机载脉冲多普勒雷达长相参积累目标运动补偿*

曹书华，房卫军，汪凌艳

(中航工业雷达与电子设备研究院，江苏无锡 214063)

0 引言

现代机载脉冲多普勒雷达常用增加积累时间来提高弱小目标的检测性能。长时间积累中，目标运动引起的距离走动严重影响目标的能量积累和检测性能，因此，研究有效的校正距离走动的方法是改善现代雷达检测性能的重要途径之一［1］。

文献［1］提出基于短时傅里叶交换和 Wignerville分布的解线性调频实现相参积累的方法;文献［2-4］提出Hough变换方法、WVD变换方法和自适应小波变换方法;文献［5-6］提出基于包络插值移位补偿相参积累的算法。这些算法都比较复杂，运算量很大［7］。

文中提出了在距离频域按照目标的径向速度进行相应的线性相位补偿，以达到目标的距离走动补偿的目的。该方法只需要对雷达每个周期回波进行1次距离向FFT后，乘上相应的补偿相位，再IFFT到距离时域，即可实现不同时刻目标回波的距离对准，从而使目标相参积累能量最大化。尤其该方法与脉压流程结合进行时，几乎没有额外增加运算量，运算方法简单，有利于工程实现。

1 距离走动补偿

由于载机与目标的相对运动，使得载机与目标在雷达一帧的相参处理时间内发生了距离走动，尤其是相参处理时间较长时，该距离相差1个以上距离单元时，就会导致目标相参积累能量在距离维发散，降低目标的相参积累信噪比。

假设雷达相参积累任一时刻载机与目标相对距离走动大小为ΔR。如果距离走动量ΔR是距离单元的整数倍，只需对距离采样序列进行移位即可实现距离对准。但距离走动量ΔR一般不是距离单元的整数倍，要对目标距离走动进行补偿，原则上通过内插的方法可以由周围若干点幅度和相位信息恢复所需距离采样点的信息。由于插值的方法存在计算量和精度问题，因此，此处考虑采用快速的方法实现距离移动，即在距离频域乘以一个线性相位实现目标的距离时域移动，达到距离对准的目的。

假设某一时刻目标回波时域信号为:

对回波信号进行距离FFT，变换到距离频域:

式中:fr为距离频率;fc为雷达载频;P(fτ)为雷达发射信号频谱。对式(2)进一步变换得:

式中R0为相参积累开始时刻载机与目标间相对距离。

假设信号采样频率为fs，一个周期内距离向采样点数为N'。为了做快速傅里叶变换，需要对距离向采样点补零变成2的幂，假设距离向补零后FFT点数为N，则

对式(3)乘上距离参考匹配函数P*(fτ)，进行匹配滤波的同时，乘上距离移动所需的线性相位:

当雷达处于目标跟踪帧时，利用目标航迹预测速度，可以对目标距离走动进行补偿，完全消除由于目标距离走动引起的相参积累损失。当雷达处于搜索状态，由于目标速度未知，当检测迎头目标时，可以使用载机地速加检测保护速度进行部分距离走动补偿，消除载机自身运动因素对目标相参积累结果的影响;如果雷达处理机硬件资源富余时，可以对目标回波进行速度分区，进行多次补偿，每补偿一次速度进行一次目标检测，以适应不同的目标速度的距离走动补偿的需要，例如速度区段可以使用50 m/s的步进。

2 仿真与分析

实验1:载机与目标间做相对匀速直线运动，相对运动速度大小为600 m/s，距离走动补偿速度大小600 m/s。相参积累时间分别为 21 ms，42 ms，84 ms，168 ms，336 ms。雷达采用脉内线性调频信号。

从图1、图2可以看出:当积累时间到达300 ms左右时，补偿前目标最大值所在距离门位置为33号距离门，补偿后目标最大值所在距离门位置为38号距离门;积累时间内，按照第1个脉冲时刻目标位置为参考基准，对后续积累脉冲进行了距离走动补偿。距离走动补偿后，目标距离维所占宽度显著减小。

图1 距离走动补偿前目标位置

图2 距离走动补偿后目标位置

从图3、图4可以看出:如果积累时间较短，即积累时间内，目标距离走动未能超过1个距离门时，距离走动补偿后目标积累功率效果不佳;随着积累时间的延长，当目标距离走动超过1个距离门时，目标功率随着相参积累时间线性增加，回波能量在距离维得到有效聚集。

实验2:载机与目标间做相对匀速直线运动，相对运动速度大小为600 m/s，距离走动补偿速度大小250 m/s。相参积累时间分别为 21 ms，42 ms，84 ms，168 ms，336 ms。雷达采用线性调频脉压信号。

图3 距离走动补偿前后目标功率

图4 距离走动补偿前后目标功率差值

从图5、图6可以看出:当目标绝对径向速度未知时，如果只补偿载机自身径向速度和检测保护速度，依然能够补偿载机与目标间距离走动所引起的部分相参积累功率损失。

图5 补偿部分速度前后目标积累功率

3 结论

图6 补偿部分速度前后目标积累功率差值

机载脉冲多普勒雷达目标信噪比与相参积累点数成正比。对于隐身目标或小目标，正常积累时间，不能实现目标检测时，需要增加相参积累时间，以提高目标的相参积累信噪比，实现目标远距离检测。但长时间相参积累时，目标距离走动问题就更加突出，极大影响了相参积累的效果。当积累时间较长时，甚至会出现积累时间到达一定长度时，目标功率不再增加的情况。通过在距离频域按照目标径向速度进行线性相位补偿的方法实现了目标的距离走动进行补偿，有效地解决了相参积累过程中载机与目标间的相对运动引起的跨距离门走动问题。通过对某机载脉冲多普勒雷达实际试飞数据的处理，也证明了该方法的有效性，在雷达的工程实践中具有较高的应用价值。

［1］保铮.雷达信号的长时间积累［C］∥第7届全国雷达学术年会，1999:9－15.

［2］CARSON B D，EVENS E D，WILSON S L.Search radar detection and track with the Hough transform，partⅠ:System concept［J］.IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems，1994(30):102－108.

［3］FRAZER G J，ANDERSON S J.Wigner-Ville analysis of HF radar measurements of an accelerating target［C］∥Proc ISSPA 99.Brisbane，Australia，1999.

［4］WANG G Y，XIA X G，ROOTB T.Maneuvering target detection in over-the-horizon radar by using adaptive chirp let transform and subspace clutter rejection［C］∥Proc ICASSP 03.Hong Kong，China，2003.

［5］朱永锋，李为民，陈远征，等.Chirp雷达对高速运动目标有效相参积累的算法研究［J］.系统工程与电子技术，2004，26(10):399.

［6］陈远征，朱永锋，赵洪钟，等.基于包络插值移位补偿的高速运动目标的积累检测算法研究［J］.信号处理，2004，20(4):387－390.

［7］魏海刚.高速微弱目标检测与跟踪方法研究［D］.西安:西安电子科技大学，2013.