一种提高LFMCW体制雷达测距精度的方法

张宏宇，王冬华,李云飞,尚 娟,张 恒

(1. 海军指挥所指挥技术保障室，北京 100841；2. 中国船舶重工集团公司第七二四研究所,南京 211153)

一种提高LFMCW体制雷达测距精度的方法

张宏宇1，王冬华2,李云飞2,尚 娟2,张 恒2

(1. 海军指挥所指挥技术保障室，北京 100841；2. 中国船舶重工集团公司第七二四研究所,南京 211153)

为了消除距离-速度耦合现象对LFMCW体制雷达测距模糊及精度的影响,雷达发射信号形式采用对称三角LFMCW信号,利用运动目标在上/下扫频段频谱的对称性仿真验证了单目标环境下去距离-速度耦合的有效性,提高了雷达的测距精度。针对多目标环境下对称三角LFMCW体制雷达上/下扫频段目标配对问题,提出了一种联合MTD通道检测结果与目标距离信息的方法进行上/下扫频段目标的准确配对,从而实现对多目标去距离-速度耦合。仿真结果证明了该方法的有效性。

LFMCW雷达;距离-速度耦合;动目标检测

0 引 言

线性调频连续波(LFMCW)体制雷达具有质量轻、体积小、结构简单、分辨力高、无距离盲区等优点,从而在近距离、高分辨场合得到越来越广泛的应用[1-2]。但是,由于雷达采用了线性调频波形,其模糊函数固有的距离-速度耦合特性导致雷达对目标及距离和速度的测量存在模糊现象,严重影响了雷达的测距精度[3]。针对LFMCW体制雷达的局限性,本文首先分析了距离-速度耦合现象。为了实现距离-速度的去耦合,雷达发射信号采用对称三角LFMCW信号[4],然后分析并仿真验证了采用此发射信号形式时单目标情形下去距离-速度耦合的有效性。针对多目标情形下上/下扫频段目标配对问题,提出了联合利用MTD各通道检测结果与目标距离信息来实现目标配对的方法。仿真验证了多目标情形下目标配对方法的有效性,提高了雷达的测距精度。

1 LFMCW雷达距离-速度耦合

设LFMCW雷达发射信号有效时宽为T,其最大探测距离为Rmax,则目标最大回波时延

如图1所示,第k周期发射信号形式为

(1)

其中,A0、φ0分别为发射信号的振幅和随机初相;f0为发射信号中心频率;μ=B/T为调频斜率,B为发射信号有效带宽;Tr为信号重复周期[5]。

图1 LFMCW雷达发射信号示意图

假设目标距雷达R0,径向速度为v,则目标模型为

(2)

那么，目标回波延迟为

(3)

其中τ0=2R0/c为目标回波起始延迟时间。第k周期目标回波信号可以表示为

(4)

(5)

其中,ΦR(t)为第k周期目标回波信号的瞬时相位,Kref为目标反射系数。为了得到第k周期的差拍信号,将SR(t)与ST(t)进行混频,则差拍信号为

(6)

(7)

因为τ(t+kTr)=τ0+(2v/c)(t+kTr),带入式(7),化简后得

(8)

(9)

在距离轴上进行FFT运算,频谱峰值出现在fR处,因此测定目标的距离为

R0+fdT(c/2B)

(10)

与目标实际距离相差fdT(c/2B),偏差大小与目标的多普勒速度fd有关,从而不能精确测量运动目标的距离信息。这就是LFMCW雷达的距离-速度耦合问题[6]。

2 对称三角LFMCW信号

为了提高LFMCW雷达的探测精度,必须解决距离-速度耦合问题。雷达发射信号形式采用对称三角LFMCW信号,可以有效解决距离-速度耦合问题。

2.1 单目标

2.2 多目标

对于单目标情形,不存在上/下扫频段目标间的配对问题。但是,在多目标情形下,只有实现了上/下扫频段目标间的正确配对,才能有效去距离-速度耦合,提高目标的测量精度。

图2 上/下扫频段目标配对示意图

MTD可以将同一距离不同速度的目标区分开来,使各目标从MTD不同通道输出,同时结合各目标的距离信息,可以有效实现上/下扫频段目标间的正确配对。目标配对示意图如图3所示。

首先将上/下扫频段中从同一MTD通道输出目标分为一类,然后在每个分类中进行上/下扫频段目标间的距离比较,距离相差最小的实现配对,最后输出配对结果。

图3 目标配对示意图

(1) 上/下扫频段MTD通道间配对

将上扫频段与下扫频段同一通道处目标归为一类。若i=k,则

其中Li表示第i通道类集。

(2) 上/下扫频段同一通道内目标距离配对

3 仿真分析

3.1 单目标仿真分析

假设目标距离雷达为30km,径向速度为200m/s。雷达发射信号形式为对称三角波调制LFM信号,工作频率为10GHz,脉冲重复周期为2ms,正、负斜率LFM信号调制带宽均为10MHz,采样率为20MHz,信噪比为-9.5dB。正斜率通道中检测目标结果如图4所示。从图4中可以看出,目标距离为29.79km,与真实距离相差210m,距离误差为7%。

