脉冲调频测距雷达性能仿真分析

2021-09-22杨莉，安红

航天电子对抗 2021年4期

杨莉，安红

（电子信息控制重点实验室，四川成都 610036）

0 引言

常规脉冲体制雷达根据目标回波相对于发射信号的延迟时间来测量目标距离，当雷达发射高重频信号来探测目标时，目标回波延迟时间是高度模糊的，通常需要发射多组重频来解距离模糊。而脉冲调频测距雷达与常规脉冲体制雷达测距的方式不同，是利用目标回波与发射信号的频率差来测量目标距离的，所以没有距离模糊的问题。脉冲调频测距雷达也是一种脉冲多普勒体制雷达，与常规脉冲多普勒体制雷达处理流程类似，通过信号处理可以检测出目标回波的频率差，从而得到目标距离。

1 脉冲调频测距原理

脉冲调频测距雷达发射信号通常为脉间线性调频的高重频相参脉冲串，与调频连续波雷达的测距原理类似，根据回波信号与发射信号的频率差来解算目标距离。脉冲调频测距雷达发射的信号一般分为3个阶段，如图1所示。其中一个阶段雷达发射信号的频率固定，其他2个阶段雷达发射信号的频率随时间线性变化。

图1 脉冲调频测距发射信号频率

当发射信号频率成线性变化时，如图2所示，由于目标回波信号与发射信号存在一个固定延迟td，也就是将发射信号的调频曲线向右平移td即可，所以回波信号与发射信号之间有一个固定的频率差，该频率差与目标距离有关。

图2 脉冲调频测距基本原理

在接收机混频器中采用同样的频率调制规律对回波信号进行混频，即可得到差频信号。

假设线性调频信号的调制斜率为K，则回波信号与发射信号的差频为：

式中，R为目标距离，c为光速，fd为多普勒频率。

所以目标距离为：

2 脉冲调频测距雷达建模仿真

2.1 信号接收处理过程建模

脉冲调频测距雷达通常采用高重频脉冲信号，其信号接收处理流程与脉冲多普勒雷达的信号接收处理流程类似，对脉冲调频测距雷达建立基于中频信号流的仿真模型，其信号接收处理流程如图3所示。雷达接收机部分主要包括雷达的中放带通滤波及相干检波功能，接收机输入的中频信号经中放滤波和相干检波后变为基带的复信号。雷达信号处理部分包括A/D采样量化、杂波处理、多普勒滤波器组（FFT）、恒虚警处理（CFAR）。

图3 脉冲调频测距雷达信号接收处理流程示意图

与常规脉冲多普勒雷达的信号处理过程比较，脉冲调频测距雷达需要用同样的线性调频信号与输入信号进行混频，而相干检波也有混频处理，所以在建模仿真时，将线性调频信号混频融入到相干检波的混频处理中，脉冲调频测距雷达相干处理如图4所示。从接收机中频放大器输出的信号与正交的2路相参信号混频，再经过低通滤波器，得到I、Q2路基带信号。与常规脉冲多普勒雷达采用单点频进行混频不同，脉冲调频测距雷达采用线性调频信号与输入信号进行混频，经相干检波处理后，输出信号为单点频信号。

图4 脉冲调频测距雷达相干检波处理示意图

相干检波后信号经FFT处理后，即可检测出信号的频率，此频率即为回波信号与发射信号的差频。

发射的第一阶段信号调制斜率为K1，第二阶段信号调制斜率为K2，第三阶段信号频率不调制，经信号处理后输出的信号频率分别为：

式中，fd为目标的多普勒频率，td为目标回波相对发射信号的延迟时间，R为目标距离，c为光速。

2.2 消除虚影处理

一般来说，脉冲调频测距雷达只需要发射2段信号，通过2次检测的信号频率即可计算出目标距离。但是如果在雷达天线波束主瓣内存在2个目标，或者是由于受到干扰而在一次探测中检测到多个信号频率，解算目标距离时就会产生虚影。例如当雷达天线波束同时照射2个目标时，在三个阶段都会分别检测到2个频率，如果将其中2个阶段分别检测的频率配对求解目标距离，会出现4个距离数据，而其中只有2个距离是目标的真实距离，另外2个就是产生的虚影。要消除虚影就需要用到另外一个阶段的检测结果来校验解算的目标距离，所以脉冲调频测距雷达通常会发射三段信号。

假设第一阶段信号调制斜率为K1，第二阶段信号调制斜率为K2，第三阶段信号频率不调制，将第一、第二阶段的信号分别与第三阶段信号配对解算目标距离，如果三个阶段检测到的信号频率分别为f1、f2、f3，则分别解算出的距离为：

