張晨路，公緒華，劉一民

(1. 清華大學 電子工程系，　北京 100084；　2. 空軍裝備研究院 雷達所，　北京 100085)

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相參捷變頻雷達接收機及動目標處理技術(shù)

張晨路1，公緒華2，劉一民1

(1. 清華大學 電子工程系，北京 100084；2. 空軍裝備研究院 雷達所，北京 100085)

摘要：在現(xiàn)代雷達技術(shù)的發(fā)展中，相參捷變頻雷達因其目標分辨能力和在電子對抗戰(zhàn)中的優(yōu)勢而越來越多地被應用。文中介紹了三種相參捷變頻雷達接收機的體制，并分析了各自的原理以及適用的應用場景。針對該體制在雜波抑制上的難題，提出一種基于最優(yōu)輸出信雜比的雜波濾波器的設(shè)計方法，對回波信號進行雜波抑制以實現(xiàn)動目標處理。展示了由原理樣機進行的外場實驗，通過對外場實驗獲取得真實數(shù)據(jù)進行分析，驗證了系統(tǒng)的相參性和動目標處理的有效性。

關(guān)鍵詞：相參捷變頻雷達；雷達接收機；動目標處理；雜波抑制

0引言

在現(xiàn)代雷達技術(shù)的快速發(fā)展中，提高雷達對目標的分辨能力與加強雷達自身在對抗中的存活能力是主要的兩方面目標。相參捷變頻(FAC)雷達在這兩個方面都有很好的發(fā)展前景：一方面，相參可以帶來分辨能力上的好處；另一方面，頻率捷變可以使雷達在電子反對抗中獲得優(yōu)勢。所以，相參捷變頻雷達被認為是未來雷達發(fā)展中很有競爭力的體制之一[1-2]。

相參與捷變同為雷達的經(jīng)典技術(shù)[3]，考慮二者的結(jié)合，尤其是捷變頻率范圍的提高和更高靈活性的需求，對接收機和信號處理都帶來了新的挑戰(zhàn)[4]。在信號處理方面，由于雜波抑制的困難導致了相參捷變頻雷達在很長一段時期發(fā)展緩慢。本文通過設(shè)計一個最優(yōu)輸出信雜比的雜波濾波器來實現(xiàn)對動目標的處理。在接收機方面，傳統(tǒng)的接收機技術(shù)已經(jīng)可以實現(xiàn)相參和捷變頻兩部分的功能，但是隨著一些新技術(shù)的引入，比如文獻[5]所實現(xiàn)的基于光器件的相參捷變頻雷達，相參捷變頻雷達的體制更加豐富。

本文將介紹相參捷變頻雷達接收機的幾種實現(xiàn)原理，同時給出一種對于相參捷變頻雷達信號動目標的相參積累和雜波抑制技術(shù)，并用原理樣機采集的實際數(shù)據(jù)來展示處理的效果。

1相參捷變頻雷達接收機技術(shù)

相參體制是現(xiàn)代雷達中廣泛采用的體制，它可以提供信號的相位信息來獲得額外的分辨率和雜波抑制性能。由于在相參體制中要求發(fā)射信號和解調(diào)信號保持嚴格的相位同步關(guān)系，所以要求相參雷達接收機的設(shè)計可以保證這種嚴格的同步關(guān)系。

捷變頻技術(shù)可以快速地切換雷達的工作頻率，使雷達更難被探測，因而在電子對抗中獲得優(yōu)勢。捷變頻根據(jù)捷變的尺度分為脈組間捷變和脈沖間捷變兩種：脈組間捷變指的是頻率的捷變發(fā)生在相參處理間隔(CPI)之間；脈沖間捷變指的是頻率的捷變發(fā)生在CPI內(nèi)的每個脈沖之間。本文介紹的相參捷變頻雷達的捷變指的是脈沖間捷變。捷變頻要求雷達接收機具有快速切換頻率的能力。

