脉冲多普勒雷达波形自适应优化设计与工程应用

摘要：针对有效提高相参积累得益，设计了一种脉冲多普勒雷达波形自适应优化设计工程应用方法。该文通过理论分析和计算机仿真分析，给出了PD波形实时自适应优化生成方法和工程应用策略。分析结果表明，该方法能够快速迭代求解出PD波形最优解，兼顾工程化复杂度和高效性，保证雷达信号处理实时性和容错性，满足工程化应用需求。

关键词：脉冲多普勒雷达;雷达波形;自适应

中图分类号：TN973.3   文献标识码：A    文章编号：1007-9416（2020）04-0000-00

0引言

脉冲多普勒雷达（Pulse Doppler Radar，下文简称PD雷达）能够同时实现对目标进行高精度测速、测距，PD雷达兼具连续波（CW）雷达与脉冲雷达二者的优点，工程应用中，多采用高脉冲重复频率（HPRF），使其具有卓越的距离与速度分辨力[1-3];并且通过利用多脉冲积累方式，构建一系列滤波器组，实现目标在强杂波背景环境下高检测性能[4];PD雷达工作方式灵活，能够更好地利用小脉宽、大占空比方式，充分利用雷达系统资源，提升雷达探测效能[5-7];另外，PD雷达通过同时测量速度与距离等目标参数，实现基于Doppler处理技术的合成孔径图像;在抗干扰方面，通过脉冲捷变频或脉间捷变频方式，提升雷达抗干扰效能[8]。鉴于上述诸多优势，PD体制雷达在军事、航空航天、民用车载雷达等诸多领域得以广泛应用。

随着雷达探测对象不断更新换代，并且涌现大量新型目标对象，对雷达探测技术提出了更高需求，现有新型雷达硬件成本较高，这就需要充分挖掘雷达处理性能，通过工作参数优化设计和数据精细化处理，提升雷达探测效能。并在雷达系统优化处理过程中，同时需要兼顾工程化复杂度和高效性，保证雷达信号处理实时性和容错性。

为实现PD体制雷达高效工程应用，尽可能降低雷达处理损失，本文重点研究了PD雷达波形自适应优化设计与工程应用。在通常PD雷达波形应用中，一般重点考虑目标在距离、速度两维模糊情况，往往忽略PD雷达滤波器细化设计，多普勒滤波器组通常采用3dB交叠，通过对多普勒滤波器组（即PD雷达波形）优化设计，使目标多普勒位置始终处于某一个滤波器中心，从而降低多普勒滤波器带来系统损失，其中多普勒滤波器组带来的系统损失如图1所示。

本文提出了一种PD雷达波形自适应优化设计工程应用方法，满足雷达工程应用实时计算和容错性需求。本文在建立PD雷达模型的基础上，对其数学模型进行推导分析，探讨了PD波形实时自适应优化生成方法和工程应用策略，利用实时的PD波形自适应优化设计工程应用方法，仿真了工程应用时距离-速度两维模糊情况，验证了相关波形实时生成方法的有效性。

1 PD波形信号模型及参数优化

假定雷达探测的目标距离、速度分别为R1，V1，需要优化设计PD波形参数分别有：重复周期fr1、信号脉宽、积累脉冲数N1。则雷达脉冲波形占空比、不模糊距离和目标多普勒频率如下所示。

（1）

其中，c为光速，为提升雷达探测威力，一般保持较高占空比，根据实际需求，雷达脉冲波形占空比在一定距离段范围内，保持固定值，则目标所处位置如下所示。

（2）

其中，为目标距离模糊次数，为PD波形优化条件变量，其值域范围如下所示。

（3）

为确保目标多普勒频率落在多普勒滤波器组的某个滤波器中间，假设目标落在第M1个滤波器中心，则目标多普勒频率可表示为：

（4）

其中，为目标多普勒频率模糊次数，i，j为PD波形优化条件变量M1边界条件，当雷达波形无反杂波需求时，i，j可分别取0，N1-1，当有反杂波需求时，i，j为[0，N1-1]中的自定义值。

根据雷达威力方程，计算雷达对当前距离上的目标探测所需的波形参数，按照雷达威力和速度分辨率需求，设置PD波形模板参数，设定目标距离为R0，目标重复频率为fr0，脉冲波形占空比同样为、脉冲积累个数为N0，则通过距离威力换算有：

