張亞楠 吳前垠 胡 沖

(1.93897部隊 西安 710077；2.93856部隊 蘭州 730060；3.西安電子科技大學(xué) 西安 710071)

一種脈壓體制雷達(dá)檢測多目標(biāo)技術(shù)的研究

張亞楠1吳前垠2胡 沖3

(1.93897部隊 西安 710077；2.93856部隊 蘭州 730060；3.西安電子科技大學(xué) 西安 710071)

雙曲調(diào)頻(HFM)信號具有大的時寬帶寬積，可作為脈沖壓縮體制雷達(dá)的發(fā)射信號，利用其檢測目標(biāo)時，匹配濾波器輸出具有較寬的主瓣和緩降的旁瓣，這會影響多目標(biāo)的距離分辨力。在介紹HFM信號的基礎(chǔ)上，運用窗函數(shù)加權(quán)法和CLEAN算法對鄰近多目標(biāo)脈壓輸出進行改善。仿真實驗表明，兩類方法均能夠提高多目標(biāo)分辨能力。

雙曲調(diào)頻信號；脈沖壓縮；加權(quán)法；CLEAN算法

Abstract: Hyperbolic frequency modulated (HFM) signal with large time bandwidth product can be used as transmitting signal of pulse compression system radar. While using it to detect targets, a sidelobe with wider main lobe and slow drop can be delivered by a matched filter, and this will affect range resolution of multi-targets. Based on introduction of HFM signal, using weighting method of window function and CLEAN algorithm can improve adjacent multi-targets pulse compression output. The simulation results show that these two methods can be used to improve resolution of multi-target.

Keywords：HFM signal; pulse compression; weighting method; CLEAN algorithm

0 引言

在當(dāng)代雷達(dá)系統(tǒng)中，脈沖壓縮體制雷達(dá)因為解決了裝備的探測能力與測距精度之間的矛盾而得到了廣泛的應(yīng)用，已知有很多具有實用價值的脈壓信號形式，如線性調(diào)頻(LFM)信號、相位編碼信號等[1]，它們較之簡單恒載頻信號的一大特點是脈沖時寬與有效帶寬的乘積遠(yuǎn)大于1。近年來，雙曲調(diào)頻(HFM)信號作為一種較新穎的脈壓波形，其匹配濾波器的輸出對運動目標(biāo)速度不敏感，能夠得到較準(zhǔn)確的目標(biāo)距離信息，因而在雷達(dá)領(lǐng)域得到了有關(guān)學(xué)者的關(guān)注和研究[2]。

本文以HFM信號作為雷達(dá)發(fā)射波形，觀察其脈壓輸出特點，它固有的較寬主瓣和緩降旁瓣特性，會對多目標(biāo)的檢測和距離分辨造成影響，為解決這一問題，在Matlab仿真環(huán)境下，分別運用窗函數(shù)加權(quán)法和CLEAN算法對多目標(biāo)脈壓輸出進行改善處理。實驗結(jié)果表明，在一定的前提下，兩種方法都能夠有效克服原有脈壓輸出對測距的影響，提高多目標(biāo)的分辨力能力。

1 雙曲調(diào)頻信號及其模糊函數(shù)

1. 1 HFM信號

雙曲調(diào)頻信號的頻率調(diào)制規(guī)律為雙曲線函數(shù)，即時寬為T的信號瞬時頻率是：

(1)

故HFM信號形式為：

(2)

圖1 HFM信號波形和頻譜

1.2 HFM信號模糊函數(shù)

模糊函數(shù)是雷達(dá)波形設(shè)計的有效工具，定義為：匹配于發(fā)射信號的濾波器對于輸入為發(fā)射信號的時延和頻移形式的信號的響應(yīng)[3]。為了使模糊函數(shù)容易仿真實現(xiàn)，將模糊函數(shù)的定義式變換為卷積形式。

=s*(τ)ej2πfdτ?s(-τ)

(3)

