王 寧, 周 明, 劉國(guó)慶, 楊予昊, 孫 俊

(1. 南京電子技術(shù)研究所, 江蘇 南京 210039; 2. 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司智能感知技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 南京 210039)

0 引 言

隨著隱身技術(shù)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用,隱身飛機(jī)、巡航導(dǎo)彈等目標(biāo)的雷達(dá)橫截面積(radar cross section,RCS)實(shí)現(xiàn)數(shù)量級(jí)減小,從而大幅壓縮了雷達(dá)對(duì)其預(yù)警探測(cè)距離。雖然通過(guò)增大天線孔徑面積、提高發(fā)射功率、降低接收機(jī)噪聲系數(shù)、采用較低的工作段波等措施,可以解決因目標(biāo)RCS減小而導(dǎo)致的雷達(dá)作用威力降低的問(wèn)題,但是利用信號(hào)處理方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱目標(biāo)的檢測(cè),技術(shù)靈活,成本較低,一直是雷達(dá)持續(xù)重點(diǎn)關(guān)注的研究方向。

雷達(dá)提升對(duì)微弱目標(biāo)探測(cè)性能的技術(shù)路線大體可以分為兩類(lèi):一是目標(biāo)長(zhǎng)時(shí)間相參積累技術(shù),主要是通過(guò)增加一個(gè)波束的駐留時(shí)間,在單幀數(shù)據(jù)中通過(guò)相參處理實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的能量積累,從而提升雷達(dá)對(duì)微弱目標(biāo)的探測(cè)能力。但是，目標(biāo)在雷達(dá)長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)過(guò)程中存在跨距離單元和跨多普勒單元等問(wèn)題。當(dāng)目標(biāo)徑向速度近似為勻速時(shí),可以通過(guò)Keystone變換[1]實(shí)現(xiàn)目標(biāo)跨距離單元的自動(dòng)校正,延長(zhǎng)目標(biāo)進(jìn)行相參積累的時(shí)間。文獻(xiàn)[2-5]提出的Radon-Fourier變換方法根據(jù)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行距離-速度二維搜索,以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的長(zhǎng)時(shí)間積累。當(dāng)目標(biāo)具有近似恒定的徑向加速度時(shí),其回波在慢時(shí)間維是一個(gè)線性調(diào)頻信號(hào),可采用Radon-Wigner變換[6-7]、Wigner-Hough變換[8-9]、分?jǐn)?shù)階傅里葉變換[10]等方法進(jìn)行積累。二是檢測(cè)前跟蹤(track before detect,TBD)技術(shù),通過(guò)聯(lián)合處理多幀原始數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)微弱目標(biāo)的有效檢測(cè)。首先降低單幀的檢測(cè)門(mén)限,然后采用跟蹤算法在其中尋找可能的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行能量積累,最后做出檢測(cè)判決。典型的TBD算法主要有基于Hough變換[11-13]、基于動(dòng)態(tài)規(guī)劃[14-17]和基于粒子濾波TBD算法[18-22]等。近年來(lái),研究人員還提出了相參TBD算法[23],對(duì)多圈掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行相參積累,實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的弱目標(biāo)檢測(cè)性能。

雷達(dá)對(duì)海面目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)時(shí),海雜波在不同頻率下的散射特性差異較大。為了有效抑制海雜波,雷達(dá)通常在每次掃描時(shí)采用不同載頻。一般而言,雷達(dá)在進(jìn)行每一圈掃描時(shí)采用相同載頻,而進(jìn)行不同圈掃描時(shí)則改變探測(cè)載頻。由于掃描圈間載頻的改變,目標(biāo)反射幅度和相位必然發(fā)生改變,并且目標(biāo)在不同圈間的多普勒單元無(wú)法完全對(duì)齊。同時(shí),圈間掃描的時(shí)間間隔一般較大,目標(biāo)幾乎必然存在跨距離單元走動(dòng)問(wèn)題。在這種場(chǎng)景下,應(yīng)用常規(guī)TBD算法存在一定的局限性。本文提出了一種基于Chirp Z變換的多圈掃描幀間非相參積累算法,用來(lái)改善勻速運(yùn)動(dòng)微弱目標(biāo)的檢測(cè)性能。

