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主动防护系统探测雷达的高速多目标配对

2016-09-13

兵器装备工程学报 2016年8期
关键词:信噪比多普勒补偿

马 可

(西安电子工程研究所,西安 710100)



主动防护系统探测雷达的高速多目标配对

马可

(西安电子工程研究所,西安710100)

提出了一种基于目标补偿的主动防护系统探测雷达高速多目标配对方法。通过采用点频连续波与负斜率线性调频连续波的组合作为雷达发射信号,由点频差拍信号获得高速目标的多普勒频率,构造补偿信号,对负斜率线性调频信号的差拍信号进行补偿,对于同一速度的高速目标补偿后得到目标距离。仿真结果验证了该方法的有效性。

主动防护系统;多目标配对;高速目标

本文引用格式:马可.主动防护系统探测雷达的高速多目标配对[J].兵器装备工程学报,2016(8):122-126.

主动防护系统是坦克、装甲车辆的一种新型防护措施。主要由探测雷达、中心处理计算机和反击弹药等组成[1]。主动防护系统探测雷达重点关注对反坦克导弹、反坦克火箭弹的精确测量,这种目标的特点是速度快、雷达散射截面(radar cross section,RCS)小、发射距离近。连续波雷达具有测距测速精度高、无近距离探测盲区、体积小易实现等优点,因此经常被应用于主动防护系统探测雷达。

在主动防护系统中,由于系统反应时间固定,雷达需要在更远的距离上探测到高速目标。探测距离产生的回波信号幅度动态范围较大[2],远处目标的回波信号幅度较弱。然而连续波雷达存在固有的信号泄漏问题[3],发射功率不能太大,不能靠提高发射功率来提高远距离目标的回波功率。需要增加雷达信号的驻留时间进行多周期积累以提高信噪比。对于高速目标,在进行多周期积累过程中又会有目标跨距离单元的现象[4],跨距离单元现象会导致输出信噪比下降,目标无法满足被检测条件[5]。因此需要对高速运动目标进行运动补偿以消除跨距离单元现象。

在本文中,首先分析了一种适于主动防护系统探测雷达高速目标探测的点频连续波(continuous wave,CW)与负斜率线性调频连续波(linear frequency modulation continuous wave,LFMCW)信号组合形式,随后针对高速目标的特点进行分析,指出对于高速目标需要进行多周期积累,但多周期积累会带来目标跨距离单元的现象。针对跨距离单元情况可通过CW差拍信号对LFMCW差拍信号进行运动补偿,通过运动补偿中的速度匹配,完成主动防护系统探测雷达高速多目标的配对。

1 雷达信号分析

连续波雷达发射连续的射频信号,回波信号经过接收机与发射信号做差拍处理,处理后的差拍信号经过采样后做快速傅立叶变换(fast fourier transform,FFT),即可对信号进行检测。

文献[6]中给出了一种适于主动防护系统的连续波雷达信号组合形式,这里对其多周期模型进行分析。CW与LFMCW信号组合形式如图1所示,信号周期为Tr,每个周期内CW与LFMCW信号的时长分别为T,则Tr=2T。

图1 组合信号形式时频关系

设CW与LFMCW信号在第m个周期内的发射信号分别为

(1)

其中:A为发射信号幅度;f0为工作频率;u=B/T为LFMCW调频斜率;B为调频带宽。忽略目标反射引起的相移,可以得到CW与LFMCW回波信号分别为

(2)

其中:L为目标反射系数;m为在第m个周期内;τ(m,t)=2R(t)/c=τ0-k(t+mTr)为目标回波延时;τ0=2R0/c;k=fd/f0;fd为目标多普勒频率;R0为目标初始距离;v为目标速度。

回波信号与发射信号混频,经过低通滤波后得到的差拍信号分别为:

(3)

由式(3)可以看出,CW段的差拍信号为一单频信号,其频率为fd。对CW段差拍信号的频谱进行目标检测可直接得到目标的多普勒频率。LFMCW段的差拍信号的中心频率为目标初始距离与目标多普勒频率的耦合项,并且随周期变化(-ukmTrt),该项就是高速目标在雷达积累周期内所产生的频移。

2 高速目标特点分析

2.1多周期积累

在主动防护系统中,远距离的目标回波功率很小,使得系统的输入信噪比较低。而根据雷达方程,通过提高发射功率、天线增益等方法可以直接提高远距离目标的回波功率。但是,当系统参数已经固定时,只能通过增加采样点数来提高采样后的信噪比。而采样点数N=fsTd,其中fs为系统采样频率,Td为雷达驻留时间。

当系统采样频率一定时,只能通过增加驻留时间Td增加采样点数,提高FFT后的输出信噪比,使信号能够可靠检测。驻留时间Td一般选择为组合信号周期Tr的M倍,这就相当于对差拍信号进行多周期积累。运动目标在积累M个周期内不发生跨越距离单元现象的限制条件为:vMTr<δR(δR为距离分辨率)。高速目标的速度一般会大于vmax=c/2BMTr,这时就需要对积累的差拍信号进行运动补偿。

