一种解决噪声连续波雷达泄漏的新方法

陈金立 顾 红 苏卫民

（1.南京信息工程大学电子与信息工程学院，江苏 南京210044；2.南京理工大学电子工程与光电技术学院，江苏 南京210094）

引 言

连续波（CW）体制雷达与脉冲体制雷达相比具有雷达设备体积小、重量轻、发射功率低、测速性能良好和低截获等特点［1－2］。噪声雷达是一种以微波噪声作为发射信号的雷达，其模糊函数是理想的“图钉形”，这使得它具有无模糊测距、测速性能和良好的距离、速度分辨率［3］。相比周期性信号雷达，噪声雷达由于其发射信号的随机性，因此，具有十分优良的低截获概率、电磁兼容性和抗射频干扰以及电子反对抗性能［3－5］，在军事领域获得了广泛的应用［3－6］。在电子干扰日益复杂的现代高科技战争背景下，同时兼顾噪声雷达和连续波雷达优势的噪声连续波雷达的研究越来越受到人们的关注［7－9］。

连续波雷达采用发射机和接收机同时工作的方式，连续波泄漏问题是它一个明显的缺点，严重制约了其发展和应用范围。目前主要有以下几种方法用来解决连续波雷达的泄漏问题：1）提高收发天线之间的隔离度，但在工程技术上难以通过微波器件将收发隔离度做得很高；2）选择合适的准连续波发射信号形式［10－11］，虽在一定程度上能抑制连续波的泄漏，但是对于收发共用天线的雷达，发射期间不接收必然会存在一些目标的回波不能被完全接收问题，即目标回波遮挡问题，这会使雷达所接收到的目标回波信号能量大大降低，导致信号处理增益损失，影响目标的检测；3）在微波、中频或视频采用各种对消技术以消除连续波的泄漏［12－15］，但是这些方法主要用于周期信号连续波雷达的泄漏抑制，而在噪声连续波雷达中，这类泄漏对消方法的研究很少见报道。由于发射信号的随机性，噪声连续波雷达的发射泄漏信号经脉压相关处理后的距离旁瓣覆盖整个多谱勒频率范围，形成一片很强的“噪声基底”，影响噪声连续波雷达对目标的探测。文献［16］提出了一种双随机码准连续波雷达，这是一种噪声准连续波雷达，它在随机调相连续波发射信号基础上采用随机调幅断续技术来克服连续波雷达的泄漏问题。其实，噪声准连续波雷达的发射波形经占空比近似为0.5随机二相码调幅断续后，在时域上是不再连续的，类似于脉冲雷达的发射波形。因此，为了解决泄漏问题，该雷达仅仅是脉冲雷达和连续波雷达之间的一种折衷，不能完全体现出连续波雷达所具有的优势。此外，噪声准连续波雷达在发射机和接收机处分别利用收发（T／R）开关控制信号的发射和接收，所需要的T／R收发开关个数多于单天线脉冲体制雷达，在文献［16］中噪声准连续波雷达使用了3个T／R微波器件来隔离连续波雷达的泄漏，这使得雷达系统的硬件复杂度和成本大大提高。

为此提出在噪声连续波雷达中采用双频发射方式来对消泄漏信号，该雷达的发射噪声波形采用双频发射，不同载频中心的发射信号占用不同的频带，接收端能够通过滤波的方法分离出对应不同载频的回波。在双频发射噪声连续波雷达中两种不同载频调制的回波分别被分离到两个通道中，然后利用脉压－快速傅里叶变换（FFT）方法分别对两个通道的回波数据进行处理，并对频谱数据进行取模处理。泄漏信号是由于发射信号直接泄漏到接收机而产生的，不存在多普勒频率调制，因此，两分离通道中泄漏信号的脉压－FFT频谱输出值取模后相等；而运动目标由于发射载频的不同，使得在两个分离通道中其回波的多普勒频率存在差异，则其取模后的脉压－FFT频谱输出值在两分离通道中不相等，因此将两个通道的脉压－FFT频谱输出数据取模后相减就可对消泄露信号，使得目标能够显现出来。双频发射噪声连续波雷达仍能保持发射信号的时域连续性，具有噪声连续波雷达的优良特点，并且它的泄漏抑制能力优于噪声准连续波雷达，仿真结果证明了其有效性。