1 信號(hào)模型

假設(shè)雷達(dá)采用L個(gè)不同的載頻進(jìn)行目標(biāo)探測(cè),每一圈發(fā)射信號(hào)的載頻為fc l,l=1,2,…,L。同時(shí),假設(shè)雷達(dá)每圈掃描時(shí)的波束指向和探測(cè)波位數(shù)量固定不變,同一個(gè)波位的探測(cè)間隔時(shí)間(即每圈掃描時(shí)間)設(shè)為T(mén)scan。假設(shè)每個(gè)波位采用脈沖多普勒(pulse Doppler,PD)體制,發(fā)射N(xiāo)個(gè)脈沖進(jìn)行探測(cè),脈沖重復(fù)周期為T(mén)r,所獲得的回波信號(hào)稱(chēng)為一幀數(shù)據(jù)。假設(shè)在雷達(dá)觀測(cè)空域的某個(gè)探測(cè)波位中存在一個(gè)目標(biāo),目標(biāo)在雷達(dá)視線上近似為徑向勻速運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)速度為v,目標(biāo)與雷達(dá)的初始距離為R0。在v?c的條件下(c是電磁波傳播速度),雷達(dá)的一幀數(shù)據(jù)可以采用stop-go模型[24]。雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的載波信號(hào)為exp(j2πfct),fc為當(dāng)前幀采用的載頻，第n(n=1,2，…,N)個(gè)脈沖的發(fā)射時(shí)刻為tn=nTr,則第n個(gè)脈沖的目標(biāo)回波信號(hào)可以寫(xiě)為

(1)

一般而言,海面目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度較慢,且雷達(dá)進(jìn)行對(duì)海探測(cè)時(shí)大多采用窄帶信號(hào),因此可以假設(shè)目標(biāo)在一幀數(shù)據(jù)中不存在跨距離單元和跨探測(cè)波束的問(wèn)題。而當(dāng)進(jìn)行多圈探測(cè)時(shí),由于圈間掃描時(shí)間間隔Tscan較大(一般是秒級(jí)),此時(shí)目標(biāo)距離走動(dòng)問(wèn)題無(wú)法忽略,但是在掃描圈數(shù)較少時(shí),仍然可以假設(shè)目標(biāo)不存在跨波束問(wèn)題。

因此,對(duì)于某個(gè)波束中的目標(biāo),其第l圈掃描第n個(gè)脈沖的目標(biāo)回波信號(hào)可以重新表示為

(2)

式中,σl為第l圈掃描時(shí)目標(biāo)的復(fù)反射系數(shù)；Rl(tn)為第l圈掃描第n個(gè)脈沖時(shí)的目標(biāo)距離,表示為

Rl(tn)=R0-v[(l-1)Tscan+tn]

(3)

將式(3)代入式(2),可得

(4)

2 多圈掃描的幀間積累技術(shù)

近年來(lái),海面小目標(biāo)與掠海飛行目標(biāo)對(duì)預(yù)警探測(cè)系統(tǒng)的威脅越來(lái)越高。因此，針對(duì)提升海面目標(biāo)檢測(cè)能力的技術(shù)得到了持續(xù)的關(guān)注和研究。關(guān)于第1節(jié)介紹的雷達(dá)工作方式,即雷達(dá)在不同圈間采用不同載頻和/或脈沖重復(fù)周期,為了實(shí)現(xiàn)多圈掃描的幀間積累,有兩個(gè)問(wèn)題亟待解決:

(1) 對(duì)于勻速運(yùn)動(dòng)目標(biāo),相同速度載頻不同對(duì)應(yīng)的多普勒頻率不同,并且每圈的脈沖重復(fù)周期也可能存在差異,因此,目標(biāo)在多幀數(shù)據(jù)中出現(xiàn)的多普勒頻率單元不同;

(2) 對(duì)于勻速運(yùn)動(dòng)目標(biāo),由于不同掃描圈之間的時(shí)間間隔較長(zhǎng),目標(biāo)在不同掃描圈之間,存在距離單元走動(dòng)問(wèn)題,因此,目標(biāo)在多幀數(shù)據(jù)中出現(xiàn)的距離單元不同。

為了進(jìn)行不同載頻的多圈掃描幀間的目標(biāo)積累,需要將目標(biāo)的不同多普勒頻率校正到相同多普勒單元,并對(duì)其距離走動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償,從而保證目標(biāo)在多圈掃描中處于相同的多普勒單元和距離單元。本文提出了基于Chirp Z變換的目標(biāo)幀間非相參積累技術(shù)。

