高德寶，陳 浩，印 勇，張 壹，唐弘超

(中國人民解放軍63778部隊，黑龍江 佳木斯 154002)

單脈沖雷達(dá)基于相參積累的多目標(biāo)分辨

高德寶，陳 浩，印 勇，張 壹，唐弘超

(中國人民解放軍63778部隊，黑龍江 佳木斯 154002)

單脈沖遠(yuǎn)程精密跟蹤測量雷達(dá)是空間目標(biāo)探測、編目和識別的主要設(shè)備，具有跟蹤精度高、作用距離遠(yuǎn)等特點，但只具備單目標(biāo)跟蹤能力。通過相參積累的事后數(shù)據(jù)分析方法，解決了波門外目標(biāo)的外測數(shù)據(jù)丟失的情況，實現(xiàn)了多目標(biāo)的分辨監(jiān)測。仿真結(jié)果表明，基于相參積累的多目標(biāo)分辨算法可有效地實現(xiàn)多目標(biāo)監(jiān)視與辨別，為軌道碰撞預(yù)警和空間目標(biāo)識別等任務(wù)提供了理論參考。

單脈沖雷達(dá)；相參積累；多目標(biāo)；回波

0 引言

隨著航天科技水平的提高，在軌衛(wèi)星數(shù)量逐年增加，軌道碰撞預(yù)警和重點目標(biāo)監(jiān)視任務(wù)日趨繁重。單脈沖雷達(dá)主要負(fù)責(zé)空間目標(biāo)的編目工作、執(zhí)行軌道碰撞預(yù)警及重點目標(biāo)監(jiān)視等任務(wù)。在跟蹤期間，經(jīng)常出現(xiàn)多個目標(biāo)落于同一波束內(nèi)的情況，但雷達(dá)僅能獲得波門內(nèi)目標(biāo)的外測數(shù)據(jù)，造成大量有價值信息丟失。針對此類問題，本文采用處理相參積累后的回波數(shù)據(jù)的方法，對脈壓后的信號進(jìn)行包絡(luò)對齊和相位補償，積累天線接收到的回波信號，記錄同一波束內(nèi)多個目標(biāo)的距離、信噪比等信息，經(jīng)事后處理，即可分辨出同一波束內(nèi)多個目標(biāo)的信息，從而實現(xiàn)多目標(biāo)分辨的能力[1-2]。

1 相參積累的優(yōu)勢

對于單脈沖雷達(dá)而言，利用發(fā)射脈沖間相位連續(xù)的特性對回波信號進(jìn)行相參積累，通過FFT變換，可以達(dá)到提高檢測信噪比的目的。并且在跟蹤過程中，有時出現(xiàn)因目標(biāo)RCS太小而導(dǎo)致未能發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的情況。對于弱小目標(biāo)，回波很容易被噪聲淹沒。通過相參積累不僅可以提高信噪比，增加其檢測概率，還能有效避免因目標(biāo)沒有落在波束中心而造成虛警[2]。此外，在監(jiān)視衛(wèi)星解體時，基于相參積累的多目標(biāo)分辨在同類雷達(dá)中具有無可比擬的優(yōu)越性。較小碎片的回波信號經(jīng)脈沖積累后，都能被檢測出來，因此可以準(zhǔn)確判斷出解體后衛(wèi)星碎片的數(shù)量。在雷達(dá)設(shè)備A/R顯示器上顯示為多個目標(biāo)回波，如圖1所示。

雷達(dá)設(shè)備在進(jìn)行處理時，無法得到波門外的數(shù)據(jù)，從而造成部分有用信息的丟失。由于相參積累具有記錄同一波束內(nèi)所有目標(biāo)回波信息的特性，因此可以通過分析回波數(shù)據(jù)的方法來間接實現(xiàn)多目標(biāo)監(jiān)視與辨別。

圖1 多目標(biāo)回波A/R顯示器示意

2 多目標(biāo)分辨實現(xiàn)方法

2.1 信號模型

假設(shè)在單目標(biāo)情況下，雷達(dá)回波信號經(jīng)相干檢波后可描述為[4]：

(1)

式中，Sa(t)為歸一化回波包絡(luò)；R(t)為某時刻目標(biāo)的徑向距離。短時間內(nèi)假設(shè)目標(biāo)徑向近似勻速直線運動，則

(2)

R(t)=r0+v(mTp+nTS) 。

(3)

將式(3)代入式(1)得：

(4)

