CN106483507A - 一种高重频脉冲多普勒雷达体制下减小遮挡效应的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种高重频脉冲多普勒雷达体制下减小遮挡效应的方法，根据测速不模糊原理，确定最大波形重复周期值；在的最大波形重复周期范围内选取若干发射波形重复周期，组成发射波形重复周期组，且保证在观测距离范围内，发射波形重复周期组中至少存在一种发射波形重复周期处于不遮挡状态；在跟踪的过程中，如果发现目标，则下一次发射波形的重复周期值保持不变；如果没有发现目标，则下一次发射波形的重复周期值切换至发射波形重复周期组中的下一种发射波形重复周期；从而大大减小了高重频脉冲多普勒雷达体制下的距离遮挡效应。

Description

一种高重频脉冲多普勒雷达体制下减小遮挡效应的方法

技术领域

本发明属于雷达发射波形设计和波形选择策略领域，具体涉及一种高重频脉冲多普勒雷达体制下减小遮挡效应的方法。

背景技术

采用脉冲多普勒体制的雷达系统在进行总体设计过程中，波形设计是关键，它决定着雷达系统的测距和测速性能，高重频的波形存在较严重的距离遮挡现象，如何减小和消除遮挡现象对于雷达系统总体性能的影响是雷达系统波形设计过程中应该考虑的重点问题。

对于雷达系统来说，当目标回波信号刚好处于遮挡区时，接收到的目标回波信号强度会有很大衰减，这对于目标回波信号检测来说是极为不利的，可能大大造成目标检测概率的降低，同时也会影响雷达系统的最大作用距离，在完全遮挡的情况下，将接收不到任何目标回波信号，对于一个雷达系统在跟踪目标时，目标信号丢失1到2秒以上是不允许的，有可能在目标大机动的情况下，很难再捕获目标，将会造成跟踪任务的失败。

雷达系统采用一种高重频的波形设计，这样对迎头目标的检测可以在无杂波区进行，同时保证在速度上可以无模糊处理，但采用HPRF发射脉冲时遮挡效应比较严重，另外，目标被遮挡的时间与其接近速度成反比，也就是说在目标速度较低时遮挡现象将更严重。

目前解决距离遮挡的方法主要有两种，一是采用记忆跟踪办法，另外一种是通过变脉冲重复频率(Pulse Repetition Frequency，PRF)的方案。记忆跟踪实际上是一种外推算法，也就是在目标回波信号处于遮挡区时，雷达系统得不到新的测量数据，信号处理机将根据在此时刻以前获得的目标距离等信息，找出目标信息变化的规律，对目标的角度和速度等信息按照变化规律进行外推预估，如果在此期间能够保持天线波束对目标的照射，随着目标距离的改变，目标将最终离开遮挡区，雷达系统可在遮挡区后保持原有的工作状态。外推的办法可以根据实际情况采用α-β滤波或卡尔曼滤波对没有处于遮挡区的数据进行滤波处理，然后求出滤波值的变化率，当目标进入遮挡区后则运用此变化率对目标速度和角度加以控制，达到跟踪目标的目的。

另一种降低遮挡效应的方法可以适当改变脉冲重复频率，一般情况下，按照一定的 顺序在一组有少许差异的PRF之间作连续切换以保证在整个检测距离内至少有一个PRF没有被遮挡，这样可以解决距离遮挡问题，实现雷达系统的正常的信号检测和跟踪。脉冲重复频率切换的方式大致有以下两种，一是使PRF随着信号强度下降自适应地改变，回避遮挡，二是利用距离跟踪系统获得准确的目标距离信息，实时地计算出无遮挡的PRF值，经过脉冲同步电路相应地变换同步脉冲和重复频率，可以实现抗遮挡的目的，这两种变PRF的方法各有一定的优缺点。