如果R1和R2满足|R1−R2|≤fr c(4N p K m)，则该配对正确，目标距离为R=0.5(R1+R2)。其中，fr为雷达发射信号的脉冲重复频率，N p为相参积累的脉冲个数，K m为K1、K2中较小的值。

3 脉冲调频测距雷达性能分析

3.1 雷达测距精度分析

脉冲调频测距雷达的缺点是距离测量误差大，例如调制斜率为K为10 MHz/s时，如果雷达多普勒滤波器组（FFT）频率测量误差Δf为100 Hz，则距离误差为：

影响测距精度的因素主要有FFT的频率测量精度和发射信号的调制斜率。FFT的测频精度是由雷达发射脉冲的重复频率和相参积累的脉冲个数决定的，在脉冲重频频率确定的情况下，增加相参积累的脉冲个数可以提高FFT的测频精度。另一个影响因素是调制斜率，调制斜率K越大，测距误差越小。调制斜率K的取值会影响到回波信号与发射信号的差频fe，也就是FFT检测到的信号频率，K取值越大，差频fe越大。当fe大于脉冲重复频率时，会产生频率混叠，所以K的取值不能太大。下面通过几个仿真试验来分析脉冲调频测距雷达的测距精度。

1)仿真试验1

雷达发射信号脉宽为1μs，脉冲重复周期为7μs，相参积累脉冲个数为1 024，第一阶段发射信号调制斜率为3 MHz/s，第二阶段发射信号调制斜率为6 MHz/s。仿真试验结果如图5所示，雷达测量距离的均方根误差约为794 m。

图5 脉冲调频测距雷达测距误差统计图

2)仿真试验2

雷达发射信号脉宽为1μs，脉冲重复周期为7μs，相参积累脉冲个数为1 024，第一阶段发射信号调制斜率为6 MHz/s，第二阶段发射信号调制斜率为−6 MHz/s。仿真试验结果如图6所示，雷达测量距离的均方根误差约为338 m。

图6 脉冲调频测距雷达测距误差统计图

从仿真试验结果来看，信号调频斜率越大雷达距离测量误差越小，增大调频斜率能有效提高雷达测距精度，但是调频斜率由于受到脉冲重复频率的制约而不能取值太大。总的来说，脉冲调频测距雷达的测距误差至少为几百米，与常规的脉冲延迟测距雷达几十米的测距误差相比，其测距误差太大，这个缺点严重制约了脉冲调频测距雷达的应用。

3.2 雷达信号侦察效果分析

脉冲调频测距雷达发射的线性调频信号调制斜率都不太高，在相参脉冲串持续时间内，调频带宽较小。例如当调制斜率K为10 MHz/s，如果相参脉冲串持续时间为50 ms，则最后一个脉冲与第一个脉冲频率差值为500 k Hz。而大多数的雷达侦察装备测频精度都是兆赫兹量级的，也就是说雷达侦察装备测量这种信号的频率时，会认为频率固定不变，并将这种线性调频信号识别为常规的高重频信号，因此在引导干扰时有可能会误导干扰策略的选择。

3.3 雷达干扰效果分析

对于噪声压制干扰，脉冲调频测距雷达与脉冲延迟测距雷达受到干扰后的效果类似，影响干扰效果的主要因素都是干扰信号的强度。由于脉冲调频测距雷达与脉冲延迟测距雷达的测距原理不同，在受到欺骗干扰时，干扰效果存在差异，因此本文主要针对欺骗干扰来分析脉冲调频测距雷达的干扰效果。这里通过仿真试验来分析数字储频（DRFM）转发式假目标干扰对脉冲调频测距雷达性能的影响。

仿真试验中，雷达发射信号脉宽为1μs，脉冲重复周期为7μs，相参积累脉冲个数为1 024，第一阶段发射信号调制斜率为3 MHz/s，第二阶段发射信号调制斜率为6 MHz/s。干扰信号采用DRFM转发式假目标干扰，干扰脉冲复制间隔为1μs。目标回波信号和雷达接收的干扰信号波形如图7所示，频谱如图8所示。雷达探测仿真结果如图9所示，从雷达数据处理结果（探测航迹）来看，在雷达探测过程中出现了一些假目标，有些假目标很快就丢失了，但是有些假目标（例如2号航迹）能一直稳定跟踪，2号假目标航迹与真实目标的距离差约为3 333 m，如图10所示。雷达对真实目标始终能稳定跟踪，只是测距误差增加了，如图11所示的1号真实目标航迹均方根误差约为887 m。