基于多调频斜率单脉冲信号的多目标参数测量

彭玲玉，王建卫

(南京电子技术研究所，　南京 210039)



基于多调频斜率单脉冲信号的多目标参数测量

彭玲玉，王建卫

(南京电子技术研究所，南京 210039)

摘要：对多目标的高精度参数测量是雷达面临的重要挑战。文中在分析线性调频信号距离-多普勒耦合效应的基础上，对传统的正负调频斜率脉冲信号实现单目标参数测量算法进行改进，提出一种利用多调频斜率合成脉冲信号实现多目标参数测量方法，解决了传统方法只能适用于单目标环境下的局限性，实现高精度多目标距离、速度测量，更好地抑制了虚假目标的出现，有效解决了线性调频信号脉冲压缩带来的距离走动误差。仿真验证了该方法的有效性，且具有良好的测量精度和稳定的抗干扰性能。

关键词：多调频斜率合成脉冲信号；多目标；参数测量；脉冲压缩

0引言

作为常用雷达信号之一，相对于其他发射信号，线性调频信号具有很多优点：能够获得较大的时宽带宽积，而且很容易用数字技术产生，技术上比较成熟；信号处理系统简单，并且可以通过改变信号极性和斜率得到较好的抗干扰能力[1]。但是线性调频信号经过脉冲压缩后具有很强的距离多普勒效应，会产生距离多普勒耦合[2]，使得距离量测有一定偏差(偏差和径向速度与耦合系数有关)，为后续的目标状态估计和数据互联带来较大影响。

对距离-多普勒耦合测距误差进行修正的常用方法有两种。一种为数据处理方法，将耦合系数引入卡尔曼滤波器(EKF)的测量方程，在滤波器中对目标的径向速度进行估计。文献[3]采用EKF和无迹卡尔曼滤波器的方法进行带距离多普勒耦合距离走动的滤波，距离精度有很大改善，但对于高耦合系数和高速目标也不再适用。也可以先不考虑耦合的影响，让滤波器在有偏条件下进行滤波和估计，然后用估计的径向速度对距离进行修正，但在高耦合系数时精度较低。另一种为速度估计算法，常见方法是发射信号采用正负调频斜率脉冲信号，回波信号经过脉冲压缩处理后得到未修正的距离测量值，根据正负调频信号脉冲压缩距离走动误差大小相等、正负相反的特性得到真实目标距离值，从而实现对目标的参数估计。这种方法的突出特点是算法简单，实现起来方便，适用于实时应用。文献[4]将频域上互不重叠、耦合系数不同的两个线性调频发射脉冲相干合成一个脉冲信号，根据脉冲压缩的频率选通特性实现测速，获得很好的测速精度，但是增加了实际系统的复杂程度。

上述提及的方法在单目标环境下非常有效，但在多目标环境下则不再适用。实际战情中，雷达探测范围内一般均存在多个目标。因此，解决多目标参数估计问题更具有实际意义。本文提出一种多调频斜率合成的脉冲信号，根据距离-多普勒耦合偏差的计算公式建立方程组，利用逐次筛选方法识别真实目标，得到多目标环境下脉冲信号对目标参数估计的新算法，并通过仿真试验证明了算法的有效性。

1正负调频斜率信号单目标参数测量模型

正负调频脉冲信号是常用的线性调频脉冲信号，若信号脉冲宽度为τ，载波中心频率为f0，频率从f1～f2变化，K为调频斜率，其波形示意图如图 1所示。

图1　典型的正负调频脉冲波形示意图

设雷达在第n+1个脉冲周期内发射的正负调频脉冲信号为

(1)

假定目标模型为R(t)=R0-vt，其中，R0为目标距离雷达的初始距离，v是目标的径向速度(设定远离雷达为正)，c为光速。目标的瞬时回波延迟td[5]可表示为

(2)

一般情况下v≪c，有

(3)

因此，雷达接收到的第n+1个周期的正负调频斜率回波信号为[6]

(4)

(5)

假设多普勒频移为fd，则线性调频信号的载波中心频率应为

(6)

可得

(7)

(8)

