CN110208786A

CN110208786A - 一种天基雷达二重频解模糊方法

Info

Publication number: CN110208786A
Application number: CN201910457950.XA
Authority: CN
Inventors: 李渝; 张军; 段崇棣; 王伟伟; 杨晓超; 朱江; 黎薇萍; 范一飞; 李奇
Original assignee: Xian Institute of Space Radio Technology
Current assignee: Xian Institute of Space Radio Technology
Priority date: 2019-05-29
Filing date: 2019-05-29
Publication date: 2019-09-06

Abstract

本发明提出一种天基雷达二重频解模糊方法，该方法通过对每个重频引入双载频设计，将速度解模糊与距离解模糊过程相分离，首先利用同一重频的两个不同载频先解速度模糊，再考虑在一维距离上利用二重频解距离模糊。一方面，缓解了重合算法二维解模糊存在的配对问题以及虚影问题；另一方面，大幅降低了天基雷达空间填充时间，提升了目标解模糊的稳健性。

Description

一种天基雷达二重频解模糊方法

技术领域

本发明涉及一种天基雷达二重频解模糊方法，可应用于天基预警雷达距离和速度解模糊中，属于雷达技术领域，

背景技术

根据文献调研，目前国内外尚无在轨运行的天基预警雷达，现有的研究主要集中在轨道设计、杂波抑制以及目标检测等方面，对于天基雷达多重频解模糊方法的研究尚未发现。

对于现有的地基及机载预警雷达，为了保证较高的目标多普勒可视区域，一般采用高重频设计和中重频设计。高重频雷达的优势在于不存在目标速度模糊，占空比高，在跟踪雷达中应用较多，其缺点在于杂波距离模糊严重，导致杂波抑制困难，不利于后续目标的检测。中重频设计综合考虑了距离模糊和速度模糊问题，可在目标预警领域提供良好的整体性能。考虑到天基预警雷达波束覆盖区域广，距离模糊问题严重，重频选择应尽量减小距离模糊次数；同时，为了在主瓣杂波抑制时不造成目标能量对消，重频选择只允许目标发生一次速度模糊且不折回主瓣杂波内。综合考虑，天基预警雷达系统采用中重频设计。

中重频设计存在距离模糊和速度模糊，为了完成解模糊处理，地基及机载预警雷达一般使用重合算法解二维模糊。然而，将传统的重合算法用于天基雷达距离和速度解模糊时存在以下问题：

首先，距离解模糊得到的目标距离位置不能同时存在2个及以上目标，否则无法配对。

其次，在多目标环境下，多个重频对应的目标模糊距离/速度可能重合，导致虚影的产生，而且随着重频数目和目标数目的增加虚影数目急剧上升，如图1所示。

最后，天基雷达需要对地球进行大面积搜索，且不同重频和波位间切换时需要预留足够的空间填充时间，导致每个波位驻留时间有限，目标回波信噪比不足，降低了目标成功解模糊的概率。

发明内容

本发明的技术解决问题是：针对天基雷达的特点，提出一种天基雷达二重频解模糊优化设计方法，基于天基雷达系统对每个重频引入双载频的设计，将速度解模糊与距离解模糊过程相分离，解决多目标解模糊配对问题、虚影问题。

本发明的技术解决方案是：一种天基雷达二重频解模糊方法，所述二重频发射信号满足不模糊探测距离约束、不模糊探测速度约束和盲区约束，且脉冲发射时序分为4个相参处理时段，每一时段发射信号的参数依次为(PRF₁,λ₁)，(PRF₁,λ₂)，(PRF₂,λ₁)，(PRF₂,λ₂)，PRF₁和PRF₂分别为第一脉冲重复频率和第二脉冲重复频率，λ₁和λ₂分别为第一波长和第二波长；该方法包括：