以上记忆跟踪方法的关键是α-β滤波器或卡尔曼滤波器的设计，只有在有一定的先验信息的情况下，滤波的性能才会比较好，否则记忆跟踪的效果会比较差，很难保证波束一直准确地指向目标。以上变脉冲重复频率的方法中，第一种是不可靠的，因为真实目标回波的信号强度是闪烁的，这种方法需要在一定的积累时间内才能达到较好的效果，第二种的前提是目标真实距离是事先知道的，但在实际中，这一先验信息很难准确地得到，所以在使用中存在一定的局限性。

发明内容

本发明的目的在于针对高重频脉冲多普勒雷达存在距离遮挡现象提供一种脉冲多普勒雷达体制下减小距离遮挡效应的方法，能简单、高效、易实现地减小遮挡效应的方法，大大减小了高重频脉冲多普勒雷达体制下的距离遮挡效应。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种高重频脉冲多普勒雷达体制下减小遮挡效应的方法，根据测速不模糊原理，确定最大波形重复周期值；根据雷达方程和雷达作用距离，确定最小发射波形脉冲宽度；在的最大波形重复周期范围内选取若干发射波形重复周期，组成发射波形重复周期组，且保证在观测距离范围内，发射波形重复周期组中至少存在一种发射波形重复周期处于不遮挡状态；在跟踪的过程中，如果发现目标，则下一次发射波形的重复周期值保持不变；如果没有发现目标，则下一次发射波形的重复周期值切换至发射波形重复周期组中的下一种发射波形重复周期；从而大大减小了高重频脉冲多普勒雷达体制下的距离遮挡效应。

进一步，最大波形重复周期值其中f_dmax为目标的最大多普勒频率。

进一步，最小发射波形脉冲宽度其中，S_min为雷达系统的最小可检测信号功率，R_max为雷达系统的最大作用距离，P_t为发射脉冲峰值功率， G为雷达系统天线的增益，λ为雷达系统的工作波长，σ为目标有效散射截面积。

进一步，所述发射波形重复周期组中各发射波形重复周期的选取方法为：将最大波形重复周期T_rmax作为选取出的第一个波形重复周期；确定最小波形重复周期T_rmin，且 中n为发射脉冲的次数，n取不大于的最大正整数；将脉冲发射波形重复周期T_rmax～T_rmin等间隔分为m+1个部分，在m个等间隔点左右小范围内进行选取m个波形重复周期值T_r1、T_r2…T_rm，其中T_r1尽量选取靠近T_rmax的值。

进一步，如果没有发现目标，下一次发射波形的重复周期值按照T_rmax、T_r1、T_r2…T_rm、T_rmin的顺序循环切换至下一种脉冲重复周期，此时可以统计在这一过程中目标回波延时处于发射波形重复周期的遮挡区的时长，即可分析计算出当前这种方案在对目标进行跟踪时的遮挡率。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于，(1)不需要目标真实距离这一先验信息，应用范围较广(2)本发明会循环切换波形重复周期，目标处于距离遮挡的时间减小了，大大提高了跟踪过程中的目标发现概率(3)波形切换策略采用循环机制，即循环切换波形重复周期，简单高效，易实现(4)本发明采用多种波形重复周期，不遮挡波形重复周期设计覆盖整个观测距离，使得波形切换更有意义。

附图说明

图1是本发明试验中的对每一个距离量化点的5种波形重复周期是否处于遮挡状态的统计图。

具体实施方式

容易理解，依据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神的情况下，本领域的一般技术人员可以想象出本发明高重频脉冲多普勒雷达体制下减小遮挡效应的方法的多种实施方式。因此，以下具体实施方式和附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限制或限定。