式中：R′为修正后的真实距离；R为修正前的测量距离。

图2　距离100 km、径向速度2 km/s时的距离走动情况

2多调频斜率合成脉冲信号多目标参数测量模型

2.1多调频斜率合成信号发射模型

多目标环境下，回波信号经过脉冲压缩后包含了所有目标的参数信息，正负调频斜率估计目标参数法容易因距离配对错误导致虚假目标的产生。因此，上述方法不能解决多目标参数估计问题。为了能在多目标环境下精确获得距离和速度信息，我们提出一种利用三个调频斜率合成的脉冲信号作为发射信号。该发射信号S(t)由三个具有不同调频斜率的信号组成

(9)

S(t)=Sa(t)+Sb(t)+Sc(t)

(10)

其中

假设存在n个目标，雷达接收到的回波信号Sr(t)是n个目标回波信号的叠加，将发射信号经过n个目标后得到的回波进行多通道处理，大致处理流程如图3所示。回波信号分别经过三个匹配滤波器Sa(t)、Sb(t)、Sc(t)进行脉冲压缩处理后得到三个一维距离像。

图3　系统处理流程示意图

每个一维像距离都有n个峰值，这n个峰值分别对应n个目标未修正的距离信息。假设这3组未修正的距离信息分别为Ra、Rb、Rc，并且有

(11)

其中

(12)

式中：i,j,m,p,q,x∈[1,n]。

图4是雷达探测范围内存在三个目标情况下的距离一维像。

图4　3个目标时得到的距离一维像

2.2逐次筛选距离配对法实现多目标参数测量

(13)

则该目标的真实距离

(14)

径向速度

(15)

从上述分析可知，只要正确配对每一个目标距离的三次测量值，即可以完成对速度、距离信息的测量。利用上述特性，本文提出一种逐次筛选法来实现距离正确配对[8]。具体算法描述如下：

(1)Ra={r11,r12,…,r1n}，Rb={r21,r22,…,r2n}，Rc={r31,r32,…,r3n}中所有配对情况有n3种。计算出所有可能的n3种配对情况下使

(16)

值最小的一组距离配对(i,j,m∈[1,n])，此处假设距离配对为r1p,r2q,r3x(p,q,x∈[1,n])。

(3)从Ra、Rb、Rc中分别剔除r1p,r2q,r3x，Ra={r11,r12,…,r1(n-1)}，Rb={r21,r22,…,r2(n-1)}，Rc={r31,r32,…,r3(n-1)}中所有配对情况有(n-1)3种，重复步骤1～2，直至得到n个目标的距离速度信息。

算法流程图如图5所示。

图5　逐次筛选距离配对算法流程图

该算法的三次距离提取均是在同一时间点完成的，避免了由于目标加速度的影响而导致的测距误差。因此，比一般方法测量精度更高，也更具有实用性。如果有多个目标距离非常相近但速度不同，但是根据距离-多普勒耦合偏差公式可知，距离走动并不相等，并且每次判断只检测出一个目标，所以还是可以准确得到所有目标信息。

3仿真试验

图6　3个目标的距离速度信息

连续观测多个回波脉冲进行仿真处理，测得的距离与速度图像情况如图7～图10所示(M=50)。

图7　50个脉冲测距曲线

图8　50个脉冲测速结果

图9　绝对速度误差曲线

图 6表明：通过逐次筛选距离配对法得到的3个目标的距离速度信息与真实值几乎完全重合，证实了

本文算法在多目标环境对于目标参数估计的有效性。多个连续脉冲测速的仿真结果表明：该算法在多目标环境下对于目标参数准确估计是完全可行的，径向速度测量误差可以维持在小于0.1 m/s的量级甚至更小，显然这个精度对于雷达修正多普勒耦合距离、准确建立航迹、多目标跟踪过程有重要的意义，充分验证了本文提出的算法的有效性。

4结束语

本文在传统脉冲信号对于单目标测速测距的基础上，提出了一种利用多个调频斜率信号合成的脉冲信号实现对多目标参数测量的算法。该算法利用对回波信号采取多通道处理方式后逐次筛选距离配对实现多目标速度距离估计，有效避免了处理过程中虚假目标的产生，进一步提高了参数测量的精度。仿真验证了该方法的有效性，表明具有良好的测量精度和稳定的抗干扰性能。

参 考 文 献

[1]向敬成，张明友. 雷达系统[M]. 北京： 电子工业出版社, 2001.

