彭玲玉，王建衛(wèi)

(南京電子技術(shù)研究所，　南京 210039)

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基于多調(diào)頻斜率單脈沖信號(hào)的多目標(biāo)參數(shù)測(cè)量

彭玲玉，王建衛(wèi)

(南京電子技術(shù)研究所，南京 210039)

摘要：對(duì)多目標(biāo)的高精度參數(shù)測(cè)量是雷達(dá)面臨的重要挑戰(zhàn)。文中在分析線性調(diào)頻信號(hào)距離-多普勒耦合效應(yīng)的基礎(chǔ)上，對(duì)傳統(tǒng)的正負(fù)調(diào)頻斜率脈沖信號(hào)實(shí)現(xiàn)單目標(biāo)參數(shù)測(cè)量算法進(jìn)行改進(jìn)，提出一種利用多調(diào)頻斜率合成脈沖信號(hào)實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)參數(shù)測(cè)量方法，解決了傳統(tǒng)方法只能適用于單目標(biāo)環(huán)境下的局限性，實(shí)現(xiàn)高精度多目標(biāo)距離、速度測(cè)量，更好地抑制了虛假目標(biāo)的出現(xiàn)，有效解決了線性調(diào)頻信號(hào)脈沖壓縮帶來的距離走動(dòng)誤差。仿真驗(yàn)證了該方法的有效性，且具有良好的測(cè)量精度和穩(wěn)定的抗干擾性能。

關(guān)鍵詞：多調(diào)頻斜率合成脈沖信號(hào)；多目標(biāo)；參數(shù)測(cè)量；脈沖壓縮

0引言

作為常用雷達(dá)信號(hào)之一，相對(duì)于其他發(fā)射信號(hào)，線性調(diào)頻信號(hào)具有很多優(yōu)點(diǎn)：能夠獲得較大的時(shí)寬帶寬積，而且很容易用數(shù)字技術(shù)產(chǎn)生，技術(shù)上比較成熟；信號(hào)處理系統(tǒng)簡(jiǎn)單，并且可以通過改變信號(hào)極性和斜率得到較好的抗干擾能力[1]。但是線性調(diào)頻信號(hào)經(jīng)過脈沖壓縮后具有很強(qiáng)的距離多普勒效應(yīng)，會(huì)產(chǎn)生距離多普勒耦合[2]，使得距離量測(cè)有一定偏差(偏差和徑向速度與耦合系數(shù)有關(guān))，為后續(xù)的目標(biāo)狀態(tài)估計(jì)和數(shù)據(jù)互聯(lián)帶來較大影響。

對(duì)距離-多普勒耦合測(cè)距誤差進(jìn)行修正的常用方法有兩種。一種為數(shù)據(jù)處理方法，將耦合系數(shù)引入卡爾曼濾波器(EKF)的測(cè)量方程，在濾波器中對(duì)目標(biāo)的徑向速度進(jìn)行估計(jì)。文獻(xiàn)[3]采用EKF和無(wú)跡卡爾曼濾波器的方法進(jìn)行帶距離多普勒耦合距離走動(dòng)的濾波，距離精度有很大改善，但對(duì)于高耦合系數(shù)和高速目標(biāo)也不再適用。也可以先不考慮耦合的影響，讓濾波器在有偏條件下進(jìn)行濾波和估計(jì)，然后用估計(jì)的徑向速度對(duì)距離進(jìn)行修正，但在高耦合系數(shù)時(shí)精度較低。另一種為速度估計(jì)算法，常見方法是發(fā)射信號(hào)采用正負(fù)調(diào)頻斜率脈沖信號(hào)，回波信號(hào)經(jīng)過脈沖壓縮處理后得到未修正的距離測(cè)量值，根據(jù)正負(fù)調(diào)頻信號(hào)脈沖壓縮距離走動(dòng)誤差大小相等、正負(fù)相反的特性得到真實(shí)目標(biāo)距離值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的參數(shù)估計(jì)。這種方法的突出特點(diǎn)是算法簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)起來方便，適用于實(shí)時(shí)應(yīng)用。文獻(xiàn)[4]將頻域上互不重疊、耦合系數(shù)不同的兩個(gè)線性調(diào)頻發(fā)射脈沖相干合成一個(gè)脈沖信號(hào)，根據(jù)脈沖壓縮的頻率選通特性實(shí)現(xiàn)測(cè)速，獲得很好的測(cè)速精度，但是增加了實(shí)際系統(tǒng)的復(fù)雜程度。

上述提及的方法在單目標(biāo)環(huán)境下非常有效，但在多目標(biāo)環(huán)境下則不再適用。實(shí)際戰(zhàn)情中，雷達(dá)探測(cè)范圍內(nèi)一般均存在多個(gè)目標(biāo)。因此，解決多目標(biāo)參數(shù)估計(jì)問題更具有實(shí)際意義。本文提出一種多調(diào)頻斜率合成的脈沖信號(hào)，根據(jù)距離-多普勒耦合偏差的計(jì)算公式建立方程組，利用逐次篩選方法識(shí)別真實(shí)目標(biāo)，得到多目標(biāo)環(huán)境下脈沖信號(hào)對(duì)目標(biāo)參數(shù)估計(jì)的新算法，并通過仿真試驗(yàn)證明了算法的有效性。

