馬 可，李慧敏，于迎春，李 斌

(西安電子工程研究所 人力資源部碩士點(diǎn)，陜西 西安710100)

連續(xù)波雷達(dá)［1］具有峰值功率低、時(shí)寬帶寬積大、測(cè)距測(cè)速精度高、低截獲概率、無(wú)近距離盲區(qū)、體積小易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，因此經(jīng)常被應(yīng)用于超近程雷達(dá)中。在利用連續(xù)波雷達(dá)對(duì)超近程高速目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)距離速度耦合以及目標(biāo)在駐留時(shí)間內(nèi)跨越距離單元的問(wèn)題。

文獻(xiàn)［2］采用對(duì)稱(chēng)三角線(xiàn)性調(diào)頻連續(xù)波(LFMCW)信號(hào)形式進(jìn)行近距離探測(cè)，通過(guò)利用上下掃頻段多普勒頻移的對(duì)稱(chēng)性實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)距離速度去耦合。文獻(xiàn)［3］提出了一種基于二次混頻估計(jì)LFMCW信號(hào)參數(shù)的方法，該方法消除了多普勒效應(yīng)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)的影響。文獻(xiàn)［4］提出了利用單載波頻率連續(xù)波(CW)與LFMCW信號(hào)相結(jié)合的方法對(duì)近距離目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)。但文獻(xiàn)［2～4］均沒(méi)有考慮高速目標(biāo)在駐留時(shí)間內(nèi)跨越距離單元現(xiàn)象對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)帶來(lái)的影響。文獻(xiàn)［5］針對(duì)高速目標(biāo)檢測(cè)問(wèn)題提出了一種二次混頻與MTD處理相結(jié)合的方法，該方法根據(jù)上下調(diào)頻差拍信號(hào)對(duì)稱(chēng)的特點(diǎn)，采用二次混頻處理解決多周期信號(hào)中心頻率偏移問(wèn)題，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了距離多普勒解耦合。但其采用的對(duì)稱(chēng)三角LFMCW信號(hào)形式在超近程高速目標(biāo)探測(cè)中有自身缺陷。文獻(xiàn)［6］根據(jù)超近程高速目標(biāo)的特殊應(yīng)用環(huán)境，說(shuō)明了對(duì)稱(chēng)三角LFMCW信號(hào)形式的缺陷，提出了CW與LFMCW信號(hào)組合形式，并分析了其在超近程高速目標(biāo)探測(cè)中的優(yōu)點(diǎn)，但其未考慮在駐留時(shí)間內(nèi)目標(biāo)跨越距離單元的問(wèn)題。

文中采用一種CW與LFMCW信號(hào)的組合形式，通過(guò)CW差拍信號(hào)獲得目標(biāo)無(wú)模糊的多普勒頻率估計(jì)，再構(gòu)造運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償信號(hào)對(duì)LFMCW差拍信號(hào)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，進(jìn)而可以得到目標(biāo)的距離信息。這種針對(duì)高速目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法既可以解決距離速度耦合的問(wèn)題，也可以解決高速目標(biāo)跨越距離單元的問(wèn)題。

1 信號(hào)多周期模型分析

由于探測(cè)高速目標(biāo)需要在更遠(yuǎn)處發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，而遠(yuǎn)處回波信號(hào)強(qiáng)度較弱，單周期信號(hào)處理已經(jīng)不能達(dá)到可靠檢測(cè)所需的輸出信噪比。通過(guò)增加信號(hào)駐留時(shí)間進(jìn)行多周期積累以提高信號(hào)能量，因此高速目標(biāo)回波需要分析信號(hào)的多周期模型。

CW與LFMCW信號(hào)組合形式如圖1所示，信號(hào)周期為T(mén)r，每個(gè)周期內(nèi)CW與LFMCW信號(hào)的時(shí)長(zhǎng)分別為T(mén)，則Tr=2T。設(shè)CW與LFMCW信號(hào)在第m個(gè)周期內(nèi)的發(fā)射信號(hào)分別為