XIANG Jingcheng, ZHANG Mingyou. Radar systems[M]. Beijing：Publishing House of Electronics Industry，2001.

[2]胡红军. 脉冲压缩雷达距离多普勒耦合对测距影响分析[J]. 现代雷达， 2011, 33(12)：47-50.

HU Hongjun. Range error analysis of range-Doppler coupling effect to LFM radar[J]. Modern Radar，2011, 33(12)：47-50.

[3]黄强，王建卫. 线性调频信号高耦合系数条件下的目标跟踪[J]. 现代雷达, 2014,36(8)：22-25.

HUANG Qiang, WANG Jianwei. Target tracking on linear frequency modulation signal and high coupling coefficient[J]. Modern Radar，2014,36(8)：22-25.

[4]赵锋，王雪松，肖顺平. 高耦合系数条件下径向速度测量的新方法[J]. 信号处理, 2008,24(3)：460-463.

ZHAO Feng， WANG Xuesong, XIAO Shunping. A new method of radial velocity measurement in the case of high coupling coefficient[J]. Signal Processing，2008, 24(3)：460-463.

[5]冯德军，王雪松，肖顺平，等. 基于单个宽带脉冲的空间目标测距和测速方法[J]. 信号处理， 2006, 22(1): 73-77.

FENG Dejun, WANG Xuesong, XIAO Shunping, et al. Method of measuring range and velocity of space target based on single wideband pulse[J]. Signal Processing，2006, 22(1): 73-77.

[6]瞿冬霞. LFM脉冲雷达回波模拟和处理的研究[D]. 南京: 南京理工大学, 2010.

QU Dongxia. Research on LFM pulsed radar echo simulation and processing[D]. Nanjing: Nanjing University of Science and Technology, 2010.

[7]史林，张琳. 调频连续波雷达频域配对信号处理方法[J]. 西安：西安电子科技大学学报，2003，30(4): 534-538.

SHI Lin, ZHANG Lin. The signal processing based on the partner for frequency modulation continus wave radars[J]. Xi′an: Journal of Xidian University， 2003，30(4): 534-538.

[8]徐涛，金昶明，孙晓炜，等. 一种采用变周期调频连续波雷达的多目标识别方法[J]. 电子学报，2002, 30(6): 861-863.

XU Tao, JIN Changming, SUN Xiaowei, et al. Novel method to identify multitarget by FMCW radar[J]. Acta Electronica Sinica，2002, 30(6): 861-863.

[9]张光义. 相控阵雷达原理[M]. 北京：国防工业出版社, 2009.

ZHANG Guangyi. Principles of phased array radar[M]. Beijing：National Defense Industry Press，2009.

彭玲玉女，1989年生，硕士研究生。研究方向为通信与信息系统。

王建卫男，1974年生，博士，高级工程师。研究方向为雷达数据处理、数据融合等。

Measurement of Multi-targets′Parameters byUsing Synthesized LFM Pulse

PENG Lingyu，WANG Jianwei

(Nanjing Research Institute of Electronics Technology,Nanjing 210039, China)

Abstract：High-precision measurement of multi-targets′ parameters is an important challenge for radar. Based on the analysis of the linear frequency modulation(LFM) signal range-Doppler coupling effect, the traditional algorithm using positive and negative frequency modulation pulse signal to estimate the single target′s velocity and range is improved. In this paper, a novel method is presented, using multiple chirp rate synthesized LFM pulse to measure the multi-targets′ parameters. It solves the limitations that the traditional method can only be applied to single-target environment, and achieves high precision of range and velocity measurement. It makes it convenient to compensate the LFM signal′s distance error, and avoids those false targets. The computer simulation proves that the method is practical, and shows good measuring precision and stability robustness.

Key words：multiple chirp rate synthesized linear frequency modulation pulse; multi-objects; parameters measurement; pulse compression

中图分类号：TN957.52

文献标志码：A

文章编号：1004-7859(2016)02-0047-04

收稿日期：2015-10-26

修订日期：2015-12-28

通信作者：彭玲玉Email：plyyeah91@163.com

DOI：·数据处理· 10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.02.011