CN110988864B - 一种频率捷变mti雷达测速方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种频率捷变MTI雷达测速方法，利用双发射接收通道同时发射接收频率不同的信号，然后通过信号处理将两个通道的信号进行信号级融合以提高探测性能，同时利用两个接收通道的信号相位信息进行速度解算，无需额外发射冗余波形用于速度模糊解算。本发明由于本发明采用同时双频发射，降低侦察接收机截获雷达发射信号的概率，并且同时双频接收可以有效对抗窄带瞄准式干扰，克服了现有MTI雷达中电子对抗能力弱的缺点，采用双通道信号级融合实现目标检测且无需冗余波形实现解速度模糊，克服了现有技术中通过发射冗余波形能量严重损耗的缺点，有效提高了目标的综合探测性能。

Description

一种频率捷变MTI雷达测速方法

技术领域

本发明涉及雷达目标探测技术领域，尤其是一种频率捷变MTI雷达***结构和测速方法。

背景技术

现代雷达面临的任务日益复杂，为了提高雷达在复杂多变环境中的检测性能，人们提出了许多先进的理论和方法，杂波抑制技术就是其中的一项关键技术之一。动目标显示技术就是最早用于抑制杂波的技术之一，它利用运动目标回波信号的多普勒频移来区分固定目标和运动目标。低重频MTI雷达通过发射长脉冲宽度来提高发射能量，从理论上讲如果占空比和总时间相同，不同重频雷达的探测威力是相同的，因为平均功率和能量是一样的，事实上，由于没有积累损耗，低重频雷达的实际探测距离更远。由于重频比较低，低重频雷达的无模糊多普勒频率很小，速度模糊比较严重，所以不适合进行脉冲多普勒处理，抗杂波能力较弱，但是随着技术的发展，目前先进的MTI雷达的改善因子可以达到60分贝，可以有效改善在杂波中检测运动目标的能力，并且提高雷达的抗干扰能力。

目前，低重频MTI雷达以其测距清晰的特点，主要应用于远程预警、航天测绘等领域，因为雷达体制的原因，低重频MTI雷达在测速时有严重的速度模糊，不适合测速。但是，如果能够获得目标的速度信息，则可以利用目标和杂波的速度差异进行点迹过滤，达到更好的杂波抑制效果。此外，目标的速度信息可以提高目标的跟踪精度，也可以粗略估计目标的类型。

近几年，雷达所处的电磁环境越来越复杂。为了提高抗干扰能力，雷达大多采用频率捷变工作模式。脉冲到脉冲的频率捷变具有增加某些目标可检测性的重要优点，频率捷变也减轻了跟踪雷达中回波闪烁的有害影响，有助于更精确的目标跟踪。在军用雷达中，脉间频率捷变将迫使敌人的干扰信号能量分散在一个宽的带宽内，而不是集中全部的能量在固定频率雷达的窄带宽内。

目前，国内学者对MTI雷达测速研究比较少。国内崔炜程等人提出了一种基于相位解缠的MTI雷达测速算法，该算法采用相位解缠和重频参差解模糊法实现MTI雷达测速，但是该算法为了解模糊需要发送六个重频参差周期，这与没有模糊的雷达相比，冗余波形意味着严重的能量损耗，会严重影响雷达的作用距离，而且长时间发送同一工作频率的波形很容易受到窄带瞄准式干扰，从而无法有效实现目标探测，并且对不同的重复周期解模糊效果差异较大，为了提高效果，需对重频周期进行专门优化设计。近几年，在雷达技术领域，多通道发射和接收技术发展迅速，但是目前的研究主要集中在发射接收单一工作频率上，也就是说所有发射和接收通道是一致的，这种结构设计实现简单，但是抗干扰性能较弱。2011年***提出了一种线性通道和对数通道双通道接收机，该技术不仅完整的保留了信号的幅度信号，而且扩大的接收机的动态范围，但是并未对电子对抗性能进行研究。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种频率捷变MTI雷达测速方法，克服了现有技术中MTI雷达抗干扰能力弱和发射冗余波形能量损耗严重的缺点。由于采用单一频率发射并利用重频参差方式发射冗余波形解算目标真实速度，长时间发射同一频率信号极易被侦察接收机截获并实施窄带瞄准式干扰，而且重频参差方式发射冗余波形意味着严重的能量损耗，会严重影响雷达的作用威力，因此本发明利用双发射接收通道同时发射接收频率不同的信号，然后通过信号处理将两个通道的信号进行信号级融合以提高探测性能，同时利用两个接收通道的信号相位信息进行速度解算，无需额外发射冗余波形用于速度模糊解算。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案的具体步骤如下：

