（信息与通信工程专业论文）频率步进雷达运动扩展目标速度估计与距离像抽取研究.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 摘要 脉冲合成高分辨体制雷达以其距离分辨力高、系统复杂性低、成本低、易于 工程实现等优点而受到人们的广泛关注。本论文研究了以频率步进信号为工作波 形的脉冲频率步进雷达的速度估计与距离像抽取问题，全文工作概括如下： 第一章介绍了论文的研究背景和意义，概括了国内外关于速度估计和距离像 抽取问题的研究历史与现状，并简要说明了论文的组织结构与章节安排。 第二章首先介绍了脉冲频率步进信号及其改进信号的波形和数学表达式，这 类信号的共同优点是，在实现距离高分辨的同时，降低了处理机的接收带宽和实 现难度；通过对静止点目标和静止扩展目标成像原理的推导，进一步讨论了目标 在过采样条件下的成像，指出了在过采样条件下需要解决的信息冗余和速度估计 问题；最后简要叙述了频域细化等方法对频率步进信号的处理。 第三章研究了运动扩展目标的速度估计算法。首先分析了速度对高分辨距离 像的影响循环移位和峰值发散；其次，简要总结了现有的速度估计方法，提 出了利用频率插值与f f t 相结合的速度估计算法，并对现有的正负调频法进行了 改进；最后，针对扩展目标过采样条件下的二维回波距离像矩阵，提出了两种速 度估计方法粗分辨速度估计法和高分辨速度估计法，并对两种方法进行了计 算机仿真对比。 第四章主要讨论了距离像抽取算法。首先对频率步进雷达系统参数进行了分 析，指出在过采样条件下必须采用距离像抽取算法才能获取正确的一维距离像， 进一步讨论了参数的宽紧约束条件对距离像抽取算法的要求；其次，针对静止目 标，总结和分析了现有的几种距离像抽取算法的具体实现和抽取性能；最后，针 对运动目标，分析了速度对距离像抽取算法产生的影响假峰问题与散射点遗 漏问题。速度的影响可以通过对抽取算法的改进得到解决，本章最后讨论了两种 距离像抽取的改进算法。 第五章对速度估计问题和距离像抽取问题进行了综合研究。首先简要叙述了 频率步进雷达信号处理流程及其主要信号处理模块。其次提出了两种高分辨距离 像的获取方案：第一种为先进行速度补偿后进行距离像抽取的方案；第二种是先 进行距离像抽取后进行速度补偿的方案。对两种方案的实现过程分别进行了详细 讨论和计算机仿真，并分析对比了两种方案的性能及适用性。两种方案的提出使 速度估计问题与距离像抽取问题得到了较好的统一。 文末对全文进行了总结，并指出了下一步需要进行的工作和尚待解决的问题。 主题词：脉冲频率步进雷达，扩展目标，速度估计，距离像抽取，回波矩阵 第i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 a b s t r a c t t h es y n t h e t i ch i g h r a n g e r e s o l u t i o nr a d a rh a sd r a w na t t e n t i o n sd u et oi t s h i g h r a n g e r e s o l u t i o n ，l o ws y s t e mc o m p l e x i t y ，l o wc o s ta n de a s yi m p l e m e n t a t i o n t h e w o r ko ft h i sd i s s e r t a t i o ni sf o c u s e do nr e s e a r c h e so fs t e p p e df r e q u e n c yr a d a ri n c l u d i n g i t sv e l o c i t ye s t i m a t i o na n dp r o f i l ee x t r a c t i o np r o b l e m s t h em a i nc o n t e n to ft h i s d i s s e r t a t i o ni ss u m m a r i z e da sf o l l o w s ： c h a p t e r li n t r o d u c e st h er e s e a r c h b a c k g r o u n da n dt h e m o t i v a t i o no ft h i s d i s s e r t a t i o na n dr e v i e w st h ep r e v i o u sw o r ki n c l u d i n gr e l a t e dr e s e a r c hh i s t o r ya n d c u r r e n ts t a t u so fv e l o c i t ye s t i m a t i o na n dp r o f i l ee x t r a