蔡玖良+桂佑林+汪文英

摘 要： 在現(xiàn)有單脈沖測量雷達(dá)數(shù)字測速方法基礎(chǔ)上，提出一種測速新方法。該方法通過加長積累時間，提高了測速的信噪比，并估計和補(bǔ)償運動目標(biāo)加速度等信息，獲得更精確的頻率，從而提高測速精度，同時完善頻譜異常檢測方式，使單脈沖測量雷達(dá)測速具有更好的穩(wěn)健性。

關(guān)鍵詞： 雷達(dá)測速； 頻譜異常檢測； 單脈沖測量雷達(dá)； 相參積累

中圖分類號： TN957.51?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）15?0015?05

A new velocity measuring method of monopulse instrumentation radar

CAI Jiu?liang， GUI You?lin， WANG Wen?ying

（Nanjing Research Institute of Electronic Technology， Nanjing 210039， China）

Abstract： A new velocity measuring method of monopulse instrumentation radar is presented based on the existing digital velocity measuring methods. The more accurate frequency can be acquired， and the velocity measuring precision can be improved by lengthening the integrating time， increasing the velocity measuring signal?to?noise ratio and estimating the moving object accelerated speed. The method improved the frequency spectrum exceptional detection mode and made the velocity detection of the monopulse instrumentation radar more robust.

Keyword： radar velocity detection； frequency spectrum anomaly detection； monopulse instrumentation radar； coherent integration

0 引 言

單脈沖測量雷達(dá)主要用于對衛(wèi)星、飛船、導(dǎo)彈的精密跟蹤和軌道測量，要求具有較高的測量精度和實時性。隨著雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，單脈沖測量雷達(dá)的頻譜純度和相參性技術(shù)已有了很大提高，目前新單脈沖測量雷達(dá)均采用全數(shù)字多普勒測速技術(shù)，該測速技術(shù)是一種閉環(huán)測速法，采用窄帶跟蹤濾波器和二階環(huán)路實現(xiàn)測速跟蹤[1?4]。

目前單脈沖閉環(huán)測速方法具有較高的跟蹤精度和實時性，但是隨著火箭、導(dǎo)彈技術(shù)的不斷發(fā)展，環(huán)境已經(jīng)發(fā)生了顯著變化，現(xiàn)有的測速方法不能很好地適應(yīng)新情況，導(dǎo)致測速效果變差，主要如下：

（1） 火箭或?qū)椩诩夐g分離、助推推進(jìn)器脫落等特征點上目標(biāo)出現(xiàn)短暫震動，導(dǎo)致應(yīng)答機(jī)信號頻譜出現(xiàn)散譜現(xiàn)象，測速鑒頻環(huán)節(jié)出現(xiàn)錯誤，會出現(xiàn)跳譜線甚至失鎖現(xiàn)象；

（2） 因雷達(dá)系統(tǒng)原因，諸如應(yīng)答機(jī)誤觸發(fā)、應(yīng)答機(jī)信號遮擋等導(dǎo)致應(yīng)答機(jī)信號出現(xiàn)野值點，會出現(xiàn)鑒頻錯誤而導(dǎo)致測速精度變差。

上述不利因素在整個雷達(dá)工作期間均有可能出現(xiàn)，影響了測速性能。針對上述問題，本文提出了一種測速新方法，通過加長積累時間來提高測速信噪比，并通過多項式相位信號參數(shù)估計法來估計和補(bǔ)償運動目標(biāo)的加速度和加加速度，獲得更精確的頻率，從而提高測速精度，同時對回波頻譜進(jìn)行異常檢測，對異常時刻進(jìn)行速度外推，從而使測速具有更好的穩(wěn)健性。

