雷達(dá)動(dòng)目標(biāo)處理系統(tǒng)指標(biāo)分析

【摘　要】　從雷達(dá)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)和顯示能力出發(fā)，探討了影響雷達(dá)動(dòng)目標(biāo)改善因子提高的約束條件，分析了動(dòng)目標(biāo)處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的可能性。通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算驗(yàn)證，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。
???? 關(guān)鍵詞：動(dòng)目標(biāo)顯示，改善因子，自適應(yīng)對(duì)消

1　引　言
　　近年來(lái)，增強(qiáng)對(duì)動(dòng)目標(biāo)的捕獲、跟蹤、顯示和檢測(cè)已成為發(fā)展新的光電綜合測(cè)量系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。隨著電子器件性能的提高和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的進(jìn)步，動(dòng)目標(biāo)處理技術(shù)獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展。動(dòng)目標(biāo)顯示技術(shù)發(fā)展的主要目的是為了增強(qiáng)雷達(dá)的目標(biāo)檢測(cè)能力并顯示出運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。它能夠檢測(cè)到那些存在于各種雜波中具有不同徑向運(yùn)動(dòng)速度的目標(biāo)反射信號(hào)。其中雷達(dá)的雜波是指從地面、海面、空中云雨、箔條、鳥類、昆蟲及極光等物體反射得到的回波，表述為地雜波、海雜波、氣象雜波、“仙波”等等。上述列舉出的雷達(dá)雜波信號(hào)與雷達(dá)接收機(jī)的噪聲信號(hào)有本質(zhì)上的區(qū)別，在連續(xù)的兩個(gè)發(fā)射脈沖之間雜波信號(hào)是相關(guān)的，而噪聲是不相關(guān)的。動(dòng)目標(biāo)顯示技術(shù)就是利用了雜波的特性濾除雷達(dá)回波中的雜波信號(hào)，從而顯示出雷達(dá)作用范圍內(nèi)的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，使光電綜合測(cè)量技術(shù)向自動(dòng)化、智能化、高精度、全天候、實(shí)時(shí)處理的方向發(fā)展。
2　動(dòng)目標(biāo)處理系統(tǒng)的改善因子I與整機(jī)相關(guān)系統(tǒng)的關(guān)系
　　動(dòng)目標(biāo)處理系統(tǒng)的工作質(zhì)量可以用改善因子I來(lái)衡量。改善因子的提高受限于雷達(dá)相關(guān)部分的性能。如雜波內(nèi)部的起伏運(yùn)動(dòng)，雷達(dá)各系統(tǒng)部件的不穩(wěn)定性，A／D變換器的量化噪聲，正交雙通道幅相不一致等。改善因子I總可用下式表示：

　　從（1）式可以看出I總的值決定于各種改善因子中最小的那一個(gè)。
2．1　量化噪聲對(duì)改善因子的約束
　　若A／D變換器位數(shù)為b，最高位為符號(hào)位，則A／D量化噪聲對(duì)改善因子的限制為：

2．2　正交雙通道幅相不一致性對(duì)改善因子的約束
　　采用正交雙通道處理技術(shù)，必須考慮I、Q通道的幅相不一致性對(duì)系統(tǒng)性能的影響。正交信號(hào)UI（t）、UQ（t）的幅度不一致性Δ和相位正交差Q引起的鏡象頻譜分量與理想頻譜分量的功率比為：
　　
　　從表2中可以看出，若希望動(dòng)目標(biāo)處理系統(tǒng)的改善因子大于40dB，I、Q通道的幅度不一致性必須小于1％，相位正交差必須小于1度。 2．3　不穩(wěn)定性對(duì)改善因子的約束
　　雷達(dá)不穩(wěn)定性對(duì)改善因子的限制，主要表現(xiàn)在相位、振幅及脈沖延時(shí)不穩(wěn)定上。在采用磁控管發(fā)射機(jī)雷達(dá)中，動(dòng)目標(biāo)處理系統(tǒng)的改善因子I不穩(wěn)在23dB左右，在某型雷達(dá)中采用固態(tài)微波源，它比磁控管發(fā)射機(jī)的頻率、相位穩(wěn)定性高2個(gè)數(shù)量級(jí)以上，1kHz頻偏處相噪低于－100～110dBC／Hz，底部相噪在－120 dBC／Hz以下，I不穩(wěn)定在50～60dB之間。
2．4　雜波內(nèi)部運(yùn)動(dòng)對(duì)系統(tǒng)改善因子的約束
2．4．1　雜波的頻譜特性
　　眾所周知，由于雜波內(nèi)部的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，各反射單元所反射的回波具有不同的多譜勒頻率，這導(dǎo)致了雜波頻譜的展寬。雜波譜通常具有高斯特性，其功率譜通常近似為：

