高速目标距离、多普勒走动及其补偿方法

刘育才，马晓静

(1.中国电子科技集团公司第三十八研究所，合肥 230088；2.解放军电子工程学院，合肥 230031)

高速目标距离、多普勒走动及其补偿方法

刘育才1，马晓静2

(1.中国电子科技集团公司第三十八研究所，合肥 230088；2.解放军电子工程学院，合肥 230031)

临近空间飞行器的出现对现役雷达系统提出了严峻挑战，其高超声速特点导致的跨距离单元、跨多普勒单元现象使雷达系统常用的相参积累处理失效，必须通过对目标回波信号进行速度、加速度补偿才能实现有效的积累。本文首先分析了临近空间目标的运动特性，及其导致距离、多普勒走动的原因，然后提出了通过Keystone变换以及加速度补偿处理的方法，并对工程实现中面临的问题进行了分析，最后通过仿真验证了算法的可行性。

临近空间目标；距离、多普勒走动；Keystone变换；加速度补偿

0 引 言

临近空间高超声速目标能够在稀薄大气层作持续的高超声速飞行，具有飞行速度快、机动性强、投送能力远、突防能力强等特点，能够完成高空侦察、临空轰炸、远程快速精确打击重要目标等任务。其中，高超声速巡航导弹(速度3.5(7 Ma)、高超声速飞机(速度4(10 Ma)、高超声速空天飞行器(速度8(20 Ma)等为临近空间高超声速目标的典型代表，未来战争也会被首当使用。

临近空间目标的高速高机动特性使雷达对其进行探测时产生困难，主要表现在其高速高机动特点引发的在雷达积累时间内跨距离单元、多普勒单元现象,使雷达回波难以有效积累。

1 跨距离单元及其解决方法

在波束驻留时间内，常规目标飞行速度较慢，可以认为目标在积累时间内不会跨越距离单元，此时常规积累都是针对同一个距离单元内的回波进行的；而临近空间高超声速目标由于速度快，在积累时间内有可能跨距离单元，即不同周期的脉冲回波包络位置不同。如果基于同一个距离单元作相参积累，就会导致目标的能量泄露而造成积累损失，所以要解决相参积累时的目标跨距离单元问题，即距离补偿，就是将不同周期的脉冲回波的包络进行对齐。

雷达成像中的Keystone变换法无需目标速度信息即可校正目标的线性距离走动，在校正目标走动的同时保持回波信号的相位关系，从而通过相参积累提高检测信噪比。Keystone变换原理如下：

雷达接收的基带回波信号可以表示成二维形式：

(1)

(2)

如果目标在tm时刻近似以恒速飞行，即R(tm)=R0+vtm，v为目标的径向速度，则匹配滤波后的信号为

式中

式(3)第1个指数项表示目标在0时刻的位置，第2个指数项为多普勒效应引起的载波相位变化，第3个指数项即对应回波包络平移。 平移使得目标能量分散到多个距离单元，最终导致相参积累增益下降，严重时甚至无法完成检测。

Keystone变换是对频域信号Sr(f,tm)的tm轴作尺度变换，令

变换后的回波信号为

当目标运动速度过快或雷达脉冲重复频率较低时，回波信号会发生多普勒模糊，需要对变换后的结果进行修正，定义多普勒模糊数为k，则有

(5)

为此，在进行Keystone变换时需要知道目标的模糊数。在多目标情况下，当多目标存在速度模糊且各目标的模糊数不等时，需要在变换后根据各目标的模糊数分别进行修正。例如，在j次模糊因子修正下，回波信号中只有模糊数为j的目标得到正确修正，包络被拉至同一个距离单元，相参积累后得到积累峰值，而其他目标及噪声因模糊因子不匹配，无法有效积累。此时，可采用最大模糊数遍历搜索法，对每一个可能的模糊数进行分别修正，保留每个检测单元在各次修正后积累的最大谱值，并记录相应的模糊数。目标信号在正确模糊因子的修正下将得到积累峰值而被保留下来，而噪声由于随机性在补偿中不会得到有效积累。

2 跨多普勒单元及其解决方法

由于运动速度有限，对于常规目标而言可以认为是匀速的，回波的多普勒频率为常数，因此对各个回波脉冲作快速傅里叶变换就可以进行多普勒补偿。当多普勒通道的频率和回波的多普勒频率一样，相位旋转因子将各个回波的相位调整到同相进行相加，实现相参积累。但是，对临近空间高超声速目标而言，目标可能有机动和加速度，即使是匀速目标也会因为与雷达视线的夹角发生变化而造成目标跨多普勒单元。此时，目标的回波变为非平稳信号(线性调频信号或更复杂的时间高阶多项式信号)，基于单频率分量的傅里叶变换已不能将各个回波脉冲调整到同相。因此，探测临近空间高超声速目标的相参积累需要研究目标跨多普勒单元时的多普勒补偿。