第一步，根据测速不模糊原理，确定最大波形重复周期值。高重频脉冲多普勒雷达采用在速度上无模糊、距离上高度模糊的波形，在时域上，发射脉冲重复频率较高，目标的回波不一定落在当前的周期之内，可能是在若干个周期之后才到达的，这样就造成了测距上的高度模糊现象，且存在周期性的遮挡现象，而在频域上，由于可以选择无模 糊的速度大于目标的最大速度。为保证速度不存在模糊现象，脉冲重复频率f_r的值应满足如下关系式：

f_r≥f_dmax 1.1

其中，T_r是脉冲重复周期，为目标的最大多普勒频率，v_max为目标的最大速度，λ为雷达工作波长。HPRF-PD波形的特点是无速度模糊及高度距离模糊，另外，杂波在时域虽然高度重叠，但在频域上存在无杂波区，因此对于以测速为主的雷达系统是一种较好的选择。所以，本发明最大波形重复周期值T_rmax为：

第二步，根据雷达方程和雷达作用距离，确定最小发射波形脉冲宽度。发射脉冲宽度的选择应依据在发射机输出的脉冲峰值功率一定的条件下，为了提高发射机输出的平均功率，即为了保证雷达系统的发现距离，应尽量增大发射波形脉冲宽度，即保证发射波形占空比的值。设不考虑雷达系统收发切换时间，当发射脉冲峰值功率为P_t，脉冲宽度为τ时，此时发射脉冲平均功率为P_av，此时目标回波信号功率P_r如下：

其中G为雷达系统天线的增益，λ为雷达系统的工作波长，σ为目标有效散射截面积，R为目标的距离，

当雷达系统的最大作用距离为R_max时，即此时目标回波信号功率P_r必须大于等于最小可检测信号功率S_min，此时检测目标的发现概率才足够高，雷达才能发现目标，即满足的条件如下：

P_r≥S_min 1.4

其中，T_r取确定的波形最大重复周期值，即此时发射波形脉冲宽度τ应满足的关系式如下：

所以，最小发射波形脉冲宽度τ_min为：

第三步，根据上述发射波形最大重复周期，发射波形的最大重复周期T_rmax已经得到了确定，在的最大波形重复周期T_rmax范围内选取几种发射波形重复周期，组成发射波形重复周期组；同时对波形重复周期组进行遮挡情况分析，保证在观测距离范围内，波形重复周期组中至少存在一种波形重复周期处于不遮挡状态；所述波形重复周期组的选取方法为：

3.1将最大波形重复周期T_rmax作为选取出的第一个波形重复周期；

3.2确定最小波形重复周期T_rmin

如果以第一个发射脉冲的前沿为计时零点，则发射脉冲的时间t为：

nT_rmax≤t≤nT_rmax+τ_min 1.8

其中n为发射脉冲的次数，且n大于等于0的整数，τ_min为最小发射波形脉冲宽度，不考虑发射机和接收机之间的收发切换时间，当回波脉冲与发射脉冲的重合区域大于等于0.5τ_min时，此时认为目标处于遮挡区，其他时刻处于不遮挡区，则遮挡区可表示成如下形式：

其中t即为目标回波延时R为目标距离，c为光速，n为大于0的整数。

选取多种波形重复周期值时，它们之间的差值不应该太多，最大的重复周期值和最小重复周期值的差值应尽量在脉冲宽度值的周围，因为此时分析较为简单高效，如果差值太大，则遮挡区存在周期性的交错重叠现象。

根据下面的分析，可以确定最小波形重复周期。为了保证在整个观测距离上至少存在一种波形重复周期处于不遮挡状态，当选取最小重复周期值为T_rmin时，当前最小重复周期波形的遮挡区如下：

其中n为大于0的整数,此时应保证继续化简得到如下：

对于所有的正整数都成立，即满足如下不等式T_rmin≤T_rmax-τ_min，此时T_rmin取为T_rmax-τ_min即可满足这一要求。

本步骤中，最小波形重复周期

3.3根据3.1、3.2中设计出的最大、最小波形重复周期和下面的分析，确定多种波形重复周期组的值。

在T_rmax～T_rmin范围内再依次选取m个波形重复周期值T_r1、T_r2…T_rm，将脉冲重复周期值T_rmax～T_rmin范围等间隔分为m+1部分，其中m个波形重复周期的值即在这m个等间隔点左右小范围内进行选取确定：