负斜率通道中检测目标结果如图5所示。从图5中可以看出目标距离为30.19km。

因为正/负斜率通道中所检测的目标距离以目标真实距离镜像对称,所以解距离-速度耦合后目标距离为

图4 LFMCW雷达探测运动目标示意图

图5 LFMCW雷达探测运动目标示意图

与真实距离相差10 m,距离误差为0.33‰。从仿真结果可以看出,对于单目标情形,此种方法可以有效提高雷达的测距精度。

3.2 多目标仿真分析

雷达发射信号形式为对称三角波调制LFM信号,工作频率为10 GHz,脉冲重复周期为2 ms,正、负斜率LFM信号调制带宽均为10 MHz,采样率为20 MHz,信噪比为-20 dB。目标参数设定如表1所示,包括了静止目标、运动目标、相同距离单元不同速度目标以及不同距离单元速度相同目标,总目标个数为6个。

表1 目标参数列表(单位m、m/s)

从表1中可以看出,目标1与目标3为不同距离单元但速度相同的目标,目标4与目标5为相同距离单元但速度不同的目标,目标2为运动目标,目标6为静止目标。

仿真流程如图6所示,模拟了20个周期下目标回波信号,进行了快时间向的距离变换、MTD以及目标配对算法。MTD处理选取相邻16个周期数据进行FFT处理。

图6 信号处理仿真流程

正斜率通道中MTD输出求模结果如图7所示。从图中可以明显看出,因为作了二次对消处理,所以静止目标被完全抑制,保留下5个运动目标。

图7 MTD后上扫频通道检测结果

检测到2个动目标从MTD的第12通道输出,距离分别为19.8、30.26 km;3个动目标从MTD的第6通道输出,距离分别为15.08、25.08、29.9 km。具体参数见表2所示。负斜率通道中MTD输出求模结果如图8所示。

表2 上扫频通道MTD检测结果(单位m)

图8 MTD后下扫频通道检测结果

从图8中可以看出,5个运动目标从MTD不同通道输出;3个运动目标从MTD的第3通道输出,距离分别为14.93、24.92、30.11 km;2个运动目标从MTD的第12通道输出,距离分别为20.21、29.75 km。下扫频通道MTD检测结果见表3。

表3 下扫频通道MTD检测结果(单位m)

利用上/下扫频段目标距离信息及目标输出通道信息,根据2.2节所述配对算法实现上/下扫频通道目标间的配对。配对结果见表4。

表4 上/下扫频通道目标配对结果

根据上/下扫频通道目标配对结果对目标距离进行修正,最终测量结果见表5。从表中可以看出,目标距离较上扫频通道或下扫频通道中目标测距精度有很大提高。

表5 目标测量结果及误差

通过仿真分析可以看出,对于多目标环境,包括运动目标、静止目标、距离相同速度不同目标、速度相同距离不同目标情形下,联合上/下扫频通道所检测的目标距离信息和MTD输出通道信息,可以实现上/下扫频段目标的有效配对,从而正确修正目标距离信息,有效提高了LFMCW体制雷达的测距精度。

4 结束语

本文分析了线性调频连续波(LFMCW)体制雷达的距离-速度耦合现象及特点,提出了一种联合MTD通道目标信息与目标距离信息实现上/下扫频段目标配对方法,从而去距离-速度耦合。通过计算机仿真证明了该方法的有效性,提高了雷达的测距精度。

[1] 肖汉.LFMCW雷达信号处理算法研究与实现[D].电子科技大学,2005.

[2] 孙晖.LFMCW雷达信号处理技术研究[D].南京理工大学,2010.

[3] 肖汉,等.LFMCW雷达多目标MTD-速度配对法[J].电波科学学报,2005,20(6),721-715.

[4] 侯志,等.一种对称三角线性调频连续波雷达的校正算法[J].兵工学报,2010,31(12),1547-1550.

[5] 李石.LFMCW雷达信号处理软硬件设计[D].西安电子科技大学,2010.

[6] 杨帆.LFMCW雷达信号处理算法研究及实现[D].西安电子科技大学,2007.

A method to improve ranging accuracy of LFMCW radar

ZHANG Hong-yu1, WANG Dong-hua2, LI Yun-fei2, SHANG Juan2, ZHANG Heng2

(1.Command Technical Support Room of Naval Command Post, Beijing 100841;2. No.724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

To eliminate the effects of range-velocity coupling on the ranging accuracy of the LFMCW radar, the symmetrical triangular LFMCW signals are adopted for the transmitting signals. According to the spectral symmetry of the moving targets in the up and down sweep frequency, the range-velocity decoupling is simulated and verified to be effective in the single-target environment, with the ranging accuracy of the radar improved. In view of the target pairing in the up and down sweep frequency for the symmetrical triangular LFMCW radar in the multi-target environment, a method is proposed that combines the MTD results and the target range information to perform the accurate target pairing and the range-velocity decoupling. The method is verified to be effective via the simulation.

LFMCW radar; range-velocity coupling; MTD

2016-11-20;

2016-12-03

张宏宇(1982-)，男，工程师，研究方向：指挥自动化；王冬华(1988-),男,助理工程师,硕士,研究方向:雷达信号处理;李云飞(1982-),男,高级工程师,硕士,研究方向:雷达信号处理;尚娟(1985-),女,工程师,硕士,研究方向:雷达信号处理;张恒(1982-),男,高级工程师,硕士,研究方向:雷达信号处理。

TN

A

1009-0401(2017)01-0009-04