相参捷变频雷达接收机及动目标处理技术

张晨路，公绪华，刘一民

(1. 清华大学 电子工程系，　北京 100084；　2. 空军装备研究院 雷达所，　北京 100085)



相参捷变频雷达接收机及动目标处理技术

张晨路1，公绪华2，刘一民1

(1. 清华大学 电子工程系，北京 100084；2. 空军装备研究院 雷达所，北京 100085)

摘要：在现代雷达技术的发展中，相参捷变频雷达因其目标分辨能力和在电子对抗战中的优势而越来越多地被应用。文中介绍了三种相参捷变频雷达接收机的体制，并分析了各自的原理以及适用的应用场景。针对该体制在杂波抑制上的难题，提出一种基于最优输出信杂比的杂波滤波器的设计方法，对回波信号进行杂波抑制以实现动目标处理。展示了由原理样机进行的外场实验，通过对外场实验获取得真实数据进行分析，验证了系统的相参性和动目标处理的有效性。

关键词：相参捷变频雷达；雷达接收机；动目标处理；杂波抑制

0引言

在现代雷达技术的快速发展中，提高雷达对目标的分辨能力与加强雷达自身在对抗中的存活能力是主要的两方面目标。相参捷变频(FAC)雷达在这两个方面都有很好的发展前景：一方面，相参可以带来分辨能力上的好处；另一方面，频率捷变可以使雷达在电子反对抗中获得优势。所以，相参捷变频雷达被认为是未来雷达发展中很有竞争力的体制之一[1-2]。

相参与捷变同为雷达的经典技术[3]，考虑二者的结合，尤其是捷变频率范围的提高和更高灵活性的需求，对接收机和信号处理都带来了新的挑战[4]。在信号处理方面，由于杂波抑制的困难导致了相参捷变频雷达在很长一段时期发展缓慢。本文通过设计一个最优输出信杂比的杂波滤波器来实现对动目标的处理。在接收机方面，传统的接收机技术已经可以实现相参和捷变频两部分的功能，但是随着一些新技术的引入，比如文献[5]所实现的基于光器件的相参捷变频雷达，相参捷变频雷达的体制更加丰富。

本文将介绍相参捷变频雷达接收机的几种实现原理，同时给出一种对于相参捷变频雷达信号动目标的相参积累和杂波抑制技术，并用原理样机采集的实际数据来展示处理的效果。

1相参捷变频雷达接收机技术

相参体制是现代雷达中广泛采用的体制，它可以提供信号的相位信息来获得额外的分辨率和杂波抑制性能。由于在相参体制中要求发射信号和解调信号保持严格的相位同步关系，所以要求相参雷达接收机的设计可以保证这种严格的同步关系。

捷变频技术可以快速地切换雷达的工作频率，使雷达更难被探测，因而在电子对抗中获得优势。捷变频根据捷变的尺度分为脉组间捷变和脉冲间捷变两种：脉组间捷变指的是频率的捷变发生在相参处理间隔(CPI)之间；脉冲间捷变指的是频率的捷变发生在CPI内的每个脉冲之间。本文介绍的相参捷变频雷达的捷变指的是脉冲间捷变。捷变频要求雷达接收机具有快速切换频率的能力。

相参捷变频雷达兼具二者的特点，接收机要满足相参和捷变频两方面的要求[6]。目前实现相参捷变频雷达接收的手段主要有三种：直接频率合成(DS)、

直接数字式频率合成(DDS)和光调制与光解调。

1.1直接频率合成

DS接收机的结构如图 1所示。DS接收机通过DS改变射频本振的频率来实现频率的捷变。DS通过一个或多个晶体振荡器，经过开关转换、倍频、分频得到所需要的频率。DS的优势在于频率切换速度快、相位噪声低，劣势在于设备量大、成本高。

图1　直接频率合成接收机结构

设系统中频为fIF，中频输入信号为

SIF(t)=rectT(t)cos[2πfIF(t)+φ(t)]

(1)

式中：rectT(t)为时宽为T的矩形窗；φ(t)为具体的调制波形的相位函数。系统本振选择频率为fn的本振，则射频发射信号为

STX(t)=cos[2π(fn+fIF)t+φ(t)]·rectT(t)

