張亞楠 吳前垠 胡 沖

(1.93897部隊(duì) 西安 710077；2.93856部隊(duì) 蘭州 730060；3.西安電子科技大學(xué) 西安 710071)

一種脈壓體制雷達(dá)檢測(cè)多目標(biāo)技術(shù)的研究

張亞楠1吳前垠2胡 沖3

(1.93897部隊(duì) 西安 710077；2.93856部隊(duì) 蘭州 730060；3.西安電子科技大學(xué) 西安 710071)

雙曲調(diào)頻(HFM)信號(hào)具有大的時(shí)寬帶寬積，可作為脈沖壓縮體制雷達(dá)的發(fā)射信號(hào)，利用其檢測(cè)目標(biāo)時(shí)，匹配濾波器輸出具有較寬的主瓣和緩降的旁瓣，這會(huì)影響多目標(biāo)的距離分辨力。在介紹HFM信號(hào)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用窗函數(shù)加權(quán)法和CLEAN算法對(duì)鄰近多目標(biāo)脈壓輸出進(jìn)行改善。仿真實(shí)驗(yàn)表明，兩類方法均能夠提高多目標(biāo)分辨能力。

雙曲調(diào)頻信號(hào)；脈沖壓縮；加權(quán)法；CLEAN算法

Abstract: Hyperbolic frequency modulated (HFM) signal with large time bandwidth product can be used as transmitting signal of pulse compression system radar. While using it to detect targets, a sidelobe with wider main lobe and slow drop can be delivered by a matched filter, and this will affect range resolution of multi-targets. Based on introduction of HFM signal, using weighting method of window function and CLEAN algorithm can improve adjacent multi-targets pulse compression output. The simulation results show that these two methods can be used to improve resolution of multi-target.

Keywords：HFM signal; pulse compression; weighting method; CLEAN algorithm

0 引言

在當(dāng)代雷達(dá)系統(tǒng)中，脈沖壓縮體制雷達(dá)因?yàn)榻鉀Q了裝備的探測(cè)能力與測(cè)距精度之間的矛盾而得到了廣泛的應(yīng)用，已知有很多具有實(shí)用價(jià)值的脈壓信號(hào)形式，如線性調(diào)頻(LFM)信號(hào)、相位編碼信號(hào)等[1]，它們較之簡(jiǎn)單恒載頻信號(hào)的一大特點(diǎn)是脈沖時(shí)寬與有效帶寬的乘積遠(yuǎn)大于1。近年來(lái)，雙曲調(diào)頻(HFM)信號(hào)作為一種較新穎的脈壓波形，其匹配濾波器的輸出對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)速度不敏感，能夠得到較準(zhǔn)確的目標(biāo)距離信息，因而在雷達(dá)領(lǐng)域得到了有關(guān)學(xué)者的關(guān)注和研究[2]。

本文以HFM信號(hào)作為雷達(dá)發(fā)射波形，觀察其脈壓輸出特點(diǎn)，它固有的較寬主瓣和緩降旁瓣特性，會(huì)對(duì)多目標(biāo)的檢測(cè)和距離分辨造成影響，為解決這一問(wèn)題，在Matlab仿真環(huán)境下，分別運(yùn)用窗函數(shù)加權(quán)法和CLEAN算法對(duì)多目標(biāo)脈壓輸出進(jìn)行改善處理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在一定的前提下，兩種方法都能夠有效克服原有脈壓輸出對(duì)測(cè)距的影響，提高多目標(biāo)的分辨力能力。

1 雙曲調(diào)頻信號(hào)及其模糊函數(shù)

1. 1 HFM信號(hào)

雙曲調(diào)頻信號(hào)的頻率調(diào)制規(guī)律為雙曲線函數(shù)，即時(shí)寬為T(mén)的信號(hào)瞬時(shí)頻率是：

(1)

故HFM信號(hào)形式為：

(2)

圖1 HFM信號(hào)波形和頻譜

1.2 HFM信號(hào)模糊函數(shù)

模糊函數(shù)是雷達(dá)波形設(shè)計(jì)的有效工具，定義為：匹配于發(fā)射信號(hào)的濾波器對(duì)于輸入為發(fā)射信號(hào)的時(shí)延和頻移形式的信號(hào)的響應(yīng)[3]。為了使模糊函數(shù)容易仿真實(shí)現(xiàn)，將模糊函數(shù)的定義式變換為卷積形式。

=s*(τ)ej2πfdτ?s(-τ)

(3)

式(3)中的?代表卷積運(yùn)算。將矩形包絡(luò)的HFM信號(hào)的表達(dá)式代入，利用Matlab進(jìn)行仿真得到HFM信號(hào)的模糊函數(shù)圖。

