频率步进雷达数字信号处理-毛二可

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 频率步进雷达数字信号处理毛二可龙腾韩月秋 北京理工大学电子工程系雷达技术研究所北京
 

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综述了频率步进雷达系统设计与信息处理中的主要问题包括系统参数设计目标抽取算法与5),子脉冲的兼容性与圆锥扫描体制的兼容性等等并论述了不同情况下多普勒效应的影响及其解决方法提出了相应的数字信号处理方案关键词
雷达距离高分辨频率步进信息处理中图分类号
78文献标识码
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,696,)#,6#,3.0').39/,('43)#60,.33)#在雷达系统中采用距离高分辨率信号具有很多优越性?@频率步进信号是其中重要的一种?@它由一串载频线性跳变的雷达脉冲组成通过对脉冲回波的2处理获得距离高分辨率的效果?@由于这种信号可以在获得距离高分辨率的同时降低对数字信号处理机瞬时带宽的要求因此近年来受到了广泛的注意实际上频率步进的概念出现得相当早?@近年来则得到了更为详尽的研究?8@频率步进雷达信号的类型主要是两种
频率步进脉冲串信号即本文所称的频率步进信号频率步进连续波信号通常应用于探地雷达如探测地雷的场合?@为保证探地雷达具有高的分辨率和好的穿透性频率步进连续波雷达一般选择波长较长的雷达波段同时要求具有小于;的距离分辨率因此它通常是一种超宽带的雷达体制?@与频率步进连续波相比频率步进脉冲串雷达的应用场合更为广阔包括弹道导弹检测?@合成孔径和逆合成孔径雷达?@单脉冲三维成像?@汽车防撞?A@等等因此频率步进脉冲雷达是一种重要的高分辨率雷达体制也是本文分析的重点本文后面所指的频率步进雷达都是指频率步进脉冲串雷达我国学者近年来对这个问题也进行了大量的研究其中文献?@介绍了这种信号实现距离高分辨率成像的基本原理文献?@研究了这种信号的低截获概率特性文献?@研究了这种信号的误差特性文献?@研究了这种信号的多普勒特性文献?@提出了调频步进信号 频率步进与5),子脉冲相结合的处理方案文献?8@讨论了频率步进信号与圆锥扫描的兼容性问题文献?@讨论了频率步进信号的目标识别问题此外由于运动目标是频率步进雷达信息处理的难点因此文献?AA@等多篇文章详细讨论了运动目标处理的问题本文的目的是对频率步进雷达信号处理进行综述总结了在不同参数设计方案下的处理策略提出了用目标抽取算法获得完整的一维距离像的方法对调频步进信号的处理方案进行了进一步的讨论对频率步进与圆锥扫描体制的兼容性问题进行了探讨提出了一种新的获取角度信息的方法并研究了各种情况下目标多普勒效应对系统的影响第卷增刊年月航空学报%5%%+=%B25%+%=%B25%225%7.0'C'频率步进雷达的基本原理信号形式及基本处理策略设
频率步进信号的脉冲重复周期为
,发射脉冲宽度为载频起始频率为频率步进阶梯为频率步进数为采样频率为3
3D3光速为频率步进的发射信号 DD,
, ?1 E@ 式中
, DFF其它本振信号为 DD,
,
,
, ?1 E@ 距离为 的目标回波信号为 DD,
,  1 E  回波信号与本振混频后得到 DD,
,  1 E DD,
,  1 1  8对于固定目标标来说式 8的第个指数项是常数第个指数项可以看成时间点为 频率成线性变化的频域信号对这样的信号进行采样并归一化可以得到 D1 其中
D=.'9  D=.'9为取整运算对式 作2运算并求模就可以得到精确的时间点  D3)? E@3) ED 显然上式在D时达到昀大经过门限判决后可以根据值得到 的信息频率步进信号的物理意义在线性系统理论中向一个待测线性系统输入一个冲击函数得到的输出 可以看成该系统的冲击响应而 的频域表达 是这个系统的传递函数对于频率步进信号的处理可以作类似的理解