(2)

接收到的目标回波信号为

SRX(t)=STX(t-τ)

(3)

式中：τ=2R/c为目标因距离产生的延时。经过与发射同样的本振信号下变频后，回波中频信号为

SRIF(t)=cos[2πfIF(t)-2π(fn+fIF)τ+φ(t-τ)]·

rectT(t-τ)

(4)

可见，在回波中频信号中，系统没有带来额外的相位变化，所以接收机是满足相参性的。

通过改变射频本振频率实现的相参捷变频雷达接收机同现有的非捷变雷达中频部分保持兼容，现有的系统只需加入频率控制部分即可获得频率捷变的功能。由于捷变发生在脉冲间，使得接收机同时只能接受一个脉冲的回波，主要应用于低脉冲重复频率(PRF)的场景，在中、高PRF下作用距离会受到限制。

1.2直接数字式频率合成

DDS接收机的结构如图 2所示。直接频率合成通过改变中频的频率来实现频率的捷变。

系统采用数字中频的方案，使用DDS直接生成中频上的波形。设系统中频基频为fIF，跳频间隔为Δf，则当系统工作在第k个频点时，DDS中存储的数字波形为

SDIF(n)=cos[2π(fIF+kΔf)nTs+φ(nTs)]

0≤n≤T/Ts

(5)

式中：Ts为DDS的时钟周期，则输出的中频波形为

SIF(t)=rectT(t)cos[2π(fIF+kΔf)t+φ(t)]

(6)

图2　直接数字频率合成接收机结构

使用固定本振射频为fc的接收机将SIF上变频到射频

STX(t)=cos[2π(fc+kΔf+fIF)t+φ(t)]·rectT(t)

(7)

接收信号SRX形式同式(3)一样，经过与发射同样的本振信号下变频后的中频信号为

SRIF(t)=cos[2π(fIF+kΔf)t-2π(fc+kΔf+fIF)τ+

φ(t-τ)]·rectT(t-τ)

(8)

之后对中频信号使用和DDS相同的时钟源进行采样，在数字域对采样信号进行滤波处理，选出对应频点k的信号。由于使用相同的时钟源，同时发射波形的初相已知，可以发现系统收到的回波信号中，系统没有带来额外的相位变化，故此接收机系统为相参的。

使用DDS的相参捷变频雷达接收机可以实现在高重频下的多通道接收。如果每一个频点发射的信号不大于调频间隔Δf，对采样得到的中频信号通过不同的数字滤波器，即可同时得到不同频点的回波信号。

DDS相参捷变频雷达接收机的优势在于同现有的射频接收机保持兼容，可以应用于高重频的场景下；劣势在于由于使用DDS直接生成中频信号，系统的带宽受到器件的限制，目前在大带宽(如大于1 GHz)的应用中还比较困难。

DDS接收机可以和DS接收机技术混合使用，从而在一定程度上兼顾大带宽和多种PRF。

1.3基于微波光子学的接收机

随着微波光子学的发展，借助光电手段来完成相参捷变频雷达接收机的调制与解调成为可能。借助光电手段的相参捷变频雷达接收机如图 3所示[7]。图中实线为光信号通路，虚线为电信号通路。

图3　基于光调制的接收机

图中重要的光学器件有锁模激光器(MLL)、马赫曾德尔调制器(MZM)、光学带通滤波器(OBPF)，串并转换器(S/P)、色散补偿光纤(DCF)、光电探测器(PD)等。其中，MLL相当于频率源，用于产生一组在光谱上呈现梳妆特性的激光，梳妆谱之间的间隔为Δν；OBPF可以对光谱进行频率的选择和加权；MZM相当于混频器，其输入是光信号和电信号，输出是两个输入信号混频后的光信号；S/P将串行的光信号转为并行的光信号，用来解决采样速率不足的问题；DCF用于将信号在时域上拉伸。

基于光的接收机的发射流程如下：

首先，MLL产生一组在光谱上间隔为Δν的梳妆谱激光，通过OBPF保留其中N+1个谱线，所得到的信号SMLL为

(9)

式中：ν为激光器的工作频率，取决于激光器的波长。DDS生成的中频信号SIF为

SIF(t)=rectT(t)cos[2πfIFt+φ(t)]

