一种距离走动的分段补偿方法

游 俊

(西安电子工程研究所，西安 710100)

一种距离走动的分段补偿方法

游 俊

(西安电子工程研究所，西安 710100)

针对相参积累过程中高速运动目标的距离走动问题，本文首先根据运动目标的回波特性，分析包络走动对积累性能的影响，然后提出一种通过调整匹配滤波系数进行分段补偿的方法。仿真实验通过补偿前后的相参积累结果对比证明了补偿方法的有效性。

匹配滤波；距离走动；相参积累；分段补偿

Abstract: Aiming at problem of range migration of high-speed moving target in process of coherent integration, influence of envelope migration on integration performance is analyzed firstly according to the moving target echo characteristic, and then a method of piecewise compensation by adjusting matched filtering coefficients is proposed. The simulation results show that the compensation method is effective by comparing the coherent integration results before and after compensation.

Keywords：matched filtering; range migration; coherent integration; piecewise compensation

0 引言

随着科技的进步，空中目标的速度越来越快，目前F-22等超音速飞机的飞行速度达到了1.7马赫，以HTV-2、X37B、X-51A等为代表的临近空间超高声速飞行器甚至达到10马赫以上，而且机动性能越来越强，对雷达预警探测提出了严峻挑战[1]。目标的高速运动使目标的径向距离迅速变化，容易出现目标跨距离单元走动的问题，导致回波能量难以积累[2]，特别是在低信噪比的情况下，会造成雷达难以探测到目标。

为了保证积累时间，必须对跨距离单元走动进行补偿。目前，对跨距离单元走动的典型补偿方法有利用Keystone变换进行慢时间尺度变换的方法[3,4]以及对数据进行重建的包络移位对齐方法[5,6]。基于Keystone变换的补偿方法会受到多普勒模糊的影响，在低重频的情况下，需要搜索多普勒模糊次数，而且需要在快时间(即脉内时间)进行FFT，在脉冲重复周期内采样点数较多时，计算量会相当大。包络移位对齐方法需要重构采样信号的复包络，并进行移位处理，在脉冲重复周期内采样点数较多时，计算量也会相当大。

对于采用匹配滤波的chirp雷达，本文首先建立了运动目标的回波模型，然后分析了高速运动目标会出现的距离走动问题对相参积累性能的影响，提出利用对匹配系数的调整来实现包络补偿，并通过分段补偿减少计算量，最后通过仿真结果说明该方法能够有效减小距离走动对相参积累性能的影响。

1 运动目标回波模型

在一个积累周期内，雷达发射M个脉冲的线性调频信号s(t)=rect[(t-mTr)/τ]exp[jπμ(t-mTr)2]exp(j2πfct)

(1)

r(tk,tm)=Arect[(tk-τm)/τ]exp

[jπμ(tk-τm)2]exp[j2πfc(tk+tm-τm)]

(2)

式中，A为雷达波传输过程中的幅度调制，与目标距离以及RCS有关，这里假设积累时间内回波幅度无起伏。回波经过预处理后的基带信号可表示为

rm(tk)=Arect[(tk-τm)/τ]exp[jπμ(tk-τm)2]

exp(-j2πfcτm)

(3)

经过脉压处理后的信号为

(4)

当目标以相对径向速度v靠近雷达时，回波时延可近似表示为

其中，R0表示初始距离；c是光速。脉压信号的相位项仅与慢时间有关，经过理想的相参积累使得脉冲间信号相位完全一致，用Am(tk)表示脉压信号的包络部分，可写为

(6)

积累后的输出信号就是各脉压信号包络的叠加，即

2 距离走动问题分析

根据(6)式知道，包络的峰值出现在tk=τm的位置，这样静止目标由于回波时延为常数，积累效果最佳；而运动目标由于目标回波时延τm不断变化，包络峰值不在同一个位置，无法像静止目标一样进行有效积累，积累效果相对较差。

取信号脉宽为50μs，带宽为5MHz，重复周期为250μs，积累点数为512，得到不同速度条件的积累输出信号如图1所示，可以看到随着目标速度，输出信号峰值不断降低，而当目标速度增加到3000m/s时输出信号峰值归一化幅度不到0.2，即在噪声一样的情况下，速度越快的目标积累后的信噪比越低，越难以检测。

图1 不同速度目标输出幅度

为了更好地描述这个问题，对包络进行归一化，重写如下

(8)

(9)

令δτ′=p/D，p表示距离走动系数。按照之前的参数，计算不同距离走动系数下的输出信号归一化幅度峰值，如下表所示。

表1 距离走动定量分析

通过计算发现，即使更改积累点数，输出幅度峰值只和走动系数有关。当距离走动系数小于0.5时，积累效果损失不大；而当距离走动过大时，为了保证积累效果必须对距离走动进行补偿。

3 距离走动补偿

为了消除距离走动的影响，需要对各脉冲回波的相对时移进行补偿，实际上由于无法精确知道目标速度，通常采用速度搜索的的办法调整搜索步长，保证各脉冲的脉压信号包络峰值位置相差不大，使误差引起的损失控制在可以接受的范围内[5]。

脉压信号是基带信号与匹配信号的卷积得到的，如果将匹配信号按照每个脉冲的时移进行移位，作为对应脉冲的匹配信号进行脉冲压缩，就能实现脉压信号包络的对齐。

各脉冲对应的匹配信号为

(10)

