（信息与通信工程专业论文）机载雷达低截面积高速目标检测跟踪技术研究.pdf

国防科学技术大学研究生院硕_ 上学何论文 摘要 利用机载雷达检测和跟踪低截面积高速运动目标，具有重要的军事价值。本 文针对机载雷达低截面积高速目标检测跟踪方法展开研究，从雷达最佳波形设计、 地杂波抑制、新型目标检测方法以及目标跟踪方法等四个方面进行了讨论。 针对机载雷达探测低截面积高速目标的特点，提出了采用恒载频相干脉冲串 作为高速目标探测的基本信号、线性调频脉冲串作为高精度测距辅助信号的波形 方案，确定了机载雷达检测跟踪低截面积高速目标的基本雷达波形参数。 建立了机载雷达地杂波模型，在此基础上研究了a m t i 、d p c a 、s t a p 以及 干涉仪方法( c s i ) 等杂波对消方法。对干涉仪杂波对消方法进行了自适应改进， 使其不依赖于惯导设备提供载机速度，并通过仿真实验与实测数据处理检验了干 涉仪对消杂波的有效性。针对机载雷达探测低截面积高速目标的特点，提出了 a m t i 与干涉仪方法相结合的杂波抑制方案。 将基于动态规划的t b d 算法应用于机载雷达检测低截面积高速目标中，给出 其实现方法并通过仿真实验验证了该方法的有效性。分析了机载雷达利用基于动 态规划的t b d 算法检测低截面积高速目标的检测性能，结果表明该方法的检测性 能要优于传统检测方法。 从雷达观测模型建立、目标运动模型建立以及滤波算法三个方面进行讨论， 提出了利用转换量测坐标方法建立观测模型，然后利用三模型( c v 、c a 、当前 统计模型) 的交互多模算法进行滤波的机载雷达高速机动目标跟踪方案。并通过 仿真实验验证了其有效性。 主题词：机载雷达低截面积高速目标波形设计杂波抑制检测前跟踪 目标跟踪 第i 页 国防科学技术大学研究生院硕上学位论文 a b s t r a c t i t so fg r e a tm i l i t a r yv a l u et oe m p l o yt h ea i r b o r n er a d a rt od e t e c ta n dt r a c kt h e m o v i n gt a r g e tw i t hl o wr c sa n da th i g hv e l o c i t y t h et e c h n o l o g yo fl o w r c s h i 曲v e l o c i t yt a r g e t d e t e c t i o na n dt r a c k i n gf o ra i r b o r n er a d a ri ss t u d i e db yt h i s d i s s e r t a t i o n t h ep r o b l e m so fo p t i m a lr a d a rw a v e f o r m d e s i g n g r o u n dc l u t t e r s s u p p r e s s i o n ，n e wt a r g e td e t e c t i o nm e t h o da n dt r a c k i n gm e t h o da r ea n a l y z e d t ot h ec h a r a c t e r i s t i co fl o w - r c sh i g h v e l o c i t yt a r g e td e t e c t i o nf o ra i r b o i t l er a d a r , an e wr a d a rw a v e f o r ms c h e m ei s p r o p o s e d ，w h i c he m p l o y st h ec o n s t a n tc a m e l f r e q u e n c y c o h e r e n t p u l s es e q u e n c es i g n a l a st h eb a s i cw a v e f o r n lt od e t e c t h i 曲- v e l o c i t yt a r g e ta n dt h el f mp u l s es e q u e n c es i g n a la st h ea c c e s s o r i a lw a v e f o r mt o m e a s u r et h er a n g ew i t hh i g hr e s o l u t i o n t h ep a r a m e t e r so ft h ea i r b o r n er a d a ra r e d e c i d e d t h em o d