(1)、速度解模糊的步骤：

对于第一脉冲重复频率PRF₁和第二脉冲重复频率PRF₂对应的相参处理时段脉冲回波信号，分别采用如下方法进行速度解模糊处理，得到目标的真实速度：

(1.1)、根据第一波长λ₁对应的脉冲回波信号，进行目标探测，得到目标可视速度，根据目标可视速度估计目标可能速度；

(1.2)、根据第二波长λ₂对应的脉冲回波信号，进行目标探测，得到目标可视速度，根据目标可视速度估计目标可能速度；

(1.3)、根据由不同波长对应的脉冲回波信号探测得到的目标可能速度，利用重合算法解速度模糊，得到目标的真实速度；

(2)、距离解模糊的步骤：

(2-1)、根据收到同一波长对应的第一脉冲重复频率PRF₁和第二脉冲重复频率PRF₂相参处理时段脉冲回波信号的前沿时刻t₁和t₂，计算模糊次数M，根据模糊次数M和步骤(1)解算得到的目标真实速度，算出目标真实距离。

根据目标可视速度估计目标可能速度的具体方法为：

若目标可视速度为v₀>0，则目标可能速度为v＝v₀或或者2；若目标可视速度为v₀<0，则目标可能速度为v＝v₀或或者2。

对于采用同一脉冲重复频率的脉冲，当只有一个波长探测到目标时，通过降低另一个波长对应的检测门限方式获取另一个波长对应的目标可视速度。

所述步骤(2-2)模糊次数M具体计算方法为：

当t₁<t₂时：

当t₁>t₂时：

若t₁＝t₂，M＝0。

所述步骤(2-3)目标真实距离的具体计算方法为：

R_real＝c/2×(t₁+M×PRT₁)或R_real＝c/2×(t₂+M×PRT₂)

所述同一个脉冲重复频率对应的第二波长脉冲信号和第二波长脉冲信号满足如下条件：

式中，B为发射信号带宽，v_{r_min}为天基雷达系统目标最小可检测速度。

所述第一脉冲重复频率PRF₁和第二脉冲重复频率PRF₂满足如下条件：

式中，V为卫星速度，θ为雷达方位向天线3dB波束宽度，v_{r_max}为目标相对雷达的最大径向速度。

所述盲区约束是指：所述第一脉冲重复频率PRF₁和第二脉冲重复频率PRF₂尽量小，使得发射脉冲信号主瓣距离模糊次数尽量小。

每个相参处理时段的相参处理间隔均为CPI。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)、本发明基于天基雷达系统对每个重频引入双载频设计的特点，将速度解模糊与距离解模糊过程相分离，首先利用同一重频的两个不同载频先解速度模糊，再考虑在一维距离上利用二重频解距离模糊，缓解了多目标解模糊存在的配对问题，同时降低了重合算法解模糊虚影率。

(2)、本发明利用天基雷达系统双载频设计，解决了天基雷达空间时间填充问题。

(3)、本发明利用概率优化设计准则，在不牺牲虚警性能的基础上，有效提升了目标解模糊的稳健性。

附图说明

图1为目标解模糊示意图；

图2为本发明实施例二重频解模糊的流程图；

图3为本发明实施例采用传统重合算法和本发明算法成功解速度模糊概率；

图4为本发明实施例采用传统重合算法和本发明算法成功解距离模糊概率；

图5为本发明实施例采用传统重合算法和本发明算法成功解二维模糊概率。

具体实施方式

以下以天基雷达多目标观测场景为例，对本发明进行详细说明。

假设天基雷达波束扫描过程中，某个波位解模糊采用的第一脉冲重复频率和第二脉冲重复频率分别为PRF₁、PRF₂，则脉冲重复间隔可分别表示为其中每个脉冲重复频率对应两个载频发射信号中心频率分别为f₁、f₂，相应的波长可表示为λ₁、λ₂。

