脉冲多普勒雷达高重频测距技术设计与仿真∗

姚国国 周业军 刘小鲲

（1.中国空空导弹研究院 洛阳 471009）（2.中国空间技术研究院通信卫星事业部 北京 100094）

1 引言

高重频波形非常适用于雷达对目标的速度搜索、测量和跟踪。在速度搜索模式下，采用高重频波形进行长时间的相参积累，可使目标在低信噪比的环境下获得尽可能远的探测距离并获能获得较好的速度分辨率。但若仅使用简单高重频波形，无法对目标进行测距，并且当目标运动速度较低、处于远距离时，雷达收发天线的副瓣电平和杂波问题会降低目标的探测距离。而采用高重频线性调频波形可使雷达同时具备测速和测距能力，通过利用目标回波的速度和距离等信息，实现对目标有效检测和确认，并且一定程度上提高杂波环境下目标的检测能力［1］。

目前脉冲多普勒雷达高重频模式下进行测距常用的方法有：一是选择多组脉冲重复频率在多个相参处理周期上进行解距离模糊的方法；二是使用相位编码或频率调制波形进行测距。利用多重PRF法解距离模糊，存在着要同时解决距离模糊和距离遮挡的问题［2～6］。

本文利用线性调频波形在高重频模式下实现对目标的距离和速度的测量，若雷达波束内仅有一个目标，利用两个相参帧周期，可实现目标速度和距离的测量；若雷达波束内有多个目标，利用三个相参帧周期，即实现对多目标的速度和距离的测量。该方法具有信息处理流程和算法简单、占用信息处理资源少和不存在解距离模糊等优点。

2 测距原理与处理算法

雷达在目标搜索状态下，使用高重频工作模式时，会存在严重的测距模糊（测距单值性），为消除高重频模式下的测距模糊，采用线性调频测距法，在检测到目标和目标的速度节拍之后，采用频率调制模式，在线性调频节拍，实现对目标的距离测量。

2.1 测距原理

在线性调频节拍时，雷达载频为

式中：ft(t)为发射载频；f0为发现、检测节拍时的发射载频；S为线性调频的调频斜率。

线性调频节拍时，目标回波信号的频率为

上述公式中：S、c为已知量，fd可由系统在目标发现、检测节拍（无线性调频模式）测得，∆fr可由系统在线性调频检测节拍测得，由式（5）可算的目标的真实距离Ru。

如果在一个雷达波束内有n个目标，则会有n个 fd（ fd1，fd2，…fdn）和n个 ∆fr（∆fr1，∆fr2，… ∆frn），可采用两个不同调频斜率S值的线性调频节拍，测出两组∆fr，解算出两组距离值，并比较两组距离值中相同的两个Ru即是目标的真实距离。

2.2 处理算法

多目标测距的处理方法。

1）在发现（检测）节拍，系统输出的目标信号与检测门限（无线性调频时）比较，当超出时，输出目标标志KT0，其中KT0为多普勒检测区域中的编号；

2）在线性调频S1节拍，发射调频斜率为S1的线性调频信号，目标信号在信号处理机中滤波、积累、与检测门限（有线性调频时）比较，当超出时，输出目标标志KT1；

3）在线性调频S2节拍，发射调频斜率为S2的线性调频信号，输出目标信号与检测门限（有线性调频时）比较，当超出时，输出目标标志KT2；

4）联合 KT0、KT1，可求出 ∆f，按式（5）可计算出 Ru1、Ru2；

5）联合 KT0、KT2，可求出 ∆f，按式（5）可计算出；

6）将上述结果进行解算，可计算出目标距离R1、R2。

3 系统设计与仿真

3.1 系统组成与设计

以X波段脉冲多普勒雷达为例，其基本组成原理框图见图1，包含发射机、接收机、天线、频率综合器（产生各种本振信号和基准信号等）、信号处理机（采样预处理、信息处理）等。DDS产生30MHz的单频信号或线性调频信号，与2本振信号混频、滤波、放大得到L波段的信号，再与1本振信号混频、滤波、放大得到X波段发射信号，通过天线辐射出去；从天线接收到的目标回波信号经过低噪放、两级混频、滤波和放大，得到中心频率为60MHz的多路中频信号，中频信号进入采样预处理板，完成A/D变换、数字下变频、抽取、滤波等，得到包含目标信息的基带信号，对基带信号进行信息处理，可得到目标的速度、距离、角度等信息。