S1：为了降低发射信号被侦察接收机截获概率，波形产生器产生波形并功分两路分别送给两个发射通道，两个发射通道分别接收本振源送来的本振信号f_LO1和f_LO2，要求|f_LO1-f_LO2|>1GHz，经上变频后两路信号分别以不同的发射频率通过同一天线向空间目标辐射信号；

S2：为对抗窄带瞄准式干扰，天线收集目标反射信号送两个接收通道，两个接收通道分别接收本振源送来的本振信号f_LO1和f_LO2分别完成信号放大、下变频、AD变换和数字下变频的预处理，然后送信号处理机；

S3：为提高目标探测性能，两个接收通道预处理后的信号分别完成脉冲压缩和MTI处理，然后将两个接收通道MTI处理后的信号进行非相参融合以提高信噪比，并完成目标恒虚警检测，非相参融合的具体内容如下：

接收通道一MTI处理后的信号M₁₁(t)、M₁₂(t)分别为：

其中，A₁表示接收通道一信号幅度，f_d1表示多普勒频率，T_r表示脉冲重复周期，φ₀₁表示初始相位值；

接收通道二MTI处理后的信号M₂₁(t)、M₂₂(t)为：

同理，有

其中A₂表示接收通道二信号幅度，f_d2表示多普勒频率，T_r表示脉重得周期，φ₀₂表示初始相位值；

将接收通道一MTI处理后的信号M₁₁(t)、M₁₂(t)和接收通道二MTI处理后的信号M₂₁(t)、M₂₂(t)分别进行取模值运算，得到|M₁₁(t)|、|M₁₂(t)|、|M₂₁(t)|、|M₂₂(t)|，然后进行非相参融合，即：

M(t)＝|M₁₁(t)|+|M₁₂(t)|+|M₂₁(t)|+|M₂₂(t)|

对非相参融合后的数据M(t)采用单元平均恒虚警算法完成目标检测，得到检测结果D；

S4：为了获得目标的速度信息，利用S3中两个接收通道MTI处理后的信号和目标恒虚警检测结果利用相位信息采用筛选法完成目标速度的解算，具体内容如下：

S41：根据接收通道一MTI处理后的信号M₁₁(t)和接收通道二MTI处理后的信号M₁₂(t)，并令初始时刻t＝0，计算相位值：

Phase₁₁＝-2πf_d1T_r+π-φ₀₁

Phase₁₂＝-4πf_d1T_r+π-φ₀₁

相位差值为：

phase_diff₁＝Phase₁₁-Phase₁₂＝2πf_d1T_r

由此得到：

S42：根据S3中三脉冲对消结果M₂₁(t)和M₂₂(t)，并令初始时刻t＝0，计算相位值：

Phase₂₁＝-2πf_d2T_r+π-φ₀₁

Phase₂₂＝-4πf_d2T_r+π-φ₀₁

其相位差值：

phase_diff₂＝Phase₂₁-Phase₂₂＝2πf_d2T_r

由此得到：

S43：将f_d1所有可能的对应目标速度一一列出，即：

N₁＝floor(2V_maxf_R1/(f_rc))，其中V_max为目标最大可能速度，f_R1为发射通道一发射频率，c为光速，f_r＝1/T_r为脉冲重复频率；

