一种跟踪雷达相位编码信号的多普勒补偿方法

邢冠培，孟凡利，夏 青

（1.上海航天电子技术研究所，上海 201109；2.驻上海航天局804所军事代表室，上海 201109）

一种跟踪雷达相位编码信号的多普勒补偿方法

邢冠培1，孟凡利1，夏 青2

（1.上海航天电子技术研究所，上海 201109；2.驻上海航天局804所军事代表室，上海 201109）

在M序列码信号脉冲压缩中存在着多普勒频率敏感问题，需要对多普勒频率进行补偿。在分析多普勒敏感性原因的基础上，提出了一种跟踪雷达补偿算法，可以同时补偿脉内多普勒和脉间多普勒，消除目标速度的影响，适用于高速远距离目标，易于工程实现且不影响后继动目标处理。通过MATLAB仿真证明了这一算法的正确性与可行性。

相位编码；脉冲压缩；多普勒频率

0 引言

线性调频信号和相位码信号是脉冲雷达最常用的2种脉冲压缩信号，相比而言，后者在脉冲雷达中应用的较少，最主要的原因就就是目标的多普勒频移会严重破坏相位编码信号的相关性［1，2］。随着对雷达抗干扰性的要求越来越严格，作为低截获概率信号的相位编码信号会被越来越重视。它不仅抗干扰性强，而且由于其模糊图为图钉形，具有很高的时延和多普勒分辨能力，没有距离—多普勒耦合问题［3，4］。

相位编码信号的多普勒敏感性是其主要缺点，可采用补偿方法进行解决。多普勒频率补偿就是对回波信号中包含的多普勒频率进行补偿，以消除多普勒频率在脉冲压缩中造成的不利影响［5］。

目前多普勒补偿的主要方法是采用多通道多普勒滤波器组进行多普勒估计，该方法优点是不需要已知目标的多普勒信息［6，7］；缺点是补偿精度低，运算量大且不适用于高速远距离目标。本文针对跟踪雷达的特殊性，可通过信号处理或数据处理得到目标的多普勒信息，采用多普勒直补方法，用于已知目标速度的跟踪波位进行多普勒补偿，不仅大大减少了运算量节省了硬件资源，还提高了补偿精度。该方法较好地解决了相位编码的多普勒敏感性问题。

1 多普勒敏感性分析

一般相位编码信号的复数表达式为：

式中，f0为载波信号的频率；φ（t）为相位调制函数，对二相编码信号来说，φ（t）只有0和π两个取值；a（t）为复包络幅度，一般取1。

经过混频后的视频回波信号表达式为：

式中，tr为回波延时，反映目标距离信息；fd为目标多普勒频率，反映目标速度信息；φ0为初始相位。

经过脉冲压缩后的多普勒损失为：

式中，N为码元个数；τ为码元宽度［8，9］。

有无多普勒频率的时域和脉冲压缩幅度对比图如图1所示。信号为63位M序列码，码元宽度为0.25μs，波长为3 cm，多普勒速度v=500 m/s，可见由于多普勒影响，主瓣损失了4.37 dB。

图1 M序列码多普勒影响对比

不同脉宽和多普勒频率的脉压后多普勒损失如表1和表2所示，码元个数N取值为31～1 023，多普勒速度为5～1 000 m/s，可见随着码元个数的增加（对应远距离目标）和多普勒速度的提高（对应目标速度），脉压损失会急剧增加，以至脉压主瓣消失无法检测目标。

表1 多普勒损失表（1）

表2 多普勒损失表（2）

2 补偿原理及算法分析

多普勒效应分为脉间多普勒和脉内多普勒。脉间多普勒是指相邻脉冲重复周期的2个脉冲在“慢时间”间隔产生的多普勒频移；脉内多普勒是指单个脉冲内部相邻距离单元之间在“快时间”内产生的多普勒频移。对相位编码信号，较小的脉内多普勒频移也会造成匹配滤波器失配，正如上节分析所述，因此要消除脉内多普勒。而脉间多普勒如果也同时消除，那么回波中便不再含有多普勒信息，以致后面无法进行动目标处理，因此多普勒补偿就是要补偿掉脉内多普勒并保留脉间多普勒。

传统补偿算法是利用目标多普勒信息，产生一个负向多普勒频率补偿信号，与回波信号相乘以抵消掉目标中的多普勒信息。

传统多普勒补偿信号为：

与回波信号相乘后为：

可见补偿后的回波信号已不再含有目标多普勒频率fd，因此不会影响脉冲压缩性能，但完全补偿掉多普勒频率后，后续无法进行动目标处理或相参积累，这对跟踪雷达来说是无法接受的。提出一种脉内多普勒补偿方法，既消除脉内多普勒，使脉冲压缩不受影响，又保留脉间多普勒，使动目标处理能够正常进行。

脉内多普勒补偿信号为：

式中，T为脉冲重复周期；rem是取余符号，就是对每个脉冲补偿相同的补偿信号，使不同脉冲相同距离单元的补偿角度相同，相同距离单元间的相位关系不变，以保留目标回波中的脉间多普勒信息，并且补偿了脉内多普勒信息。