c t i o n 1 1 1 ea r r a n g e m e n to ft h i s d i s s e r t a t i o ni sb r i e f l yi n t r o d u c e da tl a s t c h a p t e r2f i r s ti n t r o d u c e st h ew a v e f o r n l sa n dm a t he x p r e s s i o n so ft h es t e p p e d f r e q u e n c ys i g n a li n c l u d i n gi t si m p r o v i n gf o r m sw h i c hc a nr e d u c eb a n d w i d t ho ft h e r e c e i v e ra n ds y s t e mc o m p l e x i t y t h e n ，t h ei m a g i n gt h e o r i e so ft h es t e p p e df r e q u e n c y r a d a ra b o u tb o t hs t a t i o n a r yp o i n tt a r g e ta n ds t a t i o n a r ye x t e n d e dt a r g e ta r e d e d u c e d f u r t h e r m o r e ，t h ei m a g i n gt h e o r i e si nt h ec o n d i t i o no fo v e r - s a m p l i n ga r ed i s c u s s e d a t l a s t ，s o m eo t h e rs i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o d sf o rs t e p p e df r e q u e n c ys i g n a la r ei n t r o d u c e d 1 1 kw o r ko fc h a p t e r3i sf o c u s e do nt h ev e l o c i t ye s t i m a t i o nm e t h o d sf o rm o v i n g t a r g e t s f i r s t l y ，e f f e c to fv e l o c i t yo nt h eh i g h - r a n g e r e s o l u t i o np r o f i l ei sd i s c u s s e d s e c o n d l y ，t h i sc h a p t e rs u m m a r i z e ss o m ev e l o c i t ye s t i m a t i o nm e t h o d sa n dp r o v o k e sa n e wv e l o c i t ye s t i m a t i o nm e t h o db yu s i n ga c c u r a t e f r e q u e n c ye s t i m a t i o na n df f t f u r t h e r m o r e ，i m p r o v e sa na l r e a d ye x i s t i n gv e l o c i t ye s t i m a t i o nm e t h o d a tl a s t ，t w o v e l o c i t ya b s t r a c t i o nm e t h o d sa r ee x p l o r e db ya i m i n ga tt h ee x t e n d e dt a r g e t i nc h a p t e r4 ，t h ep r o f i l ee x t r a c t i o nm e t h o d sa r ea n a l y z e d t h es y s t e mp a r a m e t e r s a n dt h e i re f f e c to np r o f i l ee x t r a c t i o nm e t h o d sa r ef i r s t l yd i s c u s s e d b ys u m m a r i z i n ga n d c o n t r a s t i n g s o m et y p i c a l p r o f i l ee x t r a c t i o nm e t h o d s ，t h ee f f e c to fv e l o c i t yo nt h e e x t r a c t i o nm e t h o d si sr e v e a l e d i no r d e rt og e tr i do ft h ee f f e c t ，t h et r a d i t i o n a lm e t h o d s n e e dt ob ei m p r o v e d 。