2.1 多圈掃描的幀間多普勒頻率校正

2.1.1 多普勒頻率校正的原理

式(4)表示第l個(gè)載頻的目標(biāo)回波,經(jīng)過(guò)下變頻和數(shù)字采樣后,變?yōu)榛鶐?shù)字信號(hào),可以表示為

xl(m,n)=σlsl(m)exp(j2πfc lmts)·
exp(j2πfdlnTr l)exp(-jθl)

(5)

式中,m表示每個(gè)脈沖的第m個(gè)快時(shí)間采樣點(diǎn)；ts表示快時(shí)間采樣間隔；Tr l表示第l圈掃描時(shí)采用的脈沖重復(fù)周期。一般而言,快時(shí)間采樣率fs與雷達(dá)信號(hào)帶寬B取相同值,即fs=1/ts=B。

由于每幀數(shù)據(jù)中的脈沖需要先進(jìn)行脈沖壓縮處理,并且脈沖間的相參積累是按照距離單元逐個(gè)進(jìn)行處理的,因此,假定式(5)為經(jīng)過(guò)脈沖壓縮后的數(shù)據(jù),并選取其中第l圈掃描第m個(gè)距離單元的接收信號(hào)重新表示為

xl,m(n)=[σlexp(-jθl)sl(m)exp(j2πfc lmts)]·
exp(j2πfdlnTr l)=al,mexp(j2πfdlnTr l)

(6)

式中,al,m=[σlexp(-jθl)sl(m)exp(j2πfc lmts)]為包含了目標(biāo)反射系數(shù)、回波初始相位等信息的復(fù)常數(shù)。為方便表示,省略下標(biāo)m。對(duì)xl(n)進(jìn)行脈沖多普勒處理,可得

(7)

式中,fr l為第l圈掃描數(shù)據(jù)的脈沖重復(fù)頻率,即fr l=1/Tr l；k為離散取值的多普勒單元。

為了保證同一速度的目標(biāo),在不同頻率不同脈沖重復(fù)周期的數(shù)據(jù)中,出現(xiàn)在相同多普勒單元,需要進(jìn)行如下變換：

(8)

式中,γl=γf lγT l為第l圈數(shù)據(jù)的變換系數(shù);γf l=fc l/fc 0,γT l=Tr l/Tr 0分別為第l個(gè)載頻的變換系數(shù)和第l個(gè)脈沖重復(fù)周期的變換系數(shù)；fc 0和Tr 0分別為參考載頻和參考脈沖重復(fù)周期。目標(biāo)速度在參考載頻下的多普勒頻率表示為fd0=2vfc 0/c。參考脈沖重復(fù)頻率表示為fr 0=1/Tr 0。將式(8)代入式(6)可得

(9)

(10)

式(10)中的變換無(wú)法直接使用快速傅里葉變換(fast Fourier transform, FFT)進(jìn)行快速處理。如果直接利用離散傅里葉變換進(jìn)行處理則計(jì)算效率低,尤其是需要處理較多距離單元時(shí)。因此,利用線性調(diào)頻Z變換(chip Z transform, CZT)來(lái)實(shí)現(xiàn)式(10)的變換。

2.1.2 CZT的定義與實(shí)現(xiàn)

長(zhǎng)度為N的序列x(n),其Z變換為

(11)

令zk=AW-k,其中A=A0exp(-jθ0),W=W0exp(-jφ0),A0表示起始采樣點(diǎn)的半徑長(zhǎng)度，θ0表示起始采樣點(diǎn)的相位，W0表示采樣點(diǎn)螺旋線的伸展率，φ0表示兩相鄰采樣點(diǎn)間的相位差，k=0,1,…,K,(K≥N),可以得到序列的Chirp Z變換,其公式展開(kāi)為

k=0,1,…,K-1

(12)

直接按照式(12)進(jìn)行CZT計(jì)算,當(dāng)N和K取值較大時(shí)依然存在算法運(yùn)算量大的缺點(diǎn)。文獻(xiàn)[25]中介紹了通過(guò)FFT和快速傅里葉逆變換(inverse FFT, IFFT)快速實(shí)現(xiàn)CZT的步驟。Matlab中的czt函數(shù)可以直接實(shí)現(xiàn)快速CZT。

