一種單脈沖測量雷達測速新方法

蔡玖良+桂佑林+汪文英

摘 要： 在現有單脈沖測量雷達數字測速方法基礎上，提出一種測速新方法。該方法通過加長積累時間，提高了測速的信噪比，并估計和補償運動目標加速度等信息，獲得更精確的頻率，從而提高測速精度，同時完善頻譜異常檢測方式，使單脈沖測量雷達測速具有更好的穩健性。

關鍵詞： 雷達測速； 頻譜異常檢測； 單脈沖測量雷達； 相參積累

中圖分類號： TN957.51?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）15?0015?05

A new velocity measuring method of monopulse instrumentation radar

CAI Jiu?liang， GUI You?lin， WANG Wen?ying

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

Abstract： A new velocity measuring method of monopulse instrumentation radar is presented based on the existing digital velocity measuring methods. The more accurate frequency can be acquired， and the velocity measuring precision can be improved by lengthening the integrating time， increasing the velocity measuring signal?to?noise ratio and estimating the moving object accelerated speed. The method improved the frequency spectrum exceptional detection mode and made the velocity detection of the monopulse instrumentation radar more robust.

Keyword： radar velocity detection； frequency spectrum anomaly detection； monopulse instrumentation radar； coherent integration

0 引 言

單脈沖測量雷達主要用于對衛星、飛船、導彈的精密跟蹤和軌道測量，要求具有較高的測量精度和實時性。隨著雷達技術的發展，單脈沖測量雷達的頻譜純度和相參性技術已有了很大提高，目前新單脈沖測量雷達均采用全數字多普勒測速技術，該測速技術是一種閉環測速法，采用窄帶跟蹤濾波器和二階環路實現測速跟蹤[1?4]。

目前單脈沖閉環測速方法具有較高的跟蹤精度和實時性，但是隨著火箭、導彈技術的不斷發展，環境已經發生了顯著變化，現有的測速方法不能很好地適應新情況，導致測速效果變差，主要如下：

（1） 火箭或導彈在級間分離、助推推進器脫落等特征點上目標出現短暫震動，導致應答機信號頻譜出現散譜現象，測速鑒頻環節出現錯誤，會出現跳譜線甚至失鎖現象；

（2） 因雷達系統原因，諸如應答機誤觸發、應答機信號遮擋等導致應答機信號出現野值點，會出現鑒頻錯誤而導致測速精度變差。

上述不利因素在整個雷達工作期間均有可能出現，影響了測速性能。針對上述問題，本文提出了一種測速新方法，通過加長積累時間來提高測速信噪比，并通過多項式相位信號參數估計法來估計和補償運動目標的加速度和加加速度，獲得更精確的頻率，從而提高測速精度，同時對回波頻譜進行異常檢測，對異常時刻進行速度外推，從而使測速具有更好的穩健性。

1 常規單脈沖測速方法

常規單脈沖測速是全數字閉環測速系統，實際上就是一個頻率測量系統。首先，將輸入的基帶信號正交數字量[I（n），][Q（n）]和反饋的基帶相參正交數字量進行數字混頻，求得差頻正交數值[εI（n）]和[εQ（n）]；接著，對[εI（n）]和[εQ（n）]進行幅度歸一化；其次，進行數字鑒頻處理，得到頻率誤差數據；然后這一頻率誤差數據經[α?β]濾波器平滑后，即產生了目標的徑向速度與加速度值；最后，預測的徑向速度換算成多普勒頻率預測值[Fp，]送至相位累加器，再通過查表得到反饋的基帶相參正交數字量[cos（ωpn）]和[sin（ωpn），]與輸入的基帶信號正交數字量[I（n），][Q（n）]進行數字混頻，再經過2點MTI或4點FFT的方法進行數字鑒頻獲得差頻信號頻率，從而完成頻率的閉環跟蹤。由于受雷達脈沖重復頻率的限制，測速回路測出的目標徑向速度可能出現模糊，需要利用測距機測得的目標距離數據[R]和測速機測得的模糊速度進行相關運算后，消除速度模糊。消除速度模糊常采用不變量嵌入算法。消除速度模糊后，得到一個實時的、精確的、無模糊的目標徑向速度[1，4?5]。測速的工作原理框圖如圖1所示。

