基于非合作捷变频雷达的微弱目标检测算法∗

(国防科技大学自动目标识别重点实验室,湖南长沙410073)

0 引言

现代雷达为了检测低可观测目标,常采用长时间积累,其积累时间达秒级或更长。在长达秒级的观测时间里,回波的距离单元会发生明显走动,这就在后期信号处理的过程中造成能量损失。近年来,无源雷达因不需要占用新的频段,具有成本低和隐蔽探测等优势,在各国掀起了利用机会照射源的研究热潮。但是这些研究主要集中在利用调频广播[1-2]、数字或模拟电视[3-4]、手机基站[5-6]、导航卫星[7]和 WiFi信号[8]等外辐射源。随着现代电子技术的不断发展,电磁对抗领域的干扰和反干扰的手段也在交替更新进步,捷变频技术由于能够提高雷达的抗干扰能力和目标检测能力已经被广泛应用到雷达系统的设计之中。研究利用捷变频雷达作为外辐射源能够扩展非合作雷达能够利用的外辐射源类型,但同时在信号处理和微弱目标检测方面也面临一些困难。由于捷变频雷达脉冲之间的相位去相参特性,因而常规MTD[9]、Keystone[10]等相参积累方法很难适用。为了克服这些困难,一些学者提出了非相参积累的方法,如Carlson[11]等学者把图像处理技术引入雷达信号检测领域,提出了基于Hough变换的算法,但该类算法比较复杂,实时性差,而且由于是非相参积累,积累的效率不如相参积累。

针对捷变频雷达运动目标回波的相位去相参特性和长时间积累时的距离走动问题,本文基于非合作雷达的应用背景,提出了一种基于频率捷变的相参积累算法用于微弱目标检测。该算法首先用Keystone变换算法校正距离单元走动,然后对捷变的频点进行处理来消除回波信号的相位抖动从而实现相参积累,最后仿真实验证明该算法对微弱目标检测的有效性。

1 非合作雷达系统工作模式

本文以一个典型的非合作双基地雷达系统为例,其工作示意图如图1所示。外辐射源选择捷变频相控阵空中监视雷达,目标为空中飞机,接收机设置有两个通道,参考通道和回波通道。参考通道通过辐射源方向图旁瓣接收直达波,用于回波通道信号的时间同步、频率同步。回波接收天线能同时多波束覆盖观测空域,实现空间同步。通过对回波通道内接收到的目标散射回波作信号处理获得目标参数信息,从而实现对目标的检测、跟踪和成像。

图1 非合作双基地雷达系统工作示意图

辐射源频率捷变雷达是一种发射信号的频率以规则或不规则自适应的方式作脉间变频和脉组变频的雷达,在不同的工作模式下信号的频点呈现随机性或伪随机性。作为非合作雷达,为了能对微弱的回波信号能量进行有效积累,首先空间上的同步需要采用同时多波束技术覆盖观测区域,然后处理参考通道内的直达波信息,对提取的脉冲样式,脉宽、带宽、载频以及脉冲组合形式等作统计分析,以推测估计外辐射源的工作方式、资源分配情况,最后获得的外辐射源系统参数用于回波通道内信号时频同步[12-13]。本文研究了其中一种工作模式下的脉冲样式,该脉冲样式在一个积累时间内载频围绕某一中心频点呈随机性跳变规律,如图2所示。

图2 某种工作模式下的捷变频示意图

2 基本原理

2.1 捷变频信号模型

为了提高距离分辨率,雷达系统通常采用的基带波形为线性调频(LFM)信号,信号表达式为

式中,Tp为脉冲宽度,K=B/Tp为调频斜率,B为信号带宽。经过捷变频雷达载频调制之后发射信号的波形为

式中,τm为目标回波的时延,Ar为接收到的回波幅度。经过接收机解调之后的基带回波为

脉冲压缩是通过匹配滤波完成的。通过对参考通道里的直达波数据进行提取得到辐射源基带发射信号参数,滤波器响应即为基带发射信号的反转共轭:

将目标回波进行脉冲压缩得到回波信号为

在双基地雷达系统[14]中,据目标运动的几何关系和运动学状况构造了双基地空间坐标系,如图3所示。其中,V为目标速度,δ为视线角度,β为目标的双基地角度。目标的双基地距离R=RT+RR,其中RT是目标到发射站的距离,RR是目标到接收站的距离,再利用基线距离L,发射站和接收站的目标方位角θT,θR就可以定位目标。

图3 非合作双基地雷达参数示意图

根据双基地雷达系统中多普勒的定义可知目标多普勒为

目标的双基地距离为

R0是零时刻目标相对双基地雷达初始距离,将式(7)、(8)、(9)代入式(6)中得到脉冲压缩后的信号为

从式(10)可以看出,当发射的脉冲不同时,回波的时延不同,则脉压之后信号的峰值在相对距离轴上的位置不同,即发生了距离单元走动,而频率捷变对目标信号的相位产生不同程度的调制,以上因素导致了回波信号积累时能量分散,不利于信噪比的提高。

2.2 距离走动校正

Keystone变换是一种应用于合成孔径雷达领域的常见距离走动校正技术,本文使用Keystone变换补偿目标信号长时间积累时造成的距离单元走动。首先对式(10)作快时间域的傅里叶变换得到式(11)。

