陳金立 顧 紅 蘇衛(wèi)民

（1.南京信息工程大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，江蘇 南京210044；2.南京理工大學(xué)電子工程與光電技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京210094）

引 言

連續(xù)波（CW）體制雷達(dá)與脈沖體制雷達(dá)相比具有雷達(dá)設(shè)備體積小、重量輕、發(fā)射功率低、測(cè)速性能良好和低截獲等特點(diǎn)［1－2］。噪聲雷達(dá)是一種以微波噪聲作為發(fā)射信號(hào)的雷達(dá)，其模糊函數(shù)是理想的“圖釘形”，這使得它具有無(wú)模糊測(cè)距、測(cè)速性能和良好的距離、速度分辨率［3］。相比周期性信號(hào)雷達(dá)，噪聲雷達(dá)由于其發(fā)射信號(hào)的隨機(jī)性，因此，具有十分優(yōu)良的低截獲概率、電磁兼容性和抗射頻干擾以及電子反對(duì)抗性能［3－5］，在軍事領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用［3－6］。在電子干擾日益復(fù)雜的現(xiàn)代高科技戰(zhàn)爭(zhēng)背景下，同時(shí)兼顧噪聲雷達(dá)和連續(xù)波雷達(dá)優(yōu)勢(shì)的噪聲連續(xù)波雷達(dá)的研究越來(lái)越受到人們的關(guān)注［7－9］。

連續(xù)波雷達(dá)采用發(fā)射機(jī)和接收機(jī)同時(shí)工作的方式，連續(xù)波泄漏問(wèn)題是它一個(gè)明顯的缺點(diǎn)，嚴(yán)重制約了其發(fā)展和應(yīng)用范圍。目前主要有以下幾種方法用來(lái)解決連續(xù)波雷達(dá)的泄漏問(wèn)題：1）提高收發(fā)天線之間的隔離度，但在工程技術(shù)上難以通過(guò)微波器件將收發(fā)隔離度做得很高；2）選擇合適的準(zhǔn)連續(xù)波發(fā)射信號(hào)形式［10－11］，雖在一定程度上能抑制連續(xù)波的泄漏，但是對(duì)于收發(fā)共用天線的雷達(dá)，發(fā)射期間不接收必然會(huì)存在一些目標(biāo)的回波不能被完全接收問(wèn)題，即目標(biāo)回波遮擋問(wèn)題，這會(huì)使雷達(dá)所接收到的目標(biāo)回波信號(hào)能量大大降低，導(dǎo)致信號(hào)處理增益損失，影響目標(biāo)的檢測(cè)；3）在微波、中頻或視頻采用各種對(duì)消技術(shù)以消除連續(xù)波的泄漏［12－15］，但是這些方法主要用于周期信號(hào)連續(xù)波雷達(dá)的泄漏抑制，而在噪聲連續(xù)波雷達(dá)中，這類泄漏對(duì)消方法的研究很少見(jiàn)報(bào)道。由于發(fā)射信號(hào)的隨機(jī)性，噪聲連續(xù)波雷達(dá)的發(fā)射泄漏信號(hào)經(jīng)脈壓相關(guān)處理后的距離旁瓣覆蓋整個(gè)多譜勒頻率范圍，形成一片很強(qiáng)的“噪聲基底”，影響噪聲連續(xù)波雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)。文獻(xiàn)［16］提出了一種雙隨機(jī)碼準(zhǔn)連續(xù)波雷達(dá)，這是一種噪聲準(zhǔn)連續(xù)波雷達(dá)，它在隨機(jī)調(diào)相連續(xù)波發(fā)射信號(hào)基礎(chǔ)上采用隨機(jī)調(diào)幅斷續(xù)技術(shù)來(lái)克服連續(xù)波雷達(dá)的泄漏問(wèn)題。其實(shí)，噪聲準(zhǔn)連續(xù)波雷達(dá)的發(fā)射波形經(jīng)占空比近似為0.5隨機(jī)二相碼調(diào)幅斷續(xù)后，在時(shí)域上是不再連續(xù)的，類似于脈沖雷達(dá)的發(fā)射波形。因此，為了解決泄漏問(wèn)題，該雷達(dá)僅僅是脈沖雷達(dá)和連續(xù)波雷達(dá)之間的一種折衷，不能完全體現(xiàn)出連續(xù)波雷達(dá)所具有的優(yōu)勢(shì)。此外，噪聲準(zhǔn)連續(xù)波雷達(dá)在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)處分別利用收發(fā)（T／R）開(kāi)關(guān)控制信號(hào)的發(fā)射和接收，所需要的T／R收發(fā)開(kāi)關(guān)個(gè)數(shù)多于單天線脈沖體制雷達(dá)，在文獻(xiàn)［16］中噪聲準(zhǔn)連續(xù)波雷達(dá)使用了3個(gè)T／R微波器件來(lái)隔離連續(xù)波雷達(dá)的泄漏，這使得雷達(dá)系統(tǒng)的硬件復(fù)雜度和成本大大提高。

