一种简易的LFM脉冲雷达动目标检测方法

吴恙，杨维明，宗爱华，张唯，彭菊红

（湖北大学计算机与信息工程学院，湖北武汉430062）

0 引言

线性调频（LFM）脉冲压缩雷达在发射端发射宽脉冲信号，在接收端将回波脉冲经过匹配滤波后获得窄脉冲，脉冲压缩可在不降低雷达探测距离的前提下有效提高雷达目标距离分辨力.为提高LFM脉冲雷达的动目标检测能力，常采用数字对消（DMTI）技术进行杂波抑制.DMTI系统实现简单，但主要针对固定杂波进行抑制，未对目标回波进行匹配滤波，其对低速动目标信号检测能力较弱.动目标检测（MTD）系统对低速动目标信号检测能力较强，但对零频附近的杂波抑制能力不理想，且滤波器设计复杂.

本文中针对LFM脉冲雷达提出一种简易的动目标检测信号处理方案，即先将回波信号进行脉冲压缩，再经过DMTI进行一次对消以抵消固定杂波，然后采用FFT滤波器组处理剩余信号，实现对目标回波的相干积累和对背景噪声的非相干积累，从而提高信噪比.①

1 LFM脉冲压缩及仿真

脉冲压缩雷达发射时采用线性调频脉冲信号，接收时采用匹配滤波器压缩脉冲，获得最大的信噪比.线性调频脉冲信号可以表示为[1]：

式中，T代表脉冲宽度，f0代表中心频率.由匹配滤波器理论可知，当信噪比达到最大时，滤波器的脉冲响应为：

其中t0是滤波器的时延.

LFM脉冲雷达系统仿真模型设置如下[2]：

1）假设距离雷达18 000m处有一速度为30m/s的动态目标，24 000m处有一速度为100m/s的动目标，36 000m处有一静目标；

2）脉冲雷达信号采用线性调频信号，带宽为2 MHz，时宽为60 μs，脉冲重复周期（PRT）为360 μs.仿真出回波信号图形如图1所示.

从图1可看出，3个回波信号分别出现在120μs、160μs和240μs时刻，即分别出现在18 000m、24 000 m和36 000m处，与理论吻合.36 000m处的动目标从240μs持续到300μs，即一个脉冲持续周期，前2个回波脉冲部分重叠，难以分辨.

图1 LFM回波信号波形

将产生的回波信号作为匹配滤波器的输入，经过匹配滤波器，得到脉冲压缩的结果，仿真结果如图2所示.图2为采用时域脉冲压缩所得结果，可以看出，3个目标信号经过脉冲压缩后均可分辨出来.

图2 时域脉冲压缩波形

2 DMTI原理与仿真分析

在LFM脉冲雷达系统中，静目标回波信号多普勒频移为零，每个脉冲重复周期回波信号的幅值都相等，将不同周期回波脉冲相减，结果为零，达到静杂波抵消的目的[2-3].最简单的DMTI是将相邻的两个回

回波信号经过脉冲压缩，再经过单延迟线对消器处理，结果如图3(a)所示.由图3(a)可看出，36 000m处的静目标被抵消了，2个动目标显示输出，18 000m处低速目标受到抑制.将脉压回波经双延迟线、三延迟线、四延迟线对消器处理后的输出结果分别如图3（b)、图3（c)和图3（d)所示.

图3 双延迟线对消器对消结果

从图3仿真结果可看出，随着延迟线数目的增加，高速目标输出信噪比大幅提高，低速目标信号的损失增大.研究表明，对一般的动目标检测系统，采用二次对消器即可[4].

3 DMTI级联FFT滤波器组的MTD滤波器

3.1 FFT滤波器组原理分析DMTI抑制了固定杂波而未对动目标进行匹配滤波，为了更好地抑制云和鸟群等杂波，必须对回波脉冲进行匹配滤波，即对DMTI滤波器输出脉冲串进行相参积累，以达到动目标检测的目的.在DMTI后串接一组频率部分重叠、且覆盖0～fr范围的窄带滤波器组即可实现不同通道脉冲的相参积累，其组成框图如图4所示.