（5）

（6）

结合式（4）和式（6）有：

（7）

在保证雷达速度分辨率的同时，通过遍历参数（，），求解，使其满足式（4）中边界条件的整数，即可遍历结束，此时即可求得PD波形参数值（fr1，，，，）。

2 PD雷达波形自适应优化工程应用

根据上述PD波形信号模型及参数遍历模型分析可知，通过基准模板式快速迭代计算雷达PD波形模板和波形信号参数，可以获取对应该目标最优探测的PD波形。在工程应用过程中，目標跟踪的PD波形参数可根据目标跟踪的先验信息，按照基准模板快速外推迭代计算得出。

3 仿真实验

为验证本文方法的有效性，本节将通过仿真实验对PD雷达波形自适应优化设计工程应用方法进行仿真分析验证。

下面给出PD雷达波形自适应优化设计工程应用方法的仿真参数，如表1所示：

下面给出了目标初始距离为300km，速度为500km，波形基准模板的脉冲重复频率为1KHz，脉冲积累数为100，脉冲占空比为0.25条件下，基于该波形基准模型下最优波形求解分析图如图2所示。

通过上述仿真图分析可知，目标所在位置附近都有最优波形解。目标仿真条件为目标加速度动态范围[-20g，20g]，在1Hz目标跟踪数据率条件下，目标相对速度动态范围为[-200m/s，200m/s]，从上图可以看出，PD波形在该波形基准条件下，依然存在最优波形解。

在工程应用过程中，采用PD波形对目标进行跟踪处理时，目标一般处于建立了较稳定航迹，基于这一先验条件，可以根据目标距离、速度、航向、加速等先验知识，可以便于建立次优PD波形模板，基于次优PD波形模板，仅需迭代几次就可求解最优化PD波形参数，计算时间优于1ms，从而验证了工程应用的可行性。当目标存在大机动时，最优PD波形参数迭代求解时间优于2ms，同样满足该方法的工程应用。

4 結语

针对雷达探测PD波形应用中存在滤波器组之间交叠损失，为有效降低相参积累损失，设计了一种PD雷达波形自适应优化设计工程应用方法。本文通过理论分析和计算机仿真分析，探讨了PD波形实时自适应优化生成方法和工程应用策略，分析结果表明，该方法能够迭代求解出PD波形最优解，同时兼顾工程化复杂度和高效性，保证雷达信号处理实时性和容错性，满足工程化应用需求。

参考文献

[1]丁鹭飞，耿富录，编著.雷达原理（第三版）[M].西安电子科技大学出版社，2002（6）251-311.

[2]毛士艺.脉冲多普勒雷达[M].国防工业出版社，1990.2.

[3]TRUNK， G. V.; BROCKETT， S. Range and velocity ambiguity resolution[C].Radar Conference，1993. Record of the 1993 IEEE National. IEEE，1993：146-149.

[4]贾新霞.雷达杂波抑制算法及实现方法的分析与比较[D].西安电子科技大学硕士学位论文，2002，4.

[5]孟飞，谢良贵，李饶辉.一种脉冲多普勒雷达解速度模糊新方法[J].系统工程与电子技术，2009，31（4）791-794.

[6]刘涛，龚耀寰.参差重复频率分析和设计[J].电子科技大学学报，2009，38（2）：173-176.

[7]刘育才，陈伯孝，郭淑婷.某PD雷达信号处理机的设计[J].火控雷达技术，2008，3（22）：83-87.

[8]段军棋，何子述，韩春林.高效的PD雷达多重频模糊分辨算法[J].电子科技大学学报，2008，37（4）：549-551.

收稿日期：2020-03-18

作者简介：胡柏林（1988—），男，安徽桐城人，硕士研究生，雷达总体设计师，研究方向：雷达总体设计。

Adaptive Optimal Design and Engineering Application of Pulse Doppler Radar Waveform

HU Bo-lin

（No.38 Research Institute of CETC， Hefei Anhui  230088）

Abstract： In order to improve the benefit of coherent accumulation effectively， an application method of adaptive optimal design of PD radar waveform is designed. Based on the theoretical analysis and computer simulation analysis， the real-time adaptive optimization generation method and engineering application strategy of PD waveform are presented. The analysis results show that this method can solve the optimal solution of PD waveform quickly and iteratively， taking into account the complexity and efficiency of engineering， ensuring the real-time and fault tolerance of radar signal processing， and meeting the needs of engineering application.

Key words： Pulse Doppler radar;  Radar waveform;  Adaptive