e lo fg r o u n dc l u t t e ri ss e tu p a n dt h ef a m i l i a rc l u t t e rs u p p r e s s i o nm e t h o d s s u c ha sa m t i d p c a s t a pa n dc s ia r ed i s c u s s e d am o d i f i c a t i v ec s im e t h o dw h i c h d o e sn o tn e e dt og e tt h ei n f o r m a t i o no fr a d a rp l a t f o r mv e l o c i t yf r o mt h en a v i g a t i o n d e v i c ei sp r o p o s e d s i m u l a t i o na n dr e a ld a t ap r o c e s s i n gp r o v et h ev a l i d i t yo ft h en e w m e t h o d t ot h ec h a r a c t e r i s t i co fl o w r c sh i g h v e l o c i t yt a r g e td e t e c t i o nf o ra i r b o m e r a d a r , an e wg r o u n ds u p p r e s s i o ns c h e m ew h i c he m p l o y sb o t ha m t ia n dc s ii sg i v e n t h et b da l g o r i t h mb a s e do nd y n a m i cp r o g r a m m i n g ( d p - t b d ) i sa p p l i e di nt h e d e t e c t i o no fm o v i n gt a r 2 e tw i t hl o wr c sa n dh i g hv e l o c i t yf o ra i r b o r n er a d a r t h e p r o c e s so fi ti sg i v e na n dt h ec o m p u t e rs i m u l a t i o np r o v e st h ev a l i d i t y t h ep e r f o r m a n c e o ft h ea p p l y i n gd p - t b di nt h ea i r b o r n er a d a ri sa n a l y z e da n dt h er e s u l t sp r o v et h en e w m e t h o d sa d v a n t a g et ot h et r a d i t i o n a lm e t h o dw h i c he m p l o y st h ed a t af r o mo n l yo n e s c a n a f t e rt h ee s t a b l i s h i u e n to fr a d a rm e a s u r em o d e la n dt a r g e tm a n e u v e r i n gm o d e l i n v e s t i g a t e da n dt h ef i l t e ra l g o r i t h md i s c u s s e d ，as c h e m eo ft r a c k i n gh i g h v e l o c i t y m a n e u v e r i n gt a r g e tb ya i r b o r n er a d a ri sp r o p o s e d ，w h i c he m p l o y sm e a s u r ec o o r d i n a t e c o n v e r s i o nm e t h o dt oe s t a b l i s hm e a s u r em o d e la n dt h e nu s et h et h r e em o d e l s ( c v 、c a a n dc u r r e n ts t a t i s t i cm o d e l ) i n t e r a c t i n gm u l t i p l em o d e la l g o r i t h mt of i l t e rt h ed a t a t h ev a