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综合脉冲与孔径雷达的目标跟踪技术及其实现.pdf

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上传者: xl46512 2012-05-08 评分 0 0 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《综合脉冲与孔径雷达的目标跟踪技术及其实现pdf》,可适用于IT/计算机领域,主题内容包含西安电子科技大学硕士学位论文综合脉冲与孔径雷达的目标跟踪技术及其实现姓名:仝中瑞申请学位级别:硕士专业:信号与信息处理指导教师:赵永波摘要米波雷达具符等。

西安电子科技大学硕士学位论文综合脉冲与孔径雷达的目标跟踪技术及其实现姓名:仝中瑞申请学位级别:硕士专业:信号与信息处理指导教师:赵永波摘要米波雷达具有良好的反隐身能力但由于米波固有的特点米波雷达也有角分辨率差和抗干扰能力差等缺点综合脉冲与孔径雷达(S执R)是一种新型的米波雷达它能够有效解决这些缺点。SIAR系统由于其特殊体制其信号处理分为探测和跟踪两个部分且这个两个处理过程同时完成。探测处理完成常规的信号检测和参数估计而跟踪处理主要是为了实现对重点目标的检测和精确参数估计。本文主要研究了SIAR系统中的目标跟踪处理技术。在建立稀布均匀圆阵模型的基础上探讨了SIAR目标跟踪处理中的接收数字波束形成(DBF)、脉冲综合、包络补偿、长时间相干积累、恒虚警率(cFAR)检测、点迹凝聚等过程的实现。最后结合某课题介绍了使用高性能数字信号处理器(ADSPTSS)和现场可编程逻辑阵列(FPGA)完成目标信号跟踪处理板的硬件电路设计完成了部分算法的软件实现。关键词:米波雷达SIAR稀布阵脉冲综合ADSPTSSAbstractVHFradarhasadvantageonstealthyaircrafthowever,duetotheinherentfeathersofVHFthistypeofradarhasdisadvantagessuch.poorangularresolutionandpoorantiinterferenceability.However,theSyntheticImpulseandApertureRadar(SlAR)Cansolvetheaboveproblems.BecauseofspecialsystemofSIARitssignalprocessinghastwocoinstantaneousparts:targetdetectingandtargettracking.Thedetectingprocesscompletesnormalsignaldetectionandparametersestimation,andtargettrackingaccomplishesdetectingofmaintargetandaccurateparametersestimation.Thisdissertationconcentratestheaspectsassociatedwimthisstyleofradar.ItintroducesthetargettrackingtechnologyinSIARsystem.Inthispaper,wefirstlyprovidethesystemmodelofthesparsecirculararrays.Thenweintroducethemainfunctionofthetargettrackingtechnology,whichincludesDi百talBeamForming(DBF)SyntheticPulseEnvelopeCompensating,LongTimePulseCoherentAccumulation,andRadarConstantFalseRate(CFAR)detectionandPlotsAgglomeration.ConsideringtheprojectweintroducethehardwareandsoftwareimplementationofTargetTrackingProcessboardbyusingtheADSPTSSandFieldProgrammableGateArray(FPGA)..Keywords:VHFRadarSIARSparseArraySyntheticPulseADSPTSS创新性声明秉承学校严谨的学风和优良的科学道德本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。申请学位论文与资料若有不实之处本人承担一切的法律责任。本人签名:丛瑙关于论文使用授权的说明本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定即:研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件允许查阅和借阅论文学校可以公布论文的全部或部分内容可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。鬻!糍导师签名:i山腔日期:鲨堡:咝丛日期:至:!望.Z:f第一章绪论第一章绪论.论文产生的研究背景和意义雷达作为一种探测工具在现代战争中发挥着越来越重要的作用。隐身目标(如隐身飞机、隐身导弹和隐身舰艇等)的出现对现代雷达构成的威胁已越来越受到世界各国政府和军方的高度重视它对战争的影响也越来越明显甚至起到了决定胜负的作用【lJ。当前雷达界已认识到米波段是反隐身目标的雷达频段米波雷达也有一个鲜为人知的特点那就是对探测类似美国隐形飞机的隐形目标很有效。这与隐形飞机的设计思想有关隐形飞机一般是通过吸收雷达电波、减少雷达角反射面、散射雷达电波等方法来达到隐形目的。但波长适当的雷达恰恰具备电波被吸收率低、不易散射等特点而研究证实MHz以下的米波雷达具有较好的反隐身效果和抗反辐射导弹(ARM)的优势因此世界各国都非常重视对现役米波雷达的改造和新一代米波雷达的研制我国是米波雷达的研制、生产和使用大国当然也不例外。同时米波雷达还具有一些其它雷达所不具备的突出优点如它能探测隐蔽在树林中的目标对雨、云、雾的穿透能力也较强而对于在视线以下或者遮蔽物后以及处于电波阴影区的目标米波雷达仍具有一定的探测能力同时米波雷达还具有很好的反侦察能力不易被反雷达武器发现。由于目前的隐身技术【】主要是通过采用外形设计、阻抗加载、吸波材料涂层和吸波透波材料等技术来减少雷达反射截面积(RCS)而这些技术普遍被认为主要是针对厘米波雷达对米波等波长较长的电磁波作用很小。因为目标的RCS与雷达工作波长五的关系:RC$五n取决于目标的几何形状常在.之间取值。美国休斯顿公司的Morait等分析了信号频率对外形隐身技术的影响结果表明:米波比s波段的RCS要高.dB。同时米波是飞机的机架共振区阻抗加载一般也无法实施。吸波涂层受频率特性的限制目前的有效频率为"GHz而且涂层厚度一般应为波长的/"/对米波来说.这意味着需要十厘米级厚度的涂层因此吸波涂层对米波雷达不会造成威胁。可见米波频段确实具有良好的反隐身性能。