對(duì)于式(10)所描述的問(wèn)題,直接利用czt函數(shù)即可獲得:

(13)

式中,K=N；Wl=exp(-j2πγl/N)；A=1。

2.1.3 多普勒頻率校正時(shí)的速度模糊問(wèn)題

在進(jìn)行式(10)的推導(dǎo)和計(jì)算時(shí),未考慮目標(biāo)存在速度模糊的問(wèn)題,即目標(biāo)速度為負(fù),或目標(biāo)徑向速度超過(guò)脈沖重復(fù)頻率對(duì)應(yīng)的最大不模糊速度。目標(biāo)速度的模糊數(shù)為

(14)

式中,round (·)為向零取整操作。對(duì)于目標(biāo)速度模糊數(shù)為p的回波信號(hào),其多普勒頻率校正方法可重新表示為

(15)

利用式(13)進(jìn)行Chirp Z變換處理時(shí),其輸入?yún)?shù)變?yōu)镵=N,Wl=exp(-j2πγl/N),Al=exp(j2πγlp)。

2.2 多圈掃描的幀間距離走動(dòng)補(bǔ)償

經(jīng)過(guò)上述處理后,勻速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)在不同掃描圈間都被變換到相同的多普勒單元。但需要注意的是,在多圈掃描時(shí)間內(nèi),目標(biāo)的徑向速度會(huì)帶來(lái)距離單元走動(dòng)問(wèn)題。

對(duì)于變換后距離-多普勒數(shù)據(jù)中的第k個(gè)多普勒單元,其對(duì)應(yīng)的多普勒速度估計(jì)為

(16)

因此,針對(duì)不同多普勒單元對(duì)應(yīng)的速度,可以進(jìn)行目標(biāo)徑向距離走動(dòng)補(bǔ)償。第l圈掃描第k個(gè)多普勒單元的目標(biāo)需要補(bǔ)償?shù)木嚯x為

(17)

假設(shè)第l幀數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)Chirp Z變換多普勒校正和距離走動(dòng)補(bǔ)償后,二維距離-多普勒處理結(jié)果表示為Yl(m,k),其中m和k分別表示距離單元和多普勒單元。此時(shí),一個(gè)勻速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)在多幀Yl(m,k)數(shù)據(jù)中,處于同一個(gè)待檢測(cè)單元。

2.3 多幀非相參積累

由于多圈掃描時(shí)間間隔較長(zhǎng),并且圈間采用不同載頻,因此幀間目標(biāo)積累可以采用非相參積累處理,即對(duì)多幀數(shù)據(jù)進(jìn)行取模求和,得到最終的多幀積累結(jié)果為

(18)

獲得積累結(jié)果Z(m,k)后,即可進(jìn)行后續(xù)的目標(biāo)檢測(cè)和參數(shù)估計(jì)等處理。

2.4 系統(tǒng)參數(shù)及海雜波的影響分析

本節(jié)提出的基于Chirp Z變換的海面目標(biāo)多普勒校正和距離走動(dòng)補(bǔ)償方法,可以通過(guò)處理使得多圈數(shù)據(jù)中的目標(biāo)出現(xiàn)在相同距離-多普勒檢測(cè)單元內(nèi),然后直接進(jìn)行圈間非相參積累,從而提升海面目標(biāo)的檢測(cè)性能。雷達(dá)在工作時(shí)往往會(huì)采用不同的系統(tǒng)參數(shù),同時(shí)考慮到實(shí)際環(huán)境中面臨的復(fù)雜海雜波影響,下面對(duì)提出方法的性能開(kāi)展進(jìn)一步的分析論證。

2.4.1 雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)的影響

通過(guò)本節(jié)分析可知,對(duì)算法性能具有影響的雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)主要包括,雷達(dá)載頻fc、帶寬B、積累脈沖數(shù)N、脈沖重復(fù)周期Tr、圈間掃描間隔時(shí)間Tscan、積累掃描圈數(shù)L等。

