一种单脉冲测量雷达测速新方法

蔡玖良+桂佑林+汪文英

摘 要： 在现有单脉冲测量雷达数字测速方法基础上，提出一种测速新方法。该方法通过加长积累时间，提高了测速的信噪比，并估计和补偿运动目标加速度等信息，获得更精确的频率，从而提高测速精度，同时完善频谱异常检测方式，使单脉冲测量雷达测速具有更好的稳健性。

关键词： 雷达测速； 频谱异常检测； 单脉冲测量雷达； 相参积累

中图分类号： TN957.51?34 文献标识码： A 文章编号： 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

单脉冲测量雷达主要用于对卫星、飞船、导弹的精密跟踪和轨道测量，要求具有较高的测量精度和实时性。随着雷达技术的发展，单脉冲测量雷达的频谱纯度和相参性技术已有了很大提高，目前新单脉冲测量雷达均采用全数字多普勒测速技术，该测速技术是一种闭环测速法，采用窄带跟踪滤波器和二阶环路实现测速跟踪[1?4]。

目前单脉冲闭环测速方法具有较高的跟踪精度和实时性，但是随着火箭、导弹技术的不断发展，环境已经发生了显著变化，现有的测速方法不能很好地适应新情况，导致测速效果变差，主要如下：

（1） 火箭或导弹在级间分离、助推推进器脱落等特征点上目标出现短暂震动，导致应答机信号频谱出现散谱现象，测速鉴频环节出现错误，会出现跳谱线甚至失锁现象；

（2） 因雷达系统原因，诸如应答机误触发、应答机信号遮挡等导致应答机信号出现野值点，会出现鉴频错误而导致测速精度变差。

上述不利因素在整个雷达工作期间均有可能出现，影响了测速性能。针对上述问题，本文提出了一种测速新方法，通过加长积累时间来提高测速信噪比，并通过多项式相位信号参数估计法来估计和补偿运动目标的加速度和加加速度，获得更精确的频率，从而提高测速精度，同时对回波频谱进行异常检测，对异常时刻进行速度外推，从而使测速具有更好的稳健性。

1 常规单脉冲测速方法

常规单脉冲测速是全数字闭环测速系统，实际上就是一个频率测量系统。首先，将输入的基带信号正交数字量[I（n），][Q（n）]和反馈的基带相参正交数字量进行数字混频，求得差频正交数值[εI（n）]和[εQ（n）]；接着，对[εI（n）]和[εQ（n）]进行幅度归一化；其次，进行数字鉴频处理，得到频率误差数据；然后这一频率误差数据经[α?β]滤波器平滑后，即产生了目标的径向速度与加速度值；最后，预测的径向速度换算成多普勒频率预测值[Fp，]送至相位累加器，再通过查表得到反馈的基带相参正交数字量[cos（ωpn）]和[sin（ωpn），]与输入的基带信号正交数字量[I（n），][Q（n）]进行数字混频，再经过2点MTI或4点FFT的方法进行数字鉴频获得差频信号频率，从而完成频率的闭环跟踪。由于受雷达脉冲重复频率的限制，测速回路测出的目标径向速度可能出现模糊，需要利用测距机测得的目标距离数据[R]和测速机测得的模糊速度进行相关运算后，消除速度模糊。消除速度模糊常采用不变量嵌入算法。消除速度模糊后，得到一个实时的、精确的、无模糊的目标径向速度[1，4?5]。测速的工作原理框图如图1所示。

图1 常规测速的工作原理框图

数字鉴频器是脉冲多普勒测量雷达全数字闭环测速系统的一个关键功能部件，其鉴频性能的好坏直接影响到测速回路的跟踪性能。要使测速回路能快速捕获目标，就要求数字鉴频器的带宽足够大。当数字鉴频器的带宽达到脉冲重复频率（PRF）时，就能保证只要任一信号细谱线进入鉴频带宽范围内，测速回路就能快速地捕获跟踪到目标。全数字闭环测速系通常采用基于4点FFT的数字鉴频器。数字鉴频器的原理框图如图2所示。