由于2vnTS/c<<1/B，故慢時間內(nèi)目標(biāo)運動對回波包絡(luò)走動的影響可忽略?；夭ㄐ盘柨珊喕癁椋?/p>

(5)

對M個脈沖回波每一個對應(yīng)采樣位置進(jìn)行FFT相參積累得：

b(f,n)=FFTm(s(m,n))。

(6)

由于脈沖間的目標(biāo)距離走動會造成相參積累時的非均勻加權(quán)，積累性能下降，同時如果包絡(luò)走動過大對得到的多普勒-距離平面數(shù)據(jù)相位的線性度產(chǎn)生影響。因此須對積累脈沖的數(shù)目有一定的限制，使目標(biāo)的包絡(luò)走動控制在一定范圍內(nèi)[5-6]。以積累損失小于3 dB為約束條件，積累周期內(nèi)包絡(luò)走動不能超過主瓣寬度的0.7倍，則最多可積累脈沖數(shù)為：

M≤Mmax=round[1.4/(B·Δτ)] 。

(7)

式中，B為信號帶寬；Δτ為相鄰周期的壓縮脈沖間的包絡(luò)走動量,

Δτ=2v/(fr·c)。

(8)

v為目標(biāo)運動速度；fr為脈沖重復(fù)頻率。

每M個脈沖回波經(jīng)過FFT積累形成一幀多普勒-距離序列，K幀這樣的序列就形成了時間-距離-多普勒三維序列b(k,f,n)。單個目標(biāo)形成一個時間-距離-多普勒三維序列，多個目標(biāo)就形成了多個時間-距離-多普勒三維序列。

2.2 信號處理

2.2.1 處理流程

目標(biāo)回波信號經(jīng)過中頻采樣后進(jìn)行數(shù)字下變頻，而后通過匹配濾波器完成脈沖壓縮。由于空間目標(biāo)的高速運動，不同脈沖重復(fù)周期內(nèi)的回波發(fā)生包絡(luò)走動和相位模糊，從而無法滿足相參積累的條件。根據(jù)補償信息對回波進(jìn)行包絡(luò)對齊和相位補償后，通過一個FFT濾波器組即可實現(xiàn)空間目標(biāo)的相參積累[7-8]。信號處理流程如圖2所示。

圖2 信號處理流程

2.2.2 包絡(luò)對齊

包絡(luò)對齊原理如圖3所示。

圖3 包絡(luò)對齊示意

包絡(luò)對齊的原理是通過距離補償信息計算每個周期的回波時延，根據(jù)每個回波信號相對于第一個回波的時延對積累的回波進(jìn)行時移，從而實現(xiàn)包絡(luò)對齊[9]。包絡(luò)對齊具體是通過采樣波門方法，即根據(jù)補償信息來計算每個脈沖重復(fù)周期的波門延遲，然后用波門對回波采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行截取，只對波門內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，不同脈沖對應(yīng)的波門延遲時間與目標(biāo)包絡(luò)走動量相互抵消，從而實現(xiàn)了包絡(luò)對齊。

2.2.3 相位補償

空間目標(biāo)高速運動使回波產(chǎn)生相位模糊，導(dǎo)致相參積累結(jié)果的多普勒譜展寬，降低了相參積累的性能。需要對回波進(jìn)行速度補償，消除高速運動帶來的附加相位[10-11]。

在信號模型描述中，目標(biāo)的回波多普勒體現(xiàn)在相位項：

式中，該相位包含了目標(biāo)的瞬時運動狀態(tài)，需要進(jìn)行運動補償。相參補償方法是利用距離補償信息Rref構(gòu)造相位補償因子：

將每個PRT的回波乘以與其對應(yīng)的補償相位項。

2.2.4 相參積累

脈壓后的信號經(jīng)過包絡(luò)對齊和相位補償后，不同脈沖回波的距離和相位得到校正，滿足相參積累的條件。相參積累后，即可得到目標(biāo)的時間-距離-多普勒三維序列b(k,f,n)。由于在檢測跟蹤時，雷達(dá)會利用一定的算法選擇一個目標(biāo)作為要跟蹤的目標(biāo)，因此只能跟蹤同一波束內(nèi)多個目標(biāo)中的一個目標(biāo)。根據(jù)相參積累的特點，當(dāng)多個目標(biāo)落于同一波束內(nèi)，雷達(dá)就會對每個目標(biāo)回波都進(jìn)行脈沖積累。因此，在相參積累后，雷達(dá)會記錄同一波束內(nèi)多個目標(biāo)的回波信息，這就為多目標(biāo)的分辨提供了數(shù)據(jù)[12-14]。

