一种基于高重频波形的慢速目标检测新方法

朱 伟，贺 芃，王凤艳，马晓静

(1. 中国电子科技集团公司第三十八研究所，合肥 230088；2. 上海船用柴油机研究所，上海 201108；3. 国防科技大学 电子对抗学院，合肥 230037)

0 引 言

随着现代战争的需要，雷达由传统的三坐标向四坐标发展。为了获取目标的距离、方位、仰角之外的径向速度信息，高重频波形在目标分离、机动目标跟踪、多目标分辨等场景下得到广泛应用。

与低重频波形相比，高重频波形具有如下优势：(1)测速不模糊，回波多普勒信息更精细化；(2)在距离、方位、仰角维度上无法对目标进行分辨时可以利用精细的多普勒信息进行目标分辨；(3)对已跟踪的目标利用径向速度信息可进行载机投弹、机载导弹发射等分离目标进行判断；(4)对高机动目标将速度信息接入跟踪回路，可提高目标的跟踪稳定性；(5)对已跟踪上的目标可以通过跟踪回路给出的距离预计值进行解距离模糊，不需要使用多种高重频波形组合解模糊，节省系统资源。

当然，高重频波形也存在缺点，主要有如下几点：(1)测距模糊，进行目标搜索时需要通过多种高重频波形组合解模糊的方式保证全距离段无模糊，使得系统资源的浪费严重；(2)距离无模糊范围小，远区目标会折叠到近区杂波区，强杂波对弱目标检测有影响；(3)速度分辨率有限，速度分辨率由波形驻留时间决定，受系统资源的限制，波形驻留时间不可能无限增大，即速度分辨率始终有上限。

由于速度分辨率有限，当目标低速运动或者切向机动时目标相对雷达径向速度较小，若目标在距离上折叠到近区强杂波区，雷达难以在强地杂波中进行目标检测，容易造成目标丢失、跟踪中断。这可以通过增加波形驻留时间来提高速度分辨率。但是，这需要花费大量的系统资源，同时驻留时间过长会导致目标产生跨距离单元、跨多普勒单元的现象，而且无法从根本上解决强杂波背景下慢速目标的检测问题。

针对强杂波中慢速目标的检测问题，文献[1]提出基于CFAR和形态学滤波的信号处理方法抑制不必要的地杂波并实现“低慢小”目标的检测；文献[2]设计了基于零频抑制与杂波图的地面慢速目标检测方法，采用空间邻域插值方式完成目标区域的杂波背景积累，解决慢速目标检测不连续问题；文献[3]提出基于十字窗改进的多帧积累算法，实现海面弱小慢速目标检测；文献[4]提出于基于小波分析的自适应杂波抑制技术进行雷达慢速目标分离；文献[5]提出了复杂的海杂波背景下的非相干慢速目标检测算法。以上大量的研究均集中在信号处理层面，通过抑制杂波提高信杂噪比的方法来实现慢速目标检测，并没有从信号波形角度进行特别设计。

针对以上问题，本文提出一种变初相高重频波形，对变初相高重频波形进行慢速目标检测的原理进行说明，最后给出仿真和实测数据结果。

1 变初相高重频波形

为了信号处理相参处理的需要，常规高重频波形的每个脉冲发射初相调制均为同一个值。变初相高重频波形在高重频波形的基础上改变高重频波形每个脉冲的初相，相邻脉冲的初相差呈现线性变化规律，这样后续的信号处理仍然可进行相参处理。

以N个脉冲的高重频波形为例，对N个发射脉冲的初相分别进行调制，第1,2,…,N个发射脉冲的初相分别调制相位为φn(n=1,2,…,N)，φn的值为

(1)

其中，φ为脉冲初相的变化参数。

相邻脉冲的初相相位差为

=(n-1)·φ

(2)

可以看出，相邻脉冲的初相相位差为线性变化。

2 慢速目标检测算法

本算法基本思想为：通过改变高重频波形每个脉冲的初相，使得相邻脉冲的初相差线性变化。考虑杂波在近区而目标在远区，两者在无模糊距离内距离折叠的次数不同。目标折叠次数多，使得回波各个脉冲的相位内包含两个分量，一个是目标或杂波自身速度带来的多普勒频移，慢速目标与杂波的多普勒频移相差不大；另一个是脉冲初相变化带来的相位分量。由于目标和杂波在距离上折叠的次数不同，第2个分量不一致。因此，可以在多普勒维度上将目标与杂波分开，实现强杂波背景下慢速目标的检测。

高重频波形参数如下：重复周期Tr；重复频率fr；脉冲个数为N；对应的最大无模糊距离为Rmax=cTr/2，其中c为光速；脉冲初相的变化参数为φ。

杂波参数如下：考虑杂波的距离位于距离无模糊区内，多普勒频率fdC的范围为-fdCmax～fdCmax，通常fdCmax≪fr。

目标参数如下：距离为RT，径向速度为vT。目标折叠到距离无模糊区的折叠次数为K=⎣RT/Rmax」，其中⎣·」表示向下取整；目标多普勒频率为fdT=2vT/λ，其中λ表示雷达波长。