l i d i t yo fi ti sp r o v e db yt h ec o m p u t e rs i m u l a t i o n k e yw o r d s ：a i r b o r n er a d a r ；l o w - r c sh i g h v e l o c i t yt a r g e t ；r a d a r w a v e f o r md e s i g n ；g r o u n dc l u t t e rs u p p r e s s i o n ；t r a c k - b e f o r e d e t e c t ；t a r g e t t r a c k i n g ； 第j i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表2 1 机载l 波段雷达系统参数1 6 表2 2 脉冲积累数的影响1 6 表2 3 不同脉冲宽度的性能( n = 2 5 6 ) 1 7 表2 4 不同脉冲宽度的性能( n = 5 1 2 ) 1 7 表2 5 不同脉冲宽度的性能( n = 1 0 2 4 ) 1 7 表2 6 恒载频脉冲串波形参数18 表2 7 机载雷达探测性能1 8 表3 1 机载雷达仿真波形参数2 3 表3 2 主杂波中心频率跟踪精度2 5 表5 1 目标运动加速度变化6 6 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学1 1 i 7 ：论文 图目录 图1 1 全文研究思路5 图2 1刀刃形信号模糊度图9 图2 2 钉板形信号模糊图1 0 图2 3图钉形信号模糊图1 0 图2 4目标探测流程图1 2 图2 5 恒载频脉冲串信号时域波形1 3 图2 6 恒载频脉冲串信号频域波形1 3 图3 1 机载雷达工作几何关系：2 l 图3 2 空时二维杂波功率分布2 3 图3 3a m t i 系统实现框图。2 4 图3 4d p c a 系统实现框图_ 2 6 图3 5a d p c a 系统实现框图2 6 图3 6a d p c a 抑制杂波原理2 7 图3 7 最优s t a p 实现框图。2 7 图3 8 干涉仪系统实现框图2 9 图3 9 多普勒滤波器输出相位差曲线，3 l 图3 1 0 干涉仪方法改善因子31 图3 1 1 回波空时二维分布j 3 2 图3 1 2 回波多普勒距离二维分布3 2 图3 1 3 干涉对消杂波后多普勒距离分布3 2 图3 1 4 t 3 8 p r e 0 1 v 1 雷达工作环境3 3 图3 1 5 实测数据杂波多普勒距离二维分布3 4 图3 1 6 实测数据干涉对消杂波处理后结果3 4 图3 1 7a m t i 空时二维幅频响应3 4 图3 1 8 二端口d p c a 方法空时二维幅频响应3 4 图3 1 9 最优s t a p 处理器空时二维幅频响应。3 5 图3 2 0 干涉仪方法空时二维幅频响应3 5 图3 2 1 机载雷达探测低截面积高速运动目标的杂波抑制方案3 6 图4 1先检测后跟踪方法处理流程3 8 图4 2 检测前跟踪方法处理流程3 8 图4 3 弱小运动目标在图像序列中的运动轨迹3 9 第v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图4 4 基于动态规划t b d 算法示意图4 3 图4 5 q = 9 ，1 6 ，2 5 时的搜索窗4 3 图4 6 距离一多普勒平面上状态变化示意图4 4 图4 7 机载雷达基于动态规划的t b d 检测流程4 5 图4 8回波信号的距离一多普勒分布4 5 图4 9 杂波抑制后距离一多普勒分布4 5 图4 1 0t b d 处理后值函数距离一多普勒分布4 5 图4 1 1 处理后得到的目标的真实轨迹4 5 图4 1 2 回波信号的距离一多普勒分布4 6 图4 1 3 杂波抑制后距离一多普勒分布4 6 图4 1 4t b d 处理后值函数距离一多普勒分布4 6 图4 1 5 处理后得到的目标的真实轨迹4 6 图4 1 6 q = 0 时，检测概率与输入信噪比关系曲线4 9 图4 1 7 睁1 0 时，检测概率与输入信噪比关系曲线5 0 图5 1北东下坐标系5 3 图5 。