式(3)中的?代表卷積運算。將矩形包絡(luò)的HFM信號的表達(dá)式代入，利用Matlab進行仿真得到HFM信號的模糊函數(shù)圖。

為便于觀察，從零多普勒處沿時延軸對HFM信號模糊函數(shù)圖進行了切割，得到對稱的半個三維圖(圖2)，可見它是接近正刀刃形的，基面具有細(xì)小的波紋，隨著峰脊的遠(yuǎn)離，幅度逐漸變?。挥蓤D3可知，HFM信號模糊函數(shù)的脊線幾乎與零時延軸保持在同一垂直面上，偏移極小，反映出HFM信號有較好的多普勒寬容性；從圖4看到HFM信號模糊函數(shù)的零多普勒截線時寬較大且旁瓣平坦緩降，下文的分析可知，這會影響多目標(biāo)的距離分辨。

圖2 HFM信號模糊函數(shù)圖

圖3 模糊函數(shù)等高線圖

圖4 HFM信號零多普勒截線

2 HFM信號的多目標(biāo)脈壓分析

由雷達(dá)模糊函數(shù)的理論得到，當(dāng)不存在多普勒失配時，零多普勒響應(yīng)就是匹配濾波器的輸出[4]，而對于脈壓信號而言，匹配濾波器正是雷達(dá)接收機中的一個壓縮網(wǎng)絡(luò)。因此，HFM信號的脈壓輸出具有如圖4所示的形狀。由于分辨的問題產(chǎn)生于發(fā)現(xiàn)目標(biāo)之后，所以研究分辨力自然是在大信噪比的條件下進行的。如果大的信噪比條件存在，并且信號處理系統(tǒng)又是最佳的，則雷達(dá)的分辨力僅取決于雷達(dá)選擇的信號形式[1]。

我們已知，在利用LFM信號對多目標(biāo)進行檢測時，如果各個目標(biāo)回波功率相差較大，弱目標(biāo)回波信號會淹沒在強目標(biāo)的距離旁瓣之下，引起目標(biāo)丟失。對于HFM信號而言，雖然其旁瓣平坦，但也存在上述問題，設(shè)置一定的仿真參數(shù)，如表1所示，其中R為目標(biāo)距離，v為目標(biāo)速度，RCS為雷達(dá)有效截面積(代表目標(biāo)回波功率大小)，并加入一定的噪聲(SNR=-30dB)。仿真得到如圖5所示的脈壓結(jié)果，可見兩個目標(biāo)難以分辨，必須對脈壓旁瓣進行抑制。同時，我們也能看到，目標(biāo)速度對于HFM信號的脈壓輸出測距的影響不大。

進一步，設(shè)置如表2所示的仿真參數(shù)，觀察相鄰多目標(biāo)的脈壓輸出，可見HFM信號由脈壓輸出的主瓣寬度較大，同旁瓣一起，同樣會對多目標(biāo)檢測造成影響，仿真如圖6所示。針對這點，也需要采用一定的改善技術(shù)，來提高距離分辨能力。

表1 兩個相鄰目標(biāo)參數(shù)

表2 四個相鄰目標(biāo)參數(shù)

圖5 兩相鄰目標(biāo)脈壓輸出

圖6 多個相鄰目標(biāo)脈壓輸出

3 多目標(biāo)脈壓改善技術(shù)及仿真

由于HFM信號脈壓輸出的旁瓣和主瓣會對鄰近目標(biāo)檢測造成影響，因此，本文采用窗函數(shù)加權(quán)技術(shù)和CLEAN算法處理來提高距離分辨力。

3.1 加權(quán)法抑制旁瓣

窗函數(shù)加權(quán)技術(shù)在LFM信號脈壓旁瓣抑制中已得到應(yīng)用，其原理框圖如圖7所示，它的實質(zhì)是對信號進行失配處理，所以它不僅能夠使旁瓣得到抑制，但也會使輸出信號包絡(luò)主瓣降低變寬[1]。

