周明陽 蔡玖良

（中國電子科技集團公司第十四研究所 江蘇省南京市 210039）

1 引言

單脈沖測量雷達(dá)通過提取目標(biāo)回波的多普勒頻率得到目標(biāo)速度，得益于雷達(dá)頻譜純度與相參技術(shù)的提高，在目標(biāo)探測場景理想的情況下可以獲得較高的測量精度。目前的目標(biāo)測速方法一般采用閉環(huán)測量法，用窄帶跟蹤濾波器和二階環(huán)路實現(xiàn)，在此基礎(chǔ)上，針對多普勒頻率捕獲與跟蹤之初，對跟蹤頻譜可能出現(xiàn)的多普勒頻率模糊，利用測距數(shù)據(jù)微分得到的速度與測速數(shù)據(jù)相比較，平滑處理后估計模糊譜線數(shù)，進行速度消模糊。

在實際目標(biāo)跟蹤過程中，回波相位常因目標(biāo)起伏導(dǎo)致相位質(zhì)量下降，多散射點噪聲、目標(biāo)震動、信號遮擋等不利因素都可能導(dǎo)致測頻誤差甚至出現(xiàn)跳譜線，上述方法不能很好的適應(yīng)這類復(fù)雜場景。

本文設(shè)計了一套精密測速流程，利用滑窗傅里葉變換進行速度測量，利用慣性濾波器進行濾波跟蹤，精密測速；針對在多散射點、目標(biāo)起伏等復(fù)雜場景下跳譜線問題，設(shè)計了一種完備的實時滑窗模糊糾正方法，利用點跡距離、信噪比、距離差擬合斜率、擬合系數(shù)等特征作為輔助，排除干擾，準(zhǔn)確判斷并估計速度模糊度。通過該方法可得到穩(wěn)定可靠的速度信息。

2 閉環(huán)測速與速度跟蹤系統(tǒng)

雷達(dá)采用單脈沖跟蹤工作方式，每個駐留只包含單個脈沖，采用線性調(diào)頻信號，利用多個駐留回波數(shù)據(jù)進行頻率測量與測速。

設(shè)第n 個駐留發(fā)射脈沖波形為：

其中，A為回波幅度， 為回波時延，c 為光速，λ 為波長。則脈壓后的回波為：

如果考慮目標(biāo)加速度，回波頻譜展寬，影響速度測量，需要先對加速度進行跟蹤估計，使用加速度對回波進行展寬修正，再進行速度測量。加速度跟蹤方法與速度相似，首先利用分?jǐn)?shù)階傅里葉變換、Wigner-Ville 分布等時頻分析方法獲得本次滑窗估計的目標(biāo)加速度，再使用上述一階慣性濾波器進行跟蹤濾波。也可以根據(jù)速度測量偏差使用α-β 濾波器組成二階速度跟蹤環(huán)路，同步進行速度、加速度跟蹤。

3 全程跳譜監(jiān)測

考慮到初始目標(biāo)速度誤差可能跨多普勒，導(dǎo)致每幀速度跟蹤結(jié)果與真實速度相差整數(shù)倍個Fλ/2，可以利用閉環(huán)測速積分與雷達(dá)測距距離的差值進行跳譜檢測并糾正。另外，對于相位質(zhì)量較差的復(fù)雜場景，在其跟蹤過程中也可能出現(xiàn)跳譜現(xiàn)象，需要進行全程監(jiān)測，且監(jiān)測機制本身也需要剔除多散射點干擾、目標(biāo)起伏、測距誤差等影響。在此設(shè)計了全程的實時跳譜監(jiān)測與糾正流程，準(zhǔn)確得到測速誤差，進行速度糾正。流程的關(guān)鍵點有：

3.1 點跡距離與濾波器預(yù)測距離比較

預(yù)測距離由雷達(dá)目標(biāo)跟蹤濾波器得到，在對上一幀數(shù)據(jù)進行濾波時產(chǎn)生。在信噪比較低時，濾波器產(chǎn)生速度、加速度的誤差會造成預(yù)測距離的偏差，且具有一定的時間相關(guān)性，導(dǎo)致預(yù)測距離的偏差產(chǎn)生積累，積累偏差較大時會影響對測速誤差的監(jiān)測；點跡距離由回波檢測后凝聚得到，與濾波預(yù)測距離相比，雖隨機差較大，但時間相關(guān)性弱，不存在積累偏差。所以本方法使用點跡距離進行速度模糊估計。

3.2 “測速積分距離-點跡距離”差值曲線擬合斜率與擬合系數(shù)

測速無模糊時，測速積分距離與點跡距離差值所得直線斜率為0；而當(dāng)出現(xiàn)模糊且模糊度為M 時，差值斜率為M倍的模糊速度。利用“差值斜率為模糊速度的整數(shù)倍”作為先驗信息對擬合斜率與模糊速度的關(guān)系進行限制，可以有效提高速度模糊的識別準(zhǔn)確性。