将f_d2所有可能的对应目标速度一一列出，即：

N₂＝floor(2V_maxf_R2/(f_rc))，其中V_max为目标最大可能速度，f_R2为发射通道二发射频率，c为光速，f_r＝1/T_r为脉冲重复频率；

将

中的每一个值分别与

中每一个值求取差值并取绝对值范数，得

在

中搜索最小值，若

为最小值，则k₁或k₂为所求的模糊度，最后得到目标正确的速度为

S5：将S3中目标检测结果D和S4中目标的速度信息V_r一起送后续数据处理分***，用于进一步完成目标跟踪。

本发明的有益效果为：第一，由于本发明采用同时双频发射，可以

降低侦察接收机截获雷达发射信号的概率，并且同时双频接收可以有效对抗窄带瞄准式干扰，克服了现有MTI雷达中电子对抗能力弱的缺点，使得本发明具有抗干扰能力强的优点；第二，由于本发明采用双通道信号级融合实现目标检测且无需冗余波形实现解速度模糊，克服了现有技术中通过发射冗余波形能量严重损耗的缺点，有效提高了目标的综合探测性能。因而本发明有效解决了MTI雷达抗干扰能力弱和发射能量利用率低的问题，为实现复杂电磁环境下远程目标探测提供了有力的技术支撑。

附图说明

图1为本发明捷变频MTI雷达的原理框图。

图2为本发明测速精度随信噪比变化示意图。

图3为本发明和传统方法在虚警率相同的情况下不同信噪比下的检测概率曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本发明利用同时双通道发射和接收不同频率信号的技术，不仅有效的提高了对目标的探测和测速性能，而且提高了综合抗干扰能力，为该方法在MTI雷达中的实际使用提供了强有力的技术支撑。

本发明提出了一种频率捷变MTI雷达测速方法，不仅可以有效的检测目标的速度，而且使雷达的探测性能和综合抗干扰能力得到明显提升，为提升防区内雷达综合探测能力奠定了技术基础。

参照图1，为本发明的一种频率捷变MTI雷达***结构和测速方法原理框图。该发明一种频率捷变MTI雷达测速方法包括以下步骤：

S1：参考图1,波形产生器产生四个脉冲周期波形并功分成两路信号，一路信号送发射通道一与本振源送来的本振信号f_LO1进行上变频处理，然后经滤波、放大处理后经环形器通过天线以射频频率f_R1向空间目标辐射信号；同时，另一路信号送发射通道二与本振源送来的本振信号f_LO2进行上变频处理，然后经滤波、放大处理后经环形器通过天线以射频频率f_R2向空间目标辐射信号，要求|f_LO1-f_LO2|>1GHz，即|f_R1-f_R2|>1GHz。

S2：天线收集目标反射信号经环形器送两个接收通道：接收通道一接收目标回波信号经放大滤波处理后和本振源送来的本振信号f_LO1完成下变频处理，通过滤波、放大后经AD变换和数字下变频滤波处理，得到接收通道一的四脉冲信号集合S_r1(t)，即：

T_r表示脉冲重复周期，r₁表示接收通道一，

表示接收通道一第l个脉冲信号，l表示脉冲编号。

接收通道二接收目标回波信号经放大滤波处理后和本振源送来的本振信号f_LO1完成下变频处理，通过滤波、放大后经AD变换和数字下变频滤波处理，得到接收通道二的四脉冲信号集合