2s i n g e r 模型中目标加速度的概率密度函数5 7 图5 3i m m 滤波算法原理图6 1 图5 4 模型概率更新示意图6 4 图5 5目标飞行轨迹6 6 图5 6 沿x 轴位置滤波相对误差6 7 图5 7 沿y 轴位置滤波相对误差6 7 图5 8 匀速运动段沿x 轴位置滤波相对误差6 7 图5 9 匀速运动段沿y 轴位置滤波相对误差6 7 图5 10 转弯机动时沿x 轴位置滤波相对误差6 8 图5 1 1 转弯机动时沿y 轴位置滤波相对误差6 8 图5 1 2i m m 算法中各模型的概率权值6 9 第v l 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意 学位论文题目：嗑监重幽重丛堕幽：麴坠鳖至煎 学位论文作者签名：耄聋日期：矽孑年月l 午日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留，使用学位论文的规定。本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目 学位论文作者 作者指导教师签名园聱弘。 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究背景 现代战争中，低空高速突防已成为现代战机和巡航导弹利用地面雷达盲区躲 避地面固定雷达探测的重要手段，而隐身技术的发展，有效减小了目标的雷达散 射面积( r c s ) ，提高了雷达探测的难度。机载雷达升高了雷达平台，拥有广阔的 探测和监视范围，是探测低空高速目标的有效方法【lj 。因此，世界各国争相发展机 载预警( a e w ) 雷达技术，提高对低空飞行目标诸如巡航导弹等的探测能力。其 中机载雷达对低截面积高速目标的检测跟踪是其关键技术，它要求机载雷达下视 工作时检测并跟踪淹没在强度大且分布广的地杂波里的弱小运动目标信号。着眼 我军未来军事斗争需要，研究机载雷达小型高速运动目标的探测技术，提高机载 雷达的检测能力与跟踪精度，对我军提高防空能力和夺取战场制空权具有重要意 义。 机载雷达低截面积高速目标检测跟踪实现复杂，目前现役机载预警雷达系统 对低截面积高速目标的探测能力如下【2 】：美国装备在e 2 c 上的a n a p s 1 4 5 型雷 达，对巡航导弹探测距离为2 7 0 k m ，装备在e 3 a 上的a n a p y 1 2 型雷达，对巡 航导弹探测距离为3 7 0 k i n ：以色列费尔康系统上的e l m 2 0 7 5 型雷达，对低空飞 行的小型目标探测距离为3 7 0 k i n ；瑞典s 1 0 0 b 上装备的p s 8 9 0 型雷达，对巡航 导弹探测距离为1 5 0 k m 。随着新技术的发展与军事斗争需要，采用先进的相控阵 技术与现代数字信号处理技术的新一代预警雷达系统也在孕育之中，其探测低截 面积高速目标能力将会更强。 然而，由于机载预警雷达技术属于国防尖端技术，这些系统的具体实现都被 各国所保密，尤其是机载雷达低截面积高速目标检测跟踪技术，公开的文献资料 上很少报道。我国上世纪九十年代才开始对机载预警雷达的研究，起步较晚，作 者有幸进入到这一充满挑战与机遇的研究领域，在相关项目的支持下开展了工作， 从实际工程应用出发，对机载雷达低截面积高速目标检测跟踪这一难题进行了研 究。 1 2 研究现状 机载雷达对低截面积高速目标探测技术研究主要包括对以下几个问题的探 讨：设计最佳雷达波形以提高雷达对小r c s 高速目标的探测能力；机载雷达地杂 第1 页 国防科学技术大学研究生院硕上学何论文 波抑制方法研究；目标检测技术的研究，使得在低信噪比与虚警概率的情况下尽 可能提高检测概率；高动态运动目标跟踪技术。 1 2 1 波形设计 机载雷达一般采用脉冲多普勒( p d ) 体制【”，常见的脉冲信号波形有恒载频 相参脉冲串信号、线性调频脉冲串信号以及相位编码信号。恒载频相参脉冲串信 号模糊图为钉板形，具有较高的距离和速度分辨力。但是，该信号在同时测量距 离和速度两个参量时存在周期性测距、测速模糊问题，而这两种模糊问题不能同 时解决。线性调频( c h i r p ) 信号是研究最早、应用最广泛的一种脉冲压缩信，g - ， 其突出优点是匹配滤波器对回波信号的多普勒频移不敏感，但是存在距离一多普 勒耦合现象，当目标距离和速度均未知时，只能测定其联合值，不能得到确切的 距离和速度值。相位编码信号如巴克码信号不存在距离多普勒耦合问题，能够同 时对距离和多普勒频率进行测量。但是，这种信号是一种多普勒信息敏感信号， 当回波信号与匹配滤波器有多普勒失配时，脉压后不会有火峰信号产生，因此它 - 2 t 。 从图2 2 中可以看到，恒载频相参脉冲串信号模糊圈为钉板形，其大部分模糊 体积都分布在远离原点的“模糊瓣”中，使得原点处的主瓣变得尖窄，因而同时 第1 0 国防科学技术大学研究生院硕上学何论文 具有较高的距离和速度分辨力。但是，该信号在同时测量距离和速度两个参量时 存在周期性测距、测速模糊问题，刁i 能同时解决这两种模糊问题。 2 3 2 线性调频脉冲串信号 线性调频( c h i r p ) 信号是研究最早、应用最广泛的一种脉冲压缩信号。