这也是米波雷达应用于反隐身技术的理论依据因此米波雷达重新受到雷达界的重视。但米波雷达也有其固有的缺点如角分辨率低、低空性能差、易受干扰等使其应用受到限制。在传统的雷达体制下米波雷达的上述缺点是难以避免的综合脉冲与孔径雷达的目标跟踪技术及其实现因此要使米波雷达应用于实际体制上的革新不可避免。法国航空航天研究局(ONERA)研制的综合脉冲与孔径雷达(SIAR)是一种崭新体制的雷达它可以克服或减轻现有米波雷达的缺点。SIAR是综合脉冲与孔径雷达(SyntheticImpulseandApertureRadar)的英文缩写该雷达是四维(距离、方位、仰角、速度)的米波多功能(警戒和跟踪)雷达。该米波雷达采用大型稀布天线阵在发射端实现对空域的全向照射而在接收端通过信号处理的方式综合形成发射波束和接收波束。经过十多年的努力该方案已在试验系统上得到验证并基本解决了工程实现上的许多关键问题。国内对综合脉冲与孔径雷达(S队R)的研究也取得了一定进展。西安电子科技大学的张庆文博士对SIAR的工作原理进行了理论上的探索电子工程研究所与信息产业部三十八所联合承担了我国第一部SIAR实验系统的研制工作。目前已研制出无根接收天线的SIAR信号处理样机。二十五根接收天线的信号处理机将在“十五"期间研制。在前辈们辛勤工作所获得成果的基础上结合课题“XX雷达信号处理系统一本文研究了综合脉冲与孔径雷达(SIAR)系统中的目标跟踪处理技术并就某些雷达信号处理算法的工程实现做了一些探讨和尝试。MIMO(MultipleInputAndMultipleOutput)雷达是近年来学术界提出的一种新体制雷达有着广泛的应用前景。它主要分为两类一种是基于空间分集的MIMO雷达一种是基于波形分集的MIMO雷达。所谓波形分集的MIMO雷达是指各雷达天线发射的波形是互不相同的。它的发射波形可能是部分相关的也可能是互不相关的(互相正交)。一般来讲波形分集就是通过灵活地选择发射波形的各种参数和波形间的相关系数来使系统性能最大化。它能够提高雷达系统的目标检测能力以及在杂波、干扰和噪声背景内的目标识别性能。对比MIMO雷达的思想不难发现StAR是一种典型的MIMO雷达(波形分集)。与MIMO雷达一样SIAR具有以下特点:与一般雷达的发射波束形成对比它可以同时形成多个发射波束与接收数字波束形成(DBF)相匹配实现长时间相干积累与常规“宽发宽收’’的雷达体制相比SIAR在接收端可获得等效的发射方向图因而在波束意义上可获得“双程刀方向图降低了方向图的旁瓣提高了角分辨能力和测角精度。发射相互正交的信号在空间不会形成发射方向图即发射无方向性截获概率低能真正实现同时搜索和跟踪功能。实质上经典雷达信号处理的最终目的只有两个:一是信号检测二是参数估值。前者所要解决的问题是受扰观测中目标有误的判决问题后者所要解决的问题则是受扰观测中目标信号参数的确定问题【】。估值总是以检测为前提。SIAR系统由于其特殊体制其信号处理分为探测和跟踪两个部分且这个两个处理过程同时完成。探测处理完成常规的信号检测和参数估计而跟踪处理主要是为了实现对重点目标的检测和精确参数估计。本文重点对跟踪处理中的检测进行研究第一章绪论主要包括:接收数字波束形成(DBF)、脉冲综合、包络补偿、相干积累、恒虚警、点积凝聚等。这些处理过程均是综合脉冲与孔径雷达(SL恹)信号处理中的关键技术因此对SIAR目标跟踪处理技术的研究具有重要的工程设计参考价值。.论文内容及组成本论文结合某“雷达信号处理系统"研制课题研究了综合脉冲与孔径雷达(SL讯)信号处理中的目标跟踪处理技术包括相关的算法仿真和工程实现。本文主要内容如下:第二章SIAR稀布阵列模型与波束形成。