收发分置连续波雷达关键技术试验研究

尹华桥,王顺喜

(1. 中国电子科技集团公司第三十八研究所,合肥230088；2. 61195部队,南京210008)

收发分置连续波雷达关键技术试验研究

尹华桥1,王顺喜2

(1. 中国电子科技集团公司第三十八研究所,合肥230088；2. 61195部队,南京210008)

主要论述了为解决收发分置连续波雷达的直达波抑制及高速目标的大时宽信号处理等关键技术,利用现有设备进行技术改造,建立试验系统开展直达波抑制和目标探测专题试验研究,通过实测直达波数据对收发分置连续波体制雷达的直达波抑制进行可行性分析,并通过探测实际目标回波数据处理分析对雷达工作波形设计、大时宽信号回波处理等关键技术进行了攻关验证。

连续波；雷达；直达波；大时宽信号

0 引 言

收发分置连续波体制雷达技术中,发射阵对接收阵的直达波影响不可避免,必须考虑采取直达波抑制技术。同时,该类雷达一般需具备对远距离高速小目标进行探测,设计时多采用发射大时宽信号的方法,而由于观测目标具有很高的速度和加速度,会造成回波线形调频斜率发生变化,同时目标在雷达发射脉冲的时间内跨越了多个距离单元,这将使接收的匹配滤波器和脉压处于失配状态。因此,对高速目标大时宽信号回波检测处理也必须进行专题研究。

为有效解决该种体制雷达的直达波抑制及高速目标的大时宽信号处理等关键技术,拟利用现有设备进行技术改造,建立试验系统开展直达波抑制和目标探测专题试验。通过实测直达波数据对收发分置连续波体制雷达的直达波抑制进行可行性分析,并通过探测实际目标回波数据处理分析对雷达工作波形设计、大时宽信号回波处理等关键技术进行攻关验证。

1 试验系统构建

基于该雷达的收发站分离,发射连续波体制,试验系统设备直接采用了某产品的样机系统进行改造,对波形设计、系统时序以及收发站同步等软硬件改造,通过记录仪采集接收目标回波数据后离线处理的方式完成多项试验任务。

试验系统观测目标方式如图1所示。该系统主要有发射车、接收车和电源车三部分组成,如图2所示。

图1 试验系统观测目标示意图

图2 试验系统组成框图

为满足试验要求,对原有系统进行改造如下：

(1) 波形设计与时序

采用信号源(E8267D)送激励信号方式实现发射不同形式信号需求,同时仪表需接一路10 MHz外部时钟和触发信号。

时序控制软件依据工作模式、工作状态的变动及时更改。

(2) 收发站时频同步

原样机工作时,发射车和接收车采用分时工作方式避免了直达波的干扰问题,现要利用该套设备对目标进行探测试验,发射站与接收站之间在满足直达波隔离要求的同时还必须保证同步工作,使两站之间的时频关系满足严格的相参关系,因此需要将收发站之间的光缆连接进行时频同步信号改动。

(3) 数据采集与存储

试验系统要求对探测目标的回波数据进行实时采集、存储,现有样机系统的数字接收机A/D采集板不能满足试验系统需求,采用外接合适的采集卡和大容量数据记录仪进行数据采集、存储和后续处理分析。

2 关键技术攻关试验

2.1 直达波抑制专题试验

因试验系统仅一路接收通道,拟采用以下两种方式进行直达波抑制专题试验。

(1) 单通道数据采集试验

直接采集接收机直达波数据,利用相邻两个周期的接收通道数据进行直达波对消处理。

直达波数据产生有两种方式：一是发射机不工作,直接将信号源输出射频信号接入接收机回波输入端,采集I、Q数据；二是发射机工作,通过接收发射站车副瓣直达波信号,采集实际回波I、Q数据,再进行后续处理。

