寧 娜 ，王 鵬

（1.中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院 河南 洛陽(yáng) 471009；2.信陽(yáng)師范學(xué)院 物理電子工程學(xué)院 河南省 信陽(yáng)市 464000；3.同濟(jì)大學(xué) 通信軟件及專有集成電路設(shè)計(jì)中心 上海 200092）

雷達(dá)制導(dǎo)是精確制導(dǎo)武器中最重要的制導(dǎo)方式之一，它具有作用距離遠(yuǎn)、可全天候工作、抗干擾能力強(qiáng)等眾多優(yōu)勢(shì)。近年來(lái)，隨著作戰(zhàn)環(huán)境的日漸復(fù)雜，現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)雷達(dá)制導(dǎo)系統(tǒng)的要求也愈發(fā)提高，新一代精確制導(dǎo)武器一般要求其雷達(dá)制導(dǎo)平臺(tái)能同時(shí)達(dá)到距離分辨力高、探測(cè)距離遠(yuǎn)、以及成像周期短等特點(diǎn)[1]。

傳統(tǒng)意義上的簡(jiǎn)單脈沖雷達(dá)不能同時(shí)達(dá)到高的距離分辨力和大占空比，因此為了實(shí)現(xiàn)距離分辨率與能量的解耦，必須采用各種脈沖壓縮波形，如線性調(diào)頻信號(hào)、相位編碼信號(hào)等[2]。但是此類脈沖壓縮波形的主要缺點(diǎn)是需要整個(gè)收發(fā)系統(tǒng)都支持脈沖壓縮波形整個(gè)頻譜帶寬，這在某些場(chǎng)合下是難以實(shí)現(xiàn)的。因此，為了降低收發(fā)器件的瞬時(shí)帶寬要求，人們發(fā)展了另一種技術(shù)，即步進(jìn)頻雷達(dá)波形，它對(duì)瞬時(shí)帶寬的要求大大降低，但通過(guò)多個(gè)脈沖串間的頻率步進(jìn)，整體上仍可形成一個(gè)等效的寬帶雷達(dá)波形進(jìn)而明顯改善距離分辨率。目前，各種脈沖壓縮波形及步進(jìn)頻雷達(dá)已經(jīng)在許多場(chǎng)合下得到了廣泛應(yīng)用[3-4]。

文中提出了一種新的合成寬帶方式，該雷達(dá)處理系統(tǒng)采用脈內(nèi)調(diào)頻、脈間跳頻的設(shè)計(jì)思路，以下稱之為調(diào)頻步進(jìn)頻信號(hào)，它兼具了脈沖壓縮和頻率步進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)，既能保證發(fā)射信號(hào)的能量，又能在短時(shí)間內(nèi)覆蓋寬的頻帶，解決了遠(yuǎn)距離探測(cè)和高距離分辨力的矛盾，在精確制導(dǎo)系統(tǒng)中具有重要意義。

調(diào)頻步進(jìn)頻雷達(dá)發(fā)射波形為載頻步進(jìn)的線性調(diào)頻子脈沖串，接收時(shí)首先在各個(gè)脈沖重復(fù)周期(PRT)內(nèi)進(jìn)行脈內(nèi)匹配濾波壓縮處理；然后利用各個(gè)脈沖之間頻率步進(jìn)所產(chǎn)生的線性相位信息，通過(guò)IDFT處理進(jìn)行第二次壓縮，進(jìn)一步提高距離分辨力[5]。該體制的優(yōu)點(diǎn)是：減小了瞬時(shí)帶寬，使得前端A/D采樣器件的采樣速率和工作帶寬要求大大降低，易于工程化及小型化，這對(duì)彈載雷達(dá)制導(dǎo)系統(tǒng)具有極大的吸引力；另一方面，由于線性調(diào)頻脈沖帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于簡(jiǎn)單脈沖帶寬，大大提高了距離分辨力，也相應(yīng)地減少了步進(jìn)跳頻處理所需相參脈沖數(shù)的要求，使目標(biāo)多普勒效應(yīng)對(duì)IDFT的影響基本可以忽略，一維距離成像也更為精確 。整個(gè)雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)在沒(méi)有增加設(shè)計(jì)難度的情況下顯著改善了距離分辨能力，可得到目標(biāo)的精細(xì)一維距離像，具有很強(qiáng)的工程化價(jià)值。