圖1 常規測速的工作原理框圖

數字鑒頻器是脈沖多普勒測量雷達全數字閉環測速系統的一個關鍵功能部件，其鑒頻性能的好壞直接影響到測速回路的跟蹤性能。要使測速回路能快速捕獲目標，就要求數字鑒頻器的帶寬足夠大。當數字鑒頻器的帶寬達到脈沖重復頻率（PRF）時，就能保證只要任一信號細譜線進入鑒頻帶寬范圍內，測速回路就能快速地捕獲跟蹤到目標。全數字閉環測速系通常采用基于4點FFT的數字鑒頻器。數字鑒頻器的原理框圖如圖2所示。

圖2 數字鑒頻器原理框圖

在圖2中，[U（n）]為數字混頻后的差頻基帶復數信號，并經過了幅度歸一化處理，[U（n）]在上下兩支路分別乘上移相因子[e-jω0n]與[ejω0n，]采用布萊克曼哈里斯加權函數，加權后做FFT運算，取零號濾波器的值求模，上下兩路的模值相減，求得數字鑒頻器的輸出[D。]當[PRF=300]Hz時，取[ω0=2πf0，][f0=75]Hz進行基于4點FFT數字鑒頻器的仿真，可得到如圖3所示的數字鑒頻器幅頻特性曲線。

2 新測速方法

2.1 基于長時間相參積累技術

針對常規測速方法中最多4點數字鑒頻器的估計頻率誤差的方法，通過加長測速積累時間至8點、16點或32點的長時間相參積累技術，來提高積累時間和回波信號信噪比，從而提高測速精度。由于通常目標在測量過程中存在機動，且積累時間變長后，需要對回波進行加速度和加加速度補償，通過對回波信號利用多項式相位信號參數估計法獲得加速度和加加速度信息，完成回波信號相位補償，從而實現回波相參積累，并測量出目標的速度、加速度等參數。長時間相參積累測速方法流程如圖4所示?；陂L時間積累的測速方法相對于現有使用的方法且有以下優點：

（1） 加長了積累時間，提高了速度分辨率；

（2） 提高積累后信噪比；

（3） 對由于奇異值（野值）更加魯棒。

圖3 數字鑒頻器幅頻特性曲線

圖4 長時間相參積累測速方法流程

2.2 多項式相位信號參數估計法

自然界中的許多信號以及許多工程應用，如通信、雷達、聲納等領域中所遇到的信號，其信號相位都是時間[t]的連續函數[6?7]。根據Stone?Weierstrass理論，在有限觀測時間內，任何時間[t]的連續函數均可用[t]的高階多項式一致逼近，故此類信號的相位常被表示成時間[t]的高階多項式形式，此類信號亦被稱為多項式相位信號（Polynomial Phase Signals，PPS）。高階模糊函數法（High?order Ambiguity Function，HAF）由于計算量小，成為估計PPS參量的主要次優方法[8?10]。[M]階恒定幅度PPS信號的參數模型可以描述為：

[x（n）=Aexpjk=0Mbk（Δn）k] （1）

式中：[A]為多項式相位信號的幅度；[Δ]為采樣間隔。對式（1）的信號形式，[M]階PPS信號的高階瞬態距可以定義為：

[PM[x（n）；τ]=q=0M-1[x（*q）（n-qτ）]M-1q] （2）

式中[τ]為延遲，其中：

[x（*q）（n）=x（n）， q為偶數x*（n）， q為奇數]

根據上述定義，對于單分量[M]階的振幅恒定多項式相位信號，如式（1）所示，通過計算[Pm]可知，[M]階高階模糊函數在[ω]處呈現峰值，其中[ω=M！τM-1bM，]從而可從[Pm]的峰值位置估計出最高[M]階多項式相位系數[bM：]