图4 窄带滤波器组模型

滤波器组输出Y（k）与输入信号x(i)关系为：

(7)式中，当N取2的整数次幂时，正好可用FFT实现.第n个滤波器的幅频响应为：

滤波器组中每个滤波器的中心频率相对于前一个相邻滤波器后移frN.若将脉冲压缩后的信号直接经FFT滤波器组处理，在前述仿真参数下，脉冲压缩后得到的信号作为32脉冲FFT滤波器组输入，输出结果如图5所示.

图5 脉压信号经32点FFT滤波结果

图6 脉压信号经一次对消和32点FFT滤波结果

由于FFT滤波器组在零频处没有凹口，所以静目标未被对消，FFT带通滤波器组中滤波器的副瓣较高，可用窗函数加权的方法进行抑制，其中，用矩形窗加权相当于对输入信号直接进行FFT处理，此时，滤波器组主瓣最窄，但主副瓣比最小；采用其他的窗函数加权时，滤波器组的主瓣宽度、增益损失以及旁瓣电平不能兼顾，应根据不同的杂波环境来对窗函数进行调整，增加了实现的难度[5].

3.2 DMTI级联FFT滤波器组仿真分析为降低系统实现难度，本文中没有采用窗函数加权的MTD方案，而采用DMTI级联FFT滤波器组，提高检测性能.考虑到双延迟线对消器对低速动目标信号损失较大，本文中采用单延迟线DMTI串联FFT滤波器组的方法实现动目标检测，即先将回波信号进行脉冲压缩，然后经单延迟线对消器抑制地物杂波，再经过32脉冲FFT滤波器组处理剩余信号，实现对目标回波的相干积累和对背景噪声的非相干积累，从而提高信噪比，其仿真输出结果如图6所示.

由图6可看出，地杂波被对消了，2个动目标均被检测输出.与单纯采用一次对消器相比，其中18 000m处的动目标输出信噪比明显提高，但与单纯采用FFT滤波器组相比，在增加一次对消后其幅度有所降低；而24 000m处的动目标输出信噪比提高幅度更大，与单纯采用FFT滤波器组相比，在增加一次对消滤波器后其幅度有所增加.

综上分析可知：级联DMTI后，远离DMTI通带中心处的MTD滤波器，输出增益变化较大，如零频和脉冲重复频率整数倍处增益变为零；位于DMTI通带中心处的MTD滤波器，其对FFT滤波器组主瓣上的目标增益变化较小，其中低速目标输出信噪比有所降低，高速目标输出信噪比进一步提高，从统计平均意义上，级联DMTI后基本不改变原FFT滤波器组的增益[6].

4 结论

本文中采用脉冲压缩与DMTI以及FFT滤波器组级联的方法实现了LFM脉冲雷达回波信号的动目标检测.研究结果表明：采用脉冲压缩技术可提高系统对动目标的分辨能力；同时采用DMTI技术后，可进一步抑制地杂波，随着DMTI延迟线数目的增加，对地杂波有更强的抑制能力，但增大了低速目标信号损失；与单纯采用DMTI滤波器相比，本文中设计的MTD滤波器输出信噪比明显提高，但与单纯采用FFT滤波器组相比，级联DMTI滤波器后，低速目标输出信噪比有所降低，高速目标输出信噪比进一步提高.总体上看，级联DMTI后基本不改变原FFT滤波器组的目标检测能力，但增强了对地杂波的抑制能力.

[1]林茂庸，柯有安.雷达信号理论[M].北京：国防工业出版社，1984：20-100.

[2]杨万海.雷达系统建模与仿真[M].西安：西安电子科技大学出版社，2007：168-170.

[3]Gilon S.Design of MTIradaron the basis of detection probability[J].IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems，1979(3):106-110.

[4]胡可欣，胡爱明.自适应旁瓣对消在雷达中的应用[J].火控雷达技术，2006，35(2)：42-45.

[5]周亚飞，赵修斌，邹鲲.FFT-MTD滤波器组优化设计与仿真[J].现代防御技术，2011，39(2)：160-163.

[6]尹成斌，陈希信.MTI级联 MTD 的信噪比增益[J].现代雷达，2012，34（5）：23-25.