图2 数字鉴频器原理框图

在图2中，[U（n）]为数字混频后的差频基带复数信号，并经过了幅度归一化处理，[U（n）]在上下两支路分别乘上移相因子[e-jω0n]与[ejω0n，]采用布莱克曼哈里斯加权函数，加权后做FFT运算，取零号滤波器的值求模，上下两路的模值相减，求得数字鉴频器的输出[D。]当[PRF=300]Hz时，取[ω0=2πf0，][f0=75]Hz进行基于4点FFT数字鉴频器的仿真，可得到如图3所示的数字鉴频器幅频特性曲线。

2 新测速方法

2.1 基于长时间相参积累技术

针对常规测速方法中最多4点数字鉴频器的估计频率误差的方法，通过加长测速积累时间至8点、16点或32点的长时间相参积累技术，来提高积累时间和回波信号信噪比，从而提高测速精度。由于通常目标在测量过程中存在机动，且积累时间变长后，需要对回波进行加速度和加加速度补偿，通过对回波信号利用多项式相位信号参数估计法获得加速度和加加速度信息，完成回波信号相位补偿，从而实现回波相参积累，并测量出目标的速度、加速度等参数。长时间相参积累测速方法流程如图4所示。基于长时间积累的测速方法相对于现有使用的方法且有以下优点：

（1） 加长了积累时间，提高了速度分辨率；

（2） 提高积累后信噪比；

（3） 对由于奇异值（野值）更加鲁棒。

图3 数字鉴频器幅频特性曲线

图4 长时间相参积累测速方法流程

2.2 多项式相位信号参数估计法

自然界中的许多信号以及许多工程应用，如通信、雷达、声纳等领域中所遇到的信号，其信号相位都是时间[t]的连续函数[6?7]。根据Stone?Weierstrass理论，在有限观测时间内，任何时间[t]的连续函数均可用[t]的高阶多项式一致逼近，故此类信号的相位常被表示成时间[t]的高阶多项式形式，此类信号亦被称为多项式相位信号（Polynomial Phase Signals，PPS）。高阶模糊函数法（High?order Ambiguity Function，HAF）由于计算量小，成为估计PPS参量的主要次优方法[8?10]。[M]阶恒定幅度PPS信号的参数模型可以描述为：

[x（n）=Aexpjk=0Mbk（Δn）k] （1）

式中：[A]为多项式相位信号的幅度；[Δ]为采样间隔。对式（1）的信号形式，[M]阶PPS信号的高阶瞬态距可以定义为：

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

式中[τ]为延迟，其中：

[x（*q）（n）=x（n）， q为偶数x*（n）， q为奇数]

根据上述定义，对于单分量[M]阶的振幅恒定多项式相位信号，如式（1）所示，通过计算[Pm]可知，[M]阶高阶模糊函数在[ω]处呈现峰值，其中[ω=M！τM-1bM，]从而可从[Pm]的峰值位置估计出最高[M]阶多项式相位系数[bM：]

[bM=1M！τM-1argmaxωPM（x；ω，τ）] （3）

估计出[M]阶的系数[bM]之后，通过计算[x（n）?exp（-jbMnM）]就可以将[x（n）]降阶为[M-1]阶，这样使用同样方法就可以以此解出[bM-1，…，b2。]在本测速方法中通过[M]取3，可以分别估计出加速度、加加速度。

2.3 散谱现象的检测和处理

目标短时间运动一般可用加加速模型来描述：

[r（t）=r0+v0t+12a0t2+16at3] （4）

对应的回波信号为：

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

则匀速、匀加速和匀加加速运动目标回波的典型频谱和时频分析图如图5和图6所示。

图5 典型测速信号的频谱

从图5中可以看出：

（1） 匀速运动只有一根主谱线；

（2） 匀加速运动各个谱线都有，且谱幅度相等；

（3） 匀加加速运动各个谱线都有，且谱幅度参差不齐。

从时频分析图6中可以看出：

（1） 匀速运动随时间变化是根平线；

（2） 匀加速运动随时间变化是根斜线，斜率不变；

（3） 匀加加速运动随时间变化是根抛物线。

图6 典型测速信号的时频分析图

图7给出了某雷达跟踪目标时特定时间段的时频分析图，从图中可以直观地看出：目标经历了“匀加速运动”、“特征点动作散谱”、“匀加加速运动”、“特征点动作散谱”和“匀加速运动”的过程。