[bM=1M！τM-1argmaxωPM（x；ω，τ）] （3）

估計出[M]階的系數[bM]之后，通過計算[x（n）?exp（-jbMnM）]就可以將[x（n）]降階為[M-1]階，這樣使用同樣方法就可以以此解出[bM-1，…，b2。]在本測速方法中通過[M]取3，可以分別估計出加速度、加加速度。

2.3 散譜現象的檢測和處理

目標短時間運動一般可用加加速模型來描述：

[r（t）=r0+v0t+12a0t2+16at3] （4）

對應的回波信號為：

[s（t）=A（t）exp（j4π（r0+v0t+a0t22+at36）λ）] （5）

則勻速、勻加速和勻加加速運動目標回波的典型頻譜和時頻分析圖如圖5和圖6所示。

圖5 典型測速信號的頻譜

從圖5中可以看出：

（1） 勻速運動只有一根主譜線；

（2） 勻加速運動各個譜線都有，且譜幅度相等；

（3） 勻加加速運動各個譜線都有，且譜幅度參差不齊。

從時頻分析圖6中可以看出：

（1） 勻速運動隨時間變化是根平線；

（2） 勻加速運動隨時間變化是根斜線，斜率不變；

（3） 勻加加速運動隨時間變化是根拋物線。

圖6 典型測速信號的時頻分析圖

圖7給出了某雷達跟蹤目標時特定時間段的時頻分析圖，從圖中可以直觀地看出：目標經歷了“勻加速運動”、“特征點動作散譜”、“勻加加速運動”、“特征點動作散譜”和“勻加速運動”的過程。

圖7 某時間段時頻分析圖

通過對回波信號進行頻率分析，對信號頻譜的信噪比設置一門限。若信噪比不超過門限，則認為頻譜異常，這時使用記憶外推完成速度加速度處理。

2.4 新測速方法處理流程

新測速方法處理流程如下：

（1） 通過測距回路的速度信息擬合出參考速度和加速度。

（2） 若為首次進入測速，則使用步驟（1）中獲得的參考速度和加速度補償當前回波[I，Q]否則使用上次預測的參考速度和加速度進行補償。

（3） 通過對多個脈沖的回波進行FFT，求出剩余頻率，并計算信噪比。

（4） 若步驟（3）中信噪比低于門限則使用記憶的速度和加速度信息，信噪比高于門限則測量出回波的速度和加速度信息。

（5） 把獲得的速度信息和測距回路進行比較，若偏離一根譜線寬度，則使用測距速度進行再次擬合速度和加速度信息；否則預測下一個脈沖的速度和加速度信息。

新方法處理流程如圖8所示。

3 仿真分析

針對某測控雷達跟蹤目標所記錄的回波數據，使用新測速方法進行仿真分析，并和常規測速方法進行比較，仿真結果如圖9～圖12所示。

其中，圖9（a）為在該觀測時間內目標回波時頻圖，可以看出在某些時刻，出現了頻譜異常；圖9（b）為新測速方法，和雷達常規測速結果進行比較，從圖中能看出在頻譜異常處，常規測速出現較大起伏，而新測速方法較為平穩；細節部分能從圖10和圖11看出來；圖12為回波信號頻譜平穩時間段內，新測速方法和常規測速比較，從圖中能看出新測速方法測速隨機差優于常規測速。

圖11 第二段測速結果細節圖

圖12 回波頻譜平穩時，測速結果比較圖

4 結 論

通過對雷達實測數據進行新測速方法仿真，并和常規測速結果進行比較，使用新的測速方法，通過加長積累時間，提高了測速的信噪比，并使用HAF方法估計出目標的加速度和加加速度信息，補償到回波信息中，就能夠獲得更精確的頻率信息，從而提高了雷達測速精度，同時完善頻譜異常檢測方式，使得單脈沖測速方法具有更好的穩健性。

參考文獻

[1] 王德純，丁家會，程望東.精密跟蹤測量雷達技術[M].北京：電子工業出版社，2006.

[2] 杰里 L 伊伏斯，愛德華 K 里迪.現代雷達原理[M].卓榮邦，楊士毅，張全金，等譯.北京：電子工業出版社，1991.

