信号对目标的检测情况如图6所示。

图6 三频段信号对不同距离段目标的检测Fig.6 Different distance target detection of three frequency ranges signal

由图6可以看出，LFM1对目标1、2探测时，测距误差较大，旁瓣太高，主瓣不唯一，严重影响对目标的检测。LFM2对目标1的探测也存在类似的问题。所以用三频段信号检测3个距离段的目标时，LFM1用来检测远距离目标，LFM2检测中距离目标，消除LFM1的近距离盲区，LFM3检测近距离目标，消除LFM2的近距离盲区。3个信号分别检测不同距离段的目标，达到了全距离的无缝衔接，提高了准连续波雷达的检测性能。

5 结束语

本文在对准连续波体制雷达充分研究的基础上，针对现有的信号形式不能满足其准确检测目标参数和无法消除近距离盲区的问题，提出了一种三频段信号，并对三频段信号应用于准连续波雷达时的详细信号处理流程作了充分分析，最后通过仿真验证，得出三频段信号应用于准连续波雷达时，可以准确探测目标并消除准连续波体制的近距离盲区的结论。相对于相位编码信号，三频段信号的多普勒性能更好;相对于分时发射长短不同的LFM信号，三频段信号在保证探测性能的基础上，可缩短探测周期，节省雷达的时间资源，从而实现跟踪探测更多目标的要求。综上，本文所做研究对准连续波雷达的研究发展有一定指导意义。

但此方案也可能存在一点不足，三频段信号的带宽较大，接收回波时有可能会使更多的杂波通过，是否会影响对目标的检测，需要进一步研究探索。

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