高速运动的微弱目标检测方法研究

张 放，徐 磊，顾 兵

(中国船舶集团有限公司第八研究院，江苏 扬州 225101)

0 引 言

为了检测微弱目标，雷达通常增加积累时间来获取回波信噪比的提高[1]。如果目标是高速运动状态，则回波可能在积累期间出现跨距离单元的偏移，导致目标能量分散在相邻的多个距离单元，此时如仍在同一个距离单元进行相干积累则难以提升检测效果。因此，有必要在积累前对高速目标回波的距离偏移进行校正，使目标回波落在同一个距离单元，之后再进行相干积累可以达到改善目标信噪比、提升目标检测能力的目的。由于检测前目标速度未知，进一步采取步进搜索的方法在预设的目标速度范围内进行搜索，通过门限判决输出最终结果。

1 包络插值移位法

考虑一部线性调频脉冲雷达，其第n个回波的基带信号可表示为：

(1)

式中：Tb为发射脉宽；b为调频率；fc为载波频率；fd为目标多普勒频率；τn为第n个脉冲的延迟时间且τn=2(R0+nvT)/c，R0为目标在0时刻的距离，v为目标速度,仅考虑目标匀速运动的情况，即v为常数。

经匹配滤波后，信号频谱表示为：

(2)

将式(2)变换到时域，得到输出[2-4]：

(3)

时域信号包络p(n,t)为：

(4)

由τn=2(R0+nvT)/c可知，导致每个脉冲出现距离偏移的时间项为2nvT/c，令δn=2nvT/c,将式(3)信号重构为：

z(n,t)=x(n,t+δn)=(bT0-fd)·

(5)

重构后信号Z(n,t)的包络p(n,t+δn)为：

(6)

从式(6)和Z(n,t)的相位可以看出，信号重构后其包络峰值始终在τ0-fd/b位置，距离偏移被校正，而脉冲间相位是n的线性关系，不影响相干积累[5]。

包络插值移位法实现方法如下：

(1) 设采样间隔为Ts，采样点数为M，初始采样时刻为t0，则第n个脉冲第m个采样点可以表示为：

(7)

(2) 根据待校正速度的初值v，利用上式的采样信号进行线性插值、移位处理，可以得到：

z(n,m)=x(n,m+Δm)-[x(n,m+Δm+1)-

x(n,m+Δm)]/Ts·(δn-ΔmTs)

(8)

式中：n=0,1,2,…,N-1；Δm=int(δn/Ts)，其中int表示取整数。

(3) 对上述插值后的信号做相干积累，输出为：

(9)

幅度最大时即为积累后的结果。

(4) 门限判决，将相干积累结果进行包络检波后与预设门限比较，如果低于门限值，则改变速度搜索值，重新执行以上过程；反之，表明目标存在，并记下峰值，继续速度搜索直至出现最高峰，取此时的速度值为目标速度的粗略估计值，输出判决结果。

2 时域平移法

从式(4)可知，第n个脉冲包络的峰值偏移的距离为δn=2(n-1)vT/c，n=0,1,2,…,N-1。如果将每一个压缩脉冲采样，并将每个脉冲的采样点作为矩阵的一行依次存入矩阵，则矩阵的每一行都是某一个脉冲的采样点，每个脉冲偏移的时间量就可以表现为偏移的采样点数。这时可以将矩阵按照每行偏移的点数分块，然后对每一分块的列向量作相应移位，相当于把所有回波做时间分段处理，从而对各个脉冲的距离偏移进行补偿[6]。

时域平移实现方法如下：

设积累的脉冲总数为m，假设m个脉冲包络的峰值移动了x个采样点，因此，x=2vT(m-1)c-1/Ts，Ts为采样间隔。由于采样时刻可能会偏离峰值时刻，所以当x为小数时，为便于算法处理，对上式小数部分进行四舍五入，即x=round[2vT(m-1)c-1/Ts]，round为四舍五入操作。

(1) 按照偏移点数将矩阵等分为x+1块，若不能整除则矩阵被分为x+2块。

(2) 对矩阵进行平移，矩阵的第1块由于没有发生偏移，因此不进行平移，将第2块平移1列，第3块平移2列,……,将第x+1块平移x列。

(3) 对重构后的矩阵进行相干积累。

3 仿真验证

设线性调频脉冲雷达载频3 GHz，脉冲重复频率600 Hz，发射脉宽40 μs，信号带宽2 MHz，采样频率4 MHz，目标所处初始距离50 km，速度2 000 m/s，积累脉冲数为128。预设搜索最大速度为3 000 m/s，搜索步进30 m/s。

3.1 包络插值移位法

从图1～图3可见，高速目标产生距离偏移，目标回波分布在相邻的几个距离单元。从图5～图7可见，目标回波经校正后落在同一个距离单元。从图4、图8和图9可见，经校正后相干积累结果相比校正前有较明显的提高。图10是相干积累结果与搜索速度的关系图，可见在目标速度附近可得到最大输出。

图1 校正前频域脉压总回波

图2 校正前频域脉压总回波(等高线视图)

图3 校正前频域脉压总回波(等高线视图局部放大)

图4 校正前直接相干积累结果

图5 校正后频域脉压总回波

图6 校正后频域脉压总回波(等高线视图)

图7 校正后频域脉压总回波(等高线视图局部放大)

图8 校正后相干积累结果

图9 校正前后的相干积累结果比较

图10 相干积累结果与搜索速度关系

图11 校正前频域脉压总回波

图12 校正前频域脉压总回波(等高线视图)

图13 校正前频域脉压总回波(等高线视图局部放大)

图14 校正前直接相干积累结果

图15 校正后频域脉压总回波

图16 校正后频域脉压总回波(等高线视图)

图17 校正后频域脉压总回波(等高线视图局部放大)

图18 校正后相干积累结果

图19 校正前后的相干积累结果比较

图20 相干积累结果与搜索速度关系

3.2 时域平移法

从图11～图13可见，高速目标产生距离偏移，目标回波分布在相邻的几个距离单元。从图15～图17可见，目标回波经校正后落在同一个距离单元。从图14、图18和图19可见，经校正后相干积累结果相比校正前有较明显的提高。图20是相干积累结果与搜索速度的关系图，可见在目标速度附近可得到最大输出。

3.3 仿真结果分析

从仿真结果看，上述2种方法均实现了对高速目标长时间积累出现的距离偏移的校正，达到了改善目标信噪比、提升目标检测能力的目的。其中，包络插值移位法相干积累输出最大值为24 865，对应的搜索速度值为2 005 m/s；时域平移法相干积累输出最大值为17 204，对应的搜索速度值为21 515 m/s。可见，包络插值移位法的积累效果要优于时域平移法，其速度搜索精度也较高，但在积累时间变长时运算量较大，实时性不够理想；而时域平移法只进行简单的移位，复杂程度较低，实时性优于包络插值移位法，但在目标信噪比很低时，其搜索精度以及积累效果不够理想，可考虑应用在实时性要求较高的场景。

4 结束语

本文对高速运动的微弱目标在长时间积累过程中出现的目标距离偏移进行了分析，对包络插值移位法和时域平移法对距离偏移的校正效果进行了仿真验证。仿真结果显示2种方法都能校正距离偏移现象，使得相干积累效果得以提升。2种方法在速度搜索精度、积累效果和处理实时性方面存在差异，在具体工程实践中可以根据使用需求和2种方法的适用条件加以应用，以进一步提升雷达在复杂环境条件下的探测能力。