[3] BARTON D K，LEONOV S A.Radar technology encyclopedia [M]. [S.l.]： Artech House， 1997.

[4] 徐敏.單脈沖測量雷達測速技術研究[J].現代雷達，2005，27（1）：58?61.

[5] 趙業福.無線電跟蹤測量[M].北京：國防工業出版社，2003.

[6] PELEG S， PORAT B. Estimation and classification of polynomial?phase signals [J]. IEEE Transactions on Informtion Theory， 1991， 37（2）： 422?430.

[7] PELEG S， PORAT B. The Cramer?Rao lower bound for signals with constant amplitude and polynomial phase [J]. IEEE Transactions on Signal Processing， 1991， 39（3）： 749?752.

[8] 譚文群.改進的多分量多項式相位信號參數估計[J].計算機工程與應用，2011，47（4）：124?127.

[9] ZHOU G， GIANNAKIS G B， SWAMI A. On polynomial phase signal with time?varying amplitude [J]. IEEE Transactions on Signal Processing， 1996， 44（4）： 848?861.

[10] 佘沛，邵高平.一種基于HAF的多分量多項式相位信號參數估計算法[J].信息工程大學學報，2009，10（3）：372?375.

（2） 若為首次進入測速，則使用步驟（1）中獲得的參考速度和加速度補償當前回波[I，Q]否則使用上次預測的參考速度和加速度進行補償。

（3） 通過對多個脈沖的回波進行FFT，求出剩余頻率，并計算信噪比。

（4） 若步驟（3）中信噪比低于門限則使用記憶的速度和加速度信息，信噪比高于門限則測量出回波的速度和加速度信息。

（5） 把獲得的速度信息和測距回路進行比較，若偏離一根譜線寬度，則使用測距速度進行再次擬合速度和加速度信息；否則預測下一個脈沖的速度和加速度信息。

新方法處理流程如圖8所示。

3 仿真分析

針對某測控雷達跟蹤目標所記錄的回波數據，使用新測速方法進行仿真分析，并和常規測速方法進行比較，仿真結果如圖9～圖12所示。

其中，圖9（a）為在該觀測時間內目標回波時頻圖，可以看出在某些時刻，出現了頻譜異常；圖9（b）為新測速方法，和雷達常規測速結果進行比較，從圖中能看出在頻譜異常處，常規測速出現較大起伏，而新測速方法較為平穩；細節部分能從圖10和圖11看出來；圖12為回波信號頻譜平穩時間段內，新測速方法和常規測速比較，從圖中能看出新測速方法測速隨機差優于常規測速。

圖11 第二段測速結果細節圖

圖12 回波頻譜平穩時，測速結果比較圖

4 結 論

通過對雷達實測數據進行新測速方法仿真，并和常規測速結果進行比較，使用新的測速方法，通過加長積累時間，提高了測速的信噪比，并使用HAF方法估計出目標的加速度和加加速度信息，補償到回波信息中，就能夠獲得更精確的頻率信息，從而提高了雷達測速精度，同時完善頻譜異常檢測方式，使得單脈沖測速方法具有更好的穩健性。

參考文獻

[1] 王德純，丁家會，程望東.精密跟蹤測量雷達技術[M].北京：電子工業出版社，2006.

[2] 杰里 L 伊伏斯，愛德華 K 里迪.現代雷達原理[M].卓榮邦，楊士毅，張全金，等譯.北京：電子工業出版社，1991.

[3] BARTON D K，LEONOV S A.Radar technology encyclopedia [M]. [S.l.]： Artech House， 1997.

[4] 徐敏.單脈沖測量雷達測速技術研究[J].現代雷達，2005，27（1）：58?61.

[5] 趙業福.無線電跟蹤測量[M].北京：國防工業出版社，2003.

[6] PELEG S， PORAT B. Estimation and classification of polynomial?phase signals [J]. IEEE Transactions on Informtion Theory， 1991， 37（2）： 422?430.