其中，A為發(fā)射信號(hào)幅度;f0為工作頻率;u=B/T為L(zhǎng)FMCW調(diào)頻斜率;B為調(diào)頻帶寬。

圖1 CW與LFMCW信號(hào)組合形式

忽略目標(biāo)反射引起的相移，可以得到CW與LFMCW回波信號(hào)分別為

其中，L為目標(biāo)反射系數(shù);m為在第m個(gè)周期內(nèi);τ(m，t)=2R(t)/c=τ0－k(t+mTr)為目標(biāo)回波延時(shí)，τ0=2R0/c，k=fd/f0;fd為目標(biāo)多普勒頻率;R0為目標(biāo)初始距離;v為目標(biāo)速度。

回波信號(hào)與發(fā)射信號(hào)混頻，經(jīng)過(guò)低通濾波后得到的差拍信號(hào)分別為

由式(3)可以看出CW差拍信號(hào)為一單頻信號(hào)，其頻率為fd。對(duì)CW差拍信號(hào)進(jìn)行功率譜估計(jì)可以直接得到目標(biāo)無(wú)模糊的多普勒信息。LFMCW差拍信號(hào)的中心頻率為目標(biāo)初始距離與速度的耦合項(xiàng)。且有隨周期變化的項(xiàng)(－ukmTrt)，該項(xiàng)就是運(yùn)動(dòng)目標(biāo)在積累周期內(nèi)所產(chǎn)生的頻移。

運(yùn)動(dòng)目標(biāo)在積累M個(gè)周期內(nèi)不發(fā)生跨越距離單元現(xiàn)象的限制條件為vMTr＜δR，其中，δR為距離分辨率。那么當(dāng)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的速度＞vmax=c/2BMTr時(shí)，需要對(duì)積累的回波信號(hào)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。

2 運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法

當(dāng)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)速度＞vmax時(shí)，LFMCW差拍信號(hào)在積累時(shí)間內(nèi)會(huì)發(fā)生跨越距離單元現(xiàn)象，這將導(dǎo)致差拍信號(hào)的能量不能在同一個(gè)距離單元內(nèi)積累，使得在積累周期內(nèi)的處理無(wú)法滿(mǎn)足可靠檢測(cè)的輸出信噪比要求。這時(shí)就需要對(duì)LFMCW差拍信號(hào)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。注意到式(3)，通過(guò)CW差拍信號(hào)估計(jì)出目標(biāo)的多普勒頻率d，進(jìn)而構(gòu)造出隨周期變化的補(bǔ)償信號(hào)

將式(4)與式(3)中LFMCW差拍信號(hào)相乘得

對(duì)比式(3)可以看出，式(5)消除了目標(biāo)距離速度耦合項(xiàng)和多周期積累的頻率偏移項(xiàng)。其信號(hào)的頻率只與目標(biāo)初始距離有關(guān)，是一單頻信號(hào)。實(shí)現(xiàn)了距離速度解耦合和運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。這樣對(duì)式(5)做FFT運(yùn)算就可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的多周期積累，得到目標(biāo)的初始距離。再通過(guò)計(jì)算可以解得目標(biāo)當(dāng)前距離。

在計(jì)算目標(biāo)的多普勒頻率時(shí)可采用文獻(xiàn)［7］中介紹的CZT方法來(lái)提高精度。針對(duì)本文提出的CW與LFMCW信號(hào)組合形式，可以總結(jié)出高速目標(biāo)補(bǔ)償處理的步驟:(1)對(duì)CW差拍信號(hào)做FFT/CZT得到目標(biāo)的多普勒估計(jì)。(2)構(gòu)造出隨周期變化的補(bǔ)償信號(hào)。(3)將補(bǔ)償信號(hào)與LFMCW差拍信號(hào)相乘得到新的單頻信號(hào)。(4)將此單頻信號(hào)做FFT即可得到目標(biāo)的初始距離估計(jì)。(5)通過(guò)目標(biāo)初始距離和速度解出目標(biāo)當(dāng)前距離。