Keystone变换只能校正由于匀速运动引起的距离走动项，当目标存在加速度时，脉冲间的相参积累还必须考虑加速度引起的回波二次相位项，否则，进行相参积累时会使信号的频谱展宽，积累增益下降。

如果已知目标加速度a，则可将Keystone变换结果与exp(j2πaτm2/λ)相乘实现对加速度引起的二次相位项的有效补偿，补偿后可以实现有效的相参积累。一般情况下，加速度是未知的，此时需要根据目标可能的加速度范围采用多通道搜索的方式进行处理。

3 工程实现可行性分析

对于搜索雷达，目标的速度、加速度信息是未知的。在此情况下，对于跨距离单元、跨多普勒单元回波信号的处理需要通过Keystone变换以及加速度补偿进行两维搜索。临近空间目标速度快，最大可达20 Ma。当目标相对雷达切向匀速运动时，视角变化会引起目标相对雷达径向速度的变化，产生一定的加速度。加速度大小和目标距离以及速度有关，不同速度条件下加速度随距离变化曲线如图1所示。因此，需要补偿的速度范围约为-20～20 Ma，加速度范围约为-20 g～20 g。运算量非常大。在实际应用中，速度、加速度量化的间隔决定了矩阵的维数。理论上，间隔越小越能减少目标真实运动参数与量化值偏差所导致的增益损失(跨越损失)。然而，量化精度的增高也意味着数据量的增加，必须在量化精度和增益损失之间作一个折中，把运算量控制在可以实现的范围内。

4 仿真分析

仿真条件：载频300 MHz，信号带宽0.4 MHz，脉冲重频200 Hz，积累脉冲数128个，目标速度20 Ma，加速度20 g，各个处理节点仿真结果如图2～5所示。

图1 速度10 Ma、20 Ma时加速度变化曲线

图2 目标距离走动情况

图3 Keystone变换结果

图4 Keystone变换、加速度补偿前后积累情况

图5 加速度补偿前后积累增益变化情况

5 结束语

美、俄等国正在大力发展临近空间平台及武器系统，开展了多次密集试验，突破了多项关键技术，在临近空间高超声速平台和武器研究领域获得了“里程碑”式的发展。高超声速飞行器具有突出的快速反应能力，使得“全球到达、全球作战”的作战理念成为可能，对世界各国传统防空系统提出了新的挑战。本文在临近空间目标特征的基础上，分析了其高速高机动特点给雷达系统带来的难题，通过理论以及仿真分析给出了解决方法，对临近空间目标探测系统的发展具有一定的参考意义。

[1] 张国华.临近空间目标探测分析[J] .现代雷达，2011(6).

[2] 陈文驰，保铮，邢孟道.基于Keystone变换的低信噪比ISAR成像[J]. 西安电子科技大学学报，2003(4).

[3] 吴孙勇，廖桂生，朱圣棋，杨志伟.提高雷达机动目标检测性能的二维频率域匹配方法[J]. 电子学报，2012(12).

[4] 张卫杰，高昭昭，许博，高尚伟.基于Keystone变换的警戒雷达信号处理[J]. 系统工程与电子技术，2011(9).

[5] 张顺生，曾涛.基于Keystone变换的微弱目标检测[J]. 电子学报，2005(9).

[6] 王姣，李明，陈洪猛.基于Keystone变换的多目标距离走动校正[J]. 雷达科学与技术，2012(12).

Range/Doppler migration and compensation methods for hypersonic targets

LIU Yu-cai1, MA Xiao-jing2

(1.No. 38 Research Institute of CETC, Hefei 230088;2. Electronic Engineering Institute, Hefei 230031)

The advent of near space aircraft brings challenges to the radar systems in service. The hypersonic characteristics of near space targets result in the phenomena of range/Doppler cell migration, which make the coherent accumulation processing abnormal. Therefore, it is necessary that velocity and acceleration compensation should be made for the echo signals to realize effective accumulation. Firstly, the motion characteristics of near space targets and the reasons that lead to range/Doppler migration are analyzed. Secondly, the problems faced in the engineering implementation are also analyzed through the Keystone transform and the acceleration compensation. Finally, the algorithm is verified to be feasible through the simulation.

near space target; range/Doppler migration; Keystone transform; acceleration compensation

2014-03-19

刘育才(1982-)，男，工程师，硕士，研究方向：雷达总体技术；马晓静(1983-)，女，教员，研究方向：雷达系统与雷达对抗。

TN959.6

A

1009-0401(2014)02-0004-03