1 調(diào)頻步進(jìn)頻雷達(dá)成像原理

線性調(diào)頻(LFM)信號(hào)在大時(shí)寬帶寬積下可以獲得距離高分辨信息，且對(duì)多普勒頻移相對(duì)不敏感。但其主要缺點(diǎn)是信號(hào)瞬時(shí)帶寬較大，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度大、成本高；同時(shí)LFM波形的模糊函數(shù)呈斜刀刃狀，目標(biāo)較大的多普勒頻移會(huì)導(dǎo)致距離-多譜勒耦合，不利于獲得準(zhǔn)確的目標(biāo)距離-速度信息[7]。

文中采用調(diào)頻步進(jìn)頻信號(hào)作為基礎(chǔ)雷達(dá)波形，它將線性調(diào)頻信號(hào)作為步進(jìn)頻信號(hào)的子脈沖，每M個(gè)子脈沖構(gòu)成一組完整的步進(jìn)頻脈沖串。相應(yīng)地對(duì)接收雷達(dá)回波的處理也分布2個(gè)步驟，其中第一次壓縮處理稱之為脈內(nèi)壓縮，其實(shí)質(zhì)是完成對(duì)LFM信號(hào)的脈沖壓縮處理。然后，再進(jìn)行第二次脈沖壓縮，即對(duì)步進(jìn)頻信號(hào)進(jìn)行匹配濾波相關(guān)處理，稱之為脈間壓縮。將不同采樣時(shí)刻得到的距離像按序排列后拼接起來(lái)，就得到該距離波門內(nèi)的目標(biāo)全景距離像y(k)。調(diào)頻步進(jìn)頻雷達(dá)通過(guò)這種脈內(nèi)壓縮、脈間相關(guān)合成策略獲得了很高的距離分辨力[8]。

2 調(diào)頻步進(jìn)頻雷達(dá)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償分析

由于雷達(dá)目標(biāo)回波能量通常很小，為了可靠地檢測(cè)目標(biāo)，必須采用較長(zhǎng)時(shí)間的相參積累，然而，相參時(shí)間內(nèi)如果目標(biāo)有較大機(jī)動(dòng)，就會(huì)影響相參積累效果。在這種情況下，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償就成為必須的選擇。而當(dāng)采用調(diào)頻步進(jìn)頻雷達(dá)波形時(shí)，目標(biāo)運(yùn)動(dòng)對(duì)調(diào)頻步進(jìn)頻信號(hào)影響可分成對(duì)子脈沖壓縮的影響和對(duì)合成距離高分辨的影響這兩個(gè)部分，不失一般性，設(shè)目標(biāo)為典型單散射點(diǎn)目標(biāo)，起始位置為R0，相對(duì)徑向運(yùn)動(dòng)速度為v，則第i個(gè)脈沖的回波可表示為：

對(duì)上述信號(hào)進(jìn)行相干解調(diào)，可得第i個(gè)PRT的線性調(diào)頻子脈沖回波為：

2.1 目標(biāo)運(yùn)動(dòng)對(duì)子脈沖壓縮的影響分析

LFM信號(hào)的模糊函數(shù)已在許多文獻(xiàn)中進(jìn)行了深入分析，可直接利用其模糊函數(shù)得到公式(2)進(jìn)行子脈沖壓縮后的輸出：

公式(4)可解釋如下：目標(biāo)位移導(dǎo)致不同PRT的回波 出現(xiàn)“走動(dòng)”現(xiàn)象，每個(gè)PRT之間的走動(dòng)為(2v/c)Tr，因此N個(gè)回波之間的最大時(shí)移為(2v/c)NTr。若可容忍最大時(shí)移為半個(gè)脈壓后距離單元，即1/(2B)，則雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足如下條件：

2.2 目標(biāo)運(yùn)動(dòng)對(duì)合成高距離分辨的影響

當(dāng)目標(biāo)存在運(yùn)動(dòng)時(shí)，分析式(3)第二項(xiàng)即可得到其對(duì)合成距離高分辨像的影響，公式(3)第二項(xiàng)相位為：

公式(6)中去掉與速度無(wú)關(guān)項(xiàng)后，即可得到由于目標(biāo)運(yùn)動(dòng)形成的干擾項(xiàng)為：

式(7)的一次相位項(xiàng)的影響分析如下：

繼續(xù)分析式(7)二次相位項(xiàng)的影響：

3 距離像拼接算法仿真

步進(jìn)頻信號(hào)采用IFFT完成距離高分辨合成，與時(shí)域采樣造成頻域混疊的原理相同，步進(jìn)頻數(shù)據(jù)IFFT以后的結(jié)果也存在混疊，而系統(tǒng)最終要得到反映目標(biāo)真實(shí)信息的高分辨距離像，因此必須對(duì)其進(jìn)行目標(biāo)抽取和拼接。一般地。步進(jìn)頻目標(biāo)抽取算法應(yīng)滿足以下準(zhǔn)則：