针对上述分析以某主动防护系统探测雷达的参数进行仿真。雷达系统参数为:雷达工作频率f0=10 GHz,调频带宽B=500 MHz,CW与LFMCW信号时长均为T=0.5 ms,组合周期Tr=2T,系统采样频率fs=4 MHz。假定输入噪声为高斯白噪声,信噪比为SNR=-25 dB。那么δR=0.3 m。假设一个距离R=200 m的慢速(积累周期内不跨距离单元)目标,以验证在低输入信噪比条件下通过积累可靠检测出目标。

这里只讨论LFMCW信号。LFMCW单周期采样点数N=2 000,理论输出信噪比为SNRout=-25+10lg2 000=8 dB。但是由于连续波信号差拍处理时会忽略不规则段信号,所以实际增益比理论增益低,导致信号无法可靠检测。如果积累8个周期,理论输出信噪比为SNRout=-25+10lg8×2 000=17 dB。仿真结果如图2所示。

图2(a)为单周期LFMCW差拍信号功率谱,可以看到,由于远处回波强度较弱,单周期信号的差拍信号信噪比过低,不能可靠检测出目标;图2(b)为积累8周期后的LFMCW差拍信号功率谱。可以看到积累8周期的差拍信号功率谱有明显谱峰,输出信噪比达到10 dB以上,可以检测出目标。

2.2跨距离单元现象

如果目标速度大于vmax,积累时间内目标将出现跨距离单元走动现象,此时目标回波能量将被分散到多个距离单元中,这将会导致信号能量无法在一个距离单元内积累,造成积累性能严重下降,目标无法被可靠检测。假设距离R=200 m的一个慢速目标和一个速度为1 500 m/s的高速目标,雷达系统参数与上述相同,输入信噪比为SNR=-25 dB。仿真结果如图3所示。

图2 仿真结果

图3 仿真结果

由图3可以看出,慢速不跨距离单元时,可以通过积累找到目标谱峰;而高速时,由于目标跨越距离单元,导致回波能量无法积累到同一距离单元内,使得目标无法被可靠检测。近程防护探测雷达在对高速运动目标进行探测时,会有在驻留时间内目标跨距离单元走动的现象,这会导致回波信号能量无法在一个距离单元内积累,使得目标无法被可靠检测。需要寻找一种高速目标的运动补偿算法,使得信号能量在同一距离单元内完成积累。

3 高速多目标配对

3.1运动补偿[7]

(4)

将式(4)与式(3)中的LFMCW差拍信号相乘后可以得到补偿后的信号为

(5)

对比式(3)可以看出,式(5)的信号消除了目标距离速度耦合项以及高速目标多周期积累的频移项。信号的频率只与目标初始距离有关,通过对其频谱检测,可以得到高速目标的距离。总结高速目标补偿处理的步骤:

a) 对CW差拍信号做FFT或线性调频Z变换(chirp z transformation,CZT)[8]得到频谱并进行检测得到目标多普勒频率;

b) 由得到的目标多普勒频率构造出随周期变化的补偿信号;

c) 将补偿信号与LFMCW差拍信号相乘得到补偿后的信号;

d) 将补偿后的信号在频谱上进行检测即可得到目标的初始距离;

e) 通过目标初始距离和速度解出目标当前距离。

针对上述分析,以某型主动防护系统探测雷达的参数进行仿真。雷达系统参数为:载频f0=10 GHz,CW与LFMCW信号时长均为T=0.5 ms,组合周期Tr=2T,调频带宽B=500 MHz,系统采样频率fs=4 MHz。假定输入噪声为高斯白噪声,信噪比为SNR=-25 dB。那么δR=0.3 m。假设一个距离R=200 m速度v=1 500 m/s的高速目标,做8周期积累,以验证提出补偿算法的有效性,仿真结果如图4所示。

图4(a)为CW差拍信号积累8周期后得到的功率谱,可以看到CW差拍信号做8周期积累后有明显的谱峰,可以进行目标检测得到目标的多普勒频率。图4(b)为LFMCW差拍信号积累8周期后不做运动补偿的功率谱,可以看出未经补偿的LFMCW差拍信号功率谱没有目标谱峰,通过目标检测不能检测出目标。通过由CW差拍信号得到的多普勒频率构造出补偿信号来补偿LFMCW差拍信号,经过运动补偿后的差拍信号功率谱如图4(c)所示。可以看出补偿后的LFMCW差拍信号有明显目标谱峰,输出信噪比达10 dB以上,通过目标检测可以检测出目标,进而可以算出目标的初始距离。仿真结果得到的目标速度值为v=1 501.5 m/s,目标初始距离为R=199.95 m。