式中，W（f）：雜波的功率譜，W0＝W（f）｜f＝0；
????? f：工作頻率；λ：雷達(dá)工作波長(zhǎng)；
　　 δc：雜波功率譜標(biāo)準(zhǔn)差，反映了不同工作波長(zhǎng)下雜波譜展寬的程度；
　　 δv：雜波運(yùn)動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)差，與雜波內(nèi)部起伏運(yùn)動(dòng)的程度有關(guān)，與工作波長(zhǎng)無(wú)關(guān)；有δc＝2δv／λ。
2．4．2　雜波抑制濾波器分析
??? （1）固定對(duì)消器
　　為實(shí)現(xiàn)對(duì)地物雜波的良好抑制，可以采用凹口固定在零頻的對(duì)消器。
??? 一次對(duì)消器的傳遞函數(shù)為：
　　H1（Z）＝（1－Z－1）（5）
??? 二次對(duì)消器的傳遞函數(shù)為：
??? H2（Z）＝（1－Z－1）2（6）

　　對(duì)零均值的離散型雜波，其δC對(duì)固定一次對(duì)消器和固定二次對(duì)消器改善因子的限制：當(dāng)系統(tǒng)的Fr為1000Hz，δC＝13Hz，則有

　　當(dāng)工作的Fr較高時(shí)，改善因子還會(huì)有所提高。上述的一次固定對(duì)消器和二次固定對(duì)消器，對(duì)海浪和氣象雜波有很大限制。

　　動(dòng)目標(biāo)系統(tǒng)改善因子與雷達(dá)重復(fù)頻率有關(guān)，雷達(dá)重復(fù)頻率越高，改善因子越好，對(duì)消效果越好；對(duì)地物雜波來(lái)說(shuō)，風(fēng)速越低，改善因子越好。對(duì)海浪回波來(lái)說(shuō)，風(fēng)速越低，改善因子越好。但是當(dāng)風(fēng)速特別大時(shí)（狂風(fēng)），改善因子反倒會(huì)比風(fēng)速小的時(shí)候好。理論分析已被工程實(shí)驗(yàn)結(jié)果所證實(shí)。
　　可以看出利用固定對(duì)消器不能對(duì)海雜波及云雨雜波進(jìn)行很好的抑制。因此我們采用自適應(yīng)對(duì)消器對(duì)海雜波及云雨雜波進(jìn)行抑制。
??? （2）自適應(yīng)對(duì)消器
　　為了抑制云、雨、雪等具有可變運(yùn)動(dòng)速度的雜波，雜波對(duì)消器的凹口必須實(shí)時(shí)鎖定在雜波平均多譜勒的中心。設(shè)雜波平均多譜勒頻率為fdc，雜波運(yùn)動(dòng)的徑向速度為VC，雷達(dá)工作波長(zhǎng)λ（5cm），則它們?nèi)叩年P(guān)系為：fdc＝2VC／λ，如果雜波運(yùn)動(dòng)的徑向速度變化范圍為：VC＝0～60km／h＝0～16．67m／s，雜波平均多譜勒頻率fdc＝0～±666．67Hz。由于雷達(dá)的重復(fù)頻率：fr＝1000Hz，則自適應(yīng)對(duì)消器凹口可變范圍為0～1000Hz。
??? 自適應(yīng)一次對(duì)消器的傳遞函數(shù)為：

若輸入信號(hào)為：

W1＝cos（θ1）＋jsin（θ1）稱為濾波器的權(quán)值。自適應(yīng)一次對(duì)消濾波器通過(guò)調(diào)整它的權(quán)值實(shí)現(xiàn)最佳濾波。
??? 自適應(yīng)二次對(duì)消器的傳遞函數(shù)為：