雷達(dá)速度分辨率為vs=c/(2NTrfc),距離分辨率為rs=c/(2B)。本文方法由于需要根據(jù)多普勒單元對(duì)應(yīng)的目標(biāo)速度進(jìn)行幀間距離走動(dòng)補(bǔ)償,則L圈數(shù)據(jù)進(jìn)行積累時(shí),距離走動(dòng)補(bǔ)償精度需要滿(mǎn)足:

(19)

式中，α定義為補(bǔ)償精度參數(shù),其取值越小越好。對(duì)于給定的雷達(dá)系統(tǒng),一般而言，參數(shù)Tscan和fc僅在較小范圍內(nèi)變化,重點(diǎn)分析其他幾個(gè)參數(shù)對(duì)算法性能的影響。

L的取值不宜過(guò)大,這是由于算法具有如下假設(shè)條件,即目標(biāo)近似為勻速直線運(yùn)動(dòng)。若L取值過(guò)大,會(huì)造成該假設(shè)條件不成立。同時(shí),距離走動(dòng)補(bǔ)償精度的要求也限制了較大的L取值。

若其他參數(shù)取值不變而僅改變積累脈沖數(shù)N,則較大的積累脈沖數(shù)可以獲得更高的目標(biāo)信噪比(signal to noise ratio, SNR),并且目標(biāo)速度分辨率及估計(jì)精度更高。若積累脈沖數(shù)減少,則意味著目標(biāo)SNR更低,目標(biāo)的速度分辨率及估計(jì)精度更低,可能會(huì)造成距離走動(dòng)補(bǔ)償效果變差,從而造成算法性能下降。但是,雷達(dá)一般需要在很大的空域內(nèi)進(jìn)行目標(biāo)搜索,每個(gè)波位分配的時(shí)間資源是受限的,即可以認(rèn)為NTr為一確定值。此時(shí),目標(biāo)SNR和目標(biāo)速度分辨率及估計(jì)精度保持不變。

帶寬B取值較大時(shí),距離單元分辨率變小,可能會(huì)造成距離走動(dòng)補(bǔ)償效果變差。同時(shí),寬帶場(chǎng)景下目標(biāo)不能近似為點(diǎn)目標(biāo),不同載頻下目標(biāo)的一維像可能發(fā)生變化,從而影響算法性能。但是,寬帶意味著海雜波在單個(gè)距離分辨單元內(nèi)的回波能量降低,更有利于雜波中的目標(biāo)檢測(cè)。

2.4.2 海雜波的影響

雷達(dá)對(duì)海探測(cè)目標(biāo)時(shí),面臨實(shí)際環(huán)境中復(fù)雜海雜波的影響。除了提到的帶寬對(duì)海雜波強(qiáng)度的影響外,還需考慮圈間積累及多普勒頻率校正時(shí)海雜波的影響。

根據(jù)不同工作帶寬,海雜波的去相關(guān)時(shí)間范圍可以達(dá)到幾百毫秒至秒級(jí),而雷達(dá)圈間掃描間隔一般可以達(dá)到秒級(jí)。因此,通過(guò)圈間積累處理可以很好地抑制海尖峰,提升海雜波下的目標(biāo)檢測(cè)性能。

海雜波徑向運(yùn)動(dòng)速度與海況有關(guān),一般取值為幾米每秒。進(jìn)行幀間多普勒頻率校正處理,若不存在多普勒模糊,即進(jìn)行慢速目標(biāo)積累時(shí),處理后多圈數(shù)據(jù)的海雜波被校準(zhǔn)到相同的多普勒單元。若存在多普勒模糊,即進(jìn)行快速目標(biāo)積累時(shí),海雜波與目標(biāo)的速度模糊數(shù)p不一致,會(huì)造成處理后海雜波多普勒頻率擴(kuò)展,影響模糊速度與海雜波速度相近的目標(biāo)檢測(cè)。但是,由于海雜波速度較慢擴(kuò)展范圍不大,并且通過(guò)調(diào)整脈沖重復(fù)周期,可以改變雷達(dá)模糊速度,進(jìn)一步降低海雜波多普勒頻率擴(kuò)展帶來(lái)的影響。