与回波信号相乘法后为：

式中，floor是取整符号，M=floor（t/T）为脉冲编号（取值：0，1，2，3…）。可见补偿后消除了脉内多普勒信息，只是增加了固定的相位2πfd∗T∗M，且保留了脉间多普勒信息，相邻脉冲间的相位差为2πfd∗T。

3 仿真及实现

仿真条件如下：信号为63位M序列码，码元宽度为0.25μs，波长为3 cm，多普勒速度v=500m/s，快、慢时间域采样点数分别为63和8。有无多普勒频率补偿的脉冲压缩和动目标处理（FFT）后幅度对比图如图2所示。可见应用了多普勒补偿后，消除了脉内多普勒信息使脉压后主瓣减少损失4.37 dB，而且保留了脉间多普勒信息使动目标处理后主瓣减少损失了1.8 dB。

图2 多普勒补偿前后对比

多普勒补偿实现原理如图3所示。根据数据处理提供的目标多普勒频率，通过数字NCO产生对应频率的复频率信号sc2（t），再与目标信号sr（t）相乘以消除目标中的多普勒频率，最终再对无多普勒频率的信号进行脉冲压缩。由于后面还要进行动目标处理，因此单个脉冲内部的脉内多普勒可以消除，但多个脉冲相同距离单元之间的多普勒信息却一定要保留，因此通过零公里信号rrp进行控制数字NCO，使每个PRT开始从相位零重新开始补，以保证多个脉冲之间保留脉间多普勒信息。

图3 多普勒补偿实现原理

4 结束语

本文给出了一种跟踪雷达相位编码信号多普勒补偿方法，可以根据数据处理或其他途径给出的目标速度信息对跟踪波位进行多普勒补偿。通过仿真实验证明能够满足相位编码多普勒补偿的全部要求，既消除了对脉压处理精度影响的脉内多普勒信息，同时还保留了后续动目标处理所需要的脉间多普勒信息。仿真数据表明，这种算法可以精确地补偿目标多普勒的影响。该方法也已成功应用于跟踪雷达信号处理中。对于其他一些已知目标粗略多普勒信息的场合，该算法同样适用。

［1］ 王毅鹰，苏 兮.基于m序列信号的多普勒补偿方法［J］.现代雷达，2007（2）：48－51.

［2］ 卢护林，冼友伦，苏 涛.一种相位编码信号多普勒补偿方法的研究与实现［J］.火控雷达技术，2009，38（1）：23－25.

［3］ 张宏伟，任新涛，汤宫民，等.一种新的相位编码信号多普勒补偿算法研究［J］.中国测试，2013，39（2）：10－13.

［4］ 胡英辉，郑 远，耿旭朴，等.相位编码信号的多普勒补偿［J］.电子与信息学报，2009，31（11）：2 596－2 599.

［5］ 岳 兵.一种非线性调频脉冲压缩的多普勒补偿方法［J］.信息化研究，2009，35（5）：45－46.

［6］ 孙东延，陶建锋，付全喜.相位编码信号的多普勒补偿［J］.空军工程大学学报（自然科学版），2000，1（1）：47－49.

［7］ 田黎育，刘 斌.基于DMTD多普勒补偿的互补码脉冲压缩［J］.北京理工大学学报，2013，33（1）：105－110.

［8］ 卢护林.二相位编码信号旁瓣抑制及多普勒补偿算法研究［D］.西安：西安电子科技大学硕士论文，2009.

［9］ 张艳艳.雷达相位编码信号的研究和应用［D］.西安：西安电子科技大学硕士论文，2007.

Doppler Compensation Method Based on Phase-Coded Signal in Tracking Radar

XING Guanpei1，MENG Fanli1，XIA Qing2
（1．Shanghai Aerospace Electronic Technology Institute，Shanghai 201109，China；2．The Military Representative Office stationed in No．804 Institute of SAST，Shanghai 201109，China）

Doppler frequency compensation is necessary in phasecoded signal pulse compression because of Doppler frequency sensitivity.Based on analyzing Doppler frequency sensitivity，a tracking radar compensation algorithm is proposed，it can compensate both Doppler in pulse and Doppler between pulses and eliminate the affect ofmoving target.It is applicable to highspeed and distant target.It’s easy to implement and doesn’t affect forward moving target processing.The MATLAB simulation show that thismethod is effective andfeasible.

phase-coded signal；pulse compression；Doppler frequency

TN958.2

A

1003－3106（2015）09－0017－03

10.3969/j.issn.1003－3106.2015.09.05

邢冠培，孟凡利，夏 青.一种跟踪雷达相位编码信号的多普勒补偿方法［J］.无线电工程，2015，45（9）：17－19.

邢冠培男，（1979—），工程师。主要研究方向：雷达数字信号处理与数据处理。

2015-06-16

孟凡利男，（1981—），高级工程师。主要研究方向：雷达数字信号处理。