1)能提取出每一組IFFT結(jié)果中有用的距離信息，并去除相應(yīng)的距離失配冗余。

2)能糾正IFFT結(jié)果中的距離像折疊，同時(shí)當(dāng)前端存在較嚴(yán)重的回波脈沖展寬時(shí)，能夠正確地去除混疊區(qū)內(nèi)的距離信息。

3)能按照正確的順序?qū)⒏鹘M提取結(jié)果拼接成完整的距離像，并正確處理過(guò)采樣冗余，盡可能提高SNR。

抽取算法的研究目前已經(jīng)比較成熟，常用的抽取算法有：舍棄法、同距離選大法、疊加法等[10]。本文對(duì)舍棄法和同距離選大法進(jìn)行了仿真優(yōu)化，并提出了一種新的逆向舍棄法，仿真參數(shù)如下：

Tr：50 μs，fs：80 MHz，中心頻率 f0：60 MHz，步進(jìn)數(shù) N：32，Bm：24MHz，T1：4 μs，△f：10 MHz，R1：165 m，R2：167 m， 其 中R1、R2為兩目標(biāo)距離。設(shè)計(jì)參數(shù)細(xì)化后可得距離分辨率為c/2B=0.468 m。

圖1是未經(jīng)過(guò)目標(biāo)抽取的仿真結(jié)果，可以看出，未經(jīng)抽取得到的原始數(shù)據(jù)中很難判斷目標(biāo)數(shù)量和對(duì)目標(biāo)進(jìn)行高分辨成像。

圖1 直接拼接結(jié)果Fig.1 Direct joint result

3.1 舍棄法

事實(shí)上，步進(jìn)頻的每一組IFFT結(jié)果所包含的“距離新信息”長(zhǎng)度正是，因此只需在每組IFFT結(jié)果中取出長(zhǎng)度為的“信息”續(xù)接起來(lái)并舍棄其它點(diǎn)，就構(gòu)成了最簡(jiǎn)單的“舍棄”目標(biāo)抽取算法。但需要注意的是，提取區(qū)域的起始點(diǎn)對(duì)整個(gè)算法具有較大影響。在系統(tǒng)參數(shù)滿足寬約束條件的情況下，提取區(qū)域既要避開混疊區(qū)，又要使提取區(qū)域內(nèi)目標(biāo)幅度盡量大。通常目標(biāo)回波包絡(luò)近似為高斯分布，可認(rèn)為其中點(diǎn)附近的幅度最大，所以將提取區(qū)域設(shè)定在回波中點(diǎn)附近能得到較大的信噪比。

舍棄法計(jì)算簡(jiǎn)單，尤其適用于靜止目標(biāo)，但對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)效果一般，這是由于IFFT后存在偏移和發(fā)散效果，使回波中點(diǎn)部分采樣點(diǎn)幅度最大的假設(shè)不再成立，并導(dǎo)致無(wú)法事先確定每組細(xì)化結(jié)果中合適的抽取起始點(diǎn)。為此，在實(shí)際使用時(shí)可使用自校正策略來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，即自動(dòng)調(diào)整抽取起始點(diǎn)位置，但這樣會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜性。而且，如前所述，簡(jiǎn)單舍棄法對(duì)抽取起始點(diǎn)的選擇非常重要，一旦選擇不準(zhǔn)確，有可能會(huì)產(chǎn)生很大的偽峰，同時(shí)可能由于起始點(diǎn)選擇不準(zhǔn)確將信號(hào)最大點(diǎn)舍棄。

對(duì)圖1進(jìn)行簡(jiǎn)單舍棄法得到的抽取結(jié)果如圖2所示。

3.2 同距離選大法

與舍棄法不同，同距離選大法并不輕易舍棄重復(fù)信息，而是在所有重復(fù)信息中挑選出幅度最大值作為當(dāng)前距離的處理結(jié)果。由于任何一個(gè)IFFT結(jié)果中的每一個(gè)有效點(diǎn)都必須經(jīng)過(guò)比較后才能決定是否舍去，所以在每組IFFT中必須首先取出長(zhǎng)度為rτ的點(diǎn)(而不是rs)以供比較。該算法思路可描述為：每組細(xì)化結(jié)果中，模糊區(qū)的數(shù)據(jù)必須舍棄，不參與選大。選大區(qū)的數(shù)據(jù)依次迭代選大，并將最大值置入抽取結(jié)果。代表第一組細(xì)化結(jié)果清晰區(qū)的前rs距離的點(diǎn)和代表最后一組細(xì)化結(jié)果清晰區(qū)的最后rs距離的點(diǎn)，由于沒(méi)有可以與之比大的數(shù)據(jù)，故直接保留。因此，同距離選大法最突出的優(yōu)點(diǎn)就是不需要對(duì)回波波形進(jìn)行任何假設(shè)，總能夠保證提取出當(dāng)前距離上最大的峰值。但相應(yīng)地，它也存在以下主要缺點(diǎn)：

