单脉冲雷达基于相参积累的多目标分辨

高德宝，陈 浩，印 勇，张 壹，唐弘超

(中国人民解放军63778部队，黑龙江 佳木斯 154002)

单脉冲雷达基于相参积累的多目标分辨

高德宝，陈 浩，印 勇，张 壹，唐弘超

(中国人民解放军63778部队，黑龙江 佳木斯 154002)

单脉冲远程精密跟踪测量雷达是空间目标探测、编目和识别的主要设备，具有跟踪精度高、作用距离远等特点，但只具备单目标跟踪能力。通过相参积累的事后数据分析方法，解决了波门外目标的外测数据丢失的情况，实现了多目标的分辨监测。仿真结果表明，基于相参积累的多目标分辨算法可有效地实现多目标监视与辨别，为轨道碰撞预警和空间目标识别等任务提供了理论参考。

单脉冲雷达；相参积累；多目标；回波

0 引言

随着航天科技水平的提高，在轨卫星数量逐年增加，轨道碰撞预警和重点目标监视任务日趋繁重。单脉冲雷达主要负责空间目标的编目工作、执行轨道碰撞预警及重点目标监视等任务。在跟踪期间，经常出现多个目标落于同一波束内的情况，但雷达仅能获得波门内目标的外测数据，造成大量有价值信息丢失。针对此类问题，本文采用处理相参积累后的回波数据的方法，对脉压后的信号进行包络对齐和相位补偿，积累天线接收到的回波信号，记录同一波束内多个目标的距离、信噪比等信息，经事后处理，即可分辨出同一波束内多个目标的信息，从而实现多目标分辨的能力[1-2]。

1 相参积累的优势

对于单脉冲雷达而言，利用发射脉冲间相位连续的特性对回波信号进行相参积累，通过FFT变换，可以达到提高检测信噪比的目的。并且在跟踪过程中，有时出现因目标RCS太小而导致未能发现目标的情况。对于弱小目标，回波很容易被噪声淹没。通过相参积累不仅可以提高信噪比，增加其检测概率，还能有效避免因目标没有落在波束中心而造成虚警[2]。此外，在监视卫星解体时，基于相参积累的多目标分辨在同类雷达中具有无可比拟的优越性。较小碎片的回波信号经脉冲积累后，都能被检测出来，因此可以准确判断出解体后卫星碎片的数量。在雷达设备A/R显示器上显示为多个目标回波，如图1所示。

雷达设备在进行处理时，无法得到波门外的数据，从而造成部分有用信息的丢失。由于相参积累具有记录同一波束内所有目标回波信息的特性，因此可以通过分析回波数据的方法来间接实现多目标监视与辨别。

图1 多目标回波A/R显示器示意

2 多目标分辨实现方法

2.1 信号模型

假设在单目标情况下，雷达回波信号经相干检波后可描述为[4]：

(1)

式中，Sa(t)为归一化回波包络；R(t)为某时刻目标的径向距离。短时间内假设目标径向近似匀速直线运动，则

(2)

R(t)=r0+v(mTp+nTS) 。

(3)

将式(3)代入式(1)得：

(4)

由于2vnTS/c<<1/B，故慢时间内目标运动对回波包络走动的影响可忽略。回波信号可简化为：

(5)

对M个脉冲回波每一个对应采样位置进行FFT相参积累得：

b(f,n)=FFTm(s(m,n))。

(6)

由于脉冲间的目标距离走动会造成相参积累时的非均匀加权，积累性能下降，同时如果包络走动过大对得到的多普勒-距离平面数据相位的线性度产生影响。因此须对积累脉冲的数目有一定的限制，使目标的包络走动控制在一定范围内[5-6]。以积累损失小于3 dB为约束条件，积累周期内包络走动不能超过主瓣宽度的0.7倍，则最多可积累脉冲数为：

M≤Mmax=round[1.4/(B·Δτ)] 。

(7)

式中，B为信号带宽；Δτ为相邻周期的压缩脉冲间的包络走动量,

Δτ=2v/(fr·c)。

(8)

v为目标运动速度；fr为脉冲重复频率。

每M个脉冲回波经过FFT积累形成一帧多普勒-距离序列，K帧这样的序列就形成了时间-距离-多普勒三维序列b(k,f,n)。单个目标形成一个时间-距离-多普勒三维序列，多个目标就形成了多个时间-距离-多普勒三维序列。

2.2 信号处理

2.2.1 处理流程

目标回波信号经过中频采样后进行数字下变频，而后通过匹配滤波器完成脉冲压缩。由于空间目标的高速运动，不同脉冲重复周期内的回波发生包络走动和相位模糊，从而无法满足相参积累的条件。根据补偿信息对回波进行包络对齐和相位补偿后，通过一个FFT滤波器组即可实现空间目标的相参积累[7-8]。信号处理流程如图2所示。