3 仿真試驗(yàn)分析

假設(shè)L=4，即雷達(dá)采用4種不同的載頻進(jìn)行掃描，分別為[2.85,2.95,3.05,3.15] GHz。希望對(duì)同一波位采用相鄰4圈的數(shù)據(jù)進(jìn)行多圈掃描的幀間非相參積累。假設(shè)每一幀數(shù)據(jù)采用的脈沖數(shù)N=128,所有掃描圈采用相同的脈沖重復(fù)頻率Tr=500 μs,圈間的掃描時(shí)間間隔Tscan=5 s?？鞎r(shí)間采樣率fs=B=2 MHz,即距離分辨率為75 m。假設(shè)目標(biāo)的起始距離單元(即第一圈的第一脈沖時(shí)目標(biāo)所在距離單元)為第256個(gè)距離單元。

3.1 慢速目標(biāo)(無(wú)速度模糊)處理結(jié)果

假設(shè)目標(biāo)的徑向速度v=25 m/s。為了對(duì)比多普勒校正和距離走動(dòng)補(bǔ)償?shù)男Ч?將單幀的目標(biāo)SNR設(shè)置為30 dB。對(duì)不同掃描圈而言,目標(biāo)出現(xiàn)在不同的距離-多普勒單元。采用常規(guī)的PD處理時(shí),目標(biāo)峰值在第1～4圈時(shí)的距離-多普勒單元分別為(257,31),(255,33),(254,34)和(252,35)。這說(shuō)明同一速度的目標(biāo)在不同載頻下出現(xiàn)在不同的多普勒單元,且由于多圈掃描的時(shí)間跨度較大,目標(biāo)走動(dòng)跨越多個(gè)距離單元。由于多圈數(shù)據(jù)中目標(biāo)出現(xiàn)在不同的距離-多普勒單元,若直接進(jìn)行常規(guī)的非相參積累處理,結(jié)果如圖1(a)所示。經(jīng)本文所提方法處理后,多圈數(shù)據(jù)的目標(biāo)回波均校正到相同的距離-多普勒單元(257,33)。因此,經(jīng)過(guò)處理后可以進(jìn)行多圈數(shù)據(jù)的幀間非相參積累,結(jié)果如圖1(b)所示。

圖1 多幀數(shù)據(jù)非相參積累結(jié)果對(duì)比(低速目標(biāo))Fig.1 Comparison of noncoherent integration results of multi-frame data (low speed target)

3.2 快速目標(biāo)(存在速度模糊)處理結(jié)果

假設(shè)目標(biāo)的徑向速度v=125 m/s。為了對(duì)比多普勒校正和距離走動(dòng)補(bǔ)償?shù)男Ч?將單幀的目標(biāo)SNR設(shè)置為30 dB。根據(jù)仿真試驗(yàn)所使用的參數(shù),可以計(jì)算出數(shù)據(jù)的最大不模糊速度Vmax=100 m/s。因此,可知速度模糊數(shù)為p=1。采用常規(guī)的PD處理時(shí),目標(biāo)在第1～4圈時(shí)的距離-多普勒單元分別為(257,25),(249,30)，(240,36)和(232,41)。直接進(jìn)行常規(guī)的非相參積累處理,結(jié)果如圖2(a)所示。經(jīng)本文所提方法處理后,多圈的目標(biāo)回波均校正到相同的距離-多普勒單元(257,33)。因此,經(jīng)過(guò)處理后可以進(jìn)行多圈數(shù)據(jù)的幀間非相參積累,結(jié)果如圖2(b)所示。這說(shuō)明,對(duì)于存在速度模糊的目標(biāo),依然可以通過(guò)本文方法實(shí)現(xiàn)多圈數(shù)據(jù)的幀間非相參積累。

圖2 多幀數(shù)據(jù)非相參積累結(jié)果對(duì)比(高速目標(biāo))Fig.2 Comparison of noncoherent integration results of data multi-frame (high speed target)

3.3 雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)的影響分析

根據(jù)仿真參數(shù),按照式(19)計(jì)算α=0.21<1,以及圖1(b)和圖2(b)的處理結(jié)果,目標(biāo)被校正到相同的距離-多普勒單元。當(dāng)改變雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)不滿(mǎn)足式(19)時(shí),可能造成算法處理性能的惡化。下面分析改變積累脈沖數(shù)N和信號(hào)帶寬B之后,對(duì)算法處理效果的影響。

