毛二可, 范花玉

(1. 北京理工大學嵌入式實時信息處理技術(shù)北京市重點實驗室, 北京 100081;2. 北京理工大學信息與電子學院雷達技術(shù)研究所, 北京 100081)

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合成寬帶脈沖多普勒雷達

毛二可1,2, 范花玉1,2

(1. 北京理工大學嵌入式實時信息處理技術(shù)北京市重點實驗室, 北京 100081;2. 北京理工大學信息與電子學院雷達技術(shù)研究所, 北京 100081)

合成寬帶脈沖多普勒(pulse Doppler,PD)雷達可以同時實現(xiàn)距離和速度二維高分辨;具備良好的相參特性,利用相推原理能實現(xiàn)極高的測距和測速精度,可用于復(fù)雜目標多部件微動測量;具有較強的抗雜波和抗干擾性能。闡述了合成寬帶PD雷達體制及其主要信號形式,介紹了合成寬帶PD雷達的距離速度二維高分辨實現(xiàn)原理,總結(jié)了合成寬帶PD雷達的主要特性,最后通過一系列實驗驗證了合成寬帶PD雷達的微動測量能力、高精度測距測速能力和相參ISAR成像能力。

合成寬帶信號; 脈沖多普勒雷達; 距離速度二維高分辨; 抗雜波; 抗干擾; 微動測量

0 引 言

20世紀60年代,為了解決強雜波下發(fā)現(xiàn)運動目標的難題,人們提出了脈沖多普勒(pulse Doppler,PD)雷達體制,該體制最早建立在窄帶信號基礎(chǔ)上,并在國內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用。PD雷達不僅能夠在頻域?qū)崿F(xiàn)運動目標與雜波的分離,而且具有單根譜線濾波的能力,能夠提供精確的目標速度信息。在預(yù)警探測和防空反導(dǎo)領(lǐng)域,要求雷達同時具備發(fā)現(xiàn)和識別目標的能力,即要求雷達同時實現(xiàn)距離和速度二維高分辨,這就是寬帶脈沖多普勒雷達。根據(jù)相關(guān)報道美國最新的幾種相控陣雷達均采用了寬帶脈沖多普勒雷達體制,但相關(guān)寬帶雷達所采用的波形、參數(shù),以及能夠兼容距離高分辨和速度高分辨的雷達解決方案等未見公開報導(dǎo)。

根據(jù)雷達系統(tǒng)理論,雷達速度測量分辨率與相參積累時長有關(guān),時間越長則分辨率越高,因此PD雷達采用脈沖串以加大信號處理時間;而距離測量分辨率與信號帶寬相關(guān),帶寬越大則分辨率越高,然而速度在脈沖串內(nèi)引起的回波包絡(luò)走動也越大,造成回波相參積累損失。若采用瞬時窄帶合成寬帶信號,其中每個脈沖是窄帶的,對高速目標允許有較長的相參處理時間,同時多個載頻不同的脈沖可以合成大帶寬信號,提高距離分辨力[1]。綜上可知,合成寬帶信號可以兼容PD處理,合成寬帶PD雷達就是基于合成寬帶信號的寬帶PD雷達。

本文首先闡述了合成寬帶PD雷達兩種主要的信號形式及其應(yīng)用特點,接著介紹了合成寬帶PD雷達的距離速度二維高分辨實現(xiàn)原理,然后總結(jié)了合成寬帶PD雷達的主要特點,最后基于自研的S波段實驗雷達,開展了一系列微波暗室和外場實驗,驗證了合成寬帶PD雷達的微動測量能力、高精度測距測速能力和相參ISAR成像能力。

1 合成寬帶PD雷達信號形式

頻率步進信號是典型的瞬時窄帶合成寬帶信號[2],以頻率步進信號為基礎(chǔ)[3],在各脈沖或子脈沖內(nèi)進行頻率編碼或相位編碼調(diào)制,可以得到合成寬帶PD雷達兩種主要的信號形式:即多周期脈沖間頻率步進信號和多周期脈沖內(nèi)頻率步進信號。