為此提出在噪聲連續(xù)波雷達(dá)中采用雙頻發(fā)射方式來(lái)對(duì)消泄漏信號(hào)，該雷達(dá)的發(fā)射噪聲波形采用雙頻發(fā)射，不同載頻中心的發(fā)射信號(hào)占用不同的頻帶，接收端能夠通過(guò)濾波的方法分離出對(duì)應(yīng)不同載頻的回波。在雙頻發(fā)射噪聲連續(xù)波雷達(dá)中兩種不同載頻調(diào)制的回波分別被分離到兩個(gè)通道中，然后利用脈壓－快速傅里葉變換（FFT）方法分別對(duì)兩個(gè)通道的回波數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并對(duì)頻譜數(shù)據(jù)進(jìn)行取模處理。泄漏信號(hào)是由于發(fā)射信號(hào)直接泄漏到接收機(jī)而產(chǎn)生的，不存在多普勒頻率調(diào)制，因此，兩分離通道中泄漏信號(hào)的脈壓－FFT頻譜輸出值取模后相等；而運(yùn)動(dòng)目標(biāo)由于發(fā)射載頻的不同，使得在兩個(gè)分離通道中其回波的多普勒頻率存在差異，則其取模后的脈壓－FFT頻譜輸出值在兩分離通道中不相等，因此將兩個(gè)通道的脈壓－FFT頻譜輸出數(shù)據(jù)取模后相減就可對(duì)消泄露信號(hào)，使得目標(biāo)能夠顯現(xiàn)出來(lái)。雙頻發(fā)射噪聲連續(xù)波雷達(dá)仍能保持發(fā)射信號(hào)的時(shí)域連續(xù)性，具有噪聲連續(xù)波雷達(dá)的優(yōu)良特點(diǎn)，并且它的泄漏抑制能力優(yōu)于噪聲準(zhǔn)連續(xù)波雷達(dá)，仿真結(jié)果證明了其有效性。

1 信號(hào)模型

假設(shè)噪聲雷達(dá)發(fā)射的雙頻噪聲信號(hào)分別是載頻為f1和f2的噪聲調(diào)頻連續(xù)波信號(hào)，其中f2＝f1＋Δf，Δf為雙頻信號(hào)的頻率差，使得不同發(fā)射頻率的發(fā)射信號(hào)占用不同的頻帶，相互不重疊。這里假設(shè)頻率差足夠小，目標(biāo)回波頻率分集效應(yīng)可以忽略，即針對(duì)同一目標(biāo)的兩個(gè)頻率回波信號(hào)具有相同的復(fù)反射系數(shù)。