1 信号模型

假设噪声雷达发射的双频噪声信号分别是载频为f1和f2的噪声调频连续波信号，其中f2＝f1＋Δf，Δf为双频信号的频率差，使得不同发射频率的发射信号占用不同的频带，相互不重叠。这里假设频率差足够小，目标回波频率分集效应可以忽略，即针对同一目标的两个频率回波信号具有相同的复反射系数。

图1为噪声雷达双频发射的框图，其中噪声调频基带信号sb（t）为［2］

图1 噪声雷达双频发射的框图

不同发射频率的发射信号占用不同的频带，在接收端能够通过滤波的方法进行分离。

连续波雷达存在较强的来自发射机的信号，直接耦合到接收机，假设存在N个运动目标，Rn和vn表示第n个目标距离雷达的距离和径向速度，那么双频发射噪声连续波雷达所接收到的回波信号可表示为

式中，Sr1（t）和Sr2（t）分别对应两发射频率的回波信号，且有

式中：trn＝2Rn／c为第n个目标的距离延时；c为光速；＝2vnc／fi表示第n个目标对应发射频率fi（i＝1，2）的多普勒频率，显然≠；αn表示第n个目标反射回波复系数，包含了传播衰减和雷达截面积等因素；β1和β2分别为两发射载频所调制的泄漏信号复系数，其中泄漏信号强度远远大于目标信号强度，由于发射机和接收机在同一雷达站，相距很近，因此，泄漏信号的传输通道比较稳定，可以认为两种泄露信号的强度相等，即而β1和β2的相位由于载频的差异会在传输通道中有所不同。

2 双频发射泄漏抑制方法

在观测周期内，式（3）中的接收信号分别乘以e－j2πf1t和e－j2πf2t，然后使相乘后获得的信号通过低通滤波器（LPF），并进行模数（A／D）转换采样，设采样频率fs＝1／τ，其中τ为采样间隔时间，最后得到两路通道信号为：

式中rn为距离延时trn所对应的目标距离门。回波数据Sr1（k）以脉冲压缩长度P 分组，第l（l＝1，2，…，L）组数据与第r距离门上的参考信号sb（k）（即基带发射信号）进行脉压后的输出可表示为

式中：

对式（6）的脉压数据按距离门进行FFT处理，可得

由于泄漏信号的强度远远大于目标信号，因此R′Le1（r，fd）≫R′Ta1（r，fd），即噪声连续波雷达的发射泄漏信号经脉压相关处理后的距离旁瓣覆盖整个多谱勒频率范围，形成一片很强的“噪声基底”，掩盖了目标。对脉压－FFT处理后的数据进行取模处理，由于R′Le1（r，fd）≫R′Ta1（r，fd），即得

同样地，将另一个分离通道中的数据Sr2（k）也作脉压－FFT处理，并将频谱输出数据作取模处理，可得

式中：R′Ta2（r，fd）＝FFT［RTa2（r，l）］；

即泄露信号在两通道中的脉压－FFT输出频谱值取模后相等。将两个通道取模后的脉压－FFT输出频谱数据R″1（r，fd）和R″2（r，fd）进行相减，可得

由式（13）可知，将两通道的脉压－FFT处理后的频谱数据取模后相减，就可完全对消泄漏信号及其所产生的“噪声基底”。双频发射使得在两通道中的运动目标回波多普勒频率存在差异，因而它们的脉压－FFT输出频谱值取模后也互不相同，所以两通道数据相减操作不会完全对消目标信号。因此，将两通道脉压－FFT处理后的频谱数据取模后进行相减对消处理，能够有效抑制泄漏信号，使得运动目标能够在泄漏信号所致的“噪声基底”中显现出来。由于该方法不需要估计信号参数来重构发射泄漏信号，因此，其泄漏抑制效果与泄漏信号重构的精确程度无关。