相參捷變頻雷達兼具二者的特點，接收機要滿足相參和捷變頻兩方面的要求[6]。目前實現(xiàn)相參捷變頻雷達接收的手段主要有三種：直接頻率合成(DS)、

直接數(shù)字式頻率合成(DDS)和光調(diào)制與光解調(diào)。

1.1直接頻率合成

DS接收機的結(jié)構(gòu)如圖 1所示。DS接收機通過DS改變射頻本振的頻率來實現(xiàn)頻率的捷變。DS通過一個或多個晶體振蕩器，經(jīng)過開關(guān)轉(zhuǎn)換、倍頻、分頻得到所需要的頻率。DS的優(yōu)勢在于頻率切換速度快、相位噪聲低，劣勢在于設(shè)備量大、成本高。

圖1　直接頻率合成接收機結(jié)構(gòu)

設(shè)系統(tǒng)中頻為fIF，中頻輸入信號為

SIF(t)=rectT(t)cos[2πfIF(t)+φ(t)]

(1)

式中：rectT(t)為時寬為T的矩形窗；φ(t)為具體的調(diào)制波形的相位函數(shù)。系統(tǒng)本振選擇頻率為fn的本振，則射頻發(fā)射信號為

STX(t)=cos[2π(fn+fIF)t+φ(t)]·rectT(t)

(2)

接收到的目標回波信號為

SRX(t)=STX(t-τ)

(3)

式中：τ=2R/c為目標因距離產(chǎn)生的延時。經(jīng)過與發(fā)射同樣的本振信號下變頻后，回波中頻信號為

SRIF(t)=cos[2πfIF(t)-2π(fn+fIF)τ+φ(t-τ)]·

rectT(t-τ)

(4)

可見，在回波中頻信號中，系統(tǒng)沒有帶來額外的相位變化，所以接收機是滿足相參性的。

通過改變射頻本振頻率實現(xiàn)的相參捷變頻雷達接收機同現(xiàn)有的非捷變雷達中頻部分保持兼容，現(xiàn)有的系統(tǒng)只需加入頻率控制部分即可獲得頻率捷變的功能。由于捷變發(fā)生在脈沖間，使得接收機同時只能接受一個脈沖的回波，主要應用于低脈沖重復頻率(PRF)的場景，在中、高PRF下作用距離會受到限制。

1.2直接數(shù)字式頻率合成

DDS接收機的結(jié)構(gòu)如圖 2所示。直接頻率合成通過改變中頻的頻率來實現(xiàn)頻率的捷變。

系統(tǒng)采用數(shù)字中頻的方案，使用DDS直接生成中頻上的波形。設(shè)系統(tǒng)中頻基頻為fIF，跳頻間隔為Δf，則當系統(tǒng)工作在第k個頻點時，DDS中存儲的數(shù)字波形為

SDIF(n)=cos[2π(fIF+kΔf)nTs+φ(nTs)]

0≤n≤T/Ts

(5)

式中：Ts為DDS的時鐘周期，則輸出的中頻波形為

SIF(t)=rectT(t)cos[2π(fIF+kΔf)t+φ(t)]

(6)

圖2　直接數(shù)字頻率合成接收機結(jié)構(gòu)

使用固定本振射頻為fc的接收機將SIF上變頻到射頻

STX(t)=cos[2π(fc+kΔf+fIF)t+φ(t)]·rectT(t)

(7)

接收信號SRX形式同式(3)一樣，經(jīng)過與發(fā)射同樣的本振信號下變頻后的中頻信號為

SRIF(t)=cos[2π(fIF+kΔf)t-2π(fc+kΔf+fIF)τ+

φ(t-τ)]·rectT(t-τ)

(8)

之后對中頻信號使用和DDS相同的時鐘源進行采樣，在數(shù)字域?qū)Σ蓸有盘栠M行濾波處理，選出對應頻點k的信號。由于使用相同的時鐘源，同時發(fā)射波形的初相已知，可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)收到的回波信號中，系統(tǒng)沒有帶來額外的相位變化，故此接收機系統(tǒng)為相參的。