圖1為噪聲雷達(dá)雙頻發(fā)射的框圖，其中噪聲調(diào)頻基帶信號(hào)sb（t）為［2］

圖1 噪聲雷達(dá)雙頻發(fā)射的框圖

不同發(fā)射頻率的發(fā)射信號(hào)占用不同的頻帶，在接收端能夠通過(guò)濾波的方法進(jìn)行分離。

連續(xù)波雷達(dá)存在較強(qiáng)的來(lái)自發(fā)射機(jī)的信號(hào)，直接耦合到接收機(jī)，假設(shè)存在N個(gè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，Rn和vn表示第n個(gè)目標(biāo)距離雷達(dá)的距離和徑向速度，那么雙頻發(fā)射噪聲連續(xù)波雷達(dá)所接收到的回波信號(hào)可表示為

式中，Sr1（t）和Sr2（t）分別對(duì)應(yīng)兩發(fā)射頻率的回波信號(hào)，且有

式中：trn＝2Rn／c為第n個(gè)目標(biāo)的距離延時(shí)；c為光速；＝2vnc／fi表示第n個(gè)目標(biāo)對(duì)應(yīng)發(fā)射頻率fi（i＝1，2）的多普勒頻率，顯然≠；αn表示第n個(gè)目標(biāo)反射回波復(fù)系數(shù)，包含了傳播衰減和雷達(dá)截面積等因素；β1和β2分別為兩發(fā)射載頻所調(diào)制的泄漏信號(hào)復(fù)系數(shù)，其中泄漏信號(hào)強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于目標(biāo)信號(hào)強(qiáng)度，由于發(fā)射機(jī)和接收機(jī)在同一雷達(dá)站，相距很近，因此，泄漏信號(hào)的傳輸通道比較穩(wěn)定，可以認(rèn)為兩種泄露信號(hào)的強(qiáng)度相等，即而β1和β2的相位由于載頻的差異會(huì)在傳輸通道中有所不同。

2 雙頻發(fā)射泄漏抑制方法

在觀測(cè)周期內(nèi)，式（3）中的接收信號(hào)分別乘以e－j2πf1t和e－j2πf2t，然后使相乘后獲得的信號(hào)通過(guò)低通濾波器（LPF），并進(jìn)行模數(shù)（A／D）轉(zhuǎn)換采樣，設(shè)采樣頻率fs＝1／τ，其中τ為采樣間隔時(shí)間，最后得到兩路通道信號(hào)為：

式中rn為距離延時(shí)trn所對(duì)應(yīng)的目標(biāo)距離門(mén)?；夭〝?shù)據(jù)Sr1（k）以脈沖壓縮長(zhǎng)度P 分組，第l（l＝1，2，…，L）組數(shù)據(jù)與第r距離門(mén)上的參考信號(hào)sb（k）（即基帶發(fā)射信號(hào)）進(jìn)行脈壓后的輸出可表示為

式中：

對(duì)式（6）的脈壓數(shù)據(jù)按距離門(mén)進(jìn)行FFT處理，可得

由于泄漏信號(hào)的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于目標(biāo)信號(hào)，因此R′Le1（r，fd）?R′Ta1（r，fd），即噪聲連續(xù)波雷達(dá)的發(fā)射泄漏信號(hào)經(jīng)脈壓相關(guān)處理后的距離旁瓣覆蓋整個(gè)多譜勒頻率范圍，形成一片很強(qiáng)的“噪聲基底”，掩蓋了目標(biāo)。對(duì)脈壓－FFT處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行取模處理，由于R′Le1（r，fd）?R′Ta1（r，fd），即得

同樣地，將另一個(gè)分離通道中的數(shù)據(jù)Sr2（k）也作脈壓－FFT處理，并將頻譜輸出數(shù)據(jù)作取模處理，可得

式中：R′Ta2（r，fd）＝FFT［RTa2（r，l）］；

即泄露信號(hào)在兩通道中的脈壓－FFT輸出頻譜值取模后相等。將兩個(gè)通道取模后的脈壓－FFT輸出頻譜數(shù)據(jù)R″1（r，fd）和R″2（r，fd）進(jìn)行相減，可得