所述二重频发射信号满足不模糊探测距离约束、不模糊探测速度约束和盲区约束。

(1)不模糊探测距离和不模糊探测速度约束如下：

其中(·)表示取最小公倍数，c为光速，Ru为雷达期望的无模糊探测距离，Vu为雷达期望的无模糊速度。

(2)、盲区约束

天基雷达采用中重频设计，一般同时存在距离盲区和速度盲区，前者由遮蔽效应引起，后者由抑制主瓣杂波及其在多普勒域的重复造成。针对盲区问题，重频组设计需满足：

(1)、目标速度不能模糊到主瓣杂波区内，即此式确定了脉冲重复频率的下限。其中：V为卫星速度，θ为雷达方位向天线3dB波束宽度，v_{r_max}为目标相对雷达的最大径向速度。

(2)、信号主瓣距离无模糊，若无法保证距离无模糊，尽量减小第一脉冲重复频率PRF₁和第二脉冲重复频率PRF₂，以降低距离模糊次数，即确定了脉冲重复频率的上限。

本实施例天基雷达脉冲发射时序共分为4个相参处理时段，脉冲发射时序分为4个相参处理时段，每一时段发射信号的参数依次为(PRF₁,λ₁)，(PRF₁,λ₂)，(PRF₂,λ₁)，(PRF₂,λ₂)，其中每个时段的相参处理间隔均为CPI。

基于上述天基雷达，本发明提出了如下二重频解模糊方法，包括速度解模糊与距离解模糊，将速度解模糊与距离解模糊过程相分离，首先利用同一重频的两个不同载频先解速度模糊，再考虑在一维距离上利用二重频解距离模糊。

(1)、速度解模糊的步骤：

本实施例中，天基雷达系统按照脉冲发射时序，采用双载频交叉发射脉冲信号，载频满足如下条件的话，接收时利用不同中心频域滤波器可将不同相参处理时段信号分离，不需要预留填充时间。

其中B为发射信号带宽，v_{r_min}为目标最小可检测速度。

因此，本发明速度解模糊的步骤不需要预留填充时间，具体如下：

根据目标可视速度估计目标可能速度的具体方法为：

下面以第一脉冲重复频率PRF₁为例介绍速度解模糊方法。

①发射信号波长λ₁时，若目标可视速度为v₀>0，则其真实速度为v＝v₀或若目标可视速度为v₀<0，则其真实速度为v＝v₀或

②发射信号波长λ₂时，若目标可视速度为v₀>0，则其真实速度为v＝v₀或若目标可视速度为v₀<0，则其真实速度为v＝v₀或结合①利用重合算法解速度模糊，可得到目标的真实速度。

速度解模糊的前提条件是两个波长对应的回波信号需要都能检测到信号，对于采用同一脉冲重复频率的脉冲，当只有一个波长探测到目标时，通过降低另一个波长对应的检测门限方式获取另一个波长对应的目标可视速度。

对于传统的重合算法，假设单帧检测波位驻留时间相等，对应单帧检测概率为P₁，则成功解速度模糊的概率为(1-(1-P₁ ²)²)；每个重频至少有一个载频看到目标才能解距离模糊，对应概率为(1-(1-P₁)²)²，则成功解速度和距离模糊的概率为(1-(1-P₁ ²)²)×(1-(1-P₁)²)²。对于本发明所提算法，速度解模糊时如果某个载频检测到目标，另一个载频可降低检测门限，提高成功解速度模糊的概率，由于解速度模糊时只考虑固定的多普勒位置和固定的距离位置，产生虚警点的概率基本可以忽略(典型的虚警概率设为1e^-6)。若降低检测门限后的单帧检测概率为P₂，则成功解速度模糊的概率为(1-(1-P₁ ²-2P₁(P₂-P₁))²)，成功解距离模糊对应的概率为(1-(1-P₁)²)²，成功解速度和距离模糊的概率为(1-(1-P₁ ²-2P₁(P₂-P₁))²)×(1-(1-P₁)²)²。