首先阐述了均匀圆阵的建模考虑成本和实现复杂度选择阵列模型为稀布环形天线阵。然后介绍了波束形成的基本概念仿真了系统中的接收数字波束形成算法。第三章SIAR中主要的跟踪处理技术。在SIAR系统中探测处理和跟踪处理在很多地方有相似之处只不过前者完成的是常规检测处理而跟踪处理实现的是对重点目标的检测在第二章的基础上本章进一步研究了综合脉冲与孔径雷达(SIAR)系统中其他主要的跟踪处理技术:脉冲综合、包络补偿、相干积累、恒虚警、点积凝聚等。如首先介绍的脉冲综合处理它是SIAR的最大特色本章也重点研究了这一部分内容以长脉冲为例仿真了脉冲综合结果。为了实现目标信号脉冲之间的相干积累杂波与目标的分离进一步提高信噪比需要作脉冲相干积累处理。同时为了有效积累还需对目标的包络移动进行补偿。.作恒虚警率(CFAR)处理目的是为了对处在干扰背景下的雷达目标信号进行检测。对最终的输出信息还要作点迹凝聚和多通道补偿融合的处理对这两方面的处理方法本章作了简要介绍。本章的所有内容是SIAR雷达系统中跟踪处理的核心内容对这部分内容的深入研究为后续的方位测量和高度测量奠定了坚实的基础。第四章目标跟踪处理的工程实现。介绍了目标跟踪处理的硬件设计及部分软件编程实现。硬件设计是基于通用DSP处理板其内部由两组四片(共八片)高性能的ADSP.TS芯片构成同时采用高速大容量的可编程逻辑门阵列(FPGA)完成数据的传输和整个系统的逻辑控制。最后结合硬件平台我们以长脉冲为例给出了脉冲综合的软件实现结果。第二章SIAR稀布阵列模型与波束形成第二章SIAR稀布阵列模型与波束形成.引言对米波雷达来说如何解决角分辨率的问题非常重要。例如若要求天线波束宽度为则天线孔径约需当波长九=米时孔径约为米。随着波长的增加或对波束宽度要求的提高天线孔径还需要成比例扩大。因此对于角分辨率不容许太低的雷达采用米波就意味着采用阵列天线。但考虑到成本和实现复杂度天线数量又不宜过多通常为稀布阵列再考虑到需要系统具有全方位探索能力一般阵列模型选择大型稀布环形天线阵。本文讨论的综合脉冲与孔径雷达(SIAR)是一种新型的米波雷达它采用的阵列天线通常采用多层圆阵对某一层圆阵而言是将有限的阵元均匀分布在圆周上该圆的孔径足够打大完全可以保证所需的角分辨率而阵元间距往往远大于一个波长。.稀布均匀圆阵模型当空间存在多个信号源时常常需要对这些空间信号进行分离以便跟踪和检测我们感兴趣的信号抑制那些被认为是干扰的信号为此需要使用天线阵列对多个空间信号进行接收。在本文讨论的综合脉冲与孔径雷达(S队R)系统中采用的阵列模型为稀布均匀圆阵。通常均匀圆阵列天线是由均匀分布在一个圆周上或多个同心圆上的天线单元构成。这样的圆环阵列不仅能产生全方向图也能产生最大值指向阵面法线方向的单波束方向图。为了抑制稀布阵列所产生的高副瓣对雷达性能的不良影响作计算机仿真时我们考虑将收发天线分开合理安排阵元位置等以尽可能降低这种负面影响。..阵列天线基础通常由单个辐射器构成的天线就可以完成发射和接收电磁波的任务但在一些特殊应用中往往要求天线具有强大的方向性和很高的增益有时还要求天线旁瓣可以扫描并具有一定的形状等等这时就需要利用多个辐射器(天线单元)按照一定的方式排列为天线阵列。辐射器叫做阵元排列在一条直线上的阵列叫做线阵排列在一个平面上的阵列叫做平面阵而如果各个天线单元排列成一个圆环就称之为圆阵。综合脉冲与孔径雷达的目标跟踪技术及其实现基础的阵列天线理论的出发点是叠加原理此原理应用于阵列天线的远区辐射场就是方向性相乘原理或称为波瓣相乘原理。决定阵列天线特性的参数主要有:阵元个数、阵元位置、阵元的激励幅度和相位。在本文中我们假定阵列各单元具有相同的极化方向以消除其对阵列特性的影响。