多周期脈沖間頻率步進信號的時頻圖如圖1所示,該信號也稱為多周期頻率步進脈沖序列信號。每個脈沖重復(fù)周期只發(fā)射一個脈沖,不同脈沖重復(fù)周期的脈沖具有頻率步進的載頻,多個脈沖重復(fù)周期構(gòu)成一個頻率步進周期,多個頻率步進周期構(gòu)成一個相參處理周期。

圖1 多周期脈沖間頻率步進信號時頻圖Fig.1 Time-frequency image of multi-cycle inter-pulse stepped frequency signal

多周期脈沖內(nèi)頻率步進信號的時頻圖如圖2所示,該信號也稱為多周期頻率步進子脈沖序列信號。每個脈沖重復(fù)周期發(fā)射一串由多個載頻步進的子脈沖組成的子脈沖序列,序列內(nèi)的各個子脈沖相互正交,多個脈沖重復(fù)周期構(gòu)成一個相參處理周期。

圖2 多周期脈沖內(nèi)頻率步進信號時頻圖Fig.2 Time-frequency image of multi-cycle intra-pulse stepped frequency signal

上述兩種信號中,脈沖或子脈沖間載頻步進方式可以是線性步進或隨機跳頻,脈沖或子脈沖內(nèi)調(diào)制方式可以采用單頻、線性調(diào)頻或相位編碼等。

多周期脈沖間頻率步進信號與傳統(tǒng)的頻率步進信號類似,其優(yōu)點是信號產(chǎn)生、發(fā)射和接收簡單,但是由于頻率步進在不同發(fā)射脈沖之間進行,相參處理周期相對較長,因此受目標運動影響較大,適用于探測低速目標,且對數(shù)據(jù)率要求不高的場景。典型的信號包括簡單頻率步進信號[4]、調(diào)頻步進信號[5]和頻率步進相位編碼信號[6-7]。這類信號一般采用時分的方法進行同頻點分離。

多周期脈沖內(nèi)頻率步進信號的產(chǎn)生、發(fā)射和接收與大時寬帶寬信號一致,但是相比第一種信號形式,這種信號的頻率步進發(fā)生在同一個發(fā)射脈沖的不同子脈沖序列之間,在同樣帶寬條件下,其相參處理周期較短,因此受目標運動影響較小,適用于探測高速目標。典型的信號包括頻率編碼信號,大時寬帶寬Chirp信號,頻率相位復(fù)合編碼信號[8]。為進行PD處理,這類信號可以采用頻分的方法對各子脈沖進行同頻點分離,如針對大時寬帶寬Chirp信號,提出了通過多子脈沖切分等效為寬帶PD處理的成像方法[9],該方法不僅能夠?qū)崿F(xiàn)目標距離-速度二維高分辨,而且能夠降低信號采樣率,減少信號處理量,便于信號的實時處理。

2 合成寬帶PD雷達原理

合成寬帶PD雷達的目標距離和速度二維高分辨處理分兩步進行:先對不同頻點的窄帶脈沖或子脈沖進行PD處理,從速度維對目標與雜波進行分辨,然后對目標所在速度維進行合成脈壓處理,得到目標距離-速度二維高分辨成像結(jié)果,從而實現(xiàn)對目標回波的相參積累。

具體的合成寬帶PD雷達原理如圖3所示。合成寬帶PD雷達發(fā)射多周期頻率步進信號,并利用時分或頻分的方法分離出各個步進頻點的回波;然后對多周期的同頻點回波脈沖信號進行頻譜分析(PD處理),不僅可以從頻率域?qū)Σ煌俣鹊哪繕撕碗s波進行分離,達到抑制雜波和進行多目標分辨的目的,而且可測得各個目標回波的徑向速度;進而可對不同步進頻點不同速度通道的回波進行運動補償,減弱運動對一維高分辨距離成像的影響;然后對每個速度通道的不同步進頻點回波信號進行相參合成脈壓處理,進一步得到每個速度通道的一維高分辨距離像,從而得到目標的距離-速度二維高分辨成像結(jié)果,實現(xiàn)目標回波的相參積累;對該相參積累結(jié)果進行二維恒虛警檢測,最終實現(xiàn)目標距離和速度二維高分辨測量。