另外，若距離差值出現(xiàn)波動或異常值時，會造成模糊度估計偏差。利用擬合系數(shù)約束可以有效避免此問題：當(dāng)擬合系數(shù)低于某一門限時，判斷此次距離差值線性度差，斜率估計值可靠性差，不使用此次估計斜率糾模糊。

3.3 信噪比過低判斷

在信噪比較低甚至在目標(biāo)所在距離單元無檢測點時，都可能引起距離差擬合窗中出現(xiàn)異常點，導(dǎo)致斜率估計錯誤或得到的擬合系數(shù)過低。而對于信噪比起伏大的目標(biāo)，這種情況發(fā)生頻繁，影響模糊糾正。

本方法在設(shè)置距離差值窗的同時，設(shè)置了低信噪比標(biāo)識窗，對于檢測信號幅度低于某一門限或者未檢測到目標(biāo)的數(shù)據(jù)幀，在糾模糊判斷時被丟棄，不參與距離差值窗的線性擬合，減少過低信噪比異常點的影響。

跳譜監(jiān)測的流程設(shè)計如圖1。

圖1： 跳譜監(jiān)測流程框圖

具體步驟如下：

（1）對閉環(huán)測速值持續(xù)積分；

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（2）計算目標(biāo)點跡距離，并完成多普勒距離修正；

（3）滑窗記錄測速積分與點跡距離的差值以進行全程速度模糊監(jiān)測；

（4）計算糾模糊窗內(nèi)信號幅度，低于門限點進行剔除；

（5）窗內(nèi)剩余點利用最小二乘法完成線性擬合，計算得到擬合直線斜率K 與擬合系數(shù)γ；

（6）比較斜率與速度模糊值，若斜率與速度模糊值的整數(shù)倍偏差小于門限Thr_k，則滿足斜率要求，繼續(xù)下一級判斷，否則，判斷無模糊；

（7）判斷擬合系數(shù)是否大于門限Thr_γ，若大于則認(rèn)為線性度滿足，可以進行模糊度計算，否則，判斷無模糊；

（8）根據(jù)判斷結(jié)果進行糾模糊處理，v'為最終測速值。

4 仿真分析

利用本文測速方法對某雷達(dá)探測目標(biāo)所記錄回波數(shù)據(jù)進行仿真處理，完成功能驗證。試驗中選擇非球形星作為探測目標(biāo)，其回波起伏較大，多散射點互相干擾，可以驗證本方法的處理效果。試驗中衛(wèi)星從遠(yuǎn)處進入雷達(dá)探測范圍，過捷徑后離開。

圖2： 本文方法測速效果

截取有速度模糊的一段數(shù)據(jù)展示低信噪比對“測速積分距離-點跡距離”差值產(chǎn)生的影響以及本文方法針對性處理的效果。

如圖3 所示，若對此段距離差值曲線直接進行線性擬合，擬合效果見圖3(a)，圖3(b)為相應(yīng)時間段的目標(biāo)回波幅度。圖3(a)中可見在0.4s 左右出現(xiàn)多個異常點，此段與圖3(b)中回波幅度較低處（噪底約為30dB，被噪聲污染嚴(yán)重）相對應(yīng)；從擬合斜率可以判斷此處出現(xiàn)了速度模糊，但由于擬合直線斜率為模糊速度的1.49 倍（非整數(shù)倍），且擬合系數(shù)僅為0.08，無法準(zhǔn)確識別模糊度。

圖3： 低信噪比對距離差值擬合產(chǎn)生的影響

按照本文方法，設(shè)置低信噪比標(biāo)識窗，依照信號幅度與門限大小關(guān)系置標(biāo)識位，低信噪比異常點不參與距離差值窗的線性擬合。去掉異常數(shù)據(jù)幀后再進行擬合，所得擬合斜率為模糊速度的1.09 倍，擬合系數(shù)高達(dá)0.8，如圖4 所示。

圖4： 去掉低信噪比異常點后的擬合效果

由于此時計算出的擬合斜率可信度較高，可更準(zhǔn)確地估計速度模糊度，及時糾正模糊，保證測速穩(wěn)定度與精度。

5 結(jié)論

本文設(shè)計了一種精密測速方法，利用滑窗傅里葉變換進行速度估計，利用一階慣性濾波器進行跟蹤濾波，可以得到較高精度測速值；針對多散射點、目標(biāo)起伏等復(fù)雜場景下可能出現(xiàn)的多普勒模糊問題，設(shè)計了一種完備的實時模糊糾正方法，利用點跡距離、信噪比、距離差擬合斜率、擬合系數(shù)等作為輔助特征，排除干擾，準(zhǔn)確判斷并估計速度模糊，保證了測速穩(wěn)定度與精度。利用實測數(shù)據(jù)驗證了方法的有效性。