假設(shè)目標(biāo)的徑向速度v=21.5 m/s。為了對(duì)比多普勒校正和距離走動(dòng)補(bǔ)償?shù)男Ч?將單幀的目標(biāo)SNR設(shè)置為30 dB。若系統(tǒng)的其他參數(shù)不變,將積累脈沖數(shù)N由128改為16。此時(shí)計(jì)算α=1.67>1,算法的處理結(jié)果如圖3(a)所示。若系統(tǒng)的其他參數(shù)不變,將信號(hào)帶寬B由2 MHz改為100 MHz,即距離分辨率由75 m變?yōu)?.5 m。此時(shí)計(jì)算α=10.42>1,算法的處理結(jié)果如圖3(b)所示。

通過(guò)圖3的算法處理結(jié)果可知,當(dāng)雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)改變后不再滿(mǎn)足式(19)時(shí),目標(biāo)距離單元走動(dòng)補(bǔ)償誤差變大,目標(biāo)擴(kuò)展到臨近的距離單元內(nèi),造成算法的處理性能下降。

圖3 系統(tǒng)參數(shù)的影響分析Fig.3 Effect analysis of system parameters

3.4 檢測(cè)性能分析

對(duì)多圈數(shù)據(jù)進(jìn)行距離-多普勒校正的最終目的,是通過(guò)圈間積累提升目標(biāo)檢測(cè)性能。下面通過(guò)仿真試驗(yàn)進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)性能分析,對(duì)比單幀檢測(cè)性能和圈間校正后的積累檢測(cè)性能。假設(shè)目標(biāo)為非起伏目標(biāo),目標(biāo)仿真參數(shù)保持不變,僅改變目標(biāo)在單幀數(shù)據(jù)中的SNR,并將檢測(cè)虛警概率設(shè)置為10-6,結(jié)果如圖4所示。仿真結(jié)果證明,經(jīng)過(guò)本文方法處理后,可以直接進(jìn)行多幀積累,從而大幅提升目標(biāo)檢測(cè)性能。

圖4 目標(biāo)檢測(cè)性能分析Fig.4 Analysis of target detection performance

4 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

利用某S波段雷達(dá)錄取了試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行算法性能驗(yàn)證。數(shù)據(jù)中的目標(biāo)為慢速無(wú)人機(jī)，試驗(yàn)中采用窄帶模式,脈沖重復(fù)周期為450 μs,每幀積累脈沖數(shù)為16,圈間掃描間隔為6 s，目標(biāo)距離走動(dòng)約4個(gè)距離單元。試驗(yàn)中掃描圈間的載頻與仿真參數(shù)有所區(qū)別,實(shí)際采用載頻的變化范圍遠(yuǎn)小于仿真載頻變化范圍的300 MHz。同時(shí)由于目標(biāo)飛行速度較慢,因此目標(biāo)的多普勒變化小于一個(gè)多普勒單元。

數(shù)據(jù)處理結(jié)果如圖5所示。圖5中，海雜波集中在零多普勒頻率附近,近程較強(qiáng)的海雜波會(huì)向鄰近多普勒單元擴(kuò)散。通過(guò)分析可以發(fā)現(xiàn),雖然參數(shù)α>1,但是經(jīng)過(guò)本文提出方法的處理后,目標(biāo)檢測(cè)性能仍然可以獲得較大提升,且海雜波沒(méi)有明顯的多普勒展寬。

圖5 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理結(jié)果Fig.5 Processing result of measured data

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)雷達(dá)探測(cè)海面目標(biāo)時(shí)多圈掃描的幀間非相參積累技術(shù)開(kāi)展了研究。首先,分析了多圈掃描時(shí)的目標(biāo)回波信號(hào)模型。然后,基于該信號(hào)模型提出了多圈掃描數(shù)據(jù)的幀間積累技術(shù)?；贑hirp Z變換實(shí)現(xiàn)了不同載頻回波數(shù)據(jù)的多普勒單元校正,并利用多普勒單元所對(duì)應(yīng)的速度進(jìn)行目標(biāo)距離走動(dòng)的補(bǔ)償,實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)在多圈掃描數(shù)據(jù)中的距離-多普勒單元對(duì)齊。經(jīng)過(guò)上述處理后的多圈掃描數(shù)據(jù)可以直接進(jìn)行非相參積累處理,從而提升目標(biāo)的檢測(cè)性能。最后,結(jié)合仿真試驗(yàn)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),驗(yàn)證了本文提出算法的有效性。