由式（13）可知，將兩通道的脈壓－FFT處理后的頻譜數(shù)據(jù)取模后相減，就可完全對(duì)消泄漏信號(hào)及其所產(chǎn)生的“噪聲基底”。雙頻發(fā)射使得在兩通道中的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波多普勒頻率存在差異，因而它們的脈壓－FFT輸出頻譜值取模后也互不相同，所以兩通道數(shù)據(jù)相減操作不會(huì)完全對(duì)消目標(biāo)信號(hào)。因此，將兩通道脈壓－FFT處理后的頻譜數(shù)據(jù)取模后進(jìn)行相減對(duì)消處理，能夠有效抑制泄漏信號(hào)，使得運(yùn)動(dòng)目標(biāo)能夠在泄漏信號(hào)所致的“噪聲基底”中顯現(xiàn)出來(lái)。由于該方法不需要估計(jì)信號(hào)參數(shù)來(lái)重構(gòu)發(fā)射泄漏信號(hào)，因此，其泄漏抑制效果與泄漏信號(hào)重構(gòu)的精確程度無(wú)關(guān)。

圖2 雙頻發(fā)射噪聲連續(xù)波雷達(dá)的泄露對(duì)消處理框圖

圖2為雙頻發(fā)射噪聲連續(xù)波雷達(dá)的泄露對(duì)消處理框圖。在兩個(gè)通道中，目標(biāo)峰值在多普勒頻率軸上存在頻移由于載頻差Δf?f0，因此，兩者的頻移量Δfdn很小，那么兩通道數(shù)據(jù)進(jìn)行相減操作對(duì)目標(biāo)速度檢測(cè)的影響可以認(rèn)為忽略不計(jì)。

雙頻發(fā)射泄漏對(duì)消方法利用兩個(gè)載頻所調(diào)制的泄漏信號(hào)的脈壓－FFT頻譜輸出數(shù)據(jù)取模相等這一特點(diǎn)，將兩個(gè)載頻分離通道中取模后的脈壓－FFT頻譜數(shù)據(jù)相減，可有效消除泄漏信號(hào)及其所產(chǎn)生的“噪聲基底”；而運(yùn)動(dòng)目標(biāo)由于發(fā)射載頻的不同，使得其在兩分離通道中的多普勒頻率存在差異，則其取模后的脈壓－FFT頻譜輸出值在兩個(gè)分離通道中也不相等，因此，將兩通道數(shù)據(jù)相減后能夠保留目標(biāo)信號(hào)。由式（13）可知，該方法的歸一化速度響應(yīng)特性可近似表示為

圖3 雙頻發(fā)射泄漏對(duì)消方法的速度響應(yīng)特性曲線圖

圖3為雙頻發(fā)射泄漏對(duì)消方法在不同載頻差Δf時(shí)的速度響應(yīng)特性曲線圖，其中f1＝10GHz，f2＝f1＋Δf，P＝300，L＝1 024，τ＝25ns.由圖3可知，該方法隨著載頻差Δf的增大，其檢測(cè)慢速目標(biāo)的能力會(huì)隨之增強(qiáng)，且無(wú)盲速問(wèn)題。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證噪聲連續(xù)波雷達(dá)采用雙頻發(fā)射方法對(duì)泄漏抑制的有效性。設(shè)置雙頻發(fā)射噪聲連續(xù)波雷達(dá)的兩個(gè)載波頻率分別為f1＝10 GHz、f2＝10.02GHz，雷達(dá)發(fā)射窄帶噪聲調(diào)頻連續(xù)波信號(hào)，信號(hào)帶寬B＝2MHz，脈沖壓縮器個(gè)數(shù)為1 024，脈沖壓縮器寬度TR＝4.5μs，采樣頻率fs＝40MHz，則脈沖壓縮長(zhǎng)度P＝180.假設(shè)存在3個(gè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1.假設(shè)兩個(gè)發(fā)射載頻所調(diào)制的泄漏信號(hào)復(fù)系數(shù)的相位分別為arg（β1）＝0，arg（β2）＝π／5，兩者的信噪比均為120dB，即，其中σ2為噪聲功率。