向目标系统发射一组等间隔的频率谱线 冲击函数的频域抽样其回波为目标系统的传递函数 对其进行2可以得到相应的冲击响应 包含着时间 距离信息当目标有速度时发生多普勒频率则目标系统为一个非线性系统必须进行补偿后才能处理频率步进将带宽为D的信号分成次发射降低了系统的瞬时带宽从而减轻了数字信号处理的负担但是正因为如此频率步进信号需要个脉冲才能得到一次结果数据率较低从而成为多普勒敏感信号文献?@对此进行了详细分析频率步进信号处理关键技术参数匹配问题频率步进信号的参数匹配问题在雷达总体设计阶段非常重要其关键参数包括发射脉宽频率步进阶梯频率步进数采样间隔
3及脉冲重复周期
,等在给定雷达昀大不模糊距离 '信号带宽D以及目标昀大长度的条件下有必要对这些参数进行合理的设计文献?@对这一问题进行了详细讨论其结论主要有
2后的单点不模糊距离2必须大于目标昀大长度即  根据带宽频率间隔确定D 根据雷达昀大作用距离 确定
,有
,D  8通常情况下2后的单点不模糊距离2必须大于等于单脉冲距离分辨率有这是与的紧约束条件 根据脉宽确定采样间隔
3使得
3 实际上当E
3时通过一定的算法依然可以得到完备的结果这是
3的宽约束条件在实际当中一般要求满足紧约束条件从而保证2后单点不模糊距离2有一定的冗余A增刊毛二可等
频率步进雷达数字信号处理便于速度补偿和杂波剔除同时使得
3用以减小采样幅度损失可见当参数设计合理时对回波信号作2运算仅仅得到完备的一维距离像的信息但是这些信息是冗余的乱序的且是分散的因此需要通过一定的算法进行信号拼接以获得真实的一维距离像在较高采样率的条件下该算法可以选取昀优的处理结果这就是目标抽取算法目标抽取算法目标抽取算法就是为了得到完备的一维距离像它完成以下个工作
将折叠的结果按照真实距离排列在不同采样点中的冗余信息中按照一定准则选取一个昀好的结果得到与真实情况相符的昀优的一维距离像目标抽取算法在紧约束条件和宽约束条件下略有不同以下先介绍紧约束条件下的目标抽取 紧约束条件下的目标抽取要进行目标抽取算法关键是要确定每组2结果中任意点的真实距离对式 进行2变换有 DD?1@?1@ A显然当DE D任意整数时上式达到昀大值也就是说2结果的第个点代表的实际距离可能是 ED2E其中D为昀小距离分辨单元这在本质上是2的周期延拓性的体现而实际上由于每个采样点代表的距离信息都是有限的对于第个采样点2结果中的第个点来说只能取一个值对于第个采样点其2结果代表的距离范围是3F3ED 在紧约束条件下已知就可以确定唯一的从而可以确定第个采样点2结果中第点的真实距离在工程实现上目标抽取的方法非常简单单独考察式 A如果第个采样点2结果中第点出现目标那么该目标可能出现在任意采样点2结果的第点上对于第个采样点可以将其2结果进行周期延拓得到一个足够长的序列该序列起点代表距离终点代表的距离大于3E然后取出3至3E的一段就可以得到长度为的真实一维距离像也就是说得到将这个采样点中所有的距离信息如图所示图利用周期延拓进行目标抽取)#6,#,6).440),6.06).通常相邻个采样点的目标抽取结果在距离上是部分重合的可以根据一定策略得到一个昀优的像素通常采用的是同距离舍弃法同距离选大法同距离累加法等等这里种处理策略的意义如下
同距离舍弃法就是简单地选取后面采样点的处理结果舍弃已有的提取结果这种方法的不保证提取后的结果是昀优的有较大的采样幅度损失同距离选大法是在不同采样点2结果中选取较大数值作为目标抽取的结果使采样幅度损失降到昀低但是对于噪声或杂波也进行了选大操作而同距离累加法就是将同一目标在不同采样点的结果互相叠加由于噪声的相关性要远低于目标的相关性所以可以达到昀大的信噪比但是不保证目标之间的幅度关系 宽约束条件下的目标抽取在宽约束条件下每个采样点2结果都有被污染的部分对单独一个采样点来说是无法恢复的但是可以将被污染的部分用其他采样点的结果替换在目标抽取时要保证污染区的内容不被提取可以算出污染区的长度为2对于某个采样点所对应的距离范围来说污染总是发生在起始和结束部分所以只要在目标抽取时将污染航空学报第卷区避开即可如图所示图利用周期延拓进行目标抽取)#6,#,6).440),6.06).可见对第个采样点的2结果作周期延拓后取出其中的3E 2F3E ,2D 就可以获得完整的一维距离像由上述分析可见本文提出的目标抽取算法非常适用于工程需要以下给出仿真结果
仿