本发明利用概率优化设计准则，有效提升了目标成功解模糊的稳健性，适用于天基雷达远距离弱目标探测等信噪比不足的情形。

(2)、距离解模糊的步骤：

(2-1)、根据收到同一波长对应的第一脉冲重复频率PRF₁和第二脉冲重复频率PRF₂相参处理时段脉冲回波信号的前沿时刻t₁和t₂；

(2-2)、计算模糊次数M；

当t₁<t₂时：

当t₁>t₂时：

若t₁＝t₂，M＝0。

(2-3)、根据模糊次数M，算出目标真实距离：

R_real＝c/2×(t₁+M×PRT₁)或R_real＝c/2×(t₂+M×PRT₂)

综上所述，相比传统的重合算法，所提算法通过对每个重频引入双载频设计，将速度解模糊与距离解模糊过程相分离。一方面，缓解了重合算法二维解模糊存在的配对问题以及虚影问题；另一方面，大幅降低了天基雷达空间填充时间，提升了目标解模糊的稳健性。

下面通过仿真实验对本发明的效果做进一步说明。

仿真结果对比了所提算法和重合算法成功解模糊概率，令降低检测门限后的单帧检测概率P₂为90％，图3和图4分别对比了采用传统重合算法和本发明算法成功解速度和解距离模糊的概率。图5为采用传统重合算法和本发明算法二维成功解模糊概率。可以看出，利用所提算法在速度解模糊过程中利用概率优化设计准则，大幅提升了目标二维成功解模糊的概率。

本说明书未进行详细描述部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims

1.一种天基雷达二重频解模糊方法，所述二重频发射信号满足不模糊探测距离约束、不模糊探测速度约束和盲区约束，且脉冲发射时序分为4个相参处理时段，每一时段发射信号的参数依次为(PRF₁,λ₁)，(PRF₁,λ₂)，(PRF₂,λ₁)，(PRF₂,λ₂)，PRF₁和PRF₂分别为第一脉冲重复频率和第二脉冲重复频率，λ₁和λ₂分别为第一波长和第二波长；其特征在于包括：

(1)、速度解模糊的步骤：

(2)、距离解模糊的步骤：

2.根据权利要求1所述的一种天基雷达二重频解模糊方法，其特征在于根据目标可视速度估计目标可能速度的具体方法为：

若目标可视速度为v₀>0，则目标可能速度为v＝v₀或i＝1或者2；若目标可视速度为v₀<0，则目标可能速度为v＝v₀或i＝1或者2。

3.根据权利要求1所述的一种天基雷达二重频解模糊方法，其特征在于对于采用同一脉冲重复频率的脉冲，当只有一个波长探测到目标时，通过降低另一个波长对应的检测门限方式获取另一个波长对应的目标可视速度。

4.根据权利要求1所述的一种天基雷达二重频解模糊方法，其特征在于所述步骤(2-2)模糊次数M具体计算方法为：

当t₁<t₂时：

当t₁>t₂时：

若t₁＝t₂，M＝0。

5.根据权利要求1所述的一种天基雷达二重频解模糊方法，其特征在于所述步骤(2-3)目标真实距离的具体计算方法为：

R_real＝c/2×(t₁+M×PRT₁)或R_real＝c/2×(t₂+M×PRT₂)

6.根据权利要求1所述的一种天基雷达二重频解模糊方法，其特征在于所述同一个脉冲重复频率对应的第二波长脉冲信号和第二波长脉冲信号满足如下条件：

7.根据权利要求1所述的一种天基雷达二重频解模糊方法，其特征在于所述第一脉冲重复频率PRF₁和第二脉冲重复频率PRF₂满足如下条件：

8.根据权利要求1所述的一种天基雷达二重频解模糊方法，其特征在于所述盲区约束是指：所述第一脉冲重复频率PRF₁和第二脉冲重复频率PRF₂尽量小，使得发射脉冲信号主瓣距离模糊次数尽量小。

9.根据权利要求1所述的一种天基雷达二重频解模糊方法，其特征在于每个相参处理时段的相参处理间隔均为CPI。