即：

这里T_r表示脉冲重复周期，r₂表示接收通道一，

表示接收通道一第l个脉冲信号，l表示脉冲编号。

S3：两个接收通道预处理后的信号分别完成脉冲压缩和MTI处理，然后将两个接收通道MTI处理后的信号进行非相参融合，具体实施如下：

S31：接收通道一根据S2中预处理后信号S_r1(t)分别完成脉冲压缩处理得到脉冲压缩后结果

信号模型表示为：

其中A₁表示接收通道一信号幅度，f_d1表示多普勒频率，T_r表示脉冲重复周期，φ₀₁表示初始相位值。

三脉冲对消MTI处理：

S32：接收通道二根据S2中预处理后信号S_r2(t)分别完成脉冲压缩处理得到脉冲压缩后结果

信号模型表示为：

其中A₂表示接收通道二信号幅度，f_d2表示多普勒频率，T_r表示脉重得周期，φ₀₂表示初始相位值。

三脉冲对消MTI处理：

同理，有

S33：将接收通道一MTI处理后的信号M₁₁(t)、M₁₂(t)和接收通道二MTI处理后的信号M₂₁(t)、M₂₂(t)分别进行取模值运算，得到|M₁₁(t)|、|M₁₂(t)|、|M₂₁(t)|、|M₂₂(t)|，然后进行非相参融合，即

M(t)＝|M₁₁(t)|+|M₁₂(t)|+|M₂₁(t)|+|M₂₂(t)|

S34：对S33中非相参融合后的数据M(t)采用传统单元平均恒虚警算法完成目标检测，得到检测结果D。

S4：利用S31和S32中两个接收通道MTI处理后的信号和目标恒虚警检测结果与相位信息采用筛选法完成目标真实速度的解算，具体实施如下：

S41：根据接收通道一MTI处理后的信号M₁₁(t)和接收通道二MTI处理后的信号M₁₂(t)，并令初始时刻t＝0，计算相位值：

Phase₁₁＝-2πf_d1T_r+π-φ₀₁

Phase₁₂＝-4πf_d1T_r+π-φ₀₁

相位差值为：

phase_diff₁＝Phase₁₁-Phase₁₂＝2πf_d1T_r

由此得到：

S42：根据S3中三脉冲对消结果M₂₁(t)和M₂₂(t)，并令初始时刻t＝0，计算相位值：

Phase₂₁＝-2πf_d2T_r+π-φ₀₁

Phase₂₂＝-4πf_d2T_r+π-φ₀₁

其相位差值：

phase_diff₂＝Phase₂₁-Phase₂₂＝2πf_d2T_r

由此得到：

S43：将f_d1所有可能的对应目标速度一一列出，即：

N₁＝floor(2V_maxf_R1/(f_rc))，其中V_max为目标最大可能速度，f_R1为发射通道一发射频率，c为光速，f_r＝1/T_r为脉冲重复频率；

将f_d2所有可能的对应目标速度一一列出，即：

N₂＝floor(2V_maxf_R2/(f_rc))，其中V_max为目标最大可能速度，f_R2为发射通道二发射频率，c为光速，f_r＝1/T_r为脉冲重复频率；

将

中的每一个值分别与

中每一个值求取差值并取绝对值范数，得

在

中搜索最小值，若

为最小值，则k₁或k₂为所求的模糊度，最后得到目标正确的速度为

S5：将S3中目标检测结果D和S4中目标的速度信息V_r组成目标检测信息R＝{D,V_r}，将其送后续数据处理分***，进一步完成目标跟踪。

下面通过仿真实验对本发明的效果做进一步说明。

仿真实验内容：设发射波形为线性调频信号，时宽100μs，带宽4MHz，脉冲重复周期T_r＝1000μs，目标速度在[100m/s,1500m/s]之间随机产生，雷达发射通道一发射频率f_R1＝0.9GHz，雷达发射通道二发射频率f_R2＝2GHz，蒙特卡罗试验次数均为1000次。在MATLAB13.0a软件中进行实验，根据本发明提供的方法进行目标速度解算，得出目标的真实速度。参照图2，为在不同信噪比下速度正确解算概率变化示意图，图2中，横轴代表信噪比(单位：分贝)，纵轴代表检测概率；参照图3，为本发明方法和传统方法在虚警率相同的情况下不同信噪比下的检测概率曲线，图3中，横轴代表信噪比(单位：分贝)，纵轴代表检测概率。

从图2可以看出本发明提出的方法在一定信噪比下具有很高的正确解算目标速度的概率；从图3可以看出本发明提出的方法与传统方法相比具有更优的检测性能，从而证明了本发明的有效性。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (1)