假设在一个天线阵列中共有N个阵元且第n个阵元在阵中的波瓣为Z(口)它在阵中的位置为(‘只乙)激励的幅度为相位为九则这个天线阵列的波瓣可以写为:卫F(O)=L(o妒毛exp{yko(.ksinOcos矽y.sinOsincIz。cosp)九)()nsl式(.)中ko=n'/为波数其中名为波长。Z(口)为第n个阵元在阵列环境中的波瓣称为单元阵波瓣。在自由空间中天线阵元的波瓣完全取决于天线阵元的形状和结构。在阵列中即使采用相同的单元但由于受到阵列中其他阵元互耦的影响使得各阵元的波瓣形状与其在自由空间中的不尽相同。虽然各个阵元在阵中波瓣的形状彼此不同如果假设阵列为无限大阵则由于阵列中各阵元所处环境一样各阵元的阵波瓣是相同的。而对于有限数量阵元的阵列为了分析方便通常假设阵列中各个阵元都具有相同的阵波瓣。此时阵列的波瓣可写为:F(O矽)=f(O)S其中f(O声)为阵元波瓣简称单元因子:卫s=exp{jko(‘sinOcos粤Iy,sinOsin#z,cos口)九)()i=IS就称为阵列的阵列因子或空间因子它同阵元数目、位置、激励振幅和相位有关。则公式F(O)=f(O矽)S就表示为波瓣相乘原理即阵列波瓣等于阵元波瓣与阵列因子的乘积。通常阵元波瓣都比较宽相乘以后对阵列波瓣形状的影响比较小因此研究阵列因子的波瓣特性便基本掌握了阵列波瓣的特性。..稀布均匀圆阵建模信号的传输情况是及其复杂的其严格的数学模型的建立需要有物理环境的完整描述但这种做法不利于信号算法的设计。为了得到一个比较有用的参数化模型必须简化有关波形传输的假设。为了简化模型我们有以下假设【】:.假设所有阵元是全向阵元信号之间的互耦可忽略不计阵元的接收特性仅与其位置有关而与其尺寸无关即认为阵元是一个点源天线.假设空间信号的传输介质是均匀的且各向同性这时空间信号在介质中将按直线传播同时我们又假设阵列处在空间信号辐射的远场区内所以空间源信号到达阵列时可以视为一束平行的平面波也就是说空间源信号到达阵列各阵元在时间上的不同时延可由阵列的几何结构和空间波的来向所决定第二章SIAR稀布阵列模型与波束形成.空间波的来向在三维空间中常用俯仰角护和方位角矽来表征。所谓来波的俯仰角是指来波的波线与水平面的夹角而来波的方位角是指来波的波线与地磁正北方向间的夹角其取值范围分别为【a'/】和【Oa"】:.接收阵列的阵元间距远大于阵元尺寸各阵元间的相互影响可以忽略不计.阵元接收信号时将产生噪声假设其为加性高斯白噪声各阵元上的噪声相互统计独立且噪声与信号是统计独立的。设一波数为ko=刀'/的窄带平面波以声的方向入射到该阵列则信号的俯仰角秒【Ox/】为Z轴与信号入射方向的夹角而方位角【,It】是从X轴沿逆时针方向到信号入射方向在阵列平面上投影的夹角。如图.所示在半径为R的圆周上由N个各向同性的阵元构成稀布均匀圆阵列天线。其圆心位于坐标系的原点第n个阵元与圆心之间的连线与x轴的夹角为以=万n/N其位置向量为觅=(cos丸sin.o)。图.稀布均匀圆阵列天线结构图则波达方向矢量为声=(sincos矽sinesincos)则在同一时刻原点与阵元n接收到的信号包络之间的相位差是:沙。=P脶=咖口州卜。在本文讨论的综合脉冲与孔径雷达(s眦)系统中接收和发射单元分别分布在不同的圆环上。在计算机仿真时我们暂时假定发射阵元数为个分布在一个圆环上直径约为m接收阵元数为个分布在两个圆环上直径分别约为m和m仿真系统天线布阵示意图(X轴.Y轴方向)如图.所示。综合脉冲与孔径雷达的目标跟踪技术及其实现图.天线布阵示意图(O为接收阵元为发射阵元)为了降低阵列天线的副瓣一般可采用加权【I】的办法一种是幅度加权使馈给投影到等效线阵上中间阵元的功率大些馈给两边阵元的功率小些另一种是密度加权投影到等效线阵上中间位置阵元数多些两边少些。