1正負(fù)調(diào)頻斜率信號(hào)單目標(biāo)參數(shù)測(cè)量模型

正負(fù)調(diào)頻脈沖信號(hào)是常用的線性調(diào)頻脈沖信號(hào)，若信號(hào)脈沖寬度為τ，載波中心頻率為f0，頻率從f1～f2變化，K為調(diào)頻斜率，其波形示意圖如圖 1所示。

圖1　典型的正負(fù)調(diào)頻脈沖波形示意圖

設(shè)雷達(dá)在第n+1個(gè)脈沖周期內(nèi)發(fā)射的正負(fù)調(diào)頻脈沖信號(hào)為

(1)

假定目標(biāo)模型為R(t)=R0-vt，其中，R0為目標(biāo)距離雷達(dá)的初始距離，v是目標(biāo)的徑向速度(設(shè)定遠(yuǎn)離雷達(dá)為正)，c為光速。目標(biāo)的瞬時(shí)回波延遲td[5]可表示為

(2)

一般情況下v?c，有

(3)

因此，雷達(dá)接收到的第n+1個(gè)周期的正負(fù)調(diào)頻斜率回波信號(hào)為[6]

(4)

(5)

假設(shè)多普勒頻移為fd，則線性調(diào)頻信號(hào)的載波中心頻率應(yīng)為

(6)

可得

(7)

(8)

式中：R′為修正后的真實(shí)距離；R為修正前的測(cè)量距離。

圖2　距離100 km、徑向速度2 km/s時(shí)的距離走動(dòng)情況

2多調(diào)頻斜率合成脈沖信號(hào)多目標(biāo)參數(shù)測(cè)量模型

2.1多調(diào)頻斜率合成信號(hào)發(fā)射模型

多目標(biāo)環(huán)境下，回波信號(hào)經(jīng)過脈沖壓縮后包含了所有目標(biāo)的參數(shù)信息，正負(fù)調(diào)頻斜率估計(jì)目標(biāo)參數(shù)法容易因距離配對(duì)錯(cuò)誤導(dǎo)致虛假目標(biāo)的產(chǎn)生。因此，上述方法不能解決多目標(biāo)參數(shù)估計(jì)問題。為了能在多目標(biāo)環(huán)境下精確獲得距離和速度信息，我們提出一種利用三個(gè)調(diào)頻斜率合成的脈沖信號(hào)作為發(fā)射信號(hào)。該發(fā)射信號(hào)S(t)由三個(gè)具有不同調(diào)頻斜率的信號(hào)組成

(9)

S(t)=Sa(t)+Sb(t)+Sc(t)

(10)

其中

假設(shè)存在n個(gè)目標(biāo)，雷達(dá)接收到的回波信號(hào)Sr(t)是n個(gè)目標(biāo)回波信號(hào)的疊加，將發(fā)射信號(hào)經(jīng)過n個(gè)目標(biāo)后得到的回波進(jìn)行多通道處理，大致處理流程如圖3所示?；夭ㄐ盘?hào)分別經(jīng)過三個(gè)匹配濾波器Sa(t)、Sb(t)、Sc(t)進(jìn)行脈沖壓縮處理后得到三個(gè)一維距離像。

圖3　系統(tǒng)處理流程示意圖

每個(gè)一維像距離都有n個(gè)峰值，這n個(gè)峰值分別對(duì)應(yīng)n個(gè)目標(biāo)未修正的距離信息。假設(shè)這3組未修正的距離信息分別為Ra、Rb、Rc，并且有

(11)

其中

(12)

式中：i,j,m,p,q,x∈[1,n]。

圖4是雷達(dá)探測(cè)范圍內(nèi)存在三個(gè)目標(biāo)情況下的距離一維像。

圖4　3個(gè)目標(biāo)時(shí)得到的距離一維像

2.2逐次篩選距離配對(duì)法實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)參數(shù)測(cè)量

(13)

則該目標(biāo)的真實(shí)距離

(14)

徑向速度

(15)

從上述分析可知，只要正確配對(duì)每一個(gè)目標(biāo)距離的三次測(cè)量值，即可以完成對(duì)速度、距離信息的測(cè)量。利用上述特性，本文提出一種逐次篩選法來實(shí)現(xiàn)距離正確配對(duì)[8]。具體算法描述如下：

(1)Ra={r11,r12,…,r1n}，Rb={r21,r22,…,r2n}，Rc={r31,r32,…,r3n}中所有配對(duì)情況有n3種。計(jì)算出所有可能的n3種配對(duì)情況下使