3.2 系统仿真

仿真设定条件：

1）发射信号载频为10GHz，发射路DDS为30MHz，接收中频频率为60MHz，脉冲重复频率250kHz，相参积累时间8ms；

2）共2个目标。目标1的速度和距离分别为300m/s、30000m；目标2的速度和距离分别为500m/s、45000m；

3）发射调频斜率为S1、S2分别取30kHz/ms、15kHz/ms。

按照图1的原理组成框图，利用雷达系统级仿真软件 SystemVue 建立仿真模型［7～9］。模型包含Transmitter（发射机）、Antenna（天线）、TargetEco（目标1回波、目标2回波）、Receiver（接收机）、采样预处理（由数字下变频RADAR_DDC、数字抽取DownSample、低通滤波器LPF等组成）。

图1 雷达系统的基本组成原理框图

发射DDS（包含脉冲调制、线性调频）经过两次上变频、滤波、放大，得到频率为10GHz发射信号，接入天线模型，天线模型的输出接入目标回波模型。发射线性调频信号时的发射信号频谱见图2。

图2 发射线性调频信号时的发射频谱

从目标1和目标2反射的回波信号由天线接收进入接收机，经过两次下变频、滤波、放大，得到频率为60MHz的中频信号。

采样预处理部分主要由数字下变频RA⁃DAR_DDC、数字抽取DownSample、低通滤波器LPF等组成。采样预处理部分接收接收机模型输出的60MHz的中频信号，以80MHz采样率对其进行数字化采样，然后经过滤波、数字下变频、FIR滤波、抽取等操作，得到低数据率的基带信息［10～11］。共进行4*5*4*4=320倍的数据抽取，得到80MHz/320=250kHz数据率的数字基带信号。经过8ms相参积累，得到250*8=2000个点的采样数据。对2000个点的采样数据进行FFT操作，可得到目标信号的频谱。

图3是发射信号为高重频脉冲调制波形（非线性调频）时，经过预处理后的目标信号频谱。从图中可看出经过预处理后，两个目标的频率分别为和目标2的速度分别为300m/s、500.625m/s。仿真结果与设置值相符，速度的偏差主要由系统的多普勒分辨率影响。

图3 非线性调频时预处理后的信号频谱

图4 是发射信号为高重频线性调频波形，调频斜率分别为15kHz/ms和30kHz/ms，预处理后的信号频谱。从图中可看出发射信号为调频斜率为15kHz/ms线性调频波形时，预处理后两个信号的频率分别为23kHz和37.875kHz；调频斜率为30kHz/ms时，预处理后两个信号的频率分别为26kHz和42.375kHz。

结合图3的仿真结果，可得到：发射信号为调频斜率分别为30kHz/ms的高重频线性调频波形时，目标1的距离引起的频率走动为6kHz，目标2的距离引起的频率走动为9kHz。由此可计算得到：目标1的距离为30000m，目标2的距离为45000m。仿真结果与设置值相符。

图4 调频斜率分别为15kHz/ms和30kHz/ms预处理后的信号频谱

由仿真结果可知，可知目标1的速度和距离测量值分别为300m/s、30000m，目标2的速度和距离测量值分别为500.625m/s、45000m，与仿真设置条件相符，证明了高重频线性调频测距技术的可行性。利用三帧相参积累检测，即可解算出多个目标的速度和距离信息，并且只需要在信息处理层面进行FFT运算，具有对信息处理资源要求相对较少，信息处理方法简单等优点。相对于简单高重频脉冲调制波形来讲，提高了系统的瞬时带宽，相对减小了杂波分辨单元面积（或体积）［12］，可提高杂波背景下对目标的检测能力。

4 结语

本文利用高重频线性调频测距技术实现了雷达对目标距离和速度的测量，论述了测距原理和处理算法，并对雷达系统各部分的组成和设计进行了介绍，利用雷达系统仿真软件建立了系统仿真模型，对发射链路、接收链路和预处理部分的仿真模型和仿真结果进行了论述和分析。仿真结果表明，该测距技术切实可行，并且在较短的时间内信息处理层面只需要进行FFT检测，就可检测出目标距离，具有信息处理算法简单、对信息处理资源要求少等特点，同时由于提高了发射信号的瞬时带宽，则可在一定程度上提高杂波背景下对目标的检测能力。