t h e n ，t w om e t h o d sa r ed i s c u s s e dt or e v i s et h et r a d i t i o n a lm e t h o d s c h a p t e r5m a i n l yw o r k so nh o w t oc o m b i n et h ev e l o c i t ye s t i m a t i o nm e t h o d sa n d p r o f i l ee x t r a c t i o nm e t h o d st o g e t h e ri no r d e rt og e tb e s th i g h - r a n g e - r e s o l u t i o np r o f i l e s f i r s to fa l l ，t h es i g n a lp r o c e s s i n gf l o wa n dt h em a i np a r t so ft h es t e p p e df r e q u e n c yr a d a r a r ea n a l y z e d 。t h e n ，t w oi m p l e m e n t a t i o n sa r ei n t r o d u c e dt oc o m b i n ev e l o c i t ye s t i m a t i o n a n dp r o f i l ee x t r a c t i o np r o b l e m s f i n a l l y ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h et w oi m p l e m e n t a t i o n s a r ed i s c u s s e da n dc o n t r a s t e d ， a tl a s t ，ac o n c l u s i o no ft h i sd i s s e r t a t i o ni sm a d ea n ds o m er e l a t e dp r o b l e m st ob e s o l v e da n ds o m ew o r k st ob ed o n ea r ep o i n t e do u t k e yw o r d s ：p u l s es t e p p e df r e q u e n c yr a d a r ，e x t e n d e dt a r g e t 。v e l o c i t y e s t i m a t i o n ，p r o f i l ee x t r a c t i o n 。e c h om a t r i x 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图2 1 图2 2 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 1 0 图3 1 l 图3 图3 图3 图4 2 3 4 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 1 l 图4 1 2 图4 1 3 图5 1 图5 2 图5 3 图目录 频率步进发射脉冲串与接收脉冲串图5 回波数据二维距离像矩阵投影示意图。1 1 速度估计标准差图与速度估计误差图1 6 速度估计标准差图与速度估计误差图1 8 速度估计标准差图与速度估计误差图2 1 速度估计标准差图与速度估计误差图2 5 频率插值前后的速度估计误差图对比2 5 正负调频脉冲组分别得到的距离像图2 7 正负调频脉冲组分别得到的距离像图2 7 先相位对消后进行傅立叶变换的图像2 8 前后两帧回波距离像矩阵投影示意图2 9 距离像矩阵粗分辨维距离差异示意图2 9 面积中线内插法2 9 距离像矩阵高分辨维距离差异示意图3 0 粗分辨维累加结果与速度估计误差图3 1 高分辨维累加结果与速度估计误差图3 2 仿真数据回波距离像矩阵投影效果图3 6 舍弃法操作示意图与舍弃法仿真结果3 7 选大法操作示意图与选大法仿真结果3 7 累加法操作示意图与累加法仿真结果3 8 速度对舍弃法的影响示意图一3 9 速度对舍弃法的影响在二维矩阵上的体现一3 9 速度对选大法( 累加法) 的影响示意图4 0 速度对选大法( 累加法) 的影响在二维矩阵上的体现4 0 速度对抽取算法影响的计算机仿真结果4 l 两种去除速度影响的方法4 l 同距离选大法与最大幅值移位搜索法的仿真对比4 2 同距离选大法与最大范数移位搜索法的仿真对比4 3 同距离选大法与最大值位置法的仿真对比4 5 频率步进雷达系统结构4 6 正交解调器原理图4 8 先进行速度补偿后进行距离像抽取方案4 9 第1 i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图5 4 图5 5 图5 6 图5 7 图 图 图 图 8 9 1 0 1 1 图5 1 2 图5 1 3 前后两帧回波距离像矩阵投影仿真对比5 1 前后两帧回波距离像矩阵高分辨维累加结果。