圖3 合成寬帶PD雷達原理框圖Fig.3 Principle diagram of the synthetic wideband PD radar

3 合成寬帶PD雷達特點

合成寬帶PD雷達具有良好的相參性能和瞬時窄帶合成寬帶特性,使其易于實現(xiàn)距離和速度二維高分辨,抗雜波和抗干擾性能顯著增強;同時兩種不同的信號形式使合成寬帶PD雷達信號設(shè)計更靈活,能夠適應(yīng)不同的應(yīng)用場景需求。下面總結(jié)了合成寬帶PD雷達的八大特點。

(1) 幅相一致性校正易于實現(xiàn),能夠?qū)崿F(xiàn)接近理想的雷達性能

大時寬帶寬Chirp信號很難進行幅相一致性校正,若選定幾個頻點進行幅相校正,校正效果有限,且校正點附近的頻譜也會受影響;對多周期頻率步進合成寬帶信號,可以采用時分或頻分方法區(qū)分各個步進頻點,這有利于實現(xiàn)基于每個頻點的幅相一致性校正處理。

(2) 同時具備高距離分辨率和高多普勒分辨率

頻率步進合成寬帶信號為大時寬帶寬信號,其模糊函數(shù)近似呈 “圖釘形”,可進行理想的匹配濾波處理,能夠?qū)崿F(xiàn)基于寬帶信號的高距離分辨和高速度分辨。

(3) 可解速度模糊

對于導(dǎo)彈等超高速目標,可以根據(jù)目標速度范圍,遍歷目標所有可能的模糊數(shù),對目標進行相應(yīng)的速度補償,當速度補償結(jié)果最接近目標真值時,匹配處理結(jié)果的幅值最大,從而可通過多通道并行處理求解速度模糊數(shù),即通過加大硬件處理能力解速度模糊[10],因此寬帶PD雷達原則上可以不用參差重復(fù)頻率來解速度模糊,在相同數(shù)據(jù)率條件下提高了雷達威力。

(4) 可通過波形設(shè)計使雷達無距離模糊

①對一般雷達,當回波延時超過雷達重復(fù)周期時,目標回波會出現(xiàn)距離模糊;而對于采用多周期頻率步進合成寬帶信號的寬帶PD雷達,通過改變本振延時,即利用接收機處理可以分別得到所需匹配的距離段[11-12],因此,在單個頻率步進周期相參積累時間內(nèi),不存在距離模糊。

②若對頻率步進脈沖進行調(diào)制,如脈內(nèi)進行相位編碼,且不同頻率步進周期內(nèi)脈沖采用不同的相位編碼類型,則此時信號不存在周期性,即雷達無距離模糊。

(5) 在雜波中檢測目標的能力增強

①采用多周期頻率步進合成寬帶信號,相對于其他寬帶信號形式,對高速目標允許有多個脈沖重復(fù)周期的相參處理時間。

②對運動目標,PD雷達體制可以有效去除強雜波[13];對靜止或低速目標,由于雷達的寬帶特性,寬帶PD雷達的雜波分辨單元面積(或體積)小,雜波強度低,另外由于距離分辨率提高,雜波分布趨于稀疏,雜波區(qū)中出現(xiàn)大量無雜波或低雜波區(qū),使得雜波所占距離單元數(shù)減少[14]。

③距離上無雜波折疊。對多周期脈沖間頻率步進信號,其雷達接收機的本振信號也為頻率步進信號,只有相應(yīng)距離段回波混頻后為中頻,其他距離段回波因偏離中頻被中放的帶通濾波器所抑制,我們把合成寬帶PD雷達的這種特性稱為距離選通性,即能夠通過改變本振信號延時,來選擇性接收不同脈沖重復(fù)周期內(nèi)的目標回波[11-12]。當雷達工作在強地/海雜波環(huán)境時,若采用窄帶中高重頻PD雷達,較遠距離的面雜波可以折疊到近距離回波上,使雜波與目標回波在時間上重合;若采用多周期頻率步進信號的寬帶PD雷達,由于距離上無雜波折疊,故近距離小目標只需與同距離的雜波競爭,提高了檢測小目標的能力。

(6) 利用相推原理能實現(xiàn)極高的測距精度

頻率步進合成寬帶信號更容易實現(xiàn)長時間相參處理,有利于實現(xiàn)更高精度的相推測距,該特性可以應(yīng)用于微動測量[15-16],為目標識別提供更多的參考信息。