图7 某时间段时频分析图

通过对回波信号进行频率分析，对信号频谱的信噪比设置一门限。若信噪比不超过门限，则认为频谱异常，这时使用记忆外推完成速度加速度处理。

2.4 新测速方法处理流程

新测速方法处理流程如下：

（1） 通过测距回路的速度信息拟合出参考速度和加速度。

（2） 若为首次进入测速，则使用步骤（1）中获得的参考速度和加速度补偿当前回波[I，Q]否则使用上次预测的参考速度和加速度进行补偿。

（3） 通过对多个脉冲的回波进行FFT，求出剩余频率，并计算信噪比。

（4） 若步骤（3）中信噪比低于门限则使用记忆的速度和加速度信息，信噪比高于门限则测量出回波的速度和加速度信息。

（5） 把获得的速度信息和测距回路进行比较，若偏离一根谱线宽度，则使用测距速度进行再次拟合速度和加速度信息；否则预测下一个脉冲的速度和加速度信息。

新方法处理流程如图8所示。

3 仿真分析

针对某测控雷达跟踪目标所记录的回波数据，使用新测速方法进行仿真分析，并和常规测速方法进行比较，仿真结果如图9～图12所示。

其中，图9（a）为在该观测时间内目标回波时频图，可以看出在某些时刻，出现了频谱异常；图9（b）为新测速方法，和雷达常规测速结果进行比较，从图中能看出在频谱异常处，常规测速出现较大起伏，而新测速方法较为平稳；细节部分能从图10和图11看出来；图12为回波信号频谱平稳时间段内，新测速方法和常规测速比较，从图中能看出新测速方法测速随机差优于常规测速。

图11 第二段测速结果细节图

图12 回波频谱平稳时，测速结果比较图

4 结 论

通过对雷达实测数据进行新测速方法仿真，并和常规测速结果进行比较，使用新的测速方法，通过加长积累时间，提高了测速的信噪比，并使用HAF方法估计出目标的加速度和加加速度信息，补偿到回波信息中，就能够获得更精确的频率信息，从而提高了雷达测速精度，同时完善频谱异常检测方式，使得单脉冲测速方法具有更好的稳健性。

参考文献

[1] 王德纯，丁家会，程望东.精密跟踪测量雷达技术[M].北京：电子工业出版社，2006.

[2] 杰里 L 伊伏斯，爱德华 K 里迪.现代雷达原理[M].卓荣邦，杨士毅，张全金，等译.北京：电子工业出版社，1991.

[3] BARTON D K，LEONOV S A.Radar technology encyclopedia [M]. [S.l.]： Artech House， 1997.

[4] 徐敏.单脉冲测量雷达测速技术研究[J].现代雷达，2005，27（1）：58?61.

[5] 赵业福.无线电跟踪测量[M].北京：国防工业出版社，2003.

[6] PELEG S， PORAT B. Estimation and classification of polynomial?phase signals [J]. IEEE Transactions on Informtion Theory， 1991， 37（2）： 422?430.

[7] PELEG S， PORAT B. The Cramer?Rao lower bound for signals with constant amplitude and polynomial phase [J]. IEEE Transactions on Signal Processing， 1991， 39（3）： 749?752.

[8] 谭文群.改进的多分量多项式相位信号参数估计[J].计算机工程与应用，2011，47（4）：124?127.

[9] ZHOU G， GIANNAKIS G B， SWAMI A. On polynomial phase signal with time?varying amplitude [J]. IEEE Transactions on Signal Processing， 1996， 44（4）： 848?861.