在本文讨论的综合脉冲与孔径雷达(S队R)系统中我们采用的是稀布均匀圆阵因此可考虑幅度加权。对于采用多层圆阵适当调整收发阵元之间的角度可以很明显地降低副瓣。由于综合脉冲与孔径雷达(SIAR)发射的是相互正交的信号在空间不会形成发射方向图而在接收端通过时空三维匹配滤波得到窄脉冲形成发射方向图故接收圆阵考虑设为两个。同时从降低副瓣电平出发反隐身系统应至少做成双层圆阵一层用于发射一层用于接收。.接收数字波束形成数字波束形成(DBF)是在原来模拟波束形成原理的基础上引入数字信号处理方法之后建立的新的雷达技术。DBF的出现与发展既是现代电子战对雷达需求牵引的结果也是雷达技术和其它相关领域技术进步的产物特别是大规模集成电路和数字信号处理技术的飞速发展。与模拟的波束形成方法相比DBF具有易实现自我校准和超低副瓣、可获得超角分辨力、方便实现阵列单元方向图校准、能产生密集多波束、改善自适应方向图置零的性能、便于进行灵活的雷达功率和时间管理和适合于多站工作等特点。和脉冲相干积累相比DBF其实是对目标信号从空间上(或空域)进行相干积累第二章SIAR稀布阵列模型与波束形成从而达到改善信噪比的目的。..波束形成的基本概念阵列信号处理中窄带信号含义是指信号的带宽B远小于信号波前跨越阵列最大径所需要的时间即信号等效时宽l/B远大于延迟f以保证所有阵元“几乎同时’接收到该信号。由此得到窄带信号的条件为:旦一Lsl(.)fo旯式(.)中L为阵列最大口径fo和五分别为信号中心频率和该频率对应的波长。考虑P个远场的窄带信号入射到空间某阵列上其中阵列天线由N个阵元组成在信号源是窄带的假设下信号可以用如下的复包络形式表示:si(f)=蚝)‘%‘砷))()即:si(ff)=吩(ff)一f卜舯w()式(.)中%(f)是接收信号的幅度fo(t)是接收信号的相位且满足COo=Jrfo。假设f为信号的延迟时间。在窄带远场信号源的假设下有:%(tr)=ui(t)()缈Or)=妒(f)()根据‘(.)和(.)式我们有:siOf)=sf(t)es(%r)f=.N()式(.)表明对于窄带信号s)当延迟远小于带宽的倒数时延迟对信号的作用相当于是信号的复包络%(f)在阵元上的时间延迟转化为相移而幅度的变化可以忽略不计。这一结论在阵列信号处理中具有十分重要的作用。下面考虑最简单的满足上面假设条件的均匀直线阵列如图.所示。综合脉冲与孔径雷达的目标跟踪技术及其实现图.均匀直线阵列结构如前所述的窄带信号的空域表示:s(f尹)=s(f)e归‘卜口)若以阵元为参考点则各阵元接收信号可写成:而(f)=s(f)艺(f):J(f)P脚eJ.了zd咖口h(f):J(f)P脚口学(删妇口写成矢量的形式:石(f)=五(f)屯(f)h()=s(t)ej研娑d咖口ee等cⅣI胁口()=s(f)云(口)(lO)由式(.)我们称云(p)为方向矢量或导向矢量(SteeringVector)在窄带条件下云(秒)只依赖于阵列的几何结构(已知)和波的传播方向(未知)。波束形成(空域滤波)技术与时间滤波相类似也是对采样数据作加权求和这样处理的目的是:增强特定方向信号的功率。那么输出结果为:J()=矿爿x(t)=s(t)W爿五(秒)()如图.所示其中矿=I既‘%’熙‘『T为转置木为共轭H为共轭转置。我们记:岛(秒)=矿圩云(国称之为方向图。当矿对某个方向oo的信号时相加得名(皖)的模值最大。对于j(f)的处理实际上是空域采样信号处理波束形成实第二章SIAR稀布阵列模型与波束形成选择的功能。