其中i取1～m范围内的整数，其中m的值不宜太大，一般取3左右即可。

此时当即时，可以保证当目标回波延时处于以下范围时：

此时n取不大于的最大正整数

对于目标回波延时而言，至少有一种波形重复周期处于不遮挡状态

当时，此时如果即时，此时目标回波延时处于以下范围时：

此时n取大于的最小正整数

对于目标回波而言，所选取的共m+2种波形重复周期都处于遮挡状态。

因为T_rmax，τ_min已经提前设计选定好，所以此时只有波形重复周期的值T_r1可以进行选择，根据以上结论分析，在选取T_r1的值时，应该尽量选取靠近T_rmax的值，即保证 T_rmax-T_r1的值尽量小，即保证的值足够大，即可满足在雷达系统观测距离范围内的目标，对于选定的m+2种波形重复周期，至少有一种波形重复周期处于不遮挡状态，即整个观测距离范围内都是无遮挡区，此时可观测的无遮挡区的目标回波延时满足的关系如下：

其中n取不大于的最大正整数

此时的多种重复周期的值的选取也设计完成，通过分析可以看出在可观测距离范围内至少存在一种波形重复周期处于不遮挡区。

第四步，根据第三步波形重复周期组，进行减小遮挡效应的多种波形重复周期切换，获得波形重复周期切换的方法为：

假设观测距离为R_min～R_max，其中，其中n取不大于 的最大正整数，即保证了在观测距离范围内至少存在一种波形重复周期处于不遮挡状态；目标的速度为v_t，目标初始真实距离为R_max，假设事先不知道目标的真实距离这一先验信息，初始发射波形重复周期为T_rmax，在雷达系统的跟踪过程中，如果没有发现目标，则说明此时目标回波处于遮挡区，则下一次发射波形的重复周期即切换至T_r1，当发现目标的时，下一次发射波形的重复周期值不进行切换，即当不发现目标时，下一次的发射波形重复周期值按照T_rmax、T_r1、T_r2…T_rm、T_rmin的顺序循环切换至下一种脉冲重复周期，此时可以统计在这一过程中目标回波延时处于发射波形重复周期的遮挡区的时长，即可分析计算出当前这种方案在对目标进行跟踪时的遮挡率。

本发明可以通过以下实验分析本发明的效果。

雷达系统观测距离范围：100m-2km(考虑1m的量化间隔，即考虑每一个距离量化点上的情况)，共有1901个距离量化点，目标与雷达系统的初始真实距离为2km，目标从2km的位置匀速直线飞往雷达系统所在的位置，目标速度为50m/s，假设雷达一个相参处理时间(coherent processing interval,CPI)为10ms左右，雷达系统不知道目标初始真实距离这一先验信息，即无法通过真实距离来选择对应的不遮挡波形重复周期。

根据以上的最大重复周期和脉冲宽度设计方案，设计出波形脉冲宽度为0.24us，最大脉冲重复周期值分别为1.44us,再根据多种重复周期值的设计方案，共选取5种发射波 形重复周期值：1.44us、1.38us、1.3us、1.25us和1.2us。

在Matlab分析软件中对每一个距离量化点的5种波形重复周期是否处于遮挡状态进行统计，记录值为1时表示处于遮挡状态，记录值为0时表示处于不遮挡状态，此时需要1901行5列大小的矩阵来记录统计的结果，将这一矩阵的每一行的5个值进行相加，得到一个1901行1列大小的数据，结果如图1所示。