线性 调频脉冲串信号是在恒载频相参脉冲串的基础上，子脉冲内调制线性调频信号。 该信号的模糊图也呈“钉板形”，只是每一个子尖峰的形状与恒载频相参脉冲串 的存在区别。因此，下面主要介绍线性调频脉冲串信号单个子脉冲内的调制信号 线性调频脉冲信号。其复数表达式可写成 1 ；g 口州工“k t 2 2 ) ，0 f t j ( f ) = u ( t ) e j 2 哪= 打。 “、 ( 2 5 ) 10 ，其它 其中信号的复包络为“( f ) r 1 下1e i 椭2 ，0 t 丁 掰( ) 2 汐：其它(26)fl i ，7 sl j l v 式中丁为脉冲宽度，信号的瞬时频率可写成 z = 芴1 磊d 2 万( f o f + 厨2 2 ) - f o + k t ( 2 7 ) 其中k = b t 为频率变化斜率，召为频率变化范围，简称频偏。 线性调频信号的突出优点是匹配滤波器对回波信号的多普勒频移不敏感，即 使回波信号有较大的多普勒频移，原来的匹配滤波器仍能起到脉冲压缩的作用， 这将大大简化信号处理系统。但是输出响应将出现与多普勒频移成正比的附加时 延，即存在距离一多普勒耦合现象，当目标距离和速度均未知时，只能测定其联 合值，不能得到确切的距离和速度值。因此，这种信号只适合测量距离或速度中 一个参量，不能同时对这两个参量进行测量。 2 3 3 相位编码信号 与线性调频信号一样，相位编码信号也是一种脉冲脉内调制信号。线性调频 信号是连续的频率调制信号，而相位编码信号是离散的有限状态的相位调制信号。 调制编码序列为伪随机序列，并要求其自相关特性好、压缩旁瓣低。常见的二相 编码序列为巴克码序列。在二相编码情况下，子脉冲相位变化取值分别是0 和7 1 ， 巴克码相位编码脉冲序列信号可用下式来表示 第1 1 页 国防科学技术大学研究生院硕上学何论文 聊) ： l 而| 驴n - ! 似警t 矽2 咖触，0 r 胁 ( 2 8 ) l0，其他 其中，兢为编码相位，在这里分别取0 或1 ，乃为子脉冲码元宽度。 巴克码信号的模糊图呈“图钉形，由于只有在中心有一个尖峰，该信号具 有很高的距离和速度分辨力，不产生模糊，并胃容易利用数字技术实现雷达工作 过程中编码序列的改变，便于实现脉间编码序列捷变。同时，与线性调频脉冲信 号相比，巴克码信号不存在距离多普勒耦合问题，能够同时对距离和多普勒频率 进行测量。但是，这种信号是一种多普勒信息敏感信号，当回波信号与匹配滤波 器有多普勒失配时，脉压后彳、：会有尖峰信号产生，因此它1 i 适合于探测高速运动 目标，常用于目标多普勒变化范围较窄的场合。另外，当观测目标的背景是很强 的分布杂波，或邻近存在截面积很大的“干扰目标”时，自身杂波干扰比较严重。 2 3 4 适宜于探测低截面积高速目标的波形 随着探测距离的4 i 断提高、雷达工作模式的4 断增加，采用多种重复频率、 多种发射波形的“全波形”雷达越来越普遍。对高速运动小目标，若想在几十甚 全上百公里的距离上依靠一种波形有效探测目标，同时实现高精度测距、测速是 难以想象的。相对而言，恒载频脉冲串具有良好的速度分辨率，但由于受单个脉 冲无调制，无法进行脉冲压缩，若要获得高的测距精度，要求减小脉冲宽度，会 降低发射信号的平均功率，因此测距精度和作用距离是一对矛盾。线性调频信号 可实现高增益脉冲压缩，在已知目标速度的前提下具有良好的测距精度。二者配 合工作可弥补双方的缺陷。而巴克码信号虽然也具有一定的压缩增益，但它是多 普勒敏感信号，对高速运动目标信号处理复杂。雷达下视时，背景是很强的杂波 分布，利用巴克码信号杂波抑制效果不佳，因此不采用该信号。 综上所述，采用恒载频相干脉冲串作为高速目标探测的基本信号，线性调频 脉冲串作为高精度测距辅助信号。首先采用恒载频相干脉冲串波形检测目标是否 存在，一旦检测到目标，则可精确估计出目标速度，此时雷达切换到线性调频脉 冲串信号，对目标精确测距，其流程如图2 4 所示。 高p r f 恒载频脉冲信号 存在目标! 精确估计目标速度 使用低p r f 的线性调频 检测目标是否存在信号精确测距 图2 4 目标探测流程图 第1 2 页 国防科学技术大学研究生院硕- 上学位论文 2 4 波形参数设计 在选定机载雷达采用的波形后，本节着重讨论其具体参数的设计，并研究了 其性能。 2 4 1 恒载频相参脉冲串波形参数设计 恒载频相参脉冲串信号的时域波形和频谱如图2 5 与图2 6 所示： 图2 5 恒载频脉冲书信号时域波形图2 6 恒载频脉冲巾信号频域波形 由图可知恒载频相参脉冲串信号只需用四个参数就可以完整地描述：载频五 ( 工作波长五) ，脉冲重复间隔z ( 脉冲重复频率z ) ，脉冲宽度f p ，相参积累 脉冲数n ( 脉冲持续时间z ) 。 1 载频f o ( 工作波长力) 首先分析目标的雷达散射截面积( r c s ) 与载波频率的关系。