(16)

值最小的一組距離配對(duì)(i,j,m∈[1,n])，此處假設(shè)距離配對(duì)為r1p,r2q,r3x(p,q,x∈[1,n])。

(3)從Ra、Rb、Rc中分別剔除r1p,r2q,r3x，Ra={r11,r12,…,r1(n-1)}，Rb={r21,r22,…,r2(n-1)}，Rc={r31,r32,…,r3(n-1)}中所有配對(duì)情況有(n-1)3種，重復(fù)步驟1～2，直至得到n個(gè)目標(biāo)的距離速度信息。

算法流程圖如圖5所示。

圖5　逐次篩選距離配對(duì)算法流程圖

該算法的三次距離提取均是在同一時(shí)間點(diǎn)完成的，避免了由于目標(biāo)加速度的影響而導(dǎo)致的測(cè)距誤差。因此，比一般方法測(cè)量精度更高，也更具有實(shí)用性。如果有多個(gè)目標(biāo)距離非常相近但速度不同，但是根據(jù)距離-多普勒耦合偏差公式可知，距離走動(dòng)并不相等，并且每次判斷只檢測(cè)出一個(gè)目標(biāo)，所以還是可以準(zhǔn)確得到所有目標(biāo)信息。

3仿真試驗(yàn)

圖6　3個(gè)目標(biāo)的距離速度信息

連續(xù)觀測(cè)多個(gè)回波脈沖進(jìn)行仿真處理，測(cè)得的距離與速度圖像情況如圖7～圖10所示(M=50)。

圖7　50個(gè)脈沖測(cè)距曲線

圖8　50個(gè)脈沖測(cè)速結(jié)果

圖9　絕對(duì)速度誤差曲線

圖 6表明：通過逐次篩選距離配對(duì)法得到的3個(gè)目標(biāo)的距離速度信息與真實(shí)值幾乎完全重合，證實(shí)了

本文算法在多目標(biāo)環(huán)境對(duì)于目標(biāo)參數(shù)估計(jì)的有效性。多個(gè)連續(xù)脈沖測(cè)速的仿真結(jié)果表明：該算法在多目標(biāo)環(huán)境下對(duì)于目標(biāo)參數(shù)準(zhǔn)確估計(jì)是完全可行的，徑向速度測(cè)量誤差可以維持在小于0.1 m/s的量級(jí)甚至更小，顯然這個(gè)精度對(duì)于雷達(dá)修正多普勒耦合距離、準(zhǔn)確建立航跡、多目標(biāo)跟蹤過程有重要的意義，充分驗(yàn)證了本文提出的算法的有效性。

4結(jié)束語(yǔ)

本文在傳統(tǒng)脈沖信號(hào)對(duì)于單目標(biāo)測(cè)速測(cè)距的基礎(chǔ)上，提出了一種利用多個(gè)調(diào)頻斜率信號(hào)合成的脈沖信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)多目標(biāo)參數(shù)測(cè)量的算法。該算法利用對(duì)回波信號(hào)采取多通道處理方式后逐次篩選距離配對(duì)實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)速度距離估計(jì)，有效避免了處理過程中虛假目標(biāo)的產(chǎn)生，進(jìn)一步提高了參數(shù)測(cè)量的精度。仿真驗(yàn)證了該方法的有效性，表明具有良好的測(cè)量精度和穩(wěn)定的抗干擾性能。

參 考 文 獻(xiàn)

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彭玲玉女，1989年生，碩士研究生。研究方向?yàn)橥ㄐ排c信息系統(tǒng)。

王建衛(wèi)男，1974年生，博士，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)槔走_(dá)數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)融合等。

Measurement of Multi-targets′Parameters byUsing Synthesized LFM Pulse

PENG Lingyu，WANG Jianwei

(Nanjing Research Institute of Electronics Technology,Nanjing 210039, China)

Abstract：High-precision measurement of multi-targets′ parameters is an important challenge for radar. Based on the analysis of the linear frequency modulation(LFM) signal range-Doppler coupling effect, the traditional algorithm using positive and negative frequency modulation pulse signal to estimate the single target′s velocity and range is improved. In this paper, a novel method is presented, using multiple chirp rate synthesized LFM pulse to measure the multi-targets′ parameters. It solves the limitations that the traditional method can only be applied to single-target environment, and achieves high precision of range and velocity measurement. It makes it convenient to compensate the LFM signal′s distance error, and avoids those false targets. The computer simulation proves that the method is practical, and shows good measuring precision and stability robustness.

Key words：multiple chirp rate synthesized linear frequency modulation pulse; multi-objects; parameters measurement; pulse compression

中圖分類號(hào)：TN957.52

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1004-7859(2016)02-0047-04

收稿日期：2015-10-26

修訂日期：2015-12-28

通信作者：彭玲玉Email：plyyeah91@163.com

DOI：·數(shù)據(jù)處理· 10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.02.011