提高雷达数据利用率方法研究*

王 舰 李艳芳 吴海东

(中国洛阳电子装备试验中心 洛阳 471003)



提高雷达数据利用率方法研究*

王 舰 李艳芳 吴海东

(中国洛阳电子装备试验中心 洛阳 471003)

论文对影响雷达测量数据准确性的因素进行了分析探讨。从多普勒频移和天线旁瓣、杂波分析入手,结合公式推导和分析,得到影响雷达性能的变量和参数,利用仿真软件对其进行模拟,推算出最优的参数配置,为修正数据误差和跳变提供了有效的参考。

雷达数据; 多普勒频移; 杂波; 旁瓣

Class Number TN958.4

1 引言

在以往处理的雷达数据中,经常出现在一个航次内大部分数据变化平稳而少部分数据发生跳变的情况,导致数据无法使用,如图1所示,而发生跳变的时间段内的数据,正是用户想使用的真值。为提高雷达数据的利用率,本文从雷达信号形式入手分析了产生数据跳变的原因,给出了消除方法,进而提高了数据的利用率。

2 多普勒频移、天线旁瓣与杂波之间的关系

根据多次数据分析,造成图1所示数据变化的原因是由于雷达回波信号异常引起的,在实际测量过程中,由于雷达常年使用,元器件老化,影响其法门、重复频率、频率间隔等指标,造成测量数据的误差或跳变。造成这种数据变化的原因主要有两个方面[1]:一是发射信号没有达到标准的信号样式,存在主信号和旁瓣差别不大的现象;二是接收机灵敏度下降,接受信号频率偏差过大,致使部分真值信号不能通过接受滤波,过多的杂波信号通过,对数据造成影响。本文主要研究频率偏移和雷达杂波对数据真值的影响。

2.1 雷达多普勒频移

雷达工作体制为单脉冲,雷达发射脉冲信号遇到运动目标时,产生回波,当目标和雷达之间有相对径向运动vr,雷达接收到的回波信号频率fs会和雷达发射频率f0之间会产生一个频率差,且产生一个附加的多普勒脉冲信号,通过对该脉冲多普勒信号的分析,就可以确定运动目标的速度、距离等分量值[2～3]。

图2 多普勒 频移示意图

由上式fd计算可以看出,多普勒频移与移动目标速度及目标移动方向,与无线信号入射方向之间的夹角有关。若目标朝向入射波方向,则多普勒频移为正,即接收频率上升,反之下降。信号经不同方向传播和反射回波,其多径分量造成接收机信号的多普勒扩散,增加了信号带宽。

2.2 雷达旁瓣和杂波

当杂波和运动目标回波在雷达显示器上同时显示时,会使目标的观测变得很困难[5]。如果目标处在杂波背景内,弱的目标淹没在强杂波中,特别是当杂波使接受系统产生过载时,发现目标十分困难。目标不在杂波背景内时,要在成片杂波中很快分辨出运动目标回波也不容易。精测雷达在跟踪过程中,可能由于杂波过多丢失目标,也会因为突然的杂波信号增大,引起测量数据跳变。

图3 回波和杂波示意图

通常背景杂波是频域-时域分布相当宽广且功率相当强的信号自身杂波,被称之为脉冲多普勒杂波,其杂波频谱是多普勒频率-距离的函数[6],杂波频谱的形状和强度决定着雷达对具有不同多普勒频率的目标的检测能力。

图4 回波旁瓣示意图

由于多普勒频移可以有效限制杂波信号,所以在脉冲信号带宽和重复频率许可范围内,可适当调整滤波器,来提高雷达测量数据的精度。

2.3 多普勒频移、天线旁瓣对雷达数据影响的分析

图5 天线几何 关系图

实际雷达跟踪过程中,目标存在为一个三维空间,假设天线位置与目标的几何关系如图5所示,飞机高度为h,速度为v,沿X轴方向飞行。图中俯角为α,方位角为β,目标附近的分辨单元内杂波强度为Pc(α,β),则:

(1)