使用DDS的相參捷變頻雷達接收機可以實現(xiàn)在高重頻下的多通道接收。如果每一個頻點發(fā)射的信號不大于調(diào)頻間隔Δf，對采樣得到的中頻信號通過不同的數(shù)字濾波器，即可同時得到不同頻點的回波信號。

DDS相參捷變頻雷達接收機的優(yōu)勢在于同現(xiàn)有的射頻接收機保持兼容，可以應用于高重頻的場景下；劣勢在于由于使用DDS直接生成中頻信號，系統(tǒng)的帶寬受到器件的限制，目前在大帶寬(如大于1 GHz)的應用中還比較困難。

DDS接收機可以和DS接收機技術(shù)混合使用，從而在一定程度上兼顧大帶寬和多種PRF。

1.3基于微波光子學的接收機

隨著微波光子學的發(fā)展，借助光電手段來完成相參捷變頻雷達接收機的調(diào)制與解調(diào)成為可能。借助光電手段的相參捷變頻雷達接收機如圖 3所示[7]。圖中實線為光信號通路，虛線為電信號通路。

圖3　基于光調(diào)制的接收機

圖中重要的光學器件有鎖模激光器(MLL)、馬赫曾德爾調(diào)制器(MZM)、光學帶通濾波器(OBPF)，串并轉(zhuǎn)換器(S/P)、色散補償光纖(DCF)、光電探測器(PD)等。其中，MLL相當于頻率源，用于產(chǎn)生一組在光譜上呈現(xiàn)梳妝特性的激光，梳妝譜之間的間隔為Δν；OBPF可以對光譜進行頻率的選擇和加權(quán)；MZM相當于混頻器，其輸入是光信號和電信號，輸出是兩個輸入信號混頻后的光信號；S/P將串行的光信號轉(zhuǎn)為并行的光信號，用來解決采樣速率不足的問題；DCF用于將信號在時域上拉伸。

基于光的接收機的發(fā)射流程如下：

首先，MLL產(chǎn)生一組在光譜上間隔為Δν的梳妝譜激光，通過OBPF保留其中N+1個譜線，所得到的信號SMLL為

(9)

式中：ν為激光器的工作頻率，取決于激光器的波長。DDS生成的中頻信號SIF為

SIF(t)=rectT(t)cos[2πfIFt+φ(t)]

(10)

然后，SMLL與DDS生成的中頻電信號一起通過MZM，將中頻電信號調(diào)制到每一條梳狀光譜的譜線上。MZM的調(diào)制過程可以表示為

SMOD(t)=SMLL(t)·[1+M·SIF(t)]

(11)

式中：M為調(diào)制深度。將式(9)和式(10)帶入式(11)，得到調(diào)制后的光信號

Cncos[2π(ν+nΔν±fIF)t+φ(t)]·

rectT(t)

(12)

式中：B和C表示信號的幅度。經(jīng)過PD后，得到

Encos(2πnΔνt)}+[…]

(13)

其中，第一項為將中頻信號上變頻到nΔν±fIF的分量；第二項為互相差頻出的載波信號；[…]為省略掉的兩倍于光頻率的部分。通過濾波器將要發(fā)射的頻率分量選出，得到最后的發(fā)射信號為

STX(t)=cos[2π(kΔν-fIF)t+φ(t)]·rectT(t)

(14)

接收信號SRX形式同式(3)一樣，將接收到的射頻信號SRX與同一個MLL產(chǎn)生的光信號SMLL經(jīng)過MZM，得到解調(diào)光信號

Gncos{2π[ν+(n±k)Δν±fIF]t?