(7) 可用于高速目標探測

頻率步進合成寬帶PD雷達能同時測速和測距,再結(jié)合適當?shù)男盘柌ㄐ芜x擇和參數(shù)設(shè)計[17],寬帶PD雷達能夠具備較強的高速目標處理能力。

(8) 優(yōu)良的抗干擾和低截獲性能

采用多周期頻率步進調(diào)制脈沖和多周期頻率步進調(diào)制子脈沖序列信號,不同脈沖重復(fù)周期的雷達信號不具有周期性,并且每個發(fā)射脈沖內(nèi)可以進行隨機的頻率和相位編碼,采用現(xiàn)有基于數(shù)字射頻存儲 (DRFM) 技術(shù)的干擾裝備,很難對其進行有效干擾。

4 合成寬帶PD雷達實驗驗證

本文基于自研的一套S波段合成寬帶PD雷達,開展了一系列微波暗室與外場實驗。首先在微波暗室開展了音叉振動實驗、角反射器位移實驗和單擺實驗,驗證了合成寬帶PD雷達極高的相位穩(wěn)定度和良好的相參性能,展示了其高精度相推測距和微動測量能力;然后開展了外場彈射鋼球?qū)嶒?分析得到了鋼球的高精度相推測距和測速結(jié)果,驗證了合成寬帶PD雷達同時實現(xiàn)距離和速度二維高分辨的能力;最后開展了民航飛機實驗,獲得了飛機的高質(zhì)量ISAR圖像,驗證了合成寬帶PD雷達的相參ISAR成像能力。

S波段實驗雷達原理框圖如圖4所示[17-18],頻率步進信號源利用DDS產(chǎn)生基帶頻率步進信號,經(jīng)過鎖相倍頻電路產(chǎn)生頻率步進發(fā)射脈沖信號和頻率步進本振信號;回波信號經(jīng)混頻后得中頻信號,放大后經(jīng)中頻采樣得回波I、Q信號,信號采集完成后即可進行非實時處理。

圖4 S波段實驗雷達原理框圖Fig.4 Principle diagram of the S-band trial radar

S波段實驗雷達發(fā)射峰值功率為100 W,信號中心載頻為3.3 GHz,中頻采樣率為100 MHz,在進行信號處理時將根據(jù)信號瞬時帶寬進行抽取操作。實驗采用頻率步進合成寬帶信號,根據(jù)目標作用距離選用簡單頻率步進信號或者頻率步進相位編碼信號,信號合成帶寬均為320 MHz。當探測200 m以內(nèi)目標,如開展微波暗室實驗和彈射鋼球?qū)嶒灂r,選用簡單頻率步進信號;當探測10 km以內(nèi)目標時,如開展民航飛機ISAR成像實驗,選用頻率步進相位編碼信號,具體參數(shù)如表 1所示。

表1 合成寬帶信號參數(shù)表

4.1 微動測量能力

目前微動測量的難點在于提取幅度極小的微動特征信號,突破該瓶頸最有效的辦法是提高雷達對精細運動的刻畫能力,即提高雷達精確測距的能力[15]。利用相位信息進行測距,可以顯著提高測距精度。下面通過微波暗室實驗,根據(jù)目標回波的相位信息,提取目標微動。

4.1.1 音叉振動實驗

在微波暗室中,分別用頻率步進PD雷達和麥克風音頻處理方法測定兩個標稱值分別為64 Hz和512 Hz的音叉振動頻率。采用麥克風錄入的音頻處理方法,測量得到64 Hz音叉頻率為63 Hz,512 Hz音叉頻率為536 Hz。

實驗測量64 Hz音叉頻率為63.1 Hz,512 Hz音叉頻率為535.6 Hz,與麥克風測量值基本一致。圖5顯示出了512 Hz音叉回波分析結(jié)果,由音叉測距結(jié)果可知,音叉振動幅度小于0.1 mm。音叉振動實驗驗證了合成寬帶雷達測量極微小運動的能力,展示了實驗雷達極高的相位穩(wěn)定度。

圖5 512 Hz音叉回波測距及頻譜分析結(jié)果Fig.5 Ranging result and spectrum analysis of 512 Hz tuning fork echo