??? 若對(duì)消器的輸入信號(hào)為：
稱為濾波器的權(quán)值。通過(guò)改變權(quán)值W1和W2，我們可以控制濾波器凹口的位置。二次自適應(yīng)對(duì)消器比一次自適應(yīng)對(duì)消器凹口寬，因此對(duì)頻譜較寬的雜波的對(duì)消性能要好一些。
　　自適應(yīng)對(duì)消器的關(guān)鍵問(wèn)題是如何實(shí)時(shí)獲得與雜波平均多譜勒頻率中心fdc相對(duì)應(yīng)的濾波器的權(quán)值，以便將濾波器的凹口鎖定到平均多譜勒頻率中心fdc，并且隨著雜波平均多譜勒頻率中心fdc的變化，實(shí)時(shí)獲取新的相對(duì)應(yīng)的濾波器的權(quán)值WI和WQ，使濾波器的凹口始終跟隨fdc的變化而鎖定到它的中心，以達(dá)到最佳的雜波抑制效果，與此相應(yīng)的使雜波剩余最小的權(quán)值即為最佳權(quán)值。
　　在自適應(yīng)一次、二次對(duì)消中，我們假設(shè)雜波以10m／s的速度徑向運(yùn)動(dòng)，fdc＝2Vrc／λ，所以運(yùn)動(dòng)雜波的多譜勒頻率fdc＝400Hz，仿真結(jié)果如下表4所示。 　　以上分析了影響系統(tǒng)改善因子提高的主要因素，可以看出動(dòng)目標(biāo)雷達(dá)改善因子受制于許多因素，但對(duì)于特定雷達(dá)僅有一兩個(gè)因素是問(wèn)題的主要矛盾，其他因素均為次要矛盾。
　　表5示出了在三級(jí)海情，四種組合方式下的對(duì)消改善效果比較。
3　動(dòng)目標(biāo)處理系統(tǒng)實(shí)施方案
　　（1）采用正交雙通道復(fù)信號(hào)處理模式，數(shù)字正交復(fù)信號(hào)在進(jìn)入動(dòng)目標(biāo)處理系統(tǒng)前，已經(jīng)過(guò)自適應(yīng)旁瓣相消與數(shù)字脈沖壓縮系統(tǒng)，形成脈沖寬度恒定的數(shù)字正交復(fù)信號(hào)。為保證動(dòng)目標(biāo)處理系統(tǒng)的性能，輸入的I、Q支路信號(hào)的幅度一致性和相位的正交性必須滿足一定的要求。
　?。?）采用以現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理器ADSP21062為核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)地雜波、海雜波、氣象雜波的自適應(yīng)濾波。完成多方式的動(dòng)目標(biāo)處理，具有設(shè)備量小、成本低、可靠性高、運(yùn)算密集度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等特點(diǎn)。
　?。?）CFAR處理技術(shù)，系成熟技術(shù)，在此不再贅述。
4　結(jié)束語(yǔ)
　　綜上所述，可以得出如下結(jié)論：
　　（1）A／D變換器位數(shù)應(yīng)大于10位。
　　（2）正交雙通道幅相不一致性和相位不一致性應(yīng)分別限制在1％、1度以內(nèi)。
　　（3）雷達(dá)應(yīng)選擇高穩(wěn)定性的微波頻率源。
　?。?）在不同的情況下選擇不同的對(duì)消方式，在觀測(cè)地雜波很強(qiáng)的回波時(shí)可采用二次固定對(duì)消器；在海雜波和氣象雜波較強(qiáng)時(shí)，可采用一次固定對(duì)消器加二次自適應(yīng)對(duì)消方式，在對(duì)消效果不理想時(shí)還可以通過(guò)自動(dòng)調(diào)整自適應(yīng)對(duì)消器的權(quán)系數(shù)以獲得最佳的效果。
　　此方案可以滿足地雜波的改善因子大于40dB，海雜波的改善因子大于35dB，氣象雜波的改善因子大于20dB的要求。提高雷達(dá)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)測(cè)量和顯示的精確性。
1　M．I斯科爾尼克主編，謝卓譯．雷達(dá)手冊(cè)．北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1978
2　陳建春，耿富錄．自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)雜波抑制技術(shù)．西安：西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，26（2）：174～177