5 1 进行速度补偿后的计算机仿真结果。5 2 先进行距离像抽取后进行速度补偿方案5 2 目标静止与运动时回波距离像矩阵投影仿真对比。5 5 舍弃法改进前后仿真对比5 5 第一帧与第四帧距离像抽取结果5 6 速度补偿后距离像投影矩阵与距离像抽取结果5 6 速度估计标准差图与速度估计误差图5 7 速度估计标准差图与速度估计误差图5 7 第1 v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目： 勉室生进重达重边芷星旦拯速度焦! 土量照直逸抽塑珏究一 耳 学位论文作者签名：蛊生日期：衣口0 8 年f f 月，牛日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印，缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文题目：题室生进重达重型芷最旦拯速度鱼! 土生堑直倦抽亟盟究 h门 一 学位论文作者签名：磊殳 日期： 文口略年1 月坪日 作者指导教师签名：聋垄薹! 鱼丝垡) 日期：二喈年j f 月j7 日 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 高分辨雷达( h r r ) 是目前广泛采用的雷达体制【3 l 】，它具有精度高、抗杂波、反 隐身以及可以识别真假目标并对目标进行精确定位等优点【2 】。在目标分类、多目标 分辨、精确距离测量、目标距离像和杂波环境低r c s 目标检测方面，高分辨雷达 有着广阔的应用前景【1 】【2 】【3 1 。中国国家航天局局长孙来燕今年( 2 0 0 8 年) 1 0 月在英国 格拉斯哥举行的第5 9 届国际宇航联合会大会上提到，中国目前有两个大的项目， 一是高分辨率的对地观测系统，这是由卫星、平流层飞艇、航空器和地面接收系 统组成的一个大系统；二是建立和完善北斗导航定位系统，先是发展区域系统， 最后发展成全球的系统。可见高分辨雷达的研究和应用将是我国未来空间建设计 划的重要组成部分。 在高频区，目标对入射电磁波的电磁散射可以认为是若干局部位置上电磁散 射的合成。这些局部散射源通常被称为等效多散射中心，或简称多散射中心【3 0 】【3 4 1 。 当目标上主要部分的尺寸远大于雷达波长时，受雷达照射的目标的电磁散射区并 不是由目标整个表面的散射量贡献的，而是可以用多个孤立的散射中心来完全表 征。从几何观点来分析，就是那些曲率不连续处和表面不连续处，如目标的边缘、 凸面曲率不连续点、棱角及尖端等特殊部位；此外，还有特殊的镜面反射、爬行 波及行波效应引起的等效散射中心。在高频区，复杂目标强散射体之间，相互干 涉和影响较少，目标散射场可以等效为离散的多个散射中心回波之和【3 0 】【3 l 】【3 4 】。 在宽带电磁波的照射下，目标电磁散射在时域呈现许多尖峰和低谷，称为目 标的一维距离像【3 0 1 ，它反映目标结构信息；在频域，宽带源照射目标可以获得目 标的频域响应，目标的频域响应出现谐振现象，可以用衰减的指数信号和模型表 示。事实上，目标的时域响应和目标的频域响应为f o u r i e r 关系，即目标时域回波 上呈现的尖峰对应于目标频域回波上的谐振频率。因此，从时域和频域都可以获 得目标的散射中心信息，提取目标频域回波的极点和留数等同于提取雷达目标的 一维结构特征信剧3 0 】【3 4 】。雷达技术的发展，使得人们能够利用宽带技术来获得目 标散射中心在径向距离上的高分辨力。 频率步进雷达是获取目标的一维距离像信息的一种高分辨雷达，它获得距离 高分辨的原理是采用合成大带宽的方法d 6 1 1 7 1 。频率步进雷达通过发射一串( 个) 窄带的宽脉冲，脉宽为瓦，每个脉冲的载频是均匀步进的，步进值为a f ( a f 1 r ) ； 在接收时对这串脉冲的回波信号用与之载频相应的本振信号进行混频，再对这一 串复数采样值进行i d f t ，则得到目标的合成距离像。它通过个频率步进为矽的 第1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 脉冲获得厂的总信号带宽，所以它可以达到分米甚至厘米级的高分辨率，其分 辨率公式为【2 】【9 】：e r r = c 1 2 n a f 。