对于隐身飞行目 标，其r c s 随着频率的降低显著提高。一般来说，l 波段比x 和s 波段雷达在隐 身目标的发现能力上分别具有l o d b 和5 d b 的优势，米波比s 波段的r c s 要高1 5 d b 到3 9 d b 。从提高探测距离上看，应选择较低的载波频率。 另外，载波频率影响天线波束方向图和增益。天线夹角与发射信号波长的关 系为： 拈协台 ( 2 9 ) 式中，协为与天线口径场分布有关的系数；d 为天线的口径宽度；咒为工作波长。 国防科学技术大学研究生院硕上学位论文 天线增益g 与发射信号波长的关系为： g ：华：等 ( 2 1 0 ) 式中，a = r a a o ，r 一为天线e l 径面积利用系数，a o 为天线几何面积。 可见，兄越小，获得相同的方向图和增益所需要的天线孔径也越小。也就是说 获得相同方向图和增益，低频段天线比高频段天线孔径大，这对雷达系统的小型 化刁、= 利。 最后，载波频率的选择还影响速度模糊。最大不模糊速度为： 忙华：等 ( 2 1 1 ) 其中，为脉冲重复频率。可见降低载波频率有利于降低速度模糊。 综上所述，为提高探测距离，载波频率应选择l 或p 波段。考虑到适当降低 天线孔径，载波频率可暂定为l 波段。 2 脉冲重复间隔z ( 脉冲重复频率f ) 脉冲重复频率f 决定了雷达测距、测速的不模糊区以及杂波谱分布。随着p r f 增高，最大4 模糊速度增大，最大4 i 模糊距离减小。存低p r f 时，测距一般是4 i 模糊的，但测速存在模糊，对动目标的检测能力差。在高p r f 时，距离上严重模 糊，存速度上4 、= 模糊，存在无杂波区，可以用于对高速目标的检测，具有很好的 杂波可见度。而在中p r f ，测距和测速都存在模糊。 机载雷达下视工作模式，一 可避免受到强地杂波的干扰，对于高速运动小目 标，为提高探测概率，要求雷达工作在高重复频率模式，一方面提供无地杂波的 清晰区，另一方面保证速度不模糊。对工作于l 和p 波段的雷达来说，1 0 k h z - - 2 0 k h z 的重复频率即可保证一般高速运动目标速度不模糊，且存在一定的无杂波清晰区。 3 脉冲脉宽t 。 在雷达脉冲重复频率和峰值功率升 变的情况下，为了提高发射机平均功率来 增加雷达作用距离，希望增加脉冲宽度。但是，为了提高雷达距离分辨力，希望 减小脉冲宽度。从雷达距离分辨力的角度出发，脉冲宽度可按下列表达式选择： ，片p t = 竺竺( 2 1 2 ) ， c 式中，6 r 为雷达距离分辨力，c 为光速。 实际脉冲宽度的选择需要在距离分辨力和作用距离之间进行折中，根据作用 距离的不同，采用不同脉冲宽度。 第1 4 页 国防科学技术大学研究生院硕上学何论文 4 相参积累脉冲数 周定了脉冲重复间隔，提高相参积累脉冲数有两个主要作用：一是增加信 号的时宽，从而提高速度分辨力：二是相参积累能够有效地提高信噪比，增加作 用距离，改善检测性能。然而相参积累脉冲数越多，数据处理量越大。 信号的速度分辨力与信号的时宽心有如下关系： 晖= 去= 刍 ( 2 1 3 ) 故 = 盟 (214)26v 、 脉冲秋累数的上限的基本约束条件是：相干积累时间内目标飞行的距离不能 超过一个距离分辩单元，即n z v 积，其中v 表示目标与载机的相对飞行速 度。 2 4 2 恒载频脉冲串波形的雷达性能分析 假设有一机载雷达系统，其系统参数如表2 1 所示。 根据前文的分析假设发射的恒载波相参脉冲串波形的载频和脉冲重复频率固 定。载频 = 1 2 5 g - z ，市目应的波长九= 0 2 4 m 。根据表2 1 所示的载机最大飞行速 度，则地杂波频谱丘的范围为：一2 1 k h z f e 2 1 k h z 。载机与目标相对运动产生的 多普勒频率厶的范围为：一6 6 7 抛 厶 6 6 7 彪。 取脉冲重复频率f = 1 6 k h z ，既保证了多普勒频率也即速度不模糊，又存在便 于小目标检测的无杂波区。此时脉冲重复周期z = 6 2 5 u s ，对应的无模糊距离 r 。= 9 3 7 5 k m 。 脉冲宽度可变，根据前文分析，其范围为：o 1 u s 恒载频脉冲串具有较高的测速精度，但由于是非脉冲压缩信号，测距精度 第1 7 页 国防科学技术大学研究生院硕上学何论文 不高； 在相参积累时间内，高速目标与载机相对距离可能发生较大的变化，必须 采取有效措施保证回波能有效地相参积累，从另一方面来说，相干秋累脉 冲数不是越大越好。 综合考虑各种因素，最终确定的恒载频脉冲串的基本参数如表2 6 所示。 