2.3 目標(biāo)分辨

在得到目標(biāo)的時間-距離-多普勒三維序列b(k,f,n)后，可以利用Matlab對這個三維序列進(jìn)行處理，顯示出同一波束內(nèi)多個目標(biāo)的三維向量。

根據(jù)此圖，不僅可以確定該波束內(nèi)目標(biāo)的準(zhǔn)確數(shù)量，還能判讀出多個目標(biāo)的相對位置信息，通過多個目標(biāo)多普勒距離維的展開，判斷這幾個目標(biāo)的徑向距離差，從而確定其相對位置。對于軌道相近、運動方向相反的2顆衛(wèi)星，若在某一時刻，其徑向距離差小于一定限值，則可做出軌道碰撞報警[15-16]。在監(jiān)視衛(wèi)星解體時，雷達(dá)可以實時跟蹤該衛(wèi)星，在得到多個目標(biāo)碎片的回波信息后，通過Matlab處理，可以準(zhǔn)確判斷解體衛(wèi)星產(chǎn)生的碎片數(shù)量?；谙鄥⒎e累的多目標(biāo)分辨還可以為其他任務(wù)提供輔助驗證和數(shù)據(jù)參考[17-18]。

3 仿真測試與應(yīng)用結(jié)果分析

設(shè)置仿真參數(shù)：波長0.1 m；脈壓后脈寬0.6 μs；脈沖重復(fù)頻率250 Hz。設(shè)跟蹤波門始終對準(zhǔn)目標(biāo)1中心，則相對波門中心有如表1所示。

表1 相對波門中心

加性噪聲為高斯白噪聲，脈壓后信噪比為0 dB，脈沖積累幀數(shù)64幀。積累前后回波對比如圖4所示。

(a) 脈沖積累前回波

(b) 脈沖積累后回波圖4 積累前后回波對比

由于目標(biāo)1與目標(biāo)2較為接近，因此在回波中無法分辨出4個目標(biāo)，可以通過對目標(biāo)一回波做傅里葉分析，利用速度區(qū)分2個目標(biāo)，通過觀察，明顯看出2個尖峰，如圖5所示。

圖5 對目標(biāo)進(jìn)行傅里葉分析

4 結(jié)束語

論述了單脈沖雷達(dá)基于相參積累的多目標(biāo)分辨方法，打破了單脈沖雷達(dá)只能實現(xiàn)單目標(biāo)跟蹤與識別的局限性。提出對同一波束內(nèi)的多個目標(biāo)回波分別進(jìn)行相參積累，通過數(shù)據(jù)處理的方式，完成多目標(biāo)分辨與監(jiān)視的功能，提高了雷達(dá)接收原始數(shù)據(jù)的利用率，提升了單脈沖雷達(dá)執(zhí)行軌道碰撞預(yù)警和空間目標(biāo)識別監(jiān)視等任務(wù)的能力，為多種試驗任務(wù)的順利執(zhí)行提供決策方法、輔助驗證和數(shù)據(jù)參考。

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Pulse Radar’s Multi-target Resolving Based on Coherent Integration

GAO De-bao,CHEN Hao,YIN Yong,ZHANG Yi,TANG Hong-chao

(Unit63778,PLA,JiamusiHeilongjiang154002,China)

Monopulse tracking radar is the main equipment for space target detecting,cataloging and recognition.This equipment features high tracking precision and long operating range.However,it can only track single target.In this paper,we use post analysis of coherent integration to solve the tracking data loss situation for the gate outside the target and perform multi-targets resolution and surveillance.Simulation results show this pulse radar multi-target resolving method based on coherent integarion can realize multi-target resolution and identification,which provides reference for orbit collision warning and space target recognition.

monopulse；coherent integration；multi-target；echo

2017-03-07

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.06.06

高德寶，陳 浩，印 勇，等.單脈沖雷達(dá)基于相參積累的多目標(biāo)分辨[J].無線電工程,2017,47(6):24-26，55.[GAO Debao, CHEN Hao, YIN Yong, et al. Pulse Radar’s Multi-target Resolving Based on Coherent Integration[J].Radio Engineering,2017,47(6):24-26,55.]

TP391.4

A

1003-3106(2017)06-0024-03

高德寶 男，(1983—)，技師。主要研究方向：航天測量與控制。

陳 浩 男，(1988—)，技師。主要研究方向：航天測量與控制。