(10)

然后，SMLL与DDS生成的中频电信号一起通过MZM，将中频电信号调制到每一条梳状光谱的谱线上。MZM的调制过程可以表示为

SMOD(t)=SMLL(t)·[1+M·SIF(t)]

(11)

式中：M为调制深度。将式(9)和式(10)带入式(11)，得到调制后的光信号

Cncos[2π(ν+nΔν±fIF)t+φ(t)]·

rectT(t)

(12)

式中：B和C表示信号的幅度。经过PD后，得到

Encos(2πnΔνt)}+[…]

(13)

其中，第一项为将中频信号上变频到nΔν±fIF的分量；第二项为互相差频出的载波信号；[…]为省略掉的两倍于光频率的部分。通过滤波器将要发射的频率分量选出，得到最后的发射信号为

STX(t)=cos[2π(kΔν-fIF)t+φ(t)]·rectT(t)

(14)

接收信号SRX形式同式(3)一样，将接收到的射频信号SRX与同一个MLL产生的光信号SMLL经过MZM，得到解调光信号

Gncos{2π[ν+(n±k)Δν±fIF]t∓

2π(kΔν-fIF)τ±φ(t-τ)}·rectT(t-τ)

(15)

之后，将采样的光脉冲序列通过一个S/P，将高速的串行光脉冲转换为低速率多通道的光脉冲。每个并行通道的信号通过DCF将光信号在时域上拉伸，以便进行采样。将光信号通过PD，与式(13)同理可得对采样信号(忽略了拉伸和串并转换，因为其只是光采样实现的方法，相当于直接对信号进行采样)

φ(t-τ)}·rectT(t-τ)

(16)

可见，采样信号中并没有因为系统参数引入的附加相位，故此接收机是相参的。

基于光器件的接收机具有跳频带宽大、频带一致性好的特点，但由于引入了光电转换会不可避免地带来信噪比上的损失。同时，由于MLL和MZM的特点，不同射频通道的信号会被同时搬移到基带，可以接收各个频点的回波信号，但是和传统中、高PRF雷达一样有距离模糊的现象。

表1总结了三种接收机的特点，工程中可以根据具体的应用场景来选择合适的体制。

表1　三种接收机体制的特点

2相参捷变频雷达动目标处理技术

将相参捷变频雷达中频波形记为a(t)，对于一个包含N个脉冲的CPI，发射信号为

(17)

式中：Tr为脉冲重复间隔；f0为射频基频；Δf为调频间隔；Mn为第n个脉冲的频点序号。则距离为R、速度为v的目标回波为

(18)

式中：β=2v/c为速度带来的多普勒；τ=2R/c为距离带来的延时。将每一个脉冲使用对应的频率解调到基带，并在τ′+nTr采样基带信号。假设a((1+β)(τ′+nTr-τ)-nTr)在脉冲间保持不变，并且βMnΔf(τ′-τ)≪1，可以得到目标在第n个脉冲的回波信号为

(19)

式中：C(R,v)是只与R和v有关的系数，不随脉冲变化。假定接收到的回波中包含一个目标散射点和Nc个杂波散射点。其中，目标散射点距离为Rt，速度为vt，散射强度为ρt；第i个杂波散射点距离为Ri，速度为vi；且散射强度为ρi。则在无噪情况下，基带回波为

(20)

式中：wn为接收机噪声。

尝试构筑一个在最大化信杂比意义下的最优杂波滤波器。将上式中不同脉冲的信号重组为一个N×1的向量

y=[y0,y1,…,yN-1]T

(21)

则杂波滤波器的输出可以表示为wHy，其中，w为滤波器的系数，同样也是一个N×1的向量。最优杂波滤波器可以通过求解以下优化问题得出

(22)

式中：R=E{yHy}为接收信号向量y的协方差矩阵；u(Rt,vt)为距离为Rt、速度为vt的目标的导引矢量，具体形式为

(23)

假定杂波和噪声是独立的，协方差矩阵R可以写成

R=Rc+σ2I

(24)

式中：Rc为杂波协方差矩阵；σ2为噪声功率；I为单位矩阵。

通过拉格朗日乘子法解[8]中的优化问题得到最优杂波抑制滤波器为

(25)

