低空目标长时间积累检测技术研究

2014-10-13王健，王宝，万华

舰船电子对抗 2014年3期

王健，王宝，万华

（中国电子科技集团公司38所，合肥230088）

0 引言

低空突防是现代雷达面临的四大威胁之一，隐身技术的发展使得这种威胁更为严重［1］。隐身技术使目标雷达截面（RCS）大大降低，意味着雷达面临着低空小目标检测的挑战。在低空弱小目标检测中，除了受多径效应的影响外［2］，目标信号通常淹没在强杂波背景中，严重制约了目标的有效检测［1－4］。

长时间积累技术是解决弱小目标信号检测的有效途径之一。长时间积累不仅能够增加回波信号的能量，还可以提高滤波处理的自由度，使得更加复杂的滤波处理算法成为可能。在特定的雷达波形、目标速度和环境特性下，信号积累时间是受限的，这主要表现在2个方面：目标径向飞行时，在积累时间内目标可能会跨过若干个距离单元距离；目标做切向飞行或机动飞行时，在积累时间内目标可能跨多个多普勒单元。跨距离单元和跨多普勒单元构成了雷达最大积累时间限制。突破积累时间限制必须解决目标跨距离单元和跨多普勒单元补偿问题。在实际系统设计时，往往通过合理的资源设计使得目标不发生多普勒跨越，降低长时间积累补偿的复杂度，只对目标跨距离单元进行补偿。

目前，国内外学者对长时间积累技术进行了广泛研究，然而这些研究主要集中在算法层面［5－6］。本文拟从系统工程设计的角度对基于频率包络移位补偿算法的长时间积累技术进行研究，同时，通过与常规处理方法对比，对长时间积累技术的效能进行综合分析。

1 工作原理

假设雷达信号波形为线性调频信号，其发射波形可写为［7］：

式中：Sn（t）为雷达杂波和噪声分量。

从上式可以看出，由于目标运动不仅会产生多普勒频移，且每个脉冲回波的延时也不相同，相邻脉冲之间的延时固定，积累脉冲数目越多，前后脉冲之间的延时越大。

假设在离雷达R0的位置处有一径向飞行目标，径向飞行速度为v，则雷达发射波形经目标散射、混频、滤波处理后的回波信号可写为：实现对每个脉冲的延时补偿，使得所有脉冲在距离维上对齐到初始延时位置，也被称为频域包络移位补偿方法。

实际工作过程中，由于目标速度未知，需要对所处理速度范围设置多个速度补偿通道，与目标速度最接近的补偿通道将获得最大信噪比。通过各补偿通道选大处理，实现对未知速度目标的跨距离补偿。

2 积累损耗分析

理论上，只要目标运动，不论其在积累时间内走动是否大于一个距离单元，都存在跨距离单元损耗。假设目标运动速度为v，积累脉冲数为N，脉冲重复周期为Tr，目标起始位置任意，如图1所示。在图1（a）中，目标1、目标2、目标3速度和积累时间相同，但起始位置不同。目标1完成落第i－1距离单元中，不存在跨距离单元损耗；目标2大部分回波脉冲位于第i距离单元，只有少部分回波脉冲位于第i－1距离单元，积累后信号能量一部分被分散到第i－1距离单元，积累损耗逐步显现；目标3的所有回波脉冲刚好均等跨骑在第i距离单元和第i－1距离单元之间，此时信号能量被平均分散到2个距离单元，积累损耗最大。

图1 运动目标跨距离单元示意图

从上面分析可知，目标跨距离单元损耗与起始位置呈现出周期性变化的特点，当目标回波跨骑在2个距离单元之间时，积累损耗最大。根据以上分析可对目标跨距离最大积累损失计算如下：

式中：P0为静止目标信号的积累功率，表示取运动目标信号跨越的若干距离单元中能量最大者。

需要指出的是：当目标跨越多个距离单元时，目标脉冲回波总会占满一个距离单元，如图1（b）所示，其积累损耗可由下式估计：

式中：ΔR为一个距离单元长度；σSNR0为单个脉冲的信噪比；Lc为滤波加权等各种信号处理损耗；int（）为取整函数。

对长时间积累损耗进行仿真分析，雷达工作参数如下：工作频率1.3GHz，重复周期500μs，脉冲宽度75μs，瞬时带宽5MHz，采样率10MHz，目标速度800m／s，目标位置25km，积累脉冲数512个。