[7] PELEG S， PORAT B. The Cramer?Rao lower bound for signals with constant amplitude and polynomial phase [J]. IEEE Transactions on Signal Processing， 1991， 39（3）： 749?752.

[8] 譚文群.改進的多分量多項式相位信號參數估計[J].計算機工程與應用，2011，47（4）：124?127.

[9] ZHOU G， GIANNAKIS G B， SWAMI A. On polynomial phase signal with time?varying amplitude [J]. IEEE Transactions on Signal Processing， 1996， 44（4）： 848?861.

[10] 佘沛，邵高平.一種基于HAF的多分量多項式相位信號參數估計算法[J].信息工程大學學報，2009，10（3）：372?375.

（2） 若為首次進入測速，則使用步驟（1）中獲得的參考速度和加速度補償當前回波[I，Q]否則使用上次預測的參考速度和加速度進行補償。

（3） 通過對多個脈沖的回波進行FFT，求出剩余頻率，并計算信噪比。

（4） 若步驟（3）中信噪比低于門限則使用記憶的速度和加速度信息，信噪比高于門限則測量出回波的速度和加速度信息。

（5） 把獲得的速度信息和測距回路進行比較，若偏離一根譜線寬度，則使用測距速度進行再次擬合速度和加速度信息；否則預測下一個脈沖的速度和加速度信息。

新方法處理流程如圖8所示。

3 仿真分析

針對某測控雷達跟蹤目標所記錄的回波數據，使用新測速方法進行仿真分析，并和常規測速方法進行比較，仿真結果如圖9～圖12所示。

其中，圖9（a）為在該觀測時間內目標回波時頻圖，可以看出在某些時刻，出現了頻譜異常；圖9（b）為新測速方法，和雷達常規測速結果進行比較，從圖中能看出在頻譜異常處，常規測速出現較大起伏，而新測速方法較為平穩；細節部分能從圖10和圖11看出來；圖12為回波信號頻譜平穩時間段內，新測速方法和常規測速比較，從圖中能看出新測速方法測速隨機差優于常規測速。

圖11 第二段測速結果細節圖

圖12 回波頻譜平穩時，測速結果比較圖

4 結 論

通過對雷達實測數據進行新測速方法仿真，并和常規測速結果進行比較，使用新的測速方法，通過加長積累時間，提高了測速的信噪比，并使用HAF方法估計出目標的加速度和加加速度信息，補償到回波信息中，就能夠獲得更精確的頻率信息，從而提高了雷達測速精度，同時完善頻譜異常檢測方式，使得單脈沖測速方法具有更好的穩健性。

參考文獻

[1] 王德純，丁家會，程望東.精密跟蹤測量雷達技術[M].北京：電子工業出版社，2006.

[2] 杰里 L 伊伏斯，愛德華 K 里迪.現代雷達原理[M].卓榮邦，楊士毅，張全金，等譯.北京：電子工業出版社，1991.

[3] BARTON D K，LEONOV S A.Radar technology encyclopedia [M]. [S.l.]： Artech House， 1997.

[4] 徐敏.單脈沖測量雷達測速技術研究[J].現代雷達，2005，27（1）：58?61.

[5] 趙業福.無線電跟蹤測量[M].北京：國防工業出版社，2003.

[6] PELEG S， PORAT B. Estimation and classification of polynomial?phase signals [J]. IEEE Transactions on Informtion Theory， 1991， 37（2）： 422?430.

[7] PELEG S， PORAT B. The Cramer?Rao lower bound for signals with constant amplitude and polynomial phase [J]. IEEE Transactions on Signal Processing， 1991， 39（3）： 749?752.

[8] 譚文群.改進的多分量多項式相位信號參數估計[J].計算機工程與應用，2011，47（4）：124?127.

[9] ZHOU G， GIANNAKIS G B， SWAMI A. On polynomial phase signal with time?varying amplitude [J]. IEEE Transactions on Signal Processing， 1996， 44（4）： 848?861.

[10] 佘沛，邵高平.一種基于HAF的多分量多項式相位信號參數估計算法[J].信息工程大學學報，2009，10（3）：372?375.