表1 目標(biāo)參數(shù)設(shè)置

圖4為噪聲連續(xù)波雷達(dá)未經(jīng)泄漏抑制的脈壓－FFT頻譜輸出結(jié)果圖。由于泄漏信號(hào)能量遠(yuǎn)大于目標(biāo)，導(dǎo)致目標(biāo)淹沒(méi)在大功率泄漏信號(hào)的距離旁瓣中，嚴(yán)重影響了雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的檢測(cè)。圖5為雙頻發(fā)射噪聲連續(xù)波雷達(dá)經(jīng)泄漏抑制后的脈壓－FFT頻譜輸出結(jié)果圖，圖6（a）、（b）、（c）分別為3個(gè)目標(biāo)在目標(biāo)距離門(mén)上的速度截面圖，目標(biāo)的速度測(cè)量值與真實(shí)值比較接近。從圖5和圖6可以看出，信號(hào)強(qiáng)度遠(yuǎn)大于目標(biāo)信號(hào)的泄漏信號(hào)已經(jīng)得到了有效地抑制，雷達(dá)能夠有效檢測(cè)出觀測(cè)空域的3個(gè)目標(biāo)。文獻(xiàn)［16］所提出的噪聲準(zhǔn)連續(xù)波雷達(dá)在發(fā)射機(jī)發(fā)射時(shí)的收發(fā)隔離度只能達(dá)到90dB，而在本仿真中雙頻發(fā)射噪聲連續(xù)波雷達(dá)能夠有效抑制信噪比為120dB的泄漏信號(hào)，使得目標(biāo)能夠在泄漏信號(hào)所致的“噪聲基底”中顯現(xiàn)出來(lái)。

圖6 目標(biāo)距離門(mén)上的速度截面圖

雙頻發(fā)射噪聲連續(xù)波雷達(dá)是在信號(hào)處理過(guò)程中來(lái)消除發(fā)射泄漏信號(hào)，為了避免強(qiáng)泄漏信號(hào)在接收機(jī)前端飽和中放，在實(shí)際工程應(yīng)用中，雙頻發(fā)射噪聲連續(xù)波雷達(dá)可以在雙天線之間先通過(guò)微波器件進(jìn)行收發(fā)隔離，然后再利用雙頻發(fā)射泄漏抑制方法對(duì)接收機(jī)所接收到的泄漏信號(hào)予以消除，這樣可以將收發(fā)隔離度做得更高，能夠滿足實(shí)際工程中的需要。

4 結(jié) 論

噪聲連續(xù)波體制雷達(dá)可對(duì)目標(biāo)高精度測(cè)量以及無(wú)模糊測(cè)距和測(cè)速，特別是其具有低截獲概率雷達(dá)的潛在優(yōu)勢(shì)，從而越來(lái)越受到人們的廣泛關(guān)注。發(fā)射泄漏問(wèn)題是限制該體制雷達(dá)發(fā)展和應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，雙頻發(fā)射泄漏抑制方法利用兩個(gè)載頻所調(diào)制的泄漏信號(hào)的脈壓－FFT頻譜輸出數(shù)據(jù)取模后相等這一特性，能夠有效消除泄漏信號(hào)對(duì)目標(biāo)檢測(cè)的影響。與傳統(tǒng)的解決噪聲連續(xù)波雷達(dá)泄漏的方法—隨機(jī)調(diào)幅斷續(xù)技術(shù)相比較，該方法在保留原有噪聲連續(xù)波雷達(dá)的信號(hào)特點(diǎn)基礎(chǔ)上擁有更好的泄漏抑制能力，在工程應(yīng)用中具有一定的參考價(jià)值。

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