圖2 簡(jiǎn)單舍棄法抽取結(jié)果Fig.2 Simple discard algorithm decimation results

1)需要對(duì)每個(gè)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，計(jì)算量較大。

2)可能對(duì)靜止目標(biāo)產(chǎn)生偽峰，對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)則由于IFFT后的位置偏移和波形發(fā)散效果，使偽峰更容易產(chǎn)生，同時(shí)幅度也更大。

3)IFFT結(jié)果中的噪聲也同樣被選大后列入目標(biāo)抽取的結(jié)果，導(dǎo)致了信噪比損失。當(dāng)然，該缺點(diǎn)可通過(guò)改進(jìn)的同距離選大法解決，其思路為：要排除對(duì)噪聲的選大，必須區(qū)分IFFT后的噪聲和目標(biāo)回波信號(hào)，這可以通過(guò)設(shè)定門限來(lái)解決，即只有在數(shù)據(jù)大于某一門限時(shí)才進(jìn)行選大操作，否則認(rèn)為是噪聲數(shù)據(jù)。通過(guò)上述處理，達(dá)到了進(jìn)一步提高信噪比的目的。具體門限的確定可以視情況選用恒虛警處理(CFAR)或者是固定門限設(shè)置。

同距離選大法的抽取結(jié)果如圖3所示。

圖3 同距離選大法抽取結(jié)果Fig.3 Same-distance larger-selector algorithm decimation results

3.3 逆向舍棄法

目標(biāo)抽取法的最佳效果是將各個(gè)目標(biāo)的最大峰值均抽取出來(lái)，并且目標(biāo)較小的峰值不會(huì)被抽取到并形成偽峰。一般地，在各組細(xì)化結(jié)果起始點(diǎn)已知的情況下，抽取范圍應(yīng)選擇在各組細(xì)化結(jié)果的中間部分。而在各組細(xì)化結(jié)果起始點(diǎn)未知的情況下，則可以通過(guò)逆向舍棄法實(shí)現(xiàn)。其設(shè)計(jì)思路如下：

1)找到波門內(nèi)各組細(xì)化結(jié)果的最大峰值位置lmax=[m,n](二維矩陣的最大值位置，m為采樣點(diǎn)序號(hào)，n為在細(xì)化結(jié)果中譜線位置)，該位置即認(rèn)為是最強(qiáng)散射點(diǎn)的峰值位置；

2)根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算出每組的抽取長(zhǎng)度為w個(gè)點(diǎn)，則第m組細(xì)化結(jié)果應(yīng)抽取以n為中心的個(gè)點(diǎn)。

3)得到第m組細(xì)化結(jié)果的抽取起始點(diǎn)后，可推算出第1組細(xì)化結(jié)果的抽取起始點(diǎn)為：fetchStart1=((fetchStartm-(m-1)w))N

4)從第1組細(xì)化結(jié)果抽取起始點(diǎn)開始按次序抽取，得到結(jié)果。

圖4是逆向舍棄法的抽取結(jié)果。

圖4 逆向舍棄法抽取結(jié)果Fig.4 Inverse-discard algorithm decimation results

由上圖可以看出，逆向舍棄法算法簡(jiǎn)單，同時(shí)其距離像也相對(duì)清晰，可避免起始點(diǎn)選擇不準(zhǔn)帶來(lái)的影響，但它的工作前提是保證波門內(nèi)各組細(xì)化結(jié)果的最大峰值正是某個(gè)強(qiáng)散射點(diǎn)所導(dǎo)致，同時(shí)將該峰值置于該組抽取區(qū)的中心位置。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中詳細(xì)分析了調(diào)頻步進(jìn)頻雷達(dá)信號(hào)的工作原理，以及運(yùn)動(dòng)目標(biāo)對(duì)成像的影響，重點(diǎn)研究了該模式下的信號(hào)距離像拼接技術(shù)，并對(duì)幾種常用距離像拼接算法做了仿真分析，最后提出了一種新的逆向舍棄像拼接算法，較好地解決了距離像拼接中起始點(diǎn)選取不準(zhǔn)確問(wèn)題，仿真結(jié)果表明，該算法能夠很好地完成多目標(biāo)距離像拼接，且復(fù)雜度較低，便于實(shí)際工程應(yīng)用。

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