表2 6 恒载频脉冲串波形参数 参数取值 载波频率 1 2 5 6 勉 脉冲重复频率 1 6 k - z 相参积累脉冲数 5 1 2 0 2 u s 2 u s 脉冲宽度 8 “s 2 0 俗 此时机载雷达的探测性能如表2 7 所示： 表2 7 机载雷达探测性能 模糊速度 + 9 6 0 mfs 测速精度 3 7 5 聊j 模糊距离 9 37 5 o n 0 2 u s1 3 9 k m 2 u s4 4 k m 探测距离 8 u s8 8 k m 2 0 u s1 3 9 k m 0 2 u s3 0 m 2 u s3 0 0 肌 测距精度 8 u s1 2 0 0 m 2 0 u s3 0 0 0 m 为消除距离模糊，提高远距离探测模式下的测距精度，在利用恒载频脉冲已 经精确测量目标速度的前提下，再转入低重复频率测距解模糊模式，通过发射线 性调频信号精确测量距离同时解距离模糊。 2 4 3 线性调频脉冲串波形参数设计 对l f m 信号，其基本参数有中心频率、信号带宽、脉冲重复频率、脉冲宽度 等。l f m 波形主要功能是测距和解距离模糊，主要针对远距离探测而言。载波频 率应与恒载频脉冲串信号相同或相近，取1 2 5 g h z 。脉冲宽度取值范围相对较宽， 国防科学技术大学研究生院硕- 上学位论文 为提高作用距离假定脉冲宽度为8 0 u s 。信号带宽主要满足测距精度的要求，同时 要保证一定的时宽带宽积。假设测距精度为1 0 m ，考虑到加权处理对分辨率的损 失，信号带宽取2 0 m h z 。若最大无模糊作用距离为1 5 0 k m ，为保证系统不发生距 离模糊，则脉冲重复频率f = l k h z 。假设此时处理进行6 4 次积累，则由雷达方程 可得最大作用距离为1 5 6 k m ，与恒载频相参脉冲串接近。 2 5 本章小结 雷达波形设计作为机载雷达探测低截面积高速目标技术的首要问题，为杂波 抑制、目标检测及跟踪等信号处理方法的研究建立了基础。本章首先从模糊函数 出发介绍了雷达波形设计的一般理论，分析了三种常见的机载雷达波形：恒载频 相参脉冲串信号、线性调频脉冲串信号以及相位编码信号。根据机载雷达检测跟 踪低截面积高速目标的特点，提出了采用恒载频相干脉冲串作为高速目标探测的 基本信号，线性调频脉冲串作为高精度测距辅助信号的波形方案，最后对具体波 形参数选取进行讨论，分析了不同参数时的机载雷达的探测性能，确定了机载雷 达检测跟踪低截面积高速目标的基本雷达波形参数。 第1 9 页 国防科学技术大学研究生院硕上学位论文 第三章机载雷达地杂波抑制技术 3 1 引言 机载雷达下视工作时，将面临高强度的地杂波干扰。而又不同于地面固定雷 达，由于机载雷达平台自身的运动，还会引起地杂波谱的频移和展宽，运动目标 信号极有可能淹没在杂波之中，要实现机载雷达对低截面积高速运动目标的检测 和跟踪，必须对地杂波进行有效抑制。本章从建立机载雷达多通道杂波模型出发， 研究了机载雷达地面杂波抑制的方法，重点研究了干涉对消方法，并对其进行了 改进。 本章第二节首先建立了机载雷达地面杂波模型，以此作为地面杂波抑制技术 研究的基础：第三节分别介绍了常规a m t i 技术、d p c a 技术以及s t a p 技术等三 种杂波抑制方法，研究了它们的实现方法以及特点；第四节重点研究了干涉仪杂 波对消方法，并对其进行了改进；第五节综合比较了所研究的杂波抑制方法，提 出了适宜于机载雷达检测和跟踪低截面积高速目标的杂波抑制方案。 3 2 多通道机载雷达地面杂波模型 相摔阵天线由于具有机械结构简单，扫描速度快，可以多波束扫描以及天线 子阵冗余设计可靠性高等优点，新一代的机载预警雷达大多都采用了这一技术。 实际的相控阵天线大多都是平面阵，但若对每个阵元独立控制则系统自由度太大， 无法做到实时处理，所以一般都对其各列作微波合成以构成一个等效的线阵，再 对此等效的线阵进行自适应控制，因此可以以线阵为基础来讨论机载雷达的地杂 波模型。本节研究在相控阵体制下的机载多通道雷达杂波模型的建立。 3 2 1 雷达系统描述 机载雷达工作时几何位置关系如图3 1 所示，雷达天线阵列排列方向与x 轴平 行，载机高度为h ，水平匀速飞行速度为矿，飞行方向与x 轴夹角为口；角度变量 妒与o9 别表示某一距离环上地面杂波单元相对于雷达的俯仰角与方位角。 第2 0 页 国防科学技术大学研究生院硕上学何论文 3 2 2 回波数据模型 图3 1 机载雷达工作儿何关系 设机载雷达等效阵元数为，时域脉冲数为k ，则雷达某一距离门上接收的 时域采样信号可以用较直观的数据矩阵表示，即： x = x o ，1 ) x ( 1 ，2 ) 石( 1 ，k ) x o ，k ) x ( 2 ，1 ) x ( 2 ，2 ) x ( 2 ，七) x ( 2 ，k ) x ( n ，1 ) ，2 ) x ( n ，七) x ( n ，k ) ( 3 1 ) 式中x ( n ，七) ，n = 1 ，2 ，n ；后= 1 ，2 ，k 分别表示第行个天线单元和第尼个脉冲的 回波采样数据，其一般由目标信号，杂波和噪声叠加而成，即： x = c + t + n ( 3 2 ) 3 2 3 杂波数据 设c ，( ，z ，尼) 表示第珂个天线单元的第j j 个脉冲对第，个距离环杂波的采样数据， 考虑等效阵元方向性及距离调制，则有 咖2 掣f r 邢彬( 缈m - i ) 州州呐限刚d 秒( 3 3 ) 其中，咒= 1 ，2 ，n ；k = 1 ，2 ，k ；z = 1 ，2 ，l ； 第2 l 页 国防科学技术大学研究生院硕上学何论文 q ( 矽，仍) ：掣s i n o c 。