4.1.2 角反射器位移實驗

在微波暗室中,將角反射器置于位移精度可達0.01 mm的精密位移平臺上,實驗中通過精密位移平臺調(diào)整角反射器相對于測量雷達的徑向距離,并通過雷達測量該距離,從而驗證雷達的測相和測距精度。

實驗中設(shè)置平臺的位移增量分別為1 mm,0.5 mm,0.2 mm和0.1 mm,且每種情況錄取10個位置。圖6顯示出了位移增量為0.2 mm時的實驗結(jié)果。

圖6 位移增量為0.2 mm時角反射器回波測距結(jié)果Fig.6 Ranging results of corner reflector echo when displacement increment is 0.2 mm

由于積累后角反射器回波信噪比較高,各位置距離測量均方根誤差約為0.001 6 mm,即相位測量均方根誤差為0.013°,驗證了實驗雷達具有極高的相位穩(wěn)定度;同時,由測距結(jié)果可知,其測距精度達亞mm量級,驗證了合成寬帶PD雷達的高精度相推測距能力。

4.1.3 單擺實驗

在微波暗室中,利用合成寬帶雷達觀測單擺運動軌跡,并測量其振動頻率。

當θ較小時(θ<5°),sinθ≈θ,即當單擺擺動幅度很小時,單擺作簡諧振動,振動頻率為

(1)

當θ較大時(θ≥5°),單擺作非線性運動,其振動頻率包括1次、3次和5次諧波:

(2)

式中，ω≈ω0。實驗中單擺所用鋼球直徑為3 cm,單擺擺長為0.776 m,由式(1)可知,鋼球單擺理論頻率為0.565 8 Hz。

當鋼球擺幅較大時,單擺運動軌跡如7 (a) 所示,由圖可知單擺做類正弦運動;對單擺運動軌跡進行頻譜分析,分析結(jié)果如7(b) 所示,從圖中不僅能夠觀察到0.569 Hz的單擺振動頻率,還能觀察到頻率為1.705 Hz的3次諧波和2.843 Hz的5次諧波。

單擺實驗驗證了合成寬帶雷達測量目標微小運動的能力,同時由單擺頻譜測量值與理論值對比分析可知,合成寬帶相推測距的精度很高,該技術(shù)有望應(yīng)用于目標微動特性反演。

圖7 鋼球單擺運動分析Fig.7 Pendulum oscillation analysis of the ejection ball

4.2 高精度測距測速能力

彈射直徑為5 cm的鋼球,通過合成寬帶PD處理,即從多普勒域抑制靜止或低速強雜波,并得到鋼球所在速度維上的一維高分辨距離像,從距離和速度兩維同時實現(xiàn)鋼球回波的相參積累,提高回波信噪比;同時由于寬帶PD雷達良好的相參性能,可以在所得一維高分辨距離像的基礎(chǔ)上對鋼球進行高精度相推測距和測速處理。

相位測距存在嚴重的距離模糊,常采用包絡(luò)測距解相位測距模糊的思想[19-20],該方法稱為相推測距。由于實際中并不確知雷達初相和目標相對雷達的真實距離,故一般通過測量相鄰幀距離增量實現(xiàn)相推測距[16],而相鄰幀距離變化率即為目標速度,故求取相鄰幀距離增量后,即可得到相應(yīng)的高精度相推測距和測速結(jié)果。

在傳統(tǒng)包絡(luò)測距解相位模糊思想的基礎(chǔ)上,我們提出了一種低信噪比條件下的相位解模糊方法,即進一步聯(lián)合航跡平滑和最小熵方法解相位模糊,推進了相推技術(shù)的工程化應(yīng)用。下面給出高精度相推測距和測速結(jié)果。

鋼球隨時間變化的一維高分辨距離像如圖8所示,由于圖像顯示的動態(tài)范圍有限,故將第1～2 650幀一維距離像分開繪制。

圖8 鋼球一維高分辨距離像Fig.8 HRRPs of the ejection ball

鋼球包絡(luò)測距結(jié)果如圖9所示,圖9(a)中濾波前后結(jié)果之差視為包絡(luò)測距起伏誤差,如圖9(b)所示,統(tǒng)計可得包絡(luò)測距起伏均方根誤差為14.19 mm。