1 常規(guī)單脈沖測速方法

常規(guī)單脈沖測速是全數(shù)字閉環(huán)測速系統(tǒng)，實際上就是一個頻率測量系統(tǒng)。首先，將輸入的基帶信號正交數(shù)字量[I（n），][Q（n）]和反饋的基帶相參正交數(shù)字量進(jìn)行數(shù)字混頻，求得差頻正交數(shù)值[εI（n）]和[εQ（n）]；接著，對[εI（n）]和[εQ（n）]進(jìn)行幅度歸一化；其次，進(jìn)行數(shù)字鑒頻處理，得到頻率誤差數(shù)據(jù)；然后這一頻率誤差數(shù)據(jù)經(jīng)[α?β]濾波器平滑后，即產(chǎn)生了目標(biāo)的徑向速度與加速度值；最后，預(yù)測的徑向速度換算成多普勒頻率預(yù)測值[Fp，]送至相位累加器，再通過查表得到反饋的基帶相參正交數(shù)字量[cos（ωpn）]和[sin（ωpn），]與輸入的基帶信號正交數(shù)字量[I（n），][Q（n）]進(jìn)行數(shù)字混頻，再經(jīng)過2點MTI或4點FFT的方法進(jìn)行數(shù)字鑒頻獲得差頻信號頻率，從而完成頻率的閉環(huán)跟蹤。由于受雷達(dá)脈沖重復(fù)頻率的限制，測速回路測出的目標(biāo)徑向速度可能出現(xiàn)模糊，需要利用測距機(jī)測得的目標(biāo)距離數(shù)據(jù)[R]和測速機(jī)測得的模糊速度進(jìn)行相關(guān)運算后，消除速度模糊。消除速度模糊常采用不變量嵌入算法。消除速度模糊后，得到一個實時的、精確的、無模糊的目標(biāo)徑向速度[1，4?5]。測速的工作原理框圖如圖1所示。

圖1 常規(guī)測速的工作原理框圖

數(shù)字鑒頻器是脈沖多普勒測量雷達(dá)全數(shù)字閉環(huán)測速系統(tǒng)的一個關(guān)鍵功能部件，其鑒頻性能的好壞直接影響到測速回路的跟蹤性能。要使測速回路能快速捕獲目標(biāo)，就要求數(shù)字鑒頻器的帶寬足夠大。當(dāng)數(shù)字鑒頻器的帶寬達(dá)到脈沖重復(fù)頻率（PRF）時，就能保證只要任一信號細(xì)譜線進(jìn)入鑒頻帶寬范圍內(nèi)，測速回路就能快速地捕獲跟蹤到目標(biāo)。全數(shù)字閉環(huán)測速系通常采用基于4點FFT的數(shù)字鑒頻器。數(shù)字鑒頻器的原理框圖如圖2所示。

圖2 數(shù)字鑒頻器原理框圖

在圖2中，[U（n）]為數(shù)字混頻后的差頻基帶復(fù)數(shù)信號，并經(jīng)過了幅度歸一化處理，[U（n）]在上下兩支路分別乘上移相因子[e-jω0n]與[ejω0n，]采用布萊克曼哈里斯加權(quán)函數(shù)，加權(quán)后做FFT運算，取零號濾波器的值求模，上下兩路的模值相減，求得數(shù)字鑒頻器的輸出[D。]當(dāng)[PRF=300]Hz時，取[ω0=2πf0，][f0=75]Hz進(jìn)行基于4點FFT數(shù)字鑒頻器的仿真，可得到如圖3所示的數(shù)字鑒頻器幅頻特性曲線。

2 新測速方法

2.1 基于長時間相參積累技術(shù)

針對常規(guī)測速方法中最多4點數(shù)字鑒頻器的估計頻率誤差的方法，通過加長測速積累時間至8點、16點或32點的長時間相參積累技術(shù)，來提高積累時間和回波信號信噪比，從而提高測速精度。由于通常目標(biāo)在測量過程中存在機(jī)動，且積累時間變長后，需要對回波進(jìn)行加速度和加加速度補(bǔ)償，通過對回波信號利用多項式相位信號參數(shù)估計法獲得加速度和加加速度信息，完成回波信號相位補(bǔ)償，從而實現(xiàn)回波相參積累，并測量出目標(biāo)的速度、加速度等參數(shù)。長時間相參積累測速方法流程如圖4所示。基于長時間積累的測速方法相對于現(xiàn)有使用的方法且有以下優(yōu)點：