為便于觀察，從零多普勒處沿時(shí)延軸對(duì)HFM信號(hào)模糊函數(shù)圖進(jìn)行了切割，得到對(duì)稱的半個(gè)三維圖(圖2)，可見(jiàn)它是接近正刀刃形的，基面具有細(xì)小的波紋，隨著峰脊的遠(yuǎn)離，幅度逐漸變??；由圖3可知，HFM信號(hào)模糊函數(shù)的脊線幾乎與零時(shí)延軸保持在同一垂直面上，偏移極小，反映出HFM信號(hào)有較好的多普勒寬容性；從圖4看到HFM信號(hào)模糊函數(shù)的零多普勒截線時(shí)寬較大且旁瓣平坦緩降，下文的分析可知，這會(huì)影響多目標(biāo)的距離分辨。

圖2 HFM信號(hào)模糊函數(shù)圖

圖3 模糊函數(shù)等高線圖

圖4 HFM信號(hào)零多普勒截線

2 HFM信號(hào)的多目標(biāo)脈壓分析

由雷達(dá)模糊函數(shù)的理論得到，當(dāng)不存在多普勒失配時(shí)，零多普勒響應(yīng)就是匹配濾波器的輸出[4]，而對(duì)于脈壓信號(hào)而言，匹配濾波器正是雷達(dá)接收機(jī)中的一個(gè)壓縮網(wǎng)絡(luò)。因此，HFM信號(hào)的脈壓輸出具有如圖4所示的形狀。由于分辨的問(wèn)題產(chǎn)生于發(fā)現(xiàn)目標(biāo)之后，所以研究分辨力自然是在大信噪比的條件下進(jìn)行的。如果大的信噪比條件存在，并且信號(hào)處理系統(tǒng)又是最佳的，則雷達(dá)的分辨力僅取決于雷達(dá)選擇的信號(hào)形式[1]。

我們已知，在利用LFM信號(hào)對(duì)多目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，如果各個(gè)目標(biāo)回波功率相差較大，弱目標(biāo)回波信號(hào)會(huì)淹沒(méi)在強(qiáng)目標(biāo)的距離旁瓣之下，引起目標(biāo)丟失。對(duì)于HFM信號(hào)而言，雖然其旁瓣平坦，但也存在上述問(wèn)題，設(shè)置一定的仿真參數(shù)，如表1所示，其中R為目標(biāo)距離，v為目標(biāo)速度，RCS為雷達(dá)有效截面積(代表目標(biāo)回波功率大小)，并加入一定的噪聲(SNR=-30dB)。仿真得到如圖5所示的脈壓結(jié)果，可見(jiàn)兩個(gè)目標(biāo)難以分辨，必須對(duì)脈壓旁瓣進(jìn)行抑制。同時(shí)，我們也能看到，目標(biāo)速度對(duì)于HFM信號(hào)的脈壓輸出測(cè)距的影響不大。

進(jìn)一步，設(shè)置如表2所示的仿真參數(shù)，觀察相鄰多目標(biāo)的脈壓輸出，可見(jiàn)HFM信號(hào)由脈壓輸出的主瓣寬度較大，同旁瓣一起，同樣會(huì)對(duì)多目標(biāo)檢測(cè)造成影響，仿真如圖6所示。針對(duì)這點(diǎn)，也需要采用一定的改善技術(shù)，來(lái)提高距離分辨能力。

表1 兩個(gè)相鄰目標(biāo)參數(shù)

表2 四個(gè)相鄰目標(biāo)參數(shù)

圖5 兩相鄰目標(biāo)脈壓輸出

圖6 多個(gè)相鄰目標(biāo)脈壓輸出

3 多目標(biāo)脈壓改善技術(shù)及仿真

由于HFM信號(hào)脈壓輸出的旁瓣和主瓣會(huì)對(duì)鄰近目標(biāo)檢測(cè)造成影響，因此，本文采用窗函數(shù)加權(quán)技術(shù)和CLEAN算法處理來(lái)提高距離分辨力。

3.1 加權(quán)法抑制旁瓣

窗函數(shù)加權(quán)技術(shù)在LFM信號(hào)脈壓旁瓣抑制中已得到應(yīng)用，其原理框圖如圖7所示，它的實(shí)質(zhì)是對(duì)信號(hào)進(jìn)行失配處理，所以它不僅能夠使旁瓣得到抑制，但也會(huì)使輸出信號(hào)包絡(luò)主瓣降低變寬[1]。

圖7 接收端頻域幅度加權(quán)原理框圖

本文選擇Hamming窗(圖8)作為加權(quán)函數(shù)，引入加權(quán)網(wǎng)絡(luò)之后，在仿真環(huán)境下，對(duì)圖5中的兩個(gè)原本分辨不清的相鄰目標(biāo)進(jìn)行脈壓，得到了圖9的結(jié)果。可以看到，兩個(gè)目標(biāo)能夠被有效分辨，但是以犧牲信噪比(峰值為原來(lái)的53%左右)為代價(jià)的。

圖8 Hamming窗加權(quán)函數(shù)