图1中的横坐标为距离量化点的值，纵坐标的值为0时，表示当前距离上，五种波形都处于不遮挡状态，值为1时，表示当前距离上，只有一种波形重复周期处于遮挡状态，值为2时，表示当前距离上，有两种波形重复周期处于遮挡状态，值为3时，表示当前距离上，有三种波形重复周期处于遮挡状态，值为4时，表示当前距离上，有四种波形重复周期值处于遮挡状态，值为5时，表示当前距离上，五种波形重复周期值都处于遮挡状态，从上图1中可以看出这一矩阵每一行5个值相加的结果均小于5，即说明在整个雷达系统的观测范围内的每一个距离量化点上至少存在一种脉冲重复周期波形处于不遮挡区，多种波形重复周期的值设计成功。

当采用1.44us单一脉冲重复周期时，不进行波形重复周期的切换，在Matlab中仿真并统计这一飞行过程中目标的遮挡情况，统计得出目标处于遮挡的距离量化点数共有317个，即遮挡率为16.675％。

当采用所设计的波形重复周期切换方案时，在当前波形重复周期没有发现目标(即处于遮挡状态)时，即切换至下一种波形重复周期，发现目标(不遮挡)时，不改变当前的发射波形重复周期，分析此时整个过程的遮挡情况，初始波形重复选择第1种波形重复周期1.44us，如果当前时刻没有发现目标时，即此时目标对应的距离点为遮挡状态，需要按照1.44us、1.38us、1.3us、1.25us和1.2us的顺序循环切换至下一种波形重复周期，如果发现目标时，则不改变当前的波形重复周期，在Matlab中仿真这一飞行过程采用波形切换方案，在Matlab中统计出的处于遮挡的距离量化点数有35个，即遮挡率为1.841％，通过对比两者可以看出本发明采取的波形切换方案大大减小了遮挡效应，遮挡率降低近10倍。

Claims (5)

1.一种高重频脉冲多普勒雷达体制下减小遮挡效应的方法，其特征在于，

根据测速不模糊原理，确定最大波形重复周期值；

根据雷达方程和雷达作用距离，确定最小发射波形脉冲宽度；

在的最大波形重复周期范围内选取若干发射波形重复周期，组成发射波形重复周期组，且保证在观测距离范围内，发射波形重复周期组中至少存在一种发射波形重复周期处于不遮挡状态；

在跟踪的过程中，如果发现目标，则下一次发射波形的重复周期值保持不变；如果没有发现目标，则下一次发射波形的重复周期值切换至发射波形重复周期组中的下一种发射波形重复周期。

2.如权利要求1所述高重频脉冲多普勒雷达体制下减小遮挡效应的方法，其特征在于，最大波形重复周期值其中f_dmax为目标的最大多普勒频率。

3.如权利要求2所述高重频脉冲多普勒雷达体制下减小遮挡效应的方法，其特征在于，最小发射波形脉冲宽度其中，S_min为雷达系统的最小可检测信号功率，R_max为雷达系统的最大作用距离，P_t为发射脉冲峰值功率，G为雷达系统天线的增益，λ为雷达系统的工作波长，σ为目标有效散射截面积。

4.如权利要求3所述高重频脉冲多普勒雷达体制下减小遮挡效应的方法，其特征在于，所述发射波形重复周期组中各发射波形重复周期的选取方法为：

将最大波形重复周期T_rmax作为选取出的第一个波形重复周期；

确定最小波形重复周期T_rmin，且中n为发射脉冲的次数，n取不大于的最大正整数；

将脉冲发射波形重复周期T_rmax～T_rmin等间隔分为m+1个部分，在m个等间隔点左右小范围内进行选取m个波形重复周期值T_r1、T_r2…T_rm，其中T_r1尽量选取靠近T_rmax的值。

5.如权利要求4所述高重频脉冲多普勒雷达体制下减小遮挡效应的方法，其特征在于，如果没有发现目标，下一次发射波形的重复周期值按照T_rmax、T_r1、T_r2…T_rm、T_rmin的顺序循环切换至下一种脉冲重复周期。