圖9 包絡(luò)測距結(jié)果與測距起伏誤差示意圖Fig.9 Schematic diagrams of envelope range measurement result and fluctuation error

鋼球相推測速結(jié)果如圖10所示。由于鋼球是從雷達左側(cè)斜向右側(cè)彈射,在彈射出去的一小段時間內(nèi),鋼球相對雷達視角變化較大,從而徑向速度變化較大,如圖中速度上升段所示,此后鋼球徑向速度主要受空氣阻力的影響,如圖中減速段所示。由于不知道鋼球真實速度,故將速度擬合前后的偏差視為相推測速起伏誤差,如圖10(b)所示,隨著鋼球遠離雷達,信噪比逐漸降低,約從40 dB以上一直降低到20 dB左右,故相推測速起伏誤差逐漸增大;當脈壓后一維距離像信噪比大于30 dB時,相推測速起伏均方根誤差為0.057 m/s,當信噪比大于20 dB時,相推測速起伏均方根誤差為0.25 m/s。實際中將平滑濾波后的結(jié)果作為最終的相推測速結(jié)果,因為平滑濾波相當于對回波進行非相參積累,即等效為提高相推測速信噪比,故相比于直接測量結(jié)果,平滑濾波后的測速精度大約能提高一個數(shù)量級。

圖10 相推測速結(jié)果與測速起伏誤差示意圖Fig.10 Schematic diagrams of phase derived velocity measurement result and fluctuation error

同上,根據(jù)相推原理,可推得相推測距均方根誤差,即當信噪比大于30 dB時,相推測距均方根誤差為0.048 mm,當信噪比大于20 dB時,相推測距均方根誤差為0.21 mm。

4.3 相參ISAR成像能力

基于合成寬帶PD雷達良好的相參性能,提出了一種基于相推測速的ISAR成像運動補償方法,該方法結(jié)合距離像互相關(guān)測速和相推技術(shù),可以獲得高精度的平動速度測量結(jié)果,其測量精度同時滿足ISAR成像包絡(luò)對齊和相位校正的精度要求,能夠?qū)崿F(xiàn)精確運動補償,在小轉(zhuǎn)角情況下,再結(jié)合距離-多普勒算法就可以獲得高質(zhì)量的ISAR圖像。

下面分析波音777(Boeing 777-200)飛機的回波數(shù)據(jù),該飛機的機身長為63.73 m,翼展為60.93 m,錄取場景為飛機即將降落,此時飛機距機場約為20 km。飛機隨時間變化的一維距離像如圖11所示,圖中共繪出了1 024幀一維距離像,飛機由遠及近飛向雷達。

圖11 飛機一維高分辨距離像Fig.11 HRRPs of the airplane

基于距離像互相關(guān)的相推測速結(jié)果如圖12所示,濾波前后結(jié)果之差視為相推測速起伏誤差,如圖12(b)所示,統(tǒng)計可得相推測速的起伏均方根誤差為0.061 m/s。同第4.2節(jié)分析,可知平滑濾波相當于對回波進行非相參積累,可以進一步提高速度測量精度,故將平滑濾波結(jié)果用于飛機回波的包絡(luò)對齊和相位校正處理。

圖12 相推測速結(jié)果與測速起伏誤差示意圖Fig.12 Schematic diagrams of phase derived velocity measurement result and fluctuation error

飛機的ISAR成像結(jié)果如圖13所示,其中圖13(a)～圖13(c)分別為飛機飛向雷達、與雷達視線近似垂直和遠離雷達時的ISAR圖像,從圖中可看到清晰的飛機輪廓,包括飛機機頭、機翼、機尾以及發(fā)動機;同時由這3張圖可以判斷,該飛機有兩個發(fā)動機,且當飛機飛向雷達時,每個發(fā)動機存在不止一個散射點;當飛機與雷達視線近乎垂直時,發(fā)動機僅存在一個強散射點;當飛機遠離雷達時,發(fā)動機回波被遮擋。