圖9 加權(quán)處理后的脈壓

3.2 CLEAN算法提高距離分辨力

CLEAN算法最早在射電天文學(xué)圖像處理中提出并應(yīng)用[5]。使用它處理原始脈壓的前提為：信號(hào)回波經(jīng)匹配濾波后具有單一的主峰，且主峰處代表一個(gè)真實(shí)的目標(biāo)，而多目標(biāo)分辨的前提是在大信噪比下進(jìn)行的，因此可以使用該算法對(duì)HFM信號(hào)的多目標(biāo)脈壓輸出進(jìn)行改善處理[6]，具體的實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：

(1)對(duì)所有的HFM回波進(jìn)行匹配濾波處理，得到多目標(biāo)脈壓輸出；

(2)檢測(cè)出脈壓結(jié)果中最強(qiáng)目標(biāo)的幅度、時(shí)間等參數(shù)，并作為改善后的一個(gè)強(qiáng)目標(biāo)信息；

(3)用最強(qiáng)目標(biāo)參數(shù)構(gòu)造出它的回波，并進(jìn)行匹配濾波處理，得到最強(qiáng)目標(biāo)理論上的脈壓輸出；

(4)在實(shí)際多目標(biāo)脈壓結(jié)果中，將構(gòu)造出的最強(qiáng)目標(biāo)消除，顯露出次強(qiáng)目標(biāo)，該次強(qiáng)目標(biāo)就作為剩余脈壓中的最強(qiáng)目標(biāo)；

(5)設(shè)置合適的門(mén)限作為退出循環(huán)的條件，重復(fù)步驟(2)到(4)，當(dāng)剩余脈壓結(jié)果幅度的最大值小于設(shè)置的門(mén)限時(shí)，循環(huán)結(jié)束。將循環(huán)過(guò)程中的所有最強(qiáng)目標(biāo)信息進(jìn)行記錄，就得到了改善后的目標(biāo)。

運(yùn)用CLEAN算法對(duì)四個(gè)相鄰目標(biāo)脈壓輸出進(jìn)行改善仿真，得到如圖10所示的結(jié)果，對(duì)比之前設(shè)置的距離，四個(gè)目標(biāo)誤差分別為[2m，1m，3m，1.5m]，可見(jiàn)誤差極小，算法處理后的目標(biāo)距離信息較準(zhǔn)確，且距離分辨力很高，目標(biāo)速度對(duì)測(cè)距幾乎無(wú)影響；另外，歸一化門(mén)限設(shè)為0.35，脈壓處理后剩余雜波的兩個(gè)最高峰值為[-11.05 dB，-11.75 dB]，因此，如果門(mén)限設(shè)置不當(dāng)，很容易造成虛警或漏警的發(fā)生。

圖10 改善后的結(jié)果

圖11 剩余雜波

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了HFM信號(hào)及其模糊函數(shù)，作為一種具有應(yīng)用價(jià)值的雷達(dá)脈壓信號(hào)，它能夠?qū)崿F(xiàn)不同速度目標(biāo)的準(zhǔn)確測(cè)距，但對(duì)于鄰近多目標(biāo)的距離分辨卻不理想。通過(guò)引入加權(quán)網(wǎng)絡(luò)和CLEAN算法，對(duì)多目標(biāo)的脈壓輸出進(jìn)行改善，得到了較好的仿真結(jié)果。同時(shí)也應(yīng)看到，加權(quán)后的脈壓時(shí)寬變大和CLEAN算法處理后的雜波剩余會(huì)對(duì)下一步的檢測(cè)帶來(lái)影響，還需要進(jìn)一步研究。

[1] 張明友.雷達(dá)系統(tǒng)(第二版)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[2] J.Yang and T.K.Sarkar. Doppler-invariant property of hyperbolic frequency modulated waveforms[J]. Microwave and optical technology letters，2006，48(6)：1174-1179.

[3] Merrill l.Skolnik 著，左群聲，徐國(guó)良，等譯.雷達(dá)系統(tǒng)導(dǎo)論(第三版)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[4] Mark A.Richards著，邢孟道，王彤，李真芳，等譯.雷達(dá)信號(hào)處理基礎(chǔ)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[5] 林清源，王彥平，洪文.一種基于CLEAN的SAR圖像旁瓣抑制方法[J].中國(guó)科學(xué)院研究生院學(xué)報(bào)，2011，28(3)：355-359.

[6] 陳星，杜雨洺.一種基于匹配濾波的脈壓新算法研究[J].通信技術(shù)，2013，46(4)：133-138.

[7] 張軍，周旭.LFMCW雷達(dá)多目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)研究[J].現(xiàn)代雷達(dá)，2013，35(6)：29-33.

[8] 丁鷺飛，耿富錄.雷達(dá)原理(第三版)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2002.

StudyonTechnologyofaPulseCompressionSystemRadarDetectingMulti-target

Zhang Yanan1， Wu Qianyin2， Hu Chong3

(1. Unit 93897 of PLA， Xi’an 710077; 2.Unit 93856 of PLA, Lanzhou 730060;3. Xidian University， Xi’an 710071)

TN957.51

A

1008-8652(2017)02-027-04

2017-03-27

張亞楠(1986-)，女，碩士研究生。研究方向?yàn)樾盘?hào)與信息處理。