图2 信号处理流程

2.2.2 包络对齐

包络对齐原理如图3所示。

图3 包络对齐示意

包络对齐的原理是通过距离补偿信息计算每个周期的回波时延，根据每个回波信号相对于第一个回波的时延对积累的回波进行时移，从而实现包络对齐[9]。包络对齐具体是通过采样波门方法，即根据补偿信息来计算每个脉冲重复周期的波门延迟，然后用波门对回波采样数据进行截取，只对波门内的数据进行处理，不同脉冲对应的波门延迟时间与目标包络走动量相互抵消，从而实现了包络对齐。

2.2.3 相位补偿

空间目标高速运动使回波产生相位模糊，导致相参积累结果的多普勒谱展宽，降低了相参积累的性能。需要对回波进行速度补偿，消除高速运动带来的附加相位[10-11]。

在信号模型描述中，目标的回波多普勒体现在相位项：

式中，该相位包含了目标的瞬时运动状态，需要进行运动补偿。相参补偿方法是利用距离补偿信息Rref构造相位补偿因子：

将每个PRT的回波乘以与其对应的补偿相位项。

2.2.4 相参积累

脉压后的信号经过包络对齐和相位补偿后，不同脉冲回波的距离和相位得到校正，满足相参积累的条件。相参积累后，即可得到目标的时间-距离-多普勒三维序列b(k,f,n)。由于在检测跟踪时，雷达会利用一定的算法选择一个目标作为要跟踪的目标，因此只能跟踪同一波束内多个目标中的一个目标。根据相参积累的特点，当多个目标落于同一波束内，雷达就会对每个目标回波都进行脉冲积累。因此，在相参积累后，雷达会记录同一波束内多个目标的回波信息，这就为多目标的分辨提供了数据[12-14]。

2.3 目标分辨

在得到目标的时间-距离-多普勒三维序列b(k,f,n)后，可以利用Matlab对这个三维序列进行处理，显示出同一波束内多个目标的三维向量。

根据此图，不仅可以确定该波束内目标的准确数量，还能判读出多个目标的相对位置信息，通过多个目标多普勒距离维的展开，判断这几个目标的径向距离差，从而确定其相对位置。对于轨道相近、运动方向相反的2颗卫星，若在某一时刻，其径向距离差小于一定限值，则可做出轨道碰撞报警[15-16]。在监视卫星解体时，雷达可以实时跟踪该卫星，在得到多个目标碎片的回波信息后，通过Matlab处理，可以准确判断解体卫星产生的碎片数量。基于相参积累的多目标分辨还可以为其他任务提供辅助验证和数据参考[17-18]。

3 仿真测试与应用结果分析

设置仿真参数：波长0.1 m；脉压后脉宽0.6 μs；脉冲重复频率250 Hz。设跟踪波门始终对准目标1中心，则相对波门中心有如表1所示。

表1 相对波门中心

加性噪声为高斯白噪声，脉压后信噪比为0 dB，脉冲积累帧数64帧。积累前后回波对比如图4所示。

(a) 脉冲积累前回波

(b) 脉冲积累后回波图4 积累前后回波对比

由于目标1与目标2较为接近，因此在回波中无法分辨出4个目标，可以通过对目标一回波做傅里叶分析，利用速度区分2个目标，通过观察，明显看出2个尖峰，如图5所示。

图5 对目标进行傅里叶分析

4 结束语

论述了单脉冲雷达基于相参积累的多目标分辨方法，打破了单脉冲雷达只能实现单目标跟踪与识别的局限性。提出对同一波束内的多个目标回波分别进行相参积累，通过数据处理的方式，完成多目标分辨与监视的功能，提高了雷达接收原始数据的利用率，提升了单脉冲雷达执行轨道碰撞预警和空间目标识别监视等任务的能力，为多种试验任务的顺利执行提供决策方法、辅助验证和数据参考。

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Pulse Radar’s Multi-target Resolving Based on Coherent Integration

GAO De-bao,CHEN Hao,YIN Yong,ZHANG Yi,TANG Hong-chao

(Unit63778,PLA,JiamusiHeilongjiang154002,China)

Monopulse tracking radar is the main equipment for space target detecting,cataloging and recognition.This equipment features high tracking precision and long operating range.However,it can only track single target.In this paper,we use post analysis of coherent integration to solve the tracking data loss situation for the gate outside the target and perform multi-targets resolution and surveillance.Simulation results show this pulse radar multi-target resolving method based on coherent integarion can realize multi-target resolution and identification,which provides reference for orbit collision warning and space target recognition.

monopulse；coherent integration；multi-target；echo

2017-03-07

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.06.06

高德宝，陈 浩，印 勇，等.单脉冲雷达基于相参积累的多目标分辨[J].无线电工程,2017,47(6):24-26，55.[GAO Debao, CHEN Hao, YIN Yong, et al. Pulse Radar’s Multi-target Resolving Based on Coherent Integration[J].Radio Engineering,2017,47(6):24-26,55.]

TP391.4

A

1003-3106(2017)06-0024-03

高德宝 男，(1983—)，技师。主要研究方向：航天测量与控制。

陈 浩 男，(1988—)，技师。主要研究方向：航天测量与控制。