(2) 双通道数据采集试验

因试验系统发射波形由信号源直接产生,可将接收的直达波数据与信号源输出信号做双通道同步采集,以信号源直接采集的I、Q数据作为参考信号进行直达波对消处理。

专题试验采集线性调频、相位编码等不同信号形式的直达波数据,并对其进行处理分析。

• 数据1：线性调频信号,信号源直接输入接收通道直达波数据,输入杂噪比大约16 dB,对消比约为14 dB,如图3所示。

(a)杂噪比16 dB输入信号

(b)对消前后比较

• 数据2：相位编码信号,信号源直接输入接收通道直达波数据,输入杂噪比约25 dB,对消比约为21 dB,如图4所示。

(a)杂噪比25 dB输入信号

(b) 对消前后比较

• 数据3：接收实际发射直达波数据,根据统计对消参考通道和目标通道幅度误差在12%以上,相位误差在10°以上。对消前后效果如图5所示。可见,直达波最强有大约17 dB,起伏很大,通过对消基本能达到噪声电平附近。

图5 直达波数据3处理结果

• 数据4：接收实际发射直达波+观测飞机目标回波数据。对于1 MHz线性调频信号,杂噪比7 dB,直达波对消约有5 dB,脉压后信噪比约有2 dB改善。如图6所示。

(a) 对消前后信号比较

(b) 对消前脉冲压缩结果

(c) 对消后脉冲压缩结果

通过仿真分析和实际数据处理结果分析,试验结论如下：

(1) 采用LMS改进算法可对直达波进行有效对消处理,但直达波对消改善与输入杂噪比有很大关系,杂噪比越高,对消比也越高；

(2) 雷达的直达波来源于发射站,其距离已知,对目标检测主要影响是直达波副瓣的大小。通过试验数据处理表明,本雷达采用的长时线性调频信号或相位编码信号都有很强的副瓣抑制能力,主副瓣比大约在40 dB以上,这一点可有效减小直达波对目标信号的影响；

(3) 直达波抑制采用了构建模拟信号作参考信号、信号源直接采集信号作参考信号及相邻重复周期作为参考对消通道的对消处理方法。通过对实际采集直达波数据的处理及目标检测,验证了直达波处理算法及性能。

2.2 大时宽信号回波处理专题试验

为了验证高速机动目标对各种波形的长时积累影响,在试验场拟使用试验系统对国际空间站目标(ISS)进行探测数据采集分析。但是,受试验设备、条件限制,空间站实际横穿合肥上空最近距离超过了试验系统的威力范围,因此无法发现目标,故通过观测民航目标来等效分析回波数据。

民航目标速度较慢。为了验证目标跨距离单元带来的失配损失以及补偿后的效果,采用了提高雷达信号带宽的做法,这样在目标速度较低的情况下可等效分析高速目标回波跨单元的效果。

2.2.1 大时宽信号失配仿真分析

当运动目标经过长时积累(ms量级)时,不仅仅多普勒会对脉冲压缩产生影响,目标还会在积累过程中出现跨距离单元。这些都会造成处理损失,如图7所示。

图7 不同速度、加速度脉冲压缩损失示意图(B=1 MHz,T=50 ms)

由上分析可知,当目标具有高初速度、高加速度的显著特征时,雷达信号采用LFM形式发射时会因高速运动带来近百千赫的多普勒频移和距离上的严重耦合；在对回波进行脉压时会因回波形状的畸变带来信噪比损失,其损失值与时宽和目标初速度有关,与目标运动加速度关系十分密切。