（1） 加長了積累時間，提高了速度分辨率；

（2） 提高積累后信噪比；

（3） 對由于奇異值（野值）更加魯棒。

圖3 數(shù)字鑒頻器幅頻特性曲線

圖4 長時間相參積累測速方法流程

2.2 多項式相位信號參數(shù)估計法

自然界中的許多信號以及許多工程應(yīng)用，如通信、雷達(dá)、聲納等領(lǐng)域中所遇到的信號，其信號相位都是時間[t]的連續(xù)函數(shù)[6?7]。根據(jù)Stone?Weierstrass理論，在有限觀測時間內(nèi)，任何時間[t]的連續(xù)函數(shù)均可用[t]的高階多項式一致逼近，故此類信號的相位常被表示成時間[t]的高階多項式形式，此類信號亦被稱為多項式相位信號（Polynomial Phase Signals，PPS）。高階模糊函數(shù)法（High?order Ambiguity Function，HAF）由于計算量小，成為估計PPS參量的主要次優(yōu)方法[8?10]。[M]階恒定幅度PPS信號的參數(shù)模型可以描述為：

[x（n）=Aexpjk=0Mbk（Δn）k] （1）

式中：[A]為多項式相位信號的幅度；[Δ]為采樣間隔。對式（1）的信號形式，[M]階PPS信號的高階瞬態(tài)距可以定義為：

[PM[x（n）；τ]=q=0M-1[x（*q）（n-qτ）]M-1q] （2）

式中[τ]為延遲，其中：

[x（*q）（n）=x（n）， q為偶數(shù)x*（n）， q為奇數(shù)]

根據(jù)上述定義，對于單分量[M]階的振幅恒定多項式相位信號，如式（1）所示，通過計算[Pm]可知，[M]階高階模糊函數(shù)在[ω]處呈現(xiàn)峰值，其中[ω=M！τM-1bM，]從而可從[Pm]的峰值位置估計出最高[M]階多項式相位系數(shù)[bM：]

[bM=1M！τM-1argmaxωPM（x；ω，τ）] （3）

估計出[M]階的系數(shù)[bM]之后，通過計算[x（n）?exp（-jbMnM）]就可以將[x（n）]降階為[M-1]階，這樣使用同樣方法就可以以此解出[bM-1，…，b2。]在本測速方法中通過[M]取3，可以分別估計出加速度、加加速度。

2.3 散譜現(xiàn)象的檢測和處理

目標(biāo)短時間運動一般可用加加速模型來描述：

[r（t）=r0+v0t+12a0t2+16at3] （4）

對應(yīng)的回波信號為：

[s（t）=A（t）exp（j4π（r0+v0t+a0t22+at36）λ）] （5）

則勻速、勻加速和勻加加速運動目標(biāo)回波的典型頻譜和時頻分析圖如圖5和圖6所示。

圖5 典型測速信號的頻譜

從圖5中可以看出：

（1） 勻速運動只有一根主譜線；

（2） 勻加速運動各個譜線都有，且譜幅度相等；

（3） 勻加加速運動各個譜線都有，且譜幅度參差不齊。

從時頻分析圖6中可以看出：

（1） 勻速運動隨時間變化是根平線；

（2） 勻加速運動隨時間變化是根斜線，斜率不變；

（3） 勻加加速運動隨時間變化是根拋物線。

圖6 典型測速信號的時頻分析圖

圖7給出了某雷達(dá)跟蹤目標(biāo)時特定時間段的時頻分析圖，從圖中可以直觀地看出：目標(biāo)經(jīng)歷了“勻加速運動”、“特征點動作散譜”、“勻加加速運動”、“特征點動作散譜”和“勻加速運動”的過程。

