畢 波，張永杰，李 民2，朱淮城

(1.北京遙感設(shè)備研究所 毫米波系統(tǒng)技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100039；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150001)

1 引 言

雷達(dá)系統(tǒng)采用距離高分辨信號具有很多優(yōu)點(diǎn)，如提高跟蹤精度、分辨目標(biāo)要害部位等。頻率步進(jìn)信號是一種重要的距離高分辨率雷達(dá)信號，它由一組載頻線性跳變的脈沖信號組成，具有大時寬帶寬的特性，且瞬時帶寬較窄，是一種實(shí)用和易于工程實(shí)現(xiàn)的雷達(dá)信號，因此近年來受到了廣泛的關(guān)注。文獻(xiàn)[1-3]對步進(jìn)頻信號距離高分辨的原理進(jìn)行了分析。由于頻率步進(jìn)信號是利用各頻點(diǎn)回波信號的相位信息得到高距離分辨率，因此頻率步進(jìn)信號對相位變化非常敏感，信號相位的變化會造成距離分辨率下降、信噪比損失和距離像畸變的現(xiàn)象。

一般頻段雷達(dá)的器件技術(shù)工藝成熟，硬件上可以保證各頻點(diǎn)間信號的相參性，因此很少出現(xiàn)由于頻率源各頻點(diǎn)信號不相參引起的分辨率下降。本文所述雷達(dá)工作在W頻段(波長為3 mm)，采用步進(jìn)頻信號合成寬帶獲得高距離分辨率，在系統(tǒng)調(diào)試過程中出現(xiàn)了距離像畸變的情況。由于W頻段雷達(dá)頻率高，在頻率源的設(shè)計(jì)上也與其它頻段有所不同，且缺乏相應(yīng)的儀器設(shè)備，因而要確保各頻點(diǎn)的相參性，硬件調(diào)試難度大，周期長，隨機(jī)性強(qiáng)。針對這種情況，本文根據(jù)步進(jìn)頻信號距離高分辨的原理提出一種在信號處理中對各相位頻點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒?，并進(jìn)行了仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證。

2 信號處理無法正常成像的原因分析

2.1 系統(tǒng)組成及出現(xiàn)的問題

雷達(dá)系統(tǒng)框圖如圖1所示，該雷達(dá)為W頻段主動雷達(dá)，在近距離步進(jìn)頻體制下，采用正負(fù)跳頻的方式，即前一幀為上跳頻，后一幀為下跳頻，一幀的跳頻點(diǎn)數(shù)為64點(diǎn)。經(jīng)本振混頻后的中頻信號為60 MHz，采用中頻采樣并進(jìn)行后續(xù)信號處理。

圖1 W頻段雷達(dá)系統(tǒng)框圖

在雷達(dá)室內(nèi)試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)對單一靜止點(diǎn)目標(biāo)成像出現(xiàn)主瓣展寬、距離像畸變現(xiàn)象，圖2為上位機(jī)觀測的成像圖。圖3為針對相位差Δφk的不同情況進(jìn)行仿真的結(jié)果。

圖2 畸變距離像

(a)Δφk為固定值

(b)Δφk∈(-π/3,π/3)的隨機(jī)值

(c)Δφk∈(-π/2,π/2)的隨機(jī)值

2.2 原因分析

分析原因，定位于激勵源和本振部分的濾波器由于中心頻點(diǎn)不一樣，從而導(dǎo)致相同頻點(diǎn)的相位特性不一致，而這種不一致經(jīng)過后面的倍頻放大后更加惡化，造成頻率源發(fā)射部分和本振部分在不同跳頻點(diǎn)上的相位差Δφk不一致，造成回波的相位不相參，以至于信號產(chǎn)生幅度下降和展寬。

下面針對Δφk=φtk-φsk的不同情況進(jìn)行仿真，仿真均采用256點(diǎn)，加漢明窗，采用的信號參數(shù)為跳頻點(diǎn)數(shù)64點(diǎn)、頻率間隔8 MHz。仿真分為Δφk為固定值，Δφk∈(-π/3,π/3)的隨機(jī)值，Δφk∈(-π/2,π/2)的隨機(jī)值，Δφk∈(-π,π)的隨機(jī)值4種情況。仿真結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯?，Δφk的影響導(dǎo)致距離分辨率下降、信噪比損失和距離像畸變等問題。

3 補(bǔ)償方法

由于雷達(dá)工作在W頻段，工作載頻高，難以保證相位變化的一致性。在頻率源高頻部分進(jìn)行相位一致性的調(diào)試難度大、周期長。通過在示波器上觀測中頻信號發(fā)現(xiàn)，各頻點(diǎn)的相位是固定的，所以可以采用在信號處理機(jī)中對各頻點(diǎn)的回波相位進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒?，從而降低硬件設(shè)計(jì)和調(diào)試的難度。