2π(kΔν-fIF)τ±φ(t-τ)}·rectT(t-τ)

(15)

之后，將采樣的光脈沖序列通過一個S/P，將高速的串行光脈沖轉(zhuǎn)換為低速率多通道的光脈沖。每個并行通道的信號通過DCF將光信號在時域上拉伸，以便進行采樣。將光信號通過PD，與式(13)同理可得對采樣信號(忽略了拉伸和串并轉(zhuǎn)換，因為其只是光采樣實現(xiàn)的方法，相當于直接對信號進行采樣)

φ(t-τ)}·rectT(t-τ)

(16)

可見，采樣信號中并沒有因為系統(tǒng)參數(shù)引入的附加相位，故此接收機是相參的。

基于光器件的接收機具有跳頻帶寬大、頻帶一致性好的特點，但由于引入了光電轉(zhuǎn)換會不可避免地帶來信噪比上的損失。同時，由于MLL和MZM的特點，不同射頻通道的信號會被同時搬移到基帶，可以接收各個頻點的回波信號，但是和傳統(tǒng)中、高PRF雷達一樣有距離模糊的現(xiàn)象。

表1總結(jié)了三種接收機的特點，工程中可以根據(jù)具體的應用場景來選擇合適的體制。

表1　三種接收機體制的特點

2相參捷變頻雷達動目標處理技術(shù)

將相參捷變頻雷達中頻波形記為a(t)，對于一個包含N個脈沖的CPI，發(fā)射信號為

(17)

式中：Tr為脈沖重復間隔；f0為射頻基頻；Δf為調(diào)頻間隔；Mn為第n個脈沖的頻點序號。則距離為R、速度為v的目標回波為

(18)

式中：β=2v/c為速度帶來的多普勒；τ=2R/c為距離帶來的延時。將每一個脈沖使用對應的頻率解調(diào)到基帶，并在τ′+nTr采樣基帶信號。假設(shè)a((1+β)(τ′+nTr-τ)-nTr)在脈沖間保持不變，并且βMnΔf(τ′-τ)?1，可以得到目標在第n個脈沖的回波信號為

(19)

式中：C(R,v)是只與R和v有關(guān)的系數(shù)，不隨脈沖變化。假定接收到的回波中包含一個目標散射點和Nc個雜波散射點。其中，目標散射點距離為Rt，速度為vt，散射強度為ρt；第i個雜波散射點距離為Ri，速度為vi；且散射強度為ρi。則在無噪情況下，基帶回波為

(20)

式中：wn為接收機噪聲。

嘗試構(gòu)筑一個在最大化信雜比意義下的最優(yōu)雜波濾波器。將上式中不同脈沖的信號重組為一個N×1的向量

y=[y0,y1,…,yN-1]T

(21)

則雜波濾波器的輸出可以表示為wHy，其中，w為濾波器的系數(shù)，同樣也是一個N×1的向量。最優(yōu)雜波濾波器可以通過求解以下優(yōu)化問題得出

(22)

式中：R=E{yHy}為接收信號向量y的協(xié)方差矩陣；u(Rt,vt)為距離為Rt、速度為vt的目標的導引矢量，具體形式為

(23)

假定雜波和噪聲是獨立的，協(xié)方差矩陣R可以寫成

R=Rc+σ2I

(24)

式中：Rc為雜波協(xié)方差矩陣；σ2為噪聲功率；I為單位矩陣。

通過拉格朗日乘子法解[8]中的優(yōu)化問題得到最優(yōu)雜波抑制濾波器為

(25)

(26)

通過一些方法我們可以估計出雜波的秩，那么我們可以使用降維的方法來處理。對Rc進行奇異值分解，并選取其中最大的L個奇異值組成新的Σc，這些奇異值在U中對應的向量組成一個新的N×L的矩陣Uc。則

(27)

根據(jù)矩陣求逆引理[9]和式(24)可以計算出

(28)