因为对每个脉冲回波都采用相干接收，接收机带 宽只是每个脉冲的带宽1 瓦，大大降低了后续采集和处理的难度，这是脉冲频率 步进雷达的最大特点【2 4 1 。但是它也存在两个方面的不足，其一，要合成较宽的带 宽需要较多的跳频点。较多的跳频点对合成宽带的速度补偿算法的实现十分不利。 其二，远距离目标的回波信号很弱，单次检测的回波信噪比极低，利用合成宽带 算法来实现目标的检测，对信号处理运算能力的高要求难以满足，且在极低信噪 比条件下合成高分辨，难以提取目标的幅度信息和角度信息【z 引。 本论文研究的主要内容为脉冲频率步进雷达运动扩展目标的速度估计和距离 像抽取算法。其一，由于频率步进信号多普勒效应比较严重，运动目标距离像产 生失真，所以必须考虑速度补偿，如何精确的进行速度补偿是频率步进雷达体制 的核心问题。其二，由于速度的影响或者速度补偿误差的影响，静止目标的距离 像抽取算法已不再适用于运动目标，如何使得抽取算法具有速度自适应性有待进 一步的研究。其三，在过采样条件下，如何有效的将速度估计与距离像抽取问题 进行统一，最终获取高质量的一维距离像，对于新体制雷达的研究具有重要意义。 本论文就此着重分析和讨论了频率步进雷达的速度估计方法和运动目标距离像抽 取算法以及二者之间的综合处理方法。 1 2 国内j l - 研究现状及发展趋势 速度补偿问题和距离像抽取问题是频率步进雷达研究中的关键问题。从步进 频率雷达概念提出至今，有很多学者针对这两个问题分别作了深入的研究，并取 得了大量实质性的成果。 1 2 1 速度补偿的研究 频率步进雷达通过脉冲综合来获得目标的高分辨一维距离像。由于目标的运 动，目标的距离像不仅发生偏移，而且距离像频谱发生展宽。为了补偿运动带来 的影响，国内外提出了许多运动补偿算法。 文献 3 5 1 提出了基于孤立散射点的运动补偿方法。这类方法要求在回波中必须 存在一个较强的散射点，最好在某个距离分辨单元中只有一个强散射点，实际情 况这种要求很难满足。文献【3 6 】【3 7 】提出了基于多散射点重心的合成散射点法，其 基本思想是对多个散射点单元进行综合，以形成一个高质量的强散射点，再进行 速度补偿。文献 3 8 】提出了使用低阶多项式表示相位误差，通过最优化最大似然代 价函数来获得多项式系数的方法。以上都是基于参考点的算法，这些算法都假设 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 在目标上可以找到强散射点，由于目标的振动和遮蔽效应，无法应用到工程实践 中 文献【3 9 】提出了频域互相关法、时域互相关法。其中频域互相关法就是对i f f t 之前相邻两帧的回波求互相关，根据相关输出的相位估计目标运动速度。时域互 相关法，是指在做了i f f t 之后进行相关。其基本思想，是利用两帧之间对应脉冲 的相关，求出目标在两帧之间的距离走动，并进而利用走动距离和目标速度之间 的关系估计目标速度。假设关于目标的相邻一维距离像复包络变化不大，互相关 运动补偿在理想情况下补偿效果比较准确，但是目标实际噪声环境较差，目标速 度通常都能引起包络较大的变化，可能导致距离像谱结构改变，这些情况下互相 关法都已失效。 一维距离像作为图像的简单形式，可以利用各种图像评价函数来衡量图像的 能量聚焦程度。文献 1 9 1 2 0 提出了最小图像熵法和最小脉组法。此类方法是一种 闭环迭代算法，其实时性较差，计算量较大。文献【4 0 】【4 1 】提出的最大对比度法也 属于此类方法，都需要一个快速的搜索优化算法来控制迭代过程，就现有的搜索 算法而言，运算量都比较大，实时性不好。 文献 4 2 1 1 4 3 针对调频步进脉冲串信号，提出了距离、速度、加速度的极大似 然估计方法，给出了距离、速度、加速度估计的最佳理论。但是由于涉及到多变 量代价函数的最优化，需要很大的计算量，而且当距离、速度出现模糊现象时， 最大似然法已经失效。 1 2 2 距离像抽取研究 高分辨距离像的抽取问题是为了适应频率步进雷达系统参数，在过采样条件 下，充分利用采样的冗余信息，得到目标的最佳高分辨一维距离像而提出的。 文献 2 2 1 提出了同距离舍弃法和同距离选大法对距离像进行抽取，舍弃法就是 简单的舍弃每次采样中的冗余信息，只保留新息，这种方法没有充分利用冗余信 息，但简单易行。选大法是对冗余信息进行选大后再舍弃，信息利用率较高，但 存在噪声也被选大的问题。文献 2 3 1 分析了系统参数的约束条件及其对抽取算法的 要求，得出了要得到正确一维距离像时系统参数需满足的宽紧约束。文献【1 8 】分析 了一种取最大值和门限的抽取方法，门限的选取是该方法需要解决的主要问题。 目标速度不仅影响成像效果也影响距离像的抽取。对于运动目标，传统的距 离像抽取算法都已失效，出现运动假峰问题和散射点遗漏问题。文献 1 7 】分析了有 速度补偿误差存在时距离像发生的分裂现象，提出了解决像分裂的抽取算法。