圖7 某時間段時頻分析圖

通過對回波信號進(jìn)行頻率分析，對信號頻譜的信噪比設(shè)置一門限。若信噪比不超過門限，則認(rèn)為頻譜異常，這時使用記憶外推完成速度加速度處理。

2.4 新測速方法處理流程

新測速方法處理流程如下：

（1） 通過測距回路的速度信息擬合出參考速度和加速度。

（2） 若為首次進(jìn)入測速，則使用步驟（1）中獲得的參考速度和加速度補(bǔ)償當(dāng)前回波[I，Q]否則使用上次預(yù)測的參考速度和加速度進(jìn)行補(bǔ)償。

（3） 通過對多個脈沖的回波進(jìn)行FFT，求出剩余頻率，并計算信噪比。

（4） 若步驟（3）中信噪比低于門限則使用記憶的速度和加速度信息，信噪比高于門限則測量出回波的速度和加速度信息。

（5） 把獲得的速度信息和測距回路進(jìn)行比較，若偏離一根譜線寬度，則使用測距速度進(jìn)行再次擬合速度和加速度信息；否則預(yù)測下一個脈沖的速度和加速度信息。

新方法處理流程如圖8所示。

3 仿真分析

針對某測控雷達(dá)跟蹤目標(biāo)所記錄的回波數(shù)據(jù)，使用新測速方法進(jìn)行仿真分析，并和常規(guī)測速方法進(jìn)行比較，仿真結(jié)果如圖9～圖12所示。

其中，圖9（a）為在該觀測時間內(nèi)目標(biāo)回波時頻圖，可以看出在某些時刻，出現(xiàn)了頻譜異常；圖9（b）為新測速方法，和雷達(dá)常規(guī)測速結(jié)果進(jìn)行比較，從圖中能看出在頻譜異常處，常規(guī)測速出現(xiàn)較大起伏，而新測速方法較為平穩(wěn)；細(xì)節(jié)部分能從圖10和圖11看出來；圖12為回波信號頻譜平穩(wěn)時間段內(nèi)，新測速方法和常規(guī)測速比較，從圖中能看出新測速方法測速隨機(jī)差優(yōu)于常規(guī)測速。

圖11 第二段測速結(jié)果細(xì)節(jié)圖

圖12 回波頻譜平穩(wěn)時，測速結(jié)果比較圖

4 結(jié) 論

通過對雷達(dá)實測數(shù)據(jù)進(jìn)行新測速方法仿真，并和常規(guī)測速結(jié)果進(jìn)行比較，使用新的測速方法，通過加長積累時間，提高了測速的信噪比，并使用HAF方法估計出目標(biāo)的加速度和加加速度信息，補(bǔ)償?shù)交夭ㄐ畔⒅?，就能夠獲得更精確的頻率信息，從而提高了雷達(dá)測速精度，同時完善頻譜異常檢測方式，使得單脈沖測速方法具有更好的穩(wěn)健性。

參考文獻(xiàn)

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[10] 佘沛，邵高平.一種基于HAF的多分量多項式相位信號參數(shù)估計算法[J].信息工程大學(xué)學(xué)報，2009，10（3）：372?375.

（2） 若為首次進(jìn)入測速，則使用步驟（1）中獲得的參考速度和加速度補(bǔ)償當(dāng)前回波[I，Q]否則使用上次預(yù)測的參考速度和加速度進(jìn)行補(bǔ)償。

（3） 通過對多個脈沖的回波進(jìn)行FFT，求出剩余頻率，并計算信噪比。

（4） 若步驟（3）中信噪比低于門限則使用記憶的速度和加速度信息，信噪比高于門限則測量出回波的速度和加速度信息。

（5） 把獲得的速度信息和測距回路進(jìn)行比較，若偏離一根譜線寬度，則使用測距速度進(jìn)行再次擬合速度和加速度信息；否則預(yù)測下一個脈沖的速度和加速度信息。

新方法處理流程如圖8所示。

3 仿真分析

針對某測控雷達(dá)跟蹤目標(biāo)所記錄的回波數(shù)據(jù)，使用新測速方法進(jìn)行仿真分析，并和常規(guī)測速方法進(jìn)行比較，仿真結(jié)果如圖9～圖12所示。