如此，就可以計算出雜波抑制濾波器w，通過它可以對回波進行雜波抑制的處理。

3實驗結(jié)果

為了驗證本文所提出的相參捷變頻雷達接收機原理和動目標信號處理技術(shù)，研制了一臺相參捷變頻雷達原理樣機。原理樣機工作在X波段(9GHz~10GHz)，合成帶寬為1GHz。其接收機采用直接頻率合成技術(shù)，有64個頻點，每個頻點間隔16MHz，每個脈沖發(fā)射帶寬32MHz，采用收發(fā)分置的喇叭天線。

實驗場景選擇在一條道路上，將雷達架設(shè)在道路中心線，一輛汽車在車頂固定兩個相距30cm的角反射器，沿道路中心線以50km/h的速度勻速遠離雷達。

系統(tǒng)相參處理間隔內(nèi)共有1 024個脈沖，每個脈沖之間隨機捷變頻率，捷變序列近似均勻地覆蓋64個頻點。對回波使用第二節(jié)介紹的處理方式，對零速度的雜波進行抑制，得到的結(jié)果如圖4所示。圖中分別展示了距離118.5m處雜波抑制處理前和雜波抑制處理后的高分辨距離-速度。該次試驗中，運動目標與一個靜止的廂式貨車處于同一粗分辨單元。由于箱式貨車尾部的鏡面反射，在該距離單元形成了強烈的靜止雜波。圖a)為抑制前的處理結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)平面上存在一個強的目標，位于平面零速度的位置，對應的是廂式貨車的回波；圖b)為抑制后的處理結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)有一些目標分布位于平面-50km/h對應的一些細分辨單元上，這是運動目標所產(chǎn)生的高分辨距離項。對比雜波抑制前后的處理結(jié)果可以看到，未抑制時運動目標由于幅值小被隱藏在大目標的旁瓣平臺里無法分辨。抑制后不僅位于平面零速度的目標被有效地抑制掉了，同時平面其他部分的旁瓣平臺也顯著降低，顯現(xiàn)出了位于非零速度上的小目標。

圖4　強雜波單元的距離細分辨-速度平面成像結(jié)果

實驗驗證了系統(tǒng)可以在相參捷變頻雷達接收機完成合成帶寬的成像工作。同時在本實驗中，本文所提出的雜波抑制方法在雜波能量比目標信號能量高出40 dB的情況下依然可以有效抑制雜波，充分說明了本方法的有效性。

4結(jié)束語

本文介紹并對比了三種相參捷變頻雷達接收機的原理和實現(xiàn)方法。針對相參捷變頻雷達中的雜波抑制問題，本文提出了一種意在最大化輸出信雜比的雜波濾波器的原理和實現(xiàn)。通過實際外場實驗獲取的真實數(shù)據(jù)，驗證了所提出的雜波抑制方法的效果。

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Frequency-agile Coherent Radar Receiver Design and MTI Method

ZHANG Chenlu1，GONG Xuhua2，LIU Yimin1

(1. Department of Electronic Engineering, Tsinghua University,Beijing 100084, China)

(2. Radar Institute of EAAF,Beijing 100085, China)

Abstract：With the development of modern radar system, frequency-agile coherent (FAC) radar becomes increasingly attractive for its advantages in target imaging and electromagnetic counter-countermeasures. Three structures of FAC radar receiver are introduced; their principles and applying situations are analyzed. A clutter suppression method based on best output single-to-clutter ratio filter is proposed, which can implement moving target indication (MTI). Field experiments using FAC radar prototype are made to demonstrate coherent and MTI performance according to analyzed experimental data.

Key words：frequency-agile coherent radar; radar receiver; moving target indication; clutter suppression

DOI：·工藝技術(shù)· 10.16592/ j.cnki.1004-7859.2015.12.017

收稿日期：2015-07-23

修訂日期：2015-09-25

通信作者：張晨路Email：laputa.zcl@gmail.com

基金項目：國家自然科學基金資助項目(61201356)

中圖分類號：TN974

文獻標志碼：A

文章編號：1004-7859(2015)12-0074-04