2.2.2 大时宽信号数据采集步骤

试验系统观测民航机采集大时宽信号回波信号,其步骤主要有：

(1) 信号源(E8267D)产生激励信号进行发射,对民航机进行探测；

(2) 通过塔台雷达引导数据包(Radar Box)输出的民航机实时数据(方位、仰角)引导雷达天线转动,使天线波束实时对准目标方向；

(3) 由试验系统的接收回波端引出一路射频信号接频谱仪,在频谱仪上观测目标回波信号；

(4) 发射信号波形首先用点频信号,在频谱仪上观测飞机目标多普勒频移信号,如发现目标信号,立即启动数据记录仪采集飞机目标数据；

(5) 目标采集数据分三步：一是点频信号数据采集,二是不同调制信号数据采集(通过信号源快速调用调制信号发射),三是仍回到点频信号数据采集(确定目标仍可检测到)；

(6) 采集多种信号形式目标探测数据进行后端离线处理。

2.2.3 大时宽信号采集数据处理分析

(1)B=5 MHz、T=100 ms线性调频信号

点频信号谱如图8所示，分析如下：目标fd=-6.2 kHz,速度约为v=-193.75 m/s,速度-距离耦合约为R=c×fd×T/(2B)=18.6 km。距离分辨率为c/2B=30 m,目标在100 ms积累时间内走动19.38 m,小于一个距离分辨单元。

图8 目标点频信号回波频谱

按照点频测得多普勒值,进行速度补偿。线性调频信号脉冲压缩效果如图9所示。

图9 目标线性调频信号回波脉冲压缩

速度-距离修正为45.4-26.81=18.59 km,信噪比改善为91.93-91.25=0.68 dB。

(2)B=30 MHz、T=100 ms线性调频信号

图10 目标点频信号回波频谱

点频信号谱如图10所示，分析如下：目标fd=-6.5 kHz,速度约为v=-203.125 m/s,速度-距离耦合约为R=c×fd×T/(2B)=3.25 km。距离分辨率为c/2B=5 m,目标在100 ms积累时间内走动20.31 m,跨越多个距离分辨单元。

按照点频测得多普勒值，进行速度补偿。目标回波信号线性调频速度补偿前后脉冲压缩如图11所示。

图11 目标回波信号线性调频速度补偿前后脉冲压缩对比图(红色为补偿后)

经过仿真分析和实际采集飞机目标回波数据处理分析,对线性调频大时宽信号的目标回波处理试验结论主要有：

(1) 目标高速运动带来的跨距离单元损失比较严重,必须进行补偿；

(2) 对线性调频信号回波处理,当运动目标经长时积累会出现跨距离单元,此时跨距离损失要远大于多普勒损失。在进行速度补偿时,不能简单地只进行多普勒补偿,还要进行跨距离补偿；

(3) 试验对目标回波的处理表明,目前已初步掌握了大时宽信号的目标检测和处理方法,同时采集的试验数据可为后续的进一步研究提供便利,可验证各种算法的有效性。

3 结束语

通过建立试验系统对收发分置连续波雷达的直达波抑制和大时宽信号回波处理关键技术进行了有效的攻关验证。但是,鉴于试验条件、试验设备的限制,对高速小目标的信号检测仍需在后续工程实践中进行更深入的研究。

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[5] 张贤达.现代雷达信号处理[M].北京:清华大学出版社,1995.

Research on a test system of key technologies of bistatic CW radar

YIN Hua-qiao1, WANG Shun-xi2

(1. No.38 Research Institute of CETC, Hefei 230088;2.Unit 61195 of the PLA,Nanjing 210008)

In order to solve the technical problem of the direct wave suppression and the large time-width signal processing of high-speed targets for the bistatic CW radar, a test system is built to carry out the test and study of the special subjects on the direct wave suppression and the target detection through the technical innovation of the existing equipment. The feasibility of the direct wave suppression for the bistatic CW radar is analyzed through the direct wave data measured. Besides, the key technologies such as the waveform design and the large time-width signal echo processing are verified through the processing and analysis of the target echo data.

CW; radar; direct wave; large time-width signal

2014-10-20；

2014-11-03

尹华桥(1966-),男,高级工程师,研究方向：雷达系统；王顺喜(1978-),男,工程师,硕士,研究方向：电磁场与微波技术。

TN958.94

A

1009-0401(2014)04-0023-04