同時我們注意到，真實(shí)的Δφk在個別頻點(diǎn)可能存在超過一個周期而出現(xiàn)相位模糊的情況，即Δφk>2π，而計(jì)算相位差時，我們得到的結(jié)果都是在2π之內(nèi)的。如圖4所示，如果相位差超過2π時，在補(bǔ)償時是不能被忽略的，否則同樣不能得到正確的距離像。根據(jù)頻率源器件的特性，可以推斷出其相位差變化的曲線應(yīng)該是平滑的，所以如果有跳變點(diǎn)，就要根據(jù)曲線對其進(jìn)行分析加上2π或減去2π。

(a)對相位模糊周期進(jìn)行補(bǔ)償

(b)不對相位模糊周期進(jìn)行補(bǔ)償

3.1 補(bǔ)償?shù)木唧w步驟

補(bǔ)償?shù)木唧w步驟如下：

(1)對采樣的I、Q兩路信號數(shù)據(jù)求模，確定最大值點(diǎn)的采樣點(diǎn)，即信噪比最強(qiáng)的采樣點(diǎn)；

(2)再用此采樣單元數(shù)據(jù)，利用公式ψk=tg-1(Q/I)及I、Q的符號，得出回波各頻點(diǎn)相位值；

(5)各頻點(diǎn)的回波在做IFFT之前先乘以exp(-jμk)，然后再進(jìn)行相應(yīng)的信號處理。

3.2 實(shí)測的補(bǔ)償值

實(shí)測補(bǔ)償值如圖5所示。

(a)上跳頻補(bǔ)償值

(b)下跳頻補(bǔ)償值

3.3 補(bǔ)償方法存在的問題

這種補(bǔ)償方法的一個問題是會造成距離測量的系統(tǒng)誤差，但這個可以通過系統(tǒng)調(diào)試標(biāo)校掉，對系統(tǒng)的性能沒有影響。

4 補(bǔ)償方法的仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 Matlab仿真

對信號處理機(jī)中采到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖6所示，(a)和(b)分別為沒采用補(bǔ)償算法和采用補(bǔ)償算法的。

(a)補(bǔ)償前距離像

(b)補(bǔ)償后距離像

4.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

在DSP的算法中補(bǔ)償后，從上位機(jī)觀測，如圖7所示，其結(jié)果和仿真結(jié)果基本一致。

圖7 補(bǔ)償后成像結(jié)果

5 結(jié)束語

頻率步進(jìn)雷達(dá)信號是高分辨率雷達(dá)信號的一種重要形式，但對各頻點(diǎn)間的相位變化十分敏感。隨著信號載頻頻率的提高使得頻率源各跳頻點(diǎn)間的相參性調(diào)試難度大、周期長。本文提出在信號處理機(jī)上進(jìn)行相位補(bǔ)償?shù)姆椒?，?jīng)過仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證證實(shí)了其可行性和正確性。該方法可以在保證雷達(dá)系統(tǒng)性能的同時，有效降低硬件設(shè)計(jì)調(diào)試的難度，縮短調(diào)試周期。

參考文獻(xiàn)：

[1] 毛二可，龍騰，韓秋月. 頻率步進(jìn)雷達(dá)數(shù)字信號處理[J].航空學(xué)報(bào)，2001，22(6)：16-25.

MAO Er-ke, LONG Teng, HAN Qiu-yue. Digital signal processing of stepped frequency radar[J].Acta Aeronautica Et Astronautica Sinica，2001，22(6)：16-25.(in Chinese)

[2] 龍騰，李眈，吳瓊之.頻率步進(jìn)雷達(dá)參數(shù)設(shè)計(jì)與目標(biāo)抽取算法[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2001,23(6):26-31.

LONG Teng, LI Dan, WU Qiong-zhi. Design methods for step frequency waveform and the target pick-up algorithm[J]. Systems Engineering and Electronics,2001,23(6):26-31.(in Chinese)

[3] 賀志毅. 合成寬帶毫米波導(dǎo)引頭的理論及實(shí)現(xiàn)[D]. 北京：航天二院，2002.

HE Zhi-yi. The theory studies and realization of synthetic wideband on millimeter-wave seeker[D].Beijing: The Second Academy of China Aerospace, 2002. (in Chinese)

[4] 蘇宏艷，朱淮城.毫米波寬帶雷達(dá)相位誤差校正方法研究[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2008，30(2) :253-256.

SU Hong-yan, ZHU Huai-cheng.Study on phase error calibration method for stepped frequency radar [J].Systems Engineering and Electronics,2008，30(2):253-256.(in Chinese)