图2 双频发射噪声连续波雷达的泄露对消处理框图

图2为双频发射噪声连续波雷达的泄露对消处理框图。在两个通道中，目标峰值在多普勒频率轴上存在频移由于载频差Δf≪f0，因此，两者的频移量Δfdn很小，那么两通道数据进行相减操作对目标速度检测的影响可以认为忽略不计。

双频发射泄漏对消方法利用两个载频所调制的泄漏信号的脉压－FFT频谱输出数据取模相等这一特点，将两个载频分离通道中取模后的脉压－FFT频谱数据相减，可有效消除泄漏信号及其所产生的“噪声基底”；而运动目标由于发射载频的不同，使得其在两分离通道中的多普勒频率存在差异，则其取模后的脉压－FFT频谱输出值在两个分离通道中也不相等，因此，将两通道数据相减后能够保留目标信号。由式（13）可知，该方法的归一化速度响应特性可近似表示为

图3 双频发射泄漏对消方法的速度响应特性曲线图

图3为双频发射泄漏对消方法在不同载频差Δf时的速度响应特性曲线图，其中f1＝10GHz，f2＝f1＋Δf，P＝300，L＝1 024，τ＝25ns.由图3可知，该方法随着载频差Δf的增大，其检测慢速目标的能力会随之增强，且无盲速问题。

3 实验结果分析

通过设计仿真实验来验证噪声连续波雷达采用双频发射方法对泄漏抑制的有效性。设置双频发射噪声连续波雷达的两个载波频率分别为f1＝10 GHz、f2＝10.02GHz，雷达发射窄带噪声调频连续波信号，信号带宽B＝2MHz，脉冲压缩器个数为1 024，脉冲压缩器宽度TR＝4.5μs，采样频率fs＝40MHz，则脉冲压缩长度P＝180.假设存在3个运动目标，参数设置见表1.假设两个发射载频所调制的泄漏信号复系数的相位分别为arg（β1）＝0，arg（β2）＝π／5，两者的信噪比均为120dB，即，其中σ2为噪声功率。

表1 目标参数设置

图4为噪声连续波雷达未经泄漏抑制的脉压－FFT频谱输出结果图。由于泄漏信号能量远大于目标，导致目标淹没在大功率泄漏信号的距离旁瓣中，严重影响了雷达对目标的检测。图5为双频发射噪声连续波雷达经泄漏抑制后的脉压－FFT频谱输出结果图，图6（a）、（b）、（c）分别为3个目标在目标距离门上的速度截面图，目标的速度测量值与真实值比较接近。从图5和图6可以看出，信号强度远大于目标信号的泄漏信号已经得到了有效地抑制，雷达能够有效检测出观测空域的3个目标。文献［16］所提出的噪声准连续波雷达在发射机发射时的收发隔离度只能达到90dB，而在本仿真中双频发射噪声连续波雷达能够有效抑制信噪比为120dB的泄漏信号，使得目标能够在泄漏信号所致的“噪声基底”中显现出来。

图6 目标距离门上的速度截面图

双频发射噪声连续波雷达是在信号处理过程中来消除发射泄漏信号，为了避免强泄漏信号在接收机前端饱和中放，在实际工程应用中，双频发射噪声连续波雷达可以在双天线之间先通过微波器件进行收发隔离，然后再利用双频发射泄漏抑制方法对接收机所接收到的泄漏信号予以消除，这样可以将收发隔离度做得更高，能够满足实际工程中的需要。

4 结 论

噪声连续波体制雷达可对目标高精度测量以及无模糊测距和测速，特别是其具有低截获概率雷达的潜在优势，从而越来越受到人们的广泛关注。发射泄漏问题是限制该体制雷达发展和应用的一个关键问题，双频发射泄漏抑制方法利用两个载频所调制的泄漏信号的脉压－FFT频谱输出数据取模后相等这一特性，能够有效消除泄漏信号对目标检测的影响。与传统的解决噪声连续波雷达泄漏的方法—随机调幅断续技术相比较，该方法在保留原有噪声连续波雷达的信号特点基础上拥有更好的泄漏抑制能力，在工程应用中具有一定的参考价值。

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