1.一种频率捷变MTI雷达测速方法，其特征在于包括下述步骤：

S1：为了降低发射信号被侦察接收机截获概率，波形产生器产生波形并功分两路分别送给两个发射通道，两个发射通道分别接收本振源送来的本振信号f_LO1和f_LO2，要求|f_LO1-f_LO2|>1GHz，经上变频后两路信号分别以不同的发射频率通过同一天线向空间目标辐射信号；

S2：为对抗窄带瞄准式干扰，天线收集目标反射信号送两个接收通道，两个接收通道分别接收本振源送来的本振信号f_LO1和f_LO2分别完成信号放大、下变频、AD变换和数字下变频的预处理，然后送信号处理机；

S3：为提高目标探测性能，两个接收通道预处理后的信号分别完成脉冲压缩和MTI处理，然后将两个接收通道MTI处理后的信号进行非相参融合以提高信噪比，并完成目标恒虚警检测，非相参融合的具体内容如下：

接收通道一MTI处理后的信号M₁₁(t)、M₁₂(t)分别为：

其中，A₁表示接收通道一信号幅度，f_d1表示多普勒频率，T_r表示脉冲重复周期，φ₀₁表示初始相位值；

接收通道二MTI处理后的信号M₂₁(t)、M₂₂(t)为：

同理，有

其中A₂表示接收通道二信号幅度，f_d2表示多普勒频率，T_r表示脉重得周期，φ₀₂表示初始相位值；

将接收通道一MTI处理后的信号M₁₁(t)、M₁₂(t)和接收通道二MTI处理后的信号M₂₁(t)、M₂₂(t)分别进行取模值运算，得到|M₁₁(t)|、|M₁₂(t)|、|M₂₁(t)|、|M₂₂(t)|，然后进行非相参融合，即：

M(t)＝|M₁₁(t)|+|M₁₂(t)|+|M₂₁(t)|+|M₂₂(t)|

对非相参融合后的数据M(t)采用单元平均恒虚警算法完成目标检测，得到检测结果D；

S4：为了获得目标的速度信息，利用S3中两个接收通道MTI处理后的信号和目标恒虚警检测结果利用相位信息采用筛选法完成目标速度的解算，具体内容如下：

S41：根据接收通道一MTI处理后的信号M₁₁(t)和接收通道二MTI处理后的信号M₁₂(t)，并令初始时刻t＝0，计算相位值：

Phase₁₁＝-2πf_d1T_r+π-φ₀₁

Phase₁₂＝-4πf_d1T_r+π-φ₀₁

相位差值为：

phase_diff₁＝Phase₁₁-Phase₁₂＝2πf_d1T_r

由此得到：

S42：根据S3中三脉冲对消结果M₂₁(t)和M₂₂(t)，并令初始时刻t＝0，计算相位值：

Phase₂₁＝-2πf_d2T_r+π-φ₀₁

Phase₂₂＝-4πf_d2T_r+π-φ₀₁

其相位差值：

phase_diff₂＝Phase₂₁-Phase₂₂＝2πf_d2T_r

由此得到：

S43：将f_d1所有可能的对应目标速度一一列出，即：

N₁＝floor(2V_maxf_R1/(f_rc))，其中V_max为目标最大可能速度，f_R1为发射通道一发射频率，c为光速，f_r＝1/T_r为脉冲重复频率；

将f_d2所有可能的对应目标速度一一列出，即：

N₂＝floor(2V_maxf_R2/(f_rc))，其中V_max为目标最大可能速度，f_R2为发射通道二发射频率，c为光速，f_r＝1/T_r为脉冲重复频率；

将

中的每一个值分别与

中每一个值求取差值并取绝对值范数，得

在

中搜索最小值，若

为最小值，则k₁或k₂为所求的模糊度，最后得到目标正确的速度为

S5：将S3中目标检测结果D和S4中目标的速度信息V_r一起送后续数据处理分***，用于进一步完成目标跟踪。

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