由于杂波距离近，目标距离远，因此收到第n个脉冲回波里包含的是第n个脉冲的杂波回波信号和第n-K个脉冲的目标回波信号。因此，第n个脉冲和第n+1脉冲接收回波的相位Φn和Φn+1分别为

Φn=φn+ζn-K+φn-K

(3)

Φn+1=φn+1+ζn+1-K+φn+1-K

(4)

其中φn、φn+1为杂波多普勒带来的脉间相位变化，ζn-K、ζn+1-K为目标速度带来的脉间相位变化。

对回波信号分别进行相位补偿，补偿值为当前发射脉冲的调制相位。得到第n个脉冲和第n+1脉冲接收回波的相位Φ′n和Φ′n+1分别为

Φ′n=φn+ζn-K+φn-K-φn

(5)

Φ′n+1=φn+1+ζn+1-K+φn+1-K-φn+1

(6)

相应地，第n+1脉冲和第n个脉冲接收回波的相位差为

ΔΦn=(φn+1-φn)+(ζn+1-K-ζn-K)+

(φn+1-K-φn-K)-(φn+1-φn)

=2πfdCTr+2πfdTTr+(n-K-1)·φ-(n-1)·φ

=2πfdCTr+2πfdTTr-K·φ

=2πfdCTr+2πf′dTTr

(7)

考虑到杂波信号强，多普勒维上影响范围大，可以将目标多普勒频率偏移到L倍杂波多普勒频率以外，同时目标多普勒频率不能偏移到重复频率以外。

因此，脉冲初相的变化参数φ取值范围为

(8)

综上所述，本文算法步骤如下：

步骤1：根据目标、杂波相关参数，利用式(8)计算脉冲初相的变化参数；

步骤2：对N个发射脉冲的初相分别进行调制；

步骤3：对N个接收脉冲的回波信号分别进行相位补偿，各个脉冲的补偿相位为φn；

步骤4：剔除没有目标回波的前K个脉冲，对后N-K个接收脉冲分别进行脉冲压缩；

步骤5：对N-K个脉冲压缩结果在脉冲维进行FFT处理(相干积累)；

步骤7：计算目标的无偏移多普勒频率。

算法流程图如图1所示。

3 计算机仿真和实测数据处理

为了验证本文方法的有效性，计算机仿真条件如下：

(1) 高重频波形参数：重复周期360 μs，重复频率2 777.8 Hz，脉冲个数为66，对应的最大无模糊距离为54 km，雷达波长为1 m；

(2) 杂波参数：距离范围为0～50 km，杂波的多普勒分布范围为-6～6 Hz。

(3) 目标参数：距离为240 km，径向速度为2 m/s，多普勒频率为4 Hz。目标折叠到距离无模糊区的折叠次数为4，折叠后目标距离为24 km，目标信杂噪比为-15 dB。

分别用常规高重频波形和变初相高重频波形进行处理，脉冲初相的变化参数φ为-0.1396。仿真的距离-多普勒频谱结果如图2、图3所示。图中，横轴表示距离模糊后的距离，单位为km；纵轴为多普勒频率，单位为Hz；颜色表示多普勒谱强度，单位为dB。

从图2中可以看出，常规高重频波形的处理结果里面目标湮没在杂波中，无法在多普勒上进行分辨。从图3中可以看出，从本文方法的处理结果中可以明显看到24 km处的目标。目标距离单元的多普勒频谱如图4所示，可以看出目标的多普勒频率已经偏出杂波区。

为了验证本文方法在实际雷达中的性能，将本文方法应用于某雷达，对针对切向飞行目标探测的实测数据进行处理，处理结果如图5所示。图中，横轴表示距离模糊后的距离，单位为km；纵轴为多普勒频率，单位为Hz；颜色表示多普勒谱强度，单位为dB。

从图5可以得出，处理结果中可以明显看到模糊距离为17.69 km处的切向目标，目标的多普勒频率已经偏出杂波区。

5 结束语

雷达使用高重频波形进行目标检测时，由于速度分辨率有限，当目标慢速运动时，若目标折叠到近区强杂波区，雷达难以在强地杂波中进行目标检测，容易造成目标丢失、跟踪中断。为此，本文提出一种基于变初相高重频波形的慢速目标检测方法。通过改变发射脉冲的初相，使得回波中目标与杂波的相位发生变化，造成目标多普勒通道的偏移，完成目标与杂波在多普勒维的分辨，不需要增加额外的系统资源，同时可以通过偏移后的目标多普勒通道信息计算目标的真实径向速度。计算机仿真结果和实测数据处理结果证明，本文算法能够有效地解决高重频波形时强杂波背景下慢速目标的检测跟踪问题。应当指出的是，当目标位于高重频波形的距离无模糊区时，本文方法无法将目标和杂波在多普勒维进行分离。