圖13(b)中飛機近似與雷達垂直,故以其為例分析ISAR圖像中飛機尺寸。飛機ISAR成像積累時長為1.048 6 s,錄取時刻飛機速度約為400 km/h,飛機距雷達2 280 m,則飛機轉(zhuǎn)角近似為2.92°,因此橫向分辨率約為0.891 m,由圖13(b)可知其方位向占據(jù)第97～162個分辨單元,故飛機橫向尺寸約為58.8 m,又由圖(b)可知飛機在縱向尺寸約為56 m。飛機橫向與縱向尺寸分別對應(yīng)其機長和翼展,可知測量結(jié)果與飛機真實尺寸近似相符。

綜上,ISAR圖像可以用于估計目標尺寸,為目標識別提供參考信息;同時合成寬帶PD雷達回波相參,基于距離像互相關(guān)的相推測速方法可以充分利用ISAR成像時間內(nèi)全部回波的信息,相當于進行了整體回波最優(yōu)處理,測量結(jié)果不存在積累誤差,因此該方法適用于較低信噪比環(huán)境,根據(jù)飛機回波數(shù)據(jù),可知飛機各散射點回波幅度相差較大,若定義信噪比為脈壓后一維距離像中最強散射點處的信噪比,則根據(jù)實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計,可知該方法適用的最低信噪比約為15 dB。

圖13 飛機ISAR成像結(jié)果Fig.13 ISAR imaging results of the airplane

5 結(jié) 論

合成寬帶PD雷達可以同時實現(xiàn)距離和速度二維高分辨,具有較強的抗雜波和抗干擾性能;此外,微動提取和ISAR成像均可為目標識別提供重要的參考信息。本文通過音叉振動實驗、角反射器位移實驗、單擺實驗,驗證了合成寬帶PD雷達的微動測量能力;通過彈射鋼球?qū)嶒?驗證了合成寬帶PD雷達在強雜波中檢測運動小目標的能力,以及高精度相推測距測速性能,其中相對距離的測量精度達到了亞mm或mm量級,測速精度達到了cm/s或亞m/s量級;通過民航飛機實驗,驗證了合成寬帶PD雷達對復(fù)雜目標的高精度相推測速能力,以及相參ISAR成像能力;上述實驗均驗證了合成寬帶PD雷達良好的相參性能,為其工程化應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)。

合成寬帶PD雷達是下一代新體制雷達發(fā)展的重要方向,該體制雷達可應(yīng)用于地面對空情報雷達、預(yù)警機雷達、戰(zhàn)場偵察及地面火控雷達等。

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Synthetic wideband pulse Doppler radar

MAO Er-ke1,2, FAN Hua-yu1,2

(1.BeijingKeyLaboratoryofEmbeddedReal-timeInformationProcessingTechnology,BeijingInstituteofTechnology,Beijing100081,China; 2.RadarResearchLab,SchoolofInformationandElectronics,BeijingInstituteofTechnology,Beijing100081,China)

The synthetic wideband pulse Doppler (PD) radar can simultaneously achieve high range and velocity resolution. And it has good performance of coherence, so high range and velocity measurement precision can be achieved by using the phase derived principle and it can be applied to micro-motion measurement of complex targets with multi-components. Besides, it has good performance of anti-clutter and anti-jamming. In this paper a synthetic wideband PD radar system and its main signal forms are presented; the principle of achieving high range and velocity resolution is introduced; moreover, the main properties of the synthetic wideband PD radar are summarized; finally, the abilities of the synthetic wideband PD radar, including the abilities of micro-motion measurement, precise range and velocity measurement and coherent ISAR imaging, are verified by a series of experiments.

synthetic wideband signal; pulse Doppler (PD) radar; high range and velocity resolution; anti-clutter; anti-jamming; micro-motion measurement

2016-04-27;

2016-07-14;網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版日期:2016-08-22。

國家自然科學基金(61301189)；高等學校學科創(chuàng)新引智計劃(B14010)資助課題

TN 958

A

10.3969/j.issn.1001-506X.2016.12.06

毛二可(1934-),男,中國工程院院士,教授,博士研究生導(dǎo)師,主要研究方向為雷達系統(tǒng)、數(shù)字信號處理。

E-mail:maoerke@bit.edu.cn

范花玉(1989-),女,博士研究生,主要研究方向為合成寬帶雷達信號處理。

E-mail:fan_huayu@sina.com

網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/11.2422.TN.20160822.1008.010.html