式中:P表示雷达峰值功率,G(α,β)为天线的增益,λ为雷达工作波长,σc为反射杂波截面积,Lc为系统对杂波的损耗,R杂波至雷达的斜距。R=h/sinα,h为目标高度

σc=σ0ΔAc

(2)

σ0为杂波在P点的散射系数,ΔAc为杂波面积。为方便起见,取杂波的后向散射系数模型为γ模型,则

σ0=γ0sinα

(3)

在点P处的多普勒频移fd为:fd=(2/λ)Vcosαcosβ,对β微分(由于面积计算是以斜距环为单元的,因此不对α微分)

dfd=-(2/λ)Vcosαcosβ

dβ=dfd/|(2/λ)Vcosαcosβ|

(4)

由以上分析可得,在杂波分辨单元内dRdβ占据的面积ΔAc为

ΔAc=RdRdβ

(5)

dR为距离向展宽。

将式(2)～(5)代入式(1),得

(6)

从式(6)可以清楚地看出杂波回波强度与雷达参数的关系。当系统参数取定之后,杂波回波强度与天线增益的关系如式(7)所示。

(7)

由式(7)可知,俯仰角α越小杂波越强,β越小即越靠近X轴区域,杂波也越大。为了减小这些地区的杂波,使得来自各个方向的杂波回波强度相近,唯一的方法是下式成立:

(8)

(9)

即所有落入dR、df单元内的杂波强度相同。由此可得,在距离分辨单元ΔR和多普勒分辨单元Δfd内的杂波强度为

(10)

由于雷达所采用的重复频率会使回波存在距离域和多普勒频率重叠,因此考虑真正落入一个分辨单元内的杂波强度时必须计算重叠效应。

令重复频率为fr,则信号能分辨的距离为Rr=C/2fr,C为光速。因此信号接收的重叠次数为

M=int[(Rmax-h)/Rr]+1

(11)

由于每个距离环内杂波多普勒展宽不一致,因此每个环要分开考虑。

令第i个环的斜距为:Rri=R1+(i-1)Rr;R1=Rmod(Rr)+KRrK的选择是使h≤R1≤h+Rr。

对应的俯仰角α=arcsin(h/Rri),该环内的多普勒展宽为4Vcosα/λ=4V[1-(h/Rri)2]1/2/λ,则距离环内的杂波在多普勒域的重叠次数N(i)为

N(i)=int{4V[1-(h/Rri)2]1/2/λfr}+1

(12)

又当4Vcosα/λ≤Δfd时,式(10)中的Δfd应修正为Δfd(i):

总之,落入一个分辨单元内的杂波强度为

(13)

而信号回波功率为

(14)

(15)

又

(16)

将式(16)代入式(15)并整理可得:

(17)

即

(18)

从式(18)可以看出,与多普勒频移相关的参数ΔR、信号旁瓣、天线增益(S/N)min都对雷达接收到得数据产生影响,也就是对数据精度产生影响。

3 仿真实验及分析

根据上面的公式,为调整其中的参数,得到最好的测量数据结果,利用与雷达对应的仿真软件对各个参数进行测试和调整[7～8]。仿真程序中产生的信号样式为原来雷达的信号样式;脉冲数目、脉冲宽度、信号带宽和脉冲重复周期均与原雷达信号一致;信号频率为原雷达信号的中心频率;信号的仿真是将实时模拟的信号频谱作为雷达发射和回波的频谱[9～10],然后利用信号幅度分布模型,按照相关发射信号和接收信号仿真的方法生成相关随机序列。

通过不断地进行参数设置和配置、仿真模拟测量,并与原始测量数据进行比对和校正,最终得到调整后的参数,根据这些理论参数调整和更换雷达的元器件,确保雷达的测量数据尽可能精确。

图6表示的是修改部分参数后,应用仿真模拟软件进行仿真测量的结果,从图上可以看出,测量数据相比较未调整前改善很多。图7表示更换部分元器件及调整雷达参数后,对相同机型的测量数据的折线图,可以看到,调整后,在几个航次内,测量数据基本都保持了稳定。