其中，Δτm=τm-τ0。这样得到的脉压信号为

(11)

从上式可以看到，脉压信号包络完全对齐，包络峰值在tk=τ0的位置，实现了包络的有效补偿。

在实际工程中，匹配滤波系数根据调整后的匹配信号抽样得到。由于需要对匹配信号进行提前或延时，因此匹配滤波的阶数应按照包络可能出现的最大时移对应的采样点数增加为

(12)

其中，fs是采样率；vmax是目标最大可能速度。

以上这种包络补偿方法的计算量在于每个脉冲都要调整匹配滤波的系数，可以对脉冲进行分段，段内距离走动在可以接受的范围，每段采用相同的匹配滤波系数。按照距离走动系数小于0.5计算，段内脉冲数满足

(13)

按照上式结合积累点数进行均匀分段，这样就能够在一定程度上减少计算量。

4 仿真实验

仿真实验参数：信号载频为34GHz，信号脉宽为50μs，带宽为5MHz，重复周期为250μs，积累点数为512，采样率20MHz；单一目标，初始距离10km，多普勒速度5马赫(1700m/s)。

a)对目标回波信号不做任何补偿处理，相参积累结果如图2所示。其中，图(a)是相参积累的距离-多普勒-归一化幅度图(仅显示归一化幅度超过0.1的部分)，图(b)是目标速度对应的171号多普勒单元的距离-归一化幅度图，输出信号在距离维展宽约200m，在多普勒维也有一定程度的展宽，归一化幅度的峰值为0.1517，距离走动明显影响相参积累的性能。

图2 未补偿的相参积累结果

b)假设目标最大速度为10马赫(3400m/s)，补偿算法的速度搜索范围为0～3400m/s，计算得到段内脉冲数不超过17，取段内脉冲数为16，分段数32，搜索步长为200m/s，对目标回波信号做分段补偿处理，速度搜索过程中输出信号归一化幅度的峰值曲线如图3所示。其中，以速度1600m/s进行补偿的效果最好，根据补偿算法的原理，由于目标速度为1700m/s，按照速度1600m/s和速度1800m/s补偿的效果应该是一样的，这里引起补偿效果差异的原因是采样波门的位置。

按照速度1600m/s进行分段补偿后的相参积累结果如图4所示。其中，图(a)是相参积累的距离-多普勒-归一化幅度图(仅显示归一化幅度超过0.1的部分)，图(b)是目标速度对应的171号多普勒单元的距离-归一化幅度图，输出信号在距离维和多普勒维的没有展宽，归一化幅度的峰值为0.8038，基本消除了距离走动对相参积累性能的影响。

图3 速度搜索过程中归一化幅度的峰值曲线

图4 按照速度1600m/s补偿后的相参积累结果

按照速度1700m/s对每个脉冲进行精确补偿后的相参积累结果如图5所示。其中，图(a)是相参积累的距离-多普勒-归一化幅度图(仅显示归一化幅度超过0.1的部分)，图(b)是目标速度对应的171号多普勒单元的距离-归一化幅度图，归一化幅度的峰值为0.8173。精确补偿后的相参积累输出信号归一化幅度峰值达不到1，是因为目标速度没有正好落在多普勒单元上，而且目标距离也没有在采样点上。

通过仿真结果可以看到，经过分段补偿后相参积累信号的归一化幅度峰值从0.1517提高到0.8038，与精确补偿后的归一化幅度峰值0.8173相差不大，补偿效果明显。

5 结束语

本文针对相参积累过程中高速运动目标的距离走动问题，提出了一种通过调整匹配滤波系数进行分段补偿的方法。这种分段补偿的方法不需要对回波脉冲采样信号进行快时间处理(如FFT、移位重构等)，不会因为脉冲重复周期内采样点数较多明显增加计算量。最后通过仿真实验证明了分段补偿方法的有效性。

图5 精确补偿后的相参积累结果

[1] 王霞. 高速目标的跨距离门长时间积累研究[D]. 南京理工大学，2014.

[2] 陈建军，王盛利. 超高速运动目标回波及其对雷达检测的影响[J]. 现代雷达，2007, 29(8): 60-63.

[3] S. S. Zhang, T. Zeng, T. Long, H. P. Yuan. Dim target detection based on keystone transform[C]. 2005 IEEE International Radar Conference, 2005: 889-894.

[4] 黄柏圣. 基于Keystone变换的高速目标检测方法[J]. 现代雷达，2013，35(12): 47-55.

[5] 陈远征，朱永峰，赵宏钟，付强. 基于包络插值移位补偿的高速运动目标的积累检测算法研究[J]. 信号处理，2004，20(4)：387-390.

[6] 夏卓卿，陆军，陈伟建. 一种Chirp雷达包络对齐新方法[J]. 雷达科学与技术，2010, 8(1): 44-48.

AMethodofPiecewiseCompensationforRangeMigration

You Jun

(Xi’an Electronic Engineering Research Institute， Xi’an 710100)

TN95

A

1008-8652(2017)02-031-05

2017-03-13

游 俊(1987-)，男，工程师。研究方向雷达射频仿真、信号处理。