图2给出了多普勒处理后回波信号功率和积累损耗随积累时间（相参积累脉冲数）变化的情况。为了便于比较，首先对静止目标进行仿真分析，静止目标不发生跨越现象，积累脉冲数每增加1倍，回波信号相参积累功率增加约6dB，同时噪声非相参积累功率增加了约3dB，信噪比提高了约3dB。从图2（a）中可以看出随着积累脉冲数的增加，积累信号功率逐渐接近于饱和，这与前面的分析一致，即当目标跨越多个距离单元时，积累信号功率最大值等于单个距离单元内的所有回波相参积累结果，并不再随积累脉冲数增加而增加，同时积累损耗却逐渐增加。

图2 相参积累回波信号功率和积累损耗随着积累脉冲数变化情况

当积累脉冲数比较少时，积累损耗变化并不明显减少。这是由于在进行脉压处理时，通常进行加权来压低距离旁瓣，压缩后脉宽展宽，使得目标即使发生距离单元跨越仍然可获取一定的积累增益。从图2中可以看出其饱和点位置向左移动，这正是脉压加权导致脉冲展宽的结果。需要指出的是：当积累脉冲数较少时，由于跨距离单元损耗处于次要位置，脉压加权损耗起主导作用，这时不做脉压加权运动目标的回波信号积累，功率甚至比静止目标更高。从积累损耗曲线上看，积累损耗有1.2dB左右的增益，这与45dB脉压加权理论损耗1.27dB一致。本系统积累512个脉冲，跨距离损耗为6.12dB。

3 包络补偿仿真分析

在上述雷达工作参数下，对基于频域包络移位补偿的长时间积累算法进行仿真分析，目标位于25km处，沿径向匀速运动，目标速度800m／s。雷达系统处理的速度范围为［－800，800］m／s，在雷达处理速度范围内设置8个补偿通道，各通道的中心补偿速度分别为［－700，－500，－300，－100，100，300，500，700］m／s。

图3给出了脉冲多普勒处理后各补偿通道回波信号功率随着积累脉冲数变化的情况。由于目标速度为800m／s，目标落在第1个补偿通道（中心补偿速度700m／s），补偿后目标仍以100m／s的速度进行走动。从图中可以看出第一补偿通道的信号功率最高，接近于无距离单元跨越的静止目标的信号功率；其它补偿通道随着补偿速度与目标速度的差值越大，补偿效果也越差。从积累时间上看，当积累脉冲数减少，目标跨越减少，相应的补偿通道可相应减少。

图3 目标速度800m／s时，各补偿通道积累回波信号功率随积累脉冲数变化情况

具体针对本雷达系统，当相参积累脉冲数小于100时，可不设置速度补偿通道。当相参积累脉冲数小于200时，可在［400，－400］m／s处设置2个速度补偿通道补偿。当相参积累脉冲数大于300时，可在［640，320，0，－320，－640］m／s处设置5个补偿通道。当相参积累脉冲数大于500时，可在［700，500，300，100，－100，－300，－500，－700］m／s处设置7个补偿通道。需要指出的是：随着补偿通道数量的增加，补偿效果变好，但是信号处理设备量也成倍增加，导致系统成本上升，可靠性下降。本系统积累脉冲数512个，结合设备量、成本、可靠性等因素考虑后，在系统指标要求的速度处理范围内设置5个补偿通道。

图4给出了各补偿通道回波信号，第一～第五补偿通道信号功率分别为－6.90dB、－9.78dB、－12.33dB、－14.69dB和－16.75dB。选大处理后目标位于第一补偿通道，这与预期结果一致。与不做任何补偿相比（第三通道，补偿速度为0m／s），信号功率提升5.43dB，信噪比提升5.43dB。由此可见，通过通道补偿大大提高了目标可检测性。