文 献f 4 4 】则提出了幅度内插算法克服速度估计误差引起的距离耦合时移效应，但该方 法不能得到高分辨一维距离像。文献【1 1 】提出了基于最大范数的搜索抽取算法，通 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 过搜索对比，以距离像1 范数最大作为衡量标准，选择最终结果，该方法能够去 除速度的影响抽取到高质量的距离像，但计算量较大，有一定的应用范围。文献 1 2 】 提出了利用回波数据幅度最大值位置来修正抽取范围的方法，其思想就是先将最 大幅值的距离像进行抽取，然后再按顺序修正抽取范围，该方法计算量小，但是 有定位误差的产生。 1 3 论文所做的工作及章节安排 第二章主要讨论了频率步进雷达的成像。首先分析了频率步进信号的数学模 型以及其多种改进信号模型，对各种信号的特点分别进行了对比总结。其次，从 数学上分别推导了频率步进雷达静止点目标和静止扩展目标一维距离像成像原 理，并对过采样条件下成像进行了分析。最后，简要介绍了其它一些处理频率步 进信号的数学方法。 第三章研究了运动扩展目标的速度估计方法。首先，简要分析了速度对高分 辨距离成像产生的影响，给出了时移因子、发散因子和速度补偿因子的数学表达 式。第三节首先着重分析了典型的各种速度估计方法的实现及适用范围，其次提 出了一种可行的速度估计方法频率插值与f f t 分析速度估计方法，并对传统 的正负调频法进行了改进。第四节针对过采样条件下运动扩展目标i f f t 后回波数 据矩阵，提出了两种速度估计方法低分辨维测速法和高分辨维测速法，并对 两种方法的性能进行了计算机仿真分析。 第四章讨论了运动扩展目标的距离像抽取算法。第二节分析了系统参数和距 离像抽取算法原理。第三节分析了典型的目标抽取算法的性能和优缺点。第四节 讨论了速度对距离像抽取算法产生的影响以及解决速度影响的方法。第五节研究 了运动目标环境下的距离像抽取算法。首先分析了移位搜索算法，并利用两种评 价函数对其进行了计算机仿真分析；其次分析了基于回波矩阵最大值位置的方法， 并进行了计算机仿真；最后对比分析了两种方法的性能。 第五章讨论了速度估计与距离像抽取综合处理的实现。第二节讨论了频率步 进雷达信号处理流程，包括系统构成及关键部件分析。第三节讨论了两种速度估 计与距离像抽取方案，其一是：先进行速度补偿再进行距离像抽取的实现方案， 其二是：先进行距离像抽取再进行速度补偿的实现方案，并分别对两种方案进行 了计算机仿真分析。最后对两种方案的性能与适用条件进行了分析对比。 文末对论文所做工作进行了总结，并对需要解决的问题和下一步的研究工作 进行了分析和展望。 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第二章频率步进雷达信号及成像原理 2 1 引言 本章介绍了频率步进雷达的基础知识。首先分析了频率步进雷达信号的波形 和数学表达式，并对频率步进体制的改进信号进行了讨论。其次着重分析了频率 步进信号静止点目标和静止扩展目标成像的数学原理，以及过采样条件下的目标 成像。最后简要讨论了频域细化等方法对步迸频率雷达信号的处理。 2 2 频率步进雷达信号 步进跳频合成宽带技术自6 0 年代就有学者开始研究f 2 】，从那时起有众多的研 究机构和人员对这一信号进行了深入的分析，并针对这一体制研究了多种改进的 宽带信号形式。 2 2 1 一般的脉冲频率步进信号 频率步进雷达通过发射一组载频跳变的脉冲串来获得大带宽，回波信号等同 于目标的频域响应，只要发射的信号波形有足够的带宽，用常规的逆傅立叶变换 处理就能孤立目标的强散射中心，从而实现距离高分辨率【2 4 】。脉冲频率步进雷达 是一种重要的高分辨率雷达体制，也是本论文分析的重点。文章后面所指的频率 步进雷达，都是指脉冲频率步进雷达。脉冲频率步进雷达信号可表示为 咖力叫吼哪p2 碱+ n a y ) f 】，裂搿) ( 2 1 ) 其中，“( r ) 是宽度为瓦的矩形脉冲，是脉冲总数，c 为脉冲重复周期( p r o ， 厂为频率步进量。 发射脉冲串： 接收脉冲串： ( n - i ) w om 图2 1 频率步进发射脉冲串与接收脉冲串图 第5 页 呲 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 脉冲频率步进雷达信号属于脉阃脉冲压缩方式，其基本思想为：发射一串( 个) 窄带的宽脉冲( 见图2 1 的射脉冲串) ，脉宽为瓦，每个脉冲的载频是均匀步进的， 步迸值为v ( a f 1 r ) ；在接收时对这串脉冲的回波信号用与之载频相应的本振信 号进行混频，再对这一串复数采样值进行i d f t ，则得到目标的合成距离像。它通 过个频率步进为矽的脉冲获得的总信号带宽，所以它可以达到分米甚至厘 米级的高分辨率。由于对每个脉冲回波都采用相干接收，接收机带宽只是每个脉 冲的带宽，大大降低了后续采集和处理的难度。