图6 修改参数后的仿真数据示意图

4 结语

本文从雷达真值数据的变化,分析雷达在测量过程中可能存在的影响真值的因素,重点研究了雷达回波所受的影响,在探讨多普勒频移和天线旁瓣回波影响的基础上,通过公式分析与推导,得到影响雷达性能的变量和参数,可以为雷达改造和更换元器件提供参考。改变这些参量,可以在一定程度上提高雷达数据的精确率,避免出现数据误差和跳变。

[1] Tadeusz Grabowski, Jan Dziupiński. Selected problems of processing a radar signal with a LFM-FSK modulation[J]. Aviation,2015,19(1):25-30.

[2] 蔡征宇,陈文斌.提高多普勒雷达测速估计精度的方法[J].南京理工大学学报,2009,33(3):520-523. CAI Zhengyu, CHEN Wenbin. Estimation Precision Improvement Method of Velocity Measurement for Doppler Radar[J]. Journal of Nanjing University of Science and Technology(Natural Science),2009,33(3):520-523.

[3] 李攀.多普勒频移对脉冲压缩雷达的影响及其补偿研究[D].武汉:华中科技大学,2007:12-13. LI Pan. Study of Dopper Effects on Pulse Compression Radar and the Dopper Compensation[D]. Wuhan: Huazhong University of Science and Technology,2007:12-13.

[4] Harsimranjit Kaur, Gaurav Soni. Performance Analysis of Free Space Optical Communication Link Using Different Modulation and Wavelength[J]. Journal of Scientific Research and Reports,2015,6(3):201-209.

[5] 俞根苗,方志红.Dechirp及频谱分析技术的目标分辨率分析[J].雷达与对抗,2003(1):8-12. YU Genmiao, FANG Zhihong. Analysis of Resolution of Dechirp and Spectral Analysis Technology[J]. RADAR & ECM,2003(1):8-12.

[6] 徐克圣,程时兵.脉冲雷达精度校飞试验仿真[J].大连交通大学学报,2009,30(3):83-86. XU Kesheng, CHENG Shibing. Simulation of the Accuracy of Pulse Radar in Flight Test[J]. Journal of Dalian Jiaotong University,2009,30(3):83-86.

[7] Bassem R. Mahafza. Radar Systerms Analysis and Design Using MATLAB. Second Edition[M]. Taylor & Francis Group,2012.

[8] 商临峰,邢科义,甘友谊.信标模式机动目标跟踪数据实实时时处理[J].控制理论与应用,2012,29(1):59-64. SHANG Linfeng, XING Keyi, GAN Youyi. Real-time Processing of Tracking Data of Maneuvering Target in Beacon-mode[J]. Control Theory & Applications,2012,29(1):59-64.

[9] Markus Kock, Sebastian Hesselbarth, Martin Pfitzner. Hardware-accelerated design space exploration framework for communication systems[J]. Analog Integrated Circuits and Signal Processing,2014,78(3):557-571.

[10] Jianfeng Li, Xiaofei Zhang. Unitary Subspace-Based Method for Angle Estimation in Bistatic MIMO Radar[J]. Circuits, Systems, and Signal Processing,2014,33(2):501-513.

A Method to Increasing the Utilization Ration of the Radar Data

WANG Jian LI Yanfang WU Haidong

(China Electronic Equipment Testing Center, Luoyang 471003)

This paper dissects the factor that influences the accuracy of radar data. Doppler frequency shift, antenna sidelobe and radar clutter are the primarily elements. The correlation formula is deduced and some parameters and quantities that influence radar function are gotten. Finally, the superior parameters making use of simulation program of radar are estimated. These parameters can provide an available reference to avoid the data error and fluctuation.

radar data, doppler frequency shift, radar clutter, sidelobe

2016年7月11日,

2016年8月27日

王舰,男,硕士,工程师,研究方向:通信和信号处理。李艳芳,女,硕士,工程师,研究方向:数据处理。吴海东,男,硕士,工程师,研究方向:雷达工程。

TN958.4

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.01.016