(26)

通过一些方法我们可以估计出杂波的秩，那么我们可以使用降维的方法来处理。对Rc进行奇异值分解，并选取其中最大的L个奇异值组成新的Σc，这些奇异值在U中对应的向量组成一个新的N×L的矩阵Uc。则

(27)

根据矩阵求逆引理[9]和式(24)可以计算出

(28)

如此，就可以计算出杂波抑制滤波器w，通过它可以对回波进行杂波抑制的处理。

3实验结果

为了验证本文所提出的相参捷变频雷达接收机原理和动目标信号处理技术，研制了一台相参捷变频雷达原理样机。原理样机工作在X波段(9GHz~10GHz)，合成带宽为1GHz。其接收机采用直接频率合成技术，有64个频点，每个频点间隔16MHz，每个脉冲发射带宽32MHz，采用收发分置的喇叭天线。

实验场景选择在一条道路上，将雷达架设在道路中心线，一辆汽车在车顶固定两个相距30cm的角反射器，沿道路中心线以50km/h的速度匀速远离雷达。

系统相参处理间隔内共有1 024个脉冲，每个脉冲之间随机捷变频率，捷变序列近似均匀地覆盖64个频点。对回波使用第二节介绍的处理方式，对零速度的杂波进行抑制，得到的结果如图4所示。图中分别展示了距离118.5m处杂波抑制处理前和杂波抑制处理后的高分辨距离-速度。该次试验中，运动目标与一个静止的厢式货车处于同一粗分辨单元。由于箱式货车尾部的镜面反射，在该距离单元形成了强烈的静止杂波。图a)为抑制前的处理结果，可以发现平面上存在一个强的目标，位于平面零速度的位置，对应的是厢式货车的回波；图b)为抑制后的处理结果，可以发现有一些目标分布位于平面-50km/h对应的一些细分辨单元上，这是运动目标所产生的高分辨距离项。对比杂波抑制前后的处理结果可以看到，未抑制时运动目标由于幅值小被隐藏在大目标的旁瓣平台里无法分辨。抑制后不仅位于平面零速度的目标被有效地抑制掉了，同时平面其他部分的旁瓣平台也显著降低，显现出了位于非零速度上的小目标。

图4　强杂波单元的距离细分辨-速度平面成像结果

实验验证了系统可以在相参捷变频雷达接收机完成合成带宽的成像工作。同时在本实验中，本文所提出的杂波抑制方法在杂波能量比目标信号能量高出40 dB的情况下依然可以有效抑制杂波，充分说明了本方法的有效性。

4结束语

本文介绍并对比了三种相参捷变频雷达接收机的原理和实现方法。针对相参捷变频雷达中的杂波抑制问题，本文提出了一种意在最大化输出信杂比的杂波滤波器的原理和实现。通过实际外场实验获取的真实数据，验证了所提出的杂波抑制方法的效果。

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Frequency-agile Coherent Radar Receiver Design and MTI Method

ZHANG Chenlu1，GONG Xuhua2，LIU Yimin1

(1. Department of Electronic Engineering, Tsinghua University,Beijing 100084, China)

(2. Radar Institute of EAAF,Beijing 100085, China)

Abstract：With the development of modern radar system, frequency-agile coherent (FAC) radar becomes increasingly attractive for its advantages in target imaging and electromagnetic counter-countermeasures. Three structures of FAC radar receiver are introduced; their principles and applying situations are analyzed. A clutter suppression method based on best output single-to-clutter ratio filter is proposed, which can implement moving target indication (MTI). Field experiments using FAC radar prototype are made to demonstrate coherent and MTI performance according to analyzed experimental data.

Key words：frequency-agile coherent radar; radar receiver; moving target indication; clutter suppression

DOI：·工艺技术· 10.16592/ j.cnki.1004-7859.2015.12.017

收稿日期：2015-07-23

修订日期：2015-09-25

通信作者：张晨路Email：laputa.zcl@gmail.com

基金项目：国家自然科学基金资助项目(61201356)

中图分类号：TN974

文献标志码：A

文章编号：1004-7859(2015)12-0074-04