TR-R2多站雷達(dá)系統(tǒng)的近程應(yīng)用仿真與分析

本文將寬帶FMCW發(fā)射波形引入近程TR-R2多站雷達(dá)系統(tǒng)，利用FMCW雷達(dá)信號(hào)的高分辨率特點(diǎn)，分析了近程TR-R2系統(tǒng)的目標(biāo)定位，提出了利用回波信號(hào)頻譜估計(jì)細(xì)柱狀目標(biāo)長(zhǎng)度的方法，并導(dǎo)出了計(jì)算目標(biāo)長(zhǎng)度的解析公式.速度矢量在目標(biāo)探測(cè)與分析中，尤其是在近程目標(biāo)的識(shí)別中具有重要的意義.本文首次分析了TR-R2系統(tǒng)中目標(biāo)速度的測(cè)量方法并給出了算法公式.文中對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行了較全面的分析與仿真.

關(guān)鍵詞:多基地雷達(dá);調(diào)頻連續(xù)波;系統(tǒng)分析

Analysis and Simulation for the Short Range Application of TR-R2 Multistatic Radar System

WEI Chong-yu,XU Shan-jia,WANG Dong-jin

(University of Science Techndogy of China,Hefei 230027,China)

Abstract:The FMCW is introduced into short range TR-R2 multistatic radar system and an analysis is given,for locating the geometric center of a thin cylindrical target in short range using the high resolution of the wideband FMCW signal.A method and its analytical expressions for calculating the length of the target using echo spectrum are presented.Target velocity measurement is of important significance for target detection and analysis,especially for recognizing a target in short range.In this paper,an algorithm for measuring target velocity with TR-R2 system is analyzed for the first time,and formulae for the calculation of velocity are shown.System performances are discussed and simulated with the present algorithm.

Key words:multistatic radar;FMCW;system analysis;simulation

一、引　　言

多站雷達(dá)具有許多適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)環(huán)境的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，所以近年來(lái)重新獲得人們的重視.然而，以往這方面的研究[1～3]大都是針對(duì)遠(yuǎn)程應(yīng)用.對(duì)多站雷達(dá)近程應(yīng)用的研究很少.對(duì)于那些目標(biāo)密度低，目標(biāo)形狀簡(jiǎn)單(一般為細(xì)柱狀)，但要求系統(tǒng)反應(yīng)速度快的近程應(yīng)用場(chǎng)合(作用距離在3km以內(nèi))，怎樣高速地對(duì)目標(biāo)幾何中心定位，分析目標(biāo)特性并估計(jì)目標(biāo)尺寸;如何分析系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)精度;多站系統(tǒng)該如何布局等等，都是尚未很好研究的實(shí)際問(wèn)題.本文將分析TR-R2多基地雷達(dá)系統(tǒng)的近程應(yīng)用.

高線性度FMCW發(fā)射波形具有高分辨率特點(diǎn)，雷達(dá)系統(tǒng)采用寬帶高線性度FMCW發(fā)射波形時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)目標(biāo)的高精度定位.但單純的FMCW信號(hào)會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的時(shí)延和頻移耦合，從而使FMCW信號(hào)不能發(fā)揮應(yīng)有的效能.同時(shí)這種信號(hào)的匹配濾波也會(huì)因多卜勒失真而變差.當(dāng)目標(biāo)速度v0.1c/TB(c為光速，T為信號(hào)時(shí)寬，B為信號(hào)帶寬)時(shí)，這種影響可以忽略[4]，然而，對(duì)于大時(shí)寬帶寬信號(hào)(如時(shí)寬1ms，帶寬500MHz)，且目標(biāo)速度較高時(shí)，上述條件一般不再滿足.另外，單頻脈沖是一種簡(jiǎn)單的發(fā)射波形，其信號(hào)處理容易，頻移測(cè)量精度高且與時(shí)延不發(fā)生耦合，很適合于用來(lái)測(cè)量目標(biāo)速度.為此本文將FMCW信號(hào)與單頻脈沖信號(hào)兩者的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，采用兩種波形交替發(fā)射，對(duì)目標(biāo)回波綜合處理的辦法完成時(shí)延與頻移的解耦，從而構(gòu)成了一種能充分發(fā)揮FMCW信號(hào)效能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高精度定位與測(cè)速的新方法.系統(tǒng)發(fā)射信號(hào)的頻率關(guān)系如圖1所示.

圖1　發(fā)射頻率變化規(guī)律

在0-T1時(shí)段內(nèi)系統(tǒng)發(fā)射單頻脈沖，完成多卜勒頻移測(cè)量.在T1-T時(shí)段內(nèi)，系統(tǒng)發(fā)射高線性度FMCW信號(hào)，接收機(jī)根據(jù)0-T1時(shí)段的頻移測(cè)量，在回波信號(hào)中扣除頻移影響，完成時(shí)延的高精度測(cè)量，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)幾何中心定位，而后利用回波譜寬估算細(xì)柱狀目標(biāo)長(zhǎng)度，并求出目標(biāo)速度矢量.

文中假定測(cè)量周期T在ms量級(jí)，在這段時(shí)間內(nèi)近似認(rèn)為目標(biāo)速度是不變的.同時(shí)考慮系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，本文將不討論目標(biāo)細(xì)節(jié)的識(shí)別，而是根據(jù)近程環(huán)境特點(diǎn)僅僅估計(jì)細(xì)柱狀目標(biāo)長(zhǎng)度.文中所采用的算法也都是能一次完成計(jì)算的解析算法.

二、幾何中心定位算法

多站系統(tǒng)的幾何布局如圖2所示.在T1-T時(shí)段內(nèi)，t時(shí)刻的發(fā)射頻率為

νT=ν0+kt　(1)

t時(shí)刻經(jīng)目標(biāo)幾何中心到達(dá)Si的信號(hào)頻率為

　(2)

式中RT,Ri分別為目標(biāo)幾何中心與ST及Si的距離，k為FMCW線性調(diào)頻的速率.t時(shí)刻直達(dá)Si的信號(hào)頻率為

　(3)

RTSi為發(fā)射機(jī)直達(dá)Si的距離.假設(shè)已根據(jù)0-T1時(shí)段測(cè)出的目標(biāo)多卜勒頻移，并在式(2)、(3)中扣除了該頻移的影響.這時(shí)，Si對(duì)νTSi與νTOSi進(jìn)行相關(guān)處理，求得頻差νdi

　(4)

圖2　多站雷達(dá)系統(tǒng)布局

圖3　多站系統(tǒng)的收發(fā)頻率關(guān)