s 伤 ( 3 4 ) 删删= 等s i n ( 胁) c o s 仍 ( 3 5 ) 九，。 式中c o , ( 0 ，纺) ，0 2 , ( o ，仍) 分别为空域角频率和时域角频率；五为波长；表示载机 速度：厂为脉冲重复频率( p r f ) ；9 为方位角：纺为俯视角；口为天线排列方向 与飞行方向的夹角：d 为列子阵间距；( 仍) 是第刀个列子阵接收方向图；f ( o ，仍) 为发射方向图；蜀为第z 个距离环相对应的雷达斜距；a ( o ) ，召( 毋) 为散射单元的 随机幅度和随机相位；三为距离糊总数。 根据上一章对波形参数设计的分析，机载雷达存高速目标时一般采用高脉冲 重复频率，以避免速度模糊，并提供较宽的无杂波区，此时将会存在距离模糊。 由于存在距离模糊，落入某一距离门中的杂波将由地面上若干个距离环杂波反射 信号共同叠加组成。即： c ( n ，露) = c ( 群，东) ( 3 6 ) 3 2 4 杂波功率谱 数据矩阵可用n k x l 维的矢量表示： x = x x r ( 2 ) x ；( k ) 7 ( 3 7 ) 式中x 。( 觅) = 【工( 1 ，后) x ( 2 ，幻x ( n ，七) 】7 ，k = l ，2 ，k ，则杂波相关矩阵为： r 。= e ( x x 爿) ( 3 8 ) 定义两个矢量： a = il ，e 衄佃舻) g 且d 引只们l ( 3 9 ) b = 1 ，p 7 q 9 妒p 7 k 一 q 口妒 ( 3 1 0 ) 分别为空域和时域导引矢量，n - - 维空时导引矢量可以表示为： s = a b ( 3 1 1 ) 在杂波矩阵确知的情况下，则可以得到杂波的功率谱，这里采用最小方差谱， 也称似然谱，与常用的傅氏谱相比较窄，更利于看清变化： 第2 2 页 星堕篓兰堡奎奎薹塑茎圭些至占兰篓鎏圣 p ( s ( 目) ，正) 2i 丽1 ( 31 2 ) 325 杂波仿真 设有一正侧面阵机载雷达，波形参数取上一章讨论结果，如表3l 所示 表31 机载雷达仿真波形参数 等赦为阵元数 阵元问姬0 0 6 m 相干处理脉冲数 载频 脉冲宽度 脉冲蓖复频率 载机高度 载机b 行速度 则通过仿真可咀得到圈32 所示的空时二维杂波分布从中可以看出，当天线 排列方向与载机飞行方向重台，也就是正侧视工作时，地杂波沿方位余弦一归一 化多普勒平面上的直线分布，称为杂波脊。 图32 空时二维杂波功率分布 第2 3 页 国防科学技术大学研究生院硕上学位论文 3 3 杂波抑制的一般方法 机载雷达抑制地面杂波的一般方法包括常规a m t i 技术、d p c a 技术以及 s t a p 技术，本节分别分析这三种杂波抑制方法的原理与特点。 3 3 1 常规a m t i 技术 常规a m t i 技术是对地面固定雷达m t i 技术的改进，由于机载雷达不同于地 面固定雷达，其杂波多普勒频谱由于载机平台运动而平移和展宽，杂波中心频率 = 1 ，n = 1 , 2 ，；k = 1 , 2 ，k 为空时二维权系数，用n kx l 维w 表示处理 器的权矢量，则 第2 7 页 国防科学技术大学研究生院硕上_ 学何论文 w = w l l 嵋2 w l kw 2 i k w i w 懈】7( 3 2 1 ) 则该处理器可以描述为如下数学优化问题： f m i nw h r w 1jw：1(322tws ) lj 爿 = 1 7 其中r = e x x 为接收数据形成的协方差矩阵，懈胍维；s s = s s 0 s ，( 3 2 3 ) 其中 s ，= 1 扩p 删- i ) q r ( 3 2 4 ) s s = 1 口胁e “。”蛳 7 ( 3 2 5 ) q ，q 分别代表空间和时间归一化频率。可以求出空时二维最优处理器的权矢量 为： 厂= 罴 ( 3 2 6 ) 从上式可以看出，s t a p 最优处理器实际上完成了杂波白化和目标信号匹配滤 波功能。s t a p 最优空时处理器虽然理论上具有很好的性能，但其运算量巨大。另 外，最优处理器中，杂波相关矩阵r ，是未知的，要求由独立同分布的采样来估 计，采样样本数直接影响处理器的改善因子和自适应收敛速度。为使处理损失不 超