[10] 佘沛，邵高平.一种基于HAF的多分量多项式相位信号参数估计算法[J].信息工程大学学报，2009，10（3）：372?375.

（2） 若为首次进入测速，则使用步骤（1）中获得的参考速度和加速度补偿当前回波[I，Q]否则使用上次预测的参考速度和加速度进行补偿。

（3） 通过对多个脉冲的回波进行FFT，求出剩余频率，并计算信噪比。

（4） 若步骤（3）中信噪比低于门限则使用记忆的速度和加速度信息，信噪比高于门限则测量出回波的速度和加速度信息。

（5） 把获得的速度信息和测距回路进行比较，若偏离一根谱线宽度，则使用测距速度进行再次拟合速度和加速度信息；否则预测下一个脉冲的速度和加速度信息。

新方法处理流程如图8所示。

3 仿真分析

针对某测控雷达跟踪目标所记录的回波数据，使用新测速方法进行仿真分析，并和常规测速方法进行比较，仿真结果如图9～图12所示。

其中，图9（a）为在该观测时间内目标回波时频图，可以看出在某些时刻，出现了频谱异常；图9（b）为新测速方法，和雷达常规测速结果进行比较，从图中能看出在频谱异常处，常规测速出现较大起伏，而新测速方法较为平稳；细节部分能从图10和图11看出来；图12为回波信号频谱平稳时间段内，新测速方法和常规测速比较，从图中能看出新测速方法测速随机差优于常规测速。

图11 第二段测速结果细节图

图12 回波频谱平稳时，测速结果比较图

4 结 论

通过对雷达实测数据进行新测速方法仿真，并和常规测速结果进行比较，使用新的测速方法，通过加长积累时间，提高了测速的信噪比，并使用HAF方法估计出目标的加速度和加加速度信息，补偿到回波信息中，就能够获得更精确的频率信息，从而提高了雷达测速精度，同时完善频谱异常检测方式，使得单脉冲测速方法具有更好的稳健性。

参考文献

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（2） 若为首次进入测速，则使用步骤（1）中获得的参考速度和加速度补偿当前回波[I，Q]否则使用上次预测的参考速度和加速度进行补偿。

（3） 通过对多个脉冲的回波进行FFT，求出剩余频率，并计算信噪比。

（4） 若步骤（3）中信噪比低于门限则使用记忆的速度和加速度信息，信噪比高于门限则测量出回波的速度和加速度信息。

（5） 把获得的速度信息和测距回路进行比较，若偏离一根谱线宽度，则使用测距速度进行再次拟合速度和加速度信息；否则预测下一个脉冲的速度和加速度信息。

新方法处理流程如图8所示。

3 仿真分析

针对某测控雷达跟踪目标所记录的回波数据，使用新测速方法进行仿真分析，并和常规测速方法进行比较，仿真结果如图9～图12所示。

其中，图9（a）为在该观测时间内目标回波时频图，可以看出在某些时刻，出现了频谱异常；图9（b）为新测速方法，和雷达常规测速结果进行比较，从图中能看出在频谱异常处，常规测速出现较大起伏，而新测速方法较为平稳；细节部分能从图10和图11看出来；图12为回波信号频谱平稳时间段内，新测速方法和常规测速比较，从图中能看出新测速方法测速随机差优于常规测速。

图11 第二段测速结果细节图

图12 回波频谱平稳时，测速结果比较图

4 结 论

通过对雷达实测数据进行新测速方法仿真，并和常规测速结果进行比较，使用新的测速方法，通过加长积累时间，提高了测速的信噪比，并使用HAF方法估计出目标的加速度和加加速度信息，补偿到回波信息中，就能够获得更精确的频率信息，从而提高了雷达测速精度，同时完善频谱异常检测方式，使得单脉冲测速方法具有更好的稳健性。

参考文献

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[10] 佘沛，邵高平.一种基于HAF的多分量多项式相位信号参数估计算法[J].信息工程大学学报，2009，10（3）：372?375.