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        基于相干視頻模擬法的機(jī)載脈沖多普勒雷達(dá)地雜波功率譜仿真分析

        2022-04-28 00:23:08
        電聲技術(shù) 2022年3期
        關(guān)鍵詞:雜波方位角柵格

        龔 云

        (南京電子技術(shù)研究所,江蘇 南京 210013)

        0 引言

        機(jī)載脈沖多普勒雷達(dá)的主要功能是探測飛行目標(biāo)。雷達(dá)工作在下視狀態(tài)時(shí),雷達(dá)接收信號摻雜有強(qiáng)烈的地雜波信號,會大大影響雷達(dá)對目標(biāo)信號的檢測。為了發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的低空飛行目標(biāo),必須采用高性能的信號處理技術(shù)對雜波進(jìn)行抑制。要抑制雜波,就要對機(jī)載脈沖多普勒雷達(dá)地雜波功率譜及其空間分布情況有充分的了解。因此,研究機(jī)載脈沖多普勒雷達(dá)的地雜波功率譜具有十分重要的意義[1]。

        直接計(jì)算法、等多普勒線積分法以及相干視頻信號模擬法是計(jì)算機(jī)載雷達(dá)地雜波功率譜的常見方法。其中,直接計(jì)算法是根據(jù)理論表達(dá)式直接計(jì)算得到旁瓣雜波功率譜、主瓣雜波功率譜以及高度譜的值。該方法簡潔但雜波譜細(xì)節(jié)表現(xiàn)不夠且不形象。

        等多普勒線積分法是將雷達(dá)波束照射到的地面按照等距離環(huán)等多普勒線劃分成不同大小、不同形狀的柵格,計(jì)算每個(gè)柵格的雜波回波。該方法需要進(jìn)行大量的數(shù)值積分,且積分面積的形狀復(fù)雜,積分運(yùn)算計(jì)算量大,工程使用不便[3]。

        相干視頻信號模擬法是將雷達(dá)照射到的地面按照等距離環(huán)及不同的方位間隔劃分成不同大小的柵格,利用雷達(dá)方程分別計(jì)算出每個(gè)柵格散射單元內(nèi)的雷達(dá)回波信號,該信號具有幅度和相位信息[4]。由于脈沖多普勒雷達(dá)采用全相參體制,該方法利用了返回信號的相位信息,當(dāng)存在運(yùn)動目標(biāo)信息時(shí),對返回的信號作相參積累,利用地雜波與目標(biāo)回波的多普勒差異,能夠有效區(qū)分真實(shí)的目標(biāo)信號,從而提高目標(biāo)檢測性能。

        本文基于雷達(dá)方程,采用相干視頻信號模擬法[6]對機(jī)載脈沖多普勒雷達(dá)地雜波回波信號進(jìn)行模擬,給出地面反射雜波信號表達(dá)式,計(jì)算其功率譜。

        1 地雜波的相干視頻信號模擬法

        采用等距離環(huán)等角度劃分柵格的方法如圖1所示,將雷達(dá)波束照射的地面區(qū)域劃分成若干個(gè)ΔR×Δθ的柵格單元,其中ΔR和Δθ分別代表雷達(dá)的距離和角度分辨率。

        圖1 地面柵格劃分

        1.1 距離分辨率ΔR

        目前,雷達(dá)一般采用脈沖壓縮技術(shù)提高分辨率。若雷達(dá)的采樣頻率為Fs,則在空間斜距上距離分辨單元為ΔR=c/(2Fs),而地距分辨率為ΔR/cosφ,φ代表擦地角。

        1.2 方位角分辨率Δθ

        在一定的距離環(huán)內(nèi),方位角變化量Δθ的選取準(zhǔn)則是雜波源多普勒頻率不可分辨。方位角變化量Δθ可表示為:

        式中:fs為多普勒頻率分辨率,M為積累脈沖數(shù),PRF為脈沖重復(fù)頻率,θ為方位角,φ為俯仰角。取角度變化量Δθ為最?。é?π/2 時(shí)最小)值作為劃分間隔,即:

        一定距離環(huán)內(nèi)所屬的方位分辨單元總數(shù)為:

        1.3 回波信號模型

        雷達(dá)照射的地面雜波回波信號為所有柵格內(nèi)散射單元回波信號的矢量和,而散射單元的方位角變化范圍為全向360°,方位角每次按照Δθmin遞增,任意散射單元的方位角可表示為:

        任意柵格單元對應(yīng)的雜波散射單元的雷達(dá)散射截面積(RCS)為:

        式中:ΔAi為雜波散射單元面積,Ri為機(jī)載雷達(dá)與雜波散射單元的距離,σ0為柵格單元對應(yīng)的地面后向散射系數(shù)。地面后向散射系數(shù)的模型如下:

        式中:σod為漫反射系數(shù),σos為鏡面反射系數(shù),β0為鏡面反射區(qū)域角,βs為擦地角。βs通過式(9)計(jì)算:

        距離Ri處散射單元的俯仰角為:

        式中:H為載機(jī)高度,Re為地球半徑(4/3 平均地球半徑)。

        依據(jù)機(jī)載脈沖多普勒雷達(dá)方程,對位于方位(θ,φ)處的雜波散射單元,其返回的第m個(gè)脈沖回波信號模型可表示為:

        式中:Pt為發(fā)射機(jī)峰值功率,λ為雷達(dá)波長,σ為某個(gè)散射單元對應(yīng)的雷達(dá)散射截面積,G(θa,φ a)為某角度下對應(yīng)的天線增益,L為雷達(dá)系統(tǒng)損耗,Ri代表空間斜距,fd為該雜波散射單元對應(yīng)的多普勒頻率,Tr為慢時(shí)間采樣即脈沖重復(fù)周期,ti代表快時(shí)間采樣。

        1.4 回波信號疊加

        雷達(dá)發(fā)射周期脈沖信號,導(dǎo)致距離為R+iRu的這些距離環(huán)內(nèi)的雜波信號會同時(shí)到達(dá)。Ru表示不模糊距離,不模糊距離及模糊次數(shù)分別表示為:

        需要注意的是,回波信號疊加時(shí),從各個(gè)模糊距離環(huán)返回的脈沖是不同的[6]。此過程可用圖2說明。

        如圖2 所示,假設(shè)載機(jī)沿正Y軸水平飛行,雷達(dá)照射的最遠(yuǎn)距離為3 個(gè)模糊距離,對于圖2(a)所示的距離門雷達(dá)接收到的各個(gè)模糊距離環(huán)的脈沖信號時(shí)域波形如圖2(b)所示。對于3 個(gè)距離環(huán),每隔一個(gè)脈沖重復(fù)周期都會有脈沖返回,只是各個(gè)距離環(huán)脈沖返回的起始時(shí)刻不同,如圖2(b)所示。因此,當(dāng)t=3Tr時(shí)刻,雷達(dá)第一次接收到從最遠(yuǎn)距離環(huán)A內(nèi)的脈沖1#時(shí),那么從與距離環(huán)A相距Ru的距離環(huán)B和與距離環(huán)A相距2Ru的距離C內(nèi)接收到的則是脈沖2#和3#;當(dāng)t=4Tr時(shí),從距離環(huán)A、B、C內(nèi)返回的脈沖分別是2#、3#和4#,后面的時(shí)刻依此類推。

        圖2 模糊距離波門回波接收示意圖

        因此,用回波信號表達(dá)式(11)在方向維和模糊距離維進(jìn)行二維信號疊加求和時(shí),不同距離環(huán)Ri內(nèi)式(11)中的m值是不同的。任意距離門R接收的信號可表示為:

        式中:NRu為模糊距離數(shù),Nθ為距離環(huán)單元數(shù)。

        2 計(jì)算機(jī)仿真分析

        下面給出用相干視頻信號模擬法計(jì)算某組參數(shù)下地雜波功率譜的仿真圖。假設(shè)32×32 矩形平面陣天線安放在飛機(jī)的正側(cè)面,即正側(cè)視安裝,飛行參數(shù)如表1 所示。

        當(dāng)給定表1 的飛行參數(shù)時(shí),距離-功率仿真結(jié)果如圖3 所示。

        表1 飛行參數(shù)

        該變天線方位角為θ=80°,天線俯仰角φ=0°,其他參數(shù)不變,距離-功率仿真結(jié)果如圖4所示。

        該變天線俯仰角為φ=20°,天線方位角θ=90°,其他參數(shù)不變,距離-功率仿真結(jié)果如圖5所示。

        由飛行參數(shù)可知,多普勒分辨率Δf=PRF/M=6 000/64=93.75 Hz。當(dāng)天線方位角θ=90°時(shí),功率譜主瓣中心頻率是fMB=2vcosφcosθ/λ=0 Hz,圖3(a)中主瓣位于33 號多普勒門即零多普勒頻率門,圖3(b)中主瓣多普勒頻率為0 Hz,與理論計(jì)算相符。當(dāng)天線方位角變?yōu)棣?80°時(shí),功率譜主瓣中心頻率變?yōu)閒MB=2vcosφcosθ/λ=467.214 8 Hz,多普勒門偏移量為n=int(fMB/Δf)=int(467.214 8/93.75)=4,由圖3(a)、圖4(a)可知,主瓣中心頻率由33 號多普勒門偏移到29 號,頻移量為4,由圖3(b)、4(b)可知,主瓣中心頻率由0 Hz 變?yōu)?67 Hz,符合理論計(jì)算值。

        圖3 參數(shù)按表1 設(shè)置的距離-功率仿真結(jié)果

        圖4 θ=80°、φ=0°時(shí)的距離-功率仿真結(jié)果

        圖5 θ=20°、φ=90°的距離-功率仿真結(jié)果

        當(dāng)天線方位角θ=90°時(shí),不管俯仰角如何變化,功率譜主瓣中心多普勒頻率恒定為fMB=2vcosφcosθ/λ=0 Hz,對比圖3(a)和圖5(a)可知,主瓣中心頻率均位于33 號多普勒門(零多普勒門),圖3(b)和圖5(b)中主瓣中心頻率都為0 Hz,符合理論計(jì)算值。

        3 結(jié)語

        本文研究了用相干視頻信號模擬法計(jì)算機(jī)載脈沖多普勒雷達(dá)的地雜波回波信號的方法。用這種方法計(jì)算得到的回波信號既包含振幅又包含相位信息。根據(jù)接收到的回波信號進(jìn)行傅里葉變換,可以得到地雜波回波信號的二維頻譜。

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