然后通过设定虚拟时间解决距离走动问题,

再对上式作快时间域逆傅里叶变换得到时域信号:

由式(13)可见目标包络中心变成了常数项,即Keystone变换后回波集中在同一个距离单元内,距离走动得到补偿。

2.3 相位校正

从式(13)中可以看出,Keystone变换后回波信号的距离单元走动得到有效校正,那么为了实现同一距离单元内回波信号的同相累加,必须通过消除回波信号的相位抖动来完成。f m是目标的第m条脉冲的载频,其在相邻脉冲之间存在频点跳跃。载频跳变的规律可用式(14)描述:

式中,f0为载频中心频率,a(m)为频率捷变的规律,一般为随机序列。根据图3中双基地目标运动模型中的角度关系推导出目标引起的多普勒频率为

回波载频可以从参考通道内的直达波中估计得到,所以脉冲压缩后回波信号的相位抖动可以通过乘以对应的相位差来消除,最后得到回波信号为

由式(16)可见目标包络中心变成常数项,而且回波的频点稳定,相位不再出现抖动,这时回波信号可以实现同一个距离单元内的同相累加。

2.4 算法处理流程

基于非合作捷变频雷达系统的工作模式、目标回波模型以及目标运动模型,设计了如图4所示的微弱目标检测算法流程图。首先,参考通道内处理接收到的直达波,用来提取信号的载频、带宽、脉宽等参数,回波通道利用参考通道获得的直达波参数进行时间和频率同步,缓存回波数据矩阵。然后,缓存的回波数据经匹配滤波后进行Keystone变换校正距离单元走动,对同步的载频频点处理消除相位抖动项实现相位校正,最后实现同一距离单元内回波脉冲的相参积累。

图4 非合作双基地雷达微弱目标算法流程

3 仿真实验及性能分析

3.1 仿真实验

为了验证本文算法的有效性,采用Monte Carlo仿真实验进行分析。非合作雷达系统参数设置如表1所示。

表1 系统参数设置

按照图4给出的算法流程进行仿真,当信噪比为-20 d B,设置载频频点在中心为55 MHz处跳变,Δf m在[-5 MHz,5 MHz]范围内随机变化,本文提出算法的仿真实验结果如图5所示。

图5(a)中所示当对512条回波进行脉冲压缩后距离单元走动明显,第512条脉冲跨越约38个距离单元;图5(b)中所示Keystone变换后的回波脉冲距离单元走动得到校正明显;图5(c)中所示当回波信号的相位扰动项消除后同一距离单元的回波同相累加,能量得到有效积累。仿真验证了本文提出的算法能够很好地应用在捷变频雷达的微弱目标检测上。

图5 基于本文算法的仿真结果

3.2 算法性能分析

3.2.1 脉冲数和频率测不准对本文算法的影响

为了研究脉冲数变化和频率同步出现偏差时对本文算法性能的影响,改变表1系统参数中的积累脉冲数得到回波脉冲的积累增益曲线,如图6所示。脉冲载频在中心频率55 MHz随机跳变,当频率同步时出现±0.5 MHz的偏差时回波脉冲积累效果如图7所示。

图6 脉冲数对积累增益的影响

图7 测不准时对积累效果的影响

从图6可以看出,当积累脉冲数目增加时,本文算法能够很好地吻合理论增益,而当脉冲数超过32条时,常规MTD算法对脉冲的积累增益幅度较小。这是因为随着脉冲数目的增加,回波的距离单元走动越来越明显,而且回波脉冲的频点捷变导致脉冲的相位抖动剧烈,因此积累能量损失较大。当同步到的脉冲载频出现偏差时,即使Keystone变换后距离单元走动得到校正,但是捷变频带来的相位抖动项没有消除,回波脉冲仍然无法实现同相积累,即出现如图7所示的积累能量分散现象。

3.2.2 本文算法与非相参积累方法比较

为了对比本文算法和非相参积累算法的性能,本文选择基于Hough变换的非相参积累算法。该算法是利用检测前跟踪的思想,用目标运动的直线特征来补偿目标的距离走动效应,从而提高信噪比实现微弱目标检测。设置如表1所示的雷达系统参数,两种算法的Monte Carlo仿真结果如图8所示。

图8 本文算法与非相参积累算法

从仿真结果可以看出,基于Hough变换的算法和本文提出的算法在处理频率捷变的回波信号积累时能量都能表现出很好的凝聚性,但是仿真实验表明基于Hough变换的非相参算法参数搜索空间较大,实时性差,不利于工程实现。

4 结束语

本文分析了捷变频雷达的回波信号模型,提出了一种基于捷变频雷达的微弱目标检测算法。该方法能够解决当捷变频回波信号长时间相参积累时距离单元得到校正后相位仍然存在抖动的问题。仿真实验表明,该方法能够提高信噪比增益,有效地检测微弱目标。但由于捷变频雷达工作频点具有随机性或伪随机性,系统同步上难度较大,因此如何精确估计外辐射源系统参数,并开展相应的实时算法研究是下一步的工作重点。

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