3 仿真結(jié)果

為驗(yàn)證上述方法的可行性，以某毫米波超近程探測(cè)雷達(dá)為例進(jìn)行仿真。雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)為:載頻f0=35 GHz，CW與LFMCW信號(hào)時(shí)長(zhǎng)均為T(mén)=0.5 ms，組合周期Tr=2T，調(diào)頻帶寬B=500 MHz，系統(tǒng)采樣頻率fs=4 MHz。假定輸入噪聲為高斯白噪聲，信噪比SNR=－25 dB。

首先假設(shè)一個(gè)距離R=200 m的低速目標(biāo)，以驗(yàn)證在低輸入信噪比條件下通過(guò)積累能夠可靠檢測(cè)出目標(biāo)。針對(duì)低速目標(biāo)只分析LFMCW差拍信號(hào)的功率譜。圖2(a)為單周期信號(hào)功率譜，可知，由于遠(yuǎn)處回波強(qiáng)度較弱，單周期信號(hào)的差拍信號(hào)信噪比過(guò)低，不能檢測(cè)出目標(biāo);圖2(b)為積累8周期的差拍信號(hào)功率譜。可以看到積累8周期的差拍信號(hào)功率譜有明顯譜峰，可檢測(cè)出目標(biāo)。

按照上述參數(shù)，再對(duì)一個(gè)初始距離為R=200 m，速度為v=900 m/s向雷達(dá)飛行的目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)。對(duì)CW和LFMCW信號(hào)均做8周期積累。目標(biāo)跨越距離單元情況如圖3所示，圖中距離譜峰值位置代表目標(biāo)當(dāng)前周期內(nèi)所處的距離單元，可見(jiàn)目標(biāo)在8周期積累內(nèi)跨越了多個(gè)距離單元?？缭骄嚯x單元將使得LFMCW差拍信號(hào)能量無(wú)法積累，導(dǎo)致目標(biāo)不能被可靠檢測(cè)，故需要對(duì)目標(biāo)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。

圖4(a)為CW差拍信號(hào)積累8周期后的功率譜。可以看到，CW差拍信號(hào)做8周期積累后有明顯的譜峰，可以精確估計(jì)出目標(biāo)的多普勒頻率。圖4(b)為L(zhǎng)FMCW差拍信號(hào)積累8周期后不做運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)墓β首V，可見(jiàn)未經(jīng)補(bǔ)償?shù)腖FMCW差拍信號(hào)功率譜沒(méi)有明顯譜峰，不能檢測(cè)出目標(biāo)。應(yīng)用式(4)由CW差拍信號(hào)估計(jì)的多普勒頻率構(gòu)造出相應(yīng)的補(bǔ)償信號(hào)來(lái)補(bǔ)償LFMCW差拍信號(hào)。經(jīng)過(guò)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償后的差拍信號(hào)功率譜如圖4(c)所示?？梢钥闯觯a(bǔ)償后的LFMCW差拍信號(hào)有明顯譜峰，可以檢測(cè)出目標(biāo)，進(jìn)而可以得到目標(biāo)的初始距離。

4 結(jié)束語(yǔ)

圖4 運(yùn)動(dòng)目標(biāo)差拍信號(hào)功率譜

在超近程雷達(dá)高速目標(biāo)探測(cè)中，存在距離速度耦合問(wèn)題和駐留時(shí)間內(nèi)目標(biāo)跨越距離單元的問(wèn)題。文中采用一種CW+LFMCW信號(hào)組合形式作為探測(cè)信號(hào)，由CW差拍信號(hào)獲得目標(biāo)無(wú)模糊的多普勒信息，再構(gòu)造補(bǔ)償信號(hào)與LFMCW差拍信號(hào)相乘，得到經(jīng)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)牟钆男盘?hào)，進(jìn)而可以估計(jì)出目標(biāo)的距離信息。仿真結(jié)果表明了這種方法有效地解決了距離速度耦合的問(wèn)題和高速目標(biāo)跨越距離單元的問(wèn)題。

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