图4 仿真结果

3.2多目标配对

上述的高速目标运动补偿算法,相当于对高速目标进行一次速度上的匹配滤波。精确估计的目标多普勒频率通过补偿信号与LFMCW差拍信号相乘,可以得到目标的距离。而如果目标多普勒频率估计不准,会导致无法完全消除式(3)中快慢时间耦合项和二次项的影响,使得差拍信号能量还是不能在一个距离单元内完成积累。这相当于速度不匹配。因此可以通过这种思路完成高速多目标的配对。

在多目标的情况下[9-11],若CW差拍信号可以得到n个多普勒估计值,就构造n个补偿信号分别与LFMCW差拍信号相乘,构造出的补偿信号只能有效地补偿具有当前多普勒频率的目标,而不是此多普勒频率下的目标不能有效地补偿到同一距离单元内。因此在多目标情况下,构造一个补偿信号与LFMCW差拍信号相乘并做FFT就相当于对具有当前补偿信号多普勒频率下的目标进行一次速度上的匹配滤波。如果多普勒频率相匹配,那么在做FFT后,目标的距离谱峰出现;如果多普勒频率不匹配,那么在做FFT后,目标的距离谱峰不出现。这样就可以完成高速多目标的配对。图5为高速多目标配对处理流程图。

图5 高速多目标配对流程

对上述分析,用相同的雷达参数进行仿真。假设3个目标R1=150 m,v1=300 m/s;R2=150 m,v2=1 500 m/s;R3=200 m,v3=1 500 m/s。理论分析知,CW差拍信号应该有两个谱峰,所对应的多普勒频率可以构造出两个补偿信号。再用这两个补偿信号分别与LFMCW差拍信号相乘,这样就可以得到相应多普勒频率下的目标距离信息。仿真结果如图6所示。

图6(a)为CW差拍信号积累8周期后的功率,可以看出CW差拍信号做CZT后有两个明显谱峰,图6(a)中的两个谱峰高度不同是由于有两个目标速度为1 500 m/s和300 m/s,使得1 500 m/s目标比300 m/s目标产生回波功率大。分别用这两个谱峰对应的多普勒频率构造出两个补偿信号。未经补偿的LFMCW差拍信号功率谱如图6(b)所示,可以看出未做高速目标运动补偿的LFMCW差拍信号无明显谱峰,不能可靠检测出目标。用CW差拍信号功率谱中第一根谱峰估计出的多普勒频率构造第一个补偿信号,与LFMCW差拍信号相乘后所得的频谱为图6(c)所示,可以看出经过运动补偿后有一根明显的谱峰,意味着在相应多普勒频率下有一个目标。用CW差拍信号功率谱中第二根谱峰估计出的多普勒频率构造第二个补偿信号,与LFMCW差拍信号相乘后所得的频谱为图6(d)所示,可以看出补偿后有两根明显的谱峰,意味着在相应多普勒频率下有两个距离不同的目标。这与假设情况相符。表明了所提出的方法有效地解决了距离速度耦合的问题和高速目标跨越距离单元的问题。而且这种方法相当于当前多普勒频率下的匹配滤波,可以有效地完成高速多目标配对问题。

图6 仿真结果

4 结束语

主动防护系统探测雷达对于高速小目标的探测,需要增加驻留时间。但是增加驻留时间会导致跨距离单元现象。当目标速度大于速度门限值时,需要对高速目标进行运动补偿。通过采用点频连续波和负斜率线性调频连续波的信号组合形式,利用点频连续波差拍信号获得目标的多普勒频率,构造补偿信号对负斜率线性调频连续波差拍信号进行补偿,速度匹配时即可补偿出目标的距离。通过速度匹配也可以完成对不同速度高速目标的多目标配对。仿真结果说明了该方法在主动防护系统探测雷达高速目标时的有效性。

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(责任编辑杨继森)

High Speed Multi-Target Pairing of Active Protection System Radar

MA Ke

(Xi’an Electronic Engineering Research Institute, Xi’an 710100, China)

The method used the range velocity decoupling and motion compensation for high speed multi-target pairing was proposed. By using a hybrid signal composed of continuous wave (CW) and negative slope linear frequency modulation continuous wave (LFMCW) as the radar transmitted signal, the Doppler frequency of the high speed target can be obtained by using the CW beat signal, and then the target distance can be obtained. Simulation results verify the validity of the proposed method.

active protection system; multi-target pairing; high speed target

2016-02-22;

2016-03-30

武器装备预先研究基金资助项目(40405060201)

马可(1988—),男,硕士,工程师,主要从事雷达总体设计研究。

10.11809/scbgxb2016.08.028

format:MA Ke.High Speed Multi-Target Pairing of Active Protection System Radar[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(8):122-126.

TN951

A

2096-2304(2016)08-0122-05

【信息科学与控制工程】

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