圖7 接收端頻域幅度加權(quán)原理框圖

本文選擇Hamming窗(圖8)作為加權(quán)函數(shù)，引入加權(quán)網(wǎng)絡(luò)之后，在仿真環(huán)境下，對圖5中的兩個原本分辨不清的相鄰目標(biāo)進行脈壓，得到了圖9的結(jié)果?？梢钥吹?，兩個目標(biāo)能夠被有效分辨，但是以犧牲信噪比(峰值為原來的53%左右)為代價的。

圖8 Hamming窗加權(quán)函數(shù)

圖9 加權(quán)處理后的脈壓

3.2 CLEAN算法提高距離分辨力

CLEAN算法最早在射電天文學(xué)圖像處理中提出并應(yīng)用[5]。使用它處理原始脈壓的前提為：信號回波經(jīng)匹配濾波后具有單一的主峰，且主峰處代表一個真實的目標(biāo)，而多目標(biāo)分辨的前提是在大信噪比下進行的，因此可以使用該算法對HFM信號的多目標(biāo)脈壓輸出進行改善處理[6]，具體的實現(xiàn)過程如下：

(1)對所有的HFM回波進行匹配濾波處理，得到多目標(biāo)脈壓輸出；

(2)檢測出脈壓結(jié)果中最強目標(biāo)的幅度、時間等參數(shù)，并作為改善后的一個強目標(biāo)信息；

(3)用最強目標(biāo)參數(shù)構(gòu)造出它的回波，并進行匹配濾波處理，得到最強目標(biāo)理論上的脈壓輸出；

(4)在實際多目標(biāo)脈壓結(jié)果中，將構(gòu)造出的最強目標(biāo)消除，顯露出次強目標(biāo)，該次強目標(biāo)就作為剩余脈壓中的最強目標(biāo)；

(5)設(shè)置合適的門限作為退出循環(huán)的條件，重復(fù)步驟(2)到(4)，當(dāng)剩余脈壓結(jié)果幅度的最大值小于設(shè)置的門限時，循環(huán)結(jié)束。將循環(huán)過程中的所有最強目標(biāo)信息進行記錄，就得到了改善后的目標(biāo)。

運用CLEAN算法對四個相鄰目標(biāo)脈壓輸出進行改善仿真，得到如圖10所示的結(jié)果，對比之前設(shè)置的距離，四個目標(biāo)誤差分別為[2m，1m，3m，1.5m]，可見誤差極小，算法處理后的目標(biāo)距離信息較準(zhǔn)確，且距離分辨力很高，目標(biāo)速度對測距幾乎無影響；另外，歸一化門限設(shè)為0.35，脈壓處理后剩余雜波的兩個最高峰值為[-11.05 dB，-11.75 dB]，因此，如果門限設(shè)置不當(dāng)，很容易造成虛警或漏警的發(fā)生。

圖10 改善后的結(jié)果

圖11 剩余雜波

4 結(jié)束語

本文介紹了HFM信號及其模糊函數(shù)，作為一種具有應(yīng)用價值的雷達(dá)脈壓信號，它能夠?qū)崿F(xiàn)不同速度目標(biāo)的準(zhǔn)確測距，但對于鄰近多目標(biāo)的距離分辨卻不理想。通過引入加權(quán)網(wǎng)絡(luò)和CLEAN算法，對多目標(biāo)的脈壓輸出進行改善，得到了較好的仿真結(jié)果。同時也應(yīng)看到，加權(quán)后的脈壓時寬變大和CLEAN算法處理后的雜波剩余會對下一步的檢測帶來影響，還需要進一步研究。

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StudyonTechnologyofaPulseCompressionSystemRadarDetectingMulti-target

Zhang Yanan1， Wu Qianyin2， Hu Chong3

(1. Unit 93897 of PLA， Xi’an 710077; 2.Unit 93856 of PLA, Lanzhou 730060;3. Xidian University， Xi’an 710071)

TN957.51

A

1008-8652(2017)02-027-04

2017-03-27

張亞楠(1986-)，女，碩士研究生。研究方向為信號與信息處理。