这种雷达一般工作在低脉冲重复 的频率方式下( l p r f ) ，目标回波将在下一脉冲发射之前返回( 见图2 1 的接收脉冲 串) 。 2 2 2 脉冲频率步进信号的改进 频率步进信号属于多普勒敏感信号，目标速度对成像影响较大，而且由于需 要发射一串脉冲才能达到大带宽，使得该信号数据率较低。针对这些不利因素， 研究者提出了许多改进信号【2 6 1 2 7 】【2 8 】【2 9 】【3 2 】【3 3 1 。 2 2 2 1 脉冲线性调频步进信号 脉冲线性调频信号是非步进体制的大带宽信号，它通过脉冲压缩处理获得高 分辨。其表达式可写为 r1 材( f ) ：j 赤e x p ( 一，。7 t 2 ) ，刮2 纽他( 2 2 ) l o e l s e 其中，为频率扫描速率，b 为带宽。该信号的距离分辨率为： a r = 去= 上2 9 t ( 2 3 ) 2 b 、7 线性调频脉冲通过脉内线性调频调制来增大信号带宽，可以实现较高的距离 分辨率，它的模糊图呈斜刀刃型【2 9 】，属于多普勒非敏感信号。但是它对脉内扫频 线性度的要求十分苛刻发射，收发系统都必须具有很宽的瞬时带宽。 通过与频率步迸体制相结合，研究者提出了脉冲线性调频步进信号，其表达 式可写为 川) = 赤篓材( 堂尹) e x p ( j ；r u t 2 ) e x p ( 一2 ，r ( f o + i a f ) r ) ( 2 4 ) 相对于一般频率步进雷达信号和线性调频信号，调频步进信号具有更高的时 宽带宽积。脉冲线性调频步进雷达通过脉内压缩、脉间相参合成的高距离分辨率， 可以在发射较少步进脉冲的情况下获得同样的大带宽，改善了多普勒性能，同时 也提高了回波数据率。 第6 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 2 2 2 2 相位编码频率步进信号 相位编码信号作为一种脉冲压缩信号，码长k 就是它的压缩比，属多普勒敏 感信号。其达表示可写为 f 1 i 声 i k 甜( f ) ： 10 量- ( 2 5 ) f 1 ，o t 其中k t ) = ，f = k f c 。f 为脉冲宽度，t 为子脉冲宽度，k 为 【0 ，p l s p 编码长度，奴= e j k 9 = + 1 ，- 1 ) 为二进序列。该信号的距离分辨率为 a r = 睾 ( 2 6 ) 在现有的技术条件下，这种体制的雷达可以达到几分米的测距精度，但是由 于多普勒模糊效应以及雷达较小的动态范围，这种雷达在应用于宽带雷达系统时 受到限制，一般只用于多普勒变化范围较窄的场合。 用这种信号和频率步进体制相结合，研究者提出了相位编码频率步进信号， 其表达式为 x ( r ) = “( ! 一lo 这种信号在脉内进 频率步进信号的优点，是一种对脉冲步进频率雷达信号的改进信号。 2 2 2 3 脉冲随机跳频序列信号 这种雷达信号与频率步进雷达信号发射原理类似，只是脉冲的载频不再按照 一定的顺序步进，而是随机跳变的，接收时将n 个脉冲的采样序列按顺序重组， 再进行相参处理。其表达式可写为 邢) = 而1 缶6 , - i “( 华e x p ( - 门删够) ( 2 8 ) 该体制的雷达，对静止目标的处理与一般频率步进雷达相同。运动目标则相 当于在采样序列的相位中加入随机噪声，其结果是造成回波合成像的峰值降低、 能量发散。从多目标分辨的角度而言，希望与目标速度不同的回波信号失真越大 越好，故跳频序列宽带雷达信号的不同速度、多目标分辨性能要优于顺序步进频 率信号。 第7 页 2f 一 r 一 2f一 、乃 l 七一 0 y q 川脚 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 2 3 频率步进雷达成像原理 为了减小系统的瞬时带宽，脉冲频率步进雷达采用频率分时取样原理，在一 个时间段上持续发射载波频率均匀步进的n 个毫米波脉冲信号，并接收相应的目 标回波。目标回波的幅度和相位受到目标的调制，因此包含有目标特性。再对n 个脉冲回波进行相参处理，就可以得到目标的合成的高分辨率一维距离像 3 2 1 。 2 3 1 静止点目标的成像 设发射的第k 个脉冲为 x a t ) = x ke x p j ( 2 万五f + 嚷) 】，足z _ t k t + t p ( 2 9 ) 其中以和q 分别为第k 个脉冲的幅度和初相，五为载频，以= f o + k a f ，取 v = 1 t p ，z 为脉冲重复周期。 对于静止点目标，第k 个脉冲的回波信号为 坛( ) = y ke x p j ( 2 x f t ( t f ) + 幺) 】，铒+ f n 时 进行补零) ：2 m r a f ( 3 3 1 ) l = 一 i j 乞：m 一2 m r a f c ( 3 3 2 ) 对于速度为v 的点目标向雷达做径向运动，考虑回波相位线性相位的影响， 即目标距离像左移，则脉冲综合峰值位置分别为 。：2 m r