其中，圖9（a）為在該觀測時間內(nèi)目標(biāo)回波時頻圖，可以看出在某些時刻，出現(xiàn)了頻譜異常；圖9（b）為新測速方法，和雷達(dá)常規(guī)測速結(jié)果進(jìn)行比較，從圖中能看出在頻譜異常處，常規(guī)測速出現(xiàn)較大起伏，而新測速方法較為平穩(wěn)；細(xì)節(jié)部分能從圖10和圖11看出來；圖12為回波信號頻譜平穩(wěn)時間段內(nèi)，新測速方法和常規(guī)測速比較，從圖中能看出新測速方法測速隨機(jī)差優(yōu)于常規(guī)測速。

圖11 第二段測速結(jié)果細(xì)節(jié)圖

圖12 回波頻譜平穩(wěn)時，測速結(jié)果比較圖

4 結(jié) 論

通過對雷達(dá)實測數(shù)據(jù)進(jìn)行新測速方法仿真，并和常規(guī)測速結(jié)果進(jìn)行比較，使用新的測速方法，通過加長積累時間，提高了測速的信噪比，并使用HAF方法估計出目標(biāo)的加速度和加加速度信息，補(bǔ)償?shù)交夭ㄐ畔⒅?，就能夠獲得更精確的頻率信息，從而提高了雷達(dá)測速精度，同時完善頻譜異常檢測方式，使得單脈沖測速方法具有更好的穩(wěn)健性。

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（2） 若為首次進(jìn)入測速，則使用步驟（1）中獲得的參考速度和加速度補(bǔ)償當(dāng)前回波[I，Q]否則使用上次預(yù)測的參考速度和加速度進(jìn)行補(bǔ)償。

（3） 通過對多個脈沖的回波進(jìn)行FFT，求出剩余頻率，并計算信噪比。

（4） 若步驟（3）中信噪比低于門限則使用記憶的速度和加速度信息，信噪比高于門限則測量出回波的速度和加速度信息。

（5） 把獲得的速度信息和測距回路進(jìn)行比較，若偏離一根譜線寬度，則使用測距速度進(jìn)行再次擬合速度和加速度信息；否則預(yù)測下一個脈沖的速度和加速度信息。

新方法處理流程如圖8所示。

3 仿真分析

針對某測控雷達(dá)跟蹤目標(biāo)所記錄的回波數(shù)據(jù)，使用新測速方法進(jìn)行仿真分析，并和常規(guī)測速方法進(jìn)行比較，仿真結(jié)果如圖9～圖12所示。

其中，圖9（a）為在該觀測時間內(nèi)目標(biāo)回波時頻圖，可以看出在某些時刻，出現(xiàn)了頻譜異常；圖9（b）為新測速方法，和雷達(dá)常規(guī)測速結(jié)果進(jìn)行比較，從圖中能看出在頻譜異常處，常規(guī)測速出現(xiàn)較大起伏，而新測速方法較為平穩(wěn)；細(xì)節(jié)部分能從圖10和圖11看出來；圖12為回波信號頻譜平穩(wěn)時間段內(nèi)，新測速方法和常規(guī)測速比較，從圖中能看出新測速方法測速隨機(jī)差優(yōu)于常規(guī)測速。

圖11 第二段測速結(jié)果細(xì)節(jié)圖

圖12 回波頻譜平穩(wěn)時，測速結(jié)果比較圖

4 結(jié) 論

通過對雷達(dá)實測數(shù)據(jù)進(jìn)行新測速方法仿真，并和常規(guī)測速結(jié)果進(jìn)行比較，使用新的測速方法，通過加長積累時間，提高了測速的信噪比，并使用HAF方法估計出目標(biāo)的加速度和加加速度信息，補(bǔ)償?shù)交夭ㄐ畔⒅?，就能夠獲得更精確的頻率信息，從而提高了雷達(dá)測速精度，同時完善頻譜異常檢測方式，使得單脈沖測速方法具有更好的穩(wěn)健性。

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