考虑等距线阵情况:若要波束形成指向岛则可取旷=云(皖)波束形成:尸(秒)=矿Ⅳ云(口)=云(岛)片云(口)一口掣咖一曲%):ye’一~一吲.塑戥咖乒劬岛)=筹丽===U。l纠一P。名P咱’IP(秒)I=矽=/"sin#’o=rsinOo()IP()I为天线功率方向图。假设阵元个数为方位角对于Oo=。其天线功率方向图的MATLAB仿真结果如图.所示。主瓣与旁瓣相差约为..dB。图.等距线阵的天线功率方向图..基于稀布均匀圆阵的DBF仿真接收数字波束形成(DBF)的基本原理是:先将由阵列单元接收到的信号分别不失真地放大再经下变频、检波等处理变为零中频信号然后经A/D变换器转换为数字信号最后将数字信号送到波束形成期在波束控制器的控制下(经适当加权)产生满足要求的接收波束。数字波束形成保留了天线孔径收到的全部综台脉冲与孔径雷达的目标跟踪技术及其实现有效信息它与灵活的数字信号处理相结合具有许多现有的常规雷达所不能实现的优异特性。数字波束形成实质是数字式空间滤波处理更为复杂的数字波束自适应零位控制或数字波束自适应副瓣控制则包括了数字时空二维滤波问题【lq。在本文讨论的综合脉冲与孔径雷迭(SIAR)系统中结合如图.所示天线布阵该阵列为均匀的稀布圆阵其中导向矢量i(印为:d()=(sinocossinSsincos对于某一波束指向经数字波束形成(DBF)合成为一个波束通道覆盖了。(方位)X‘(仰角)的空域。通过MATLAB计算机仿真得到MHz下不同方位角所对应的接收波束图如图.、图.、图所示。黑导ol晏&豳波束幽(方位角。.仰角’图波束图(方位角。。仰角F)日Ⅺ驴}r"。第二章SIAR稀布阵列模型与波束形成图.波束图(方位角盯仰角’)如图.至图所示同一高度圆阵的分辨能力随仰角变小而恶化在水平方向上属于端射形式没有测高能力.若简单形成一个倾斜平面会存在二维耦合问题即波束形状存在方位角和俯仰角的互耦解决这一问题可考虑随机高度布阵。随机高度布阵在各个方位上的仰角分辨率基本相同。且随不同仰角变化仰角波束宽度趋势基本相同可有效解决二维波束耦合问题。尹严扩一。M综合脉冲与孔径雷达的目标跟踪技术及其实现.本章小节本章首先介绍了均匀圆阵的基本模型。为解决米波雷达角分辨率差的问题同时考虑需要综合脉冲与孔径雷达(SL讯)系统具有全方位的探测能力我们要求各有限阵元稀布排列结合课题要求给出了天线布阵示意图。本章的余下内容研究了基于倾斜平面圆阵的接收数字波束形成该部分的内容首先从基本的波束形成概念开始由简单的等距线阵逐步过渡到均匀圆阵模型并根据实际系统要求完成接收数字波束形成的仿真。第三章SIAR中主要的跟踪处理技术第三章SIAR中主要的跟踪处理技术.引言对于本文讨论的综合脉冲与孔径雷达(SL岖)系统其雷达信号的处理主要包括两部分:目标探测和目标跟踪。这两部分同时完成只不过探测处理完成常规的信号检测和参数估计而跟踪处理主要是为了实现对重点目标的检测和精确参数估计。本文重点对目标跟踪中的雷达信号处理技术进行研究在前两章的基础上本章进一步探讨目标跟踪处理的其他主要过程研究了脉冲综合、包络移动补偿、长时间相干积累、恒虚警检测、点迹凝聚等处理技术。特别介绍了脉冲综合处理它是SIAR体制雷达的最大特色。..SIAR的基本原理.SIAR脉冲综合处理综合脉冲与孔径雷达(SL讯)的主要特点在于它的波束形成和脉冲综合因此在介绍脉冲综合以前有必要介绍一下SLAR的基本原理如图.所示。图.SIAR基本原理图SIAR'是综合脉冲与孔径雷达(SyntheticImpulseandApertureRadar)的英综合脉冲与孔径雷达的目标跟踪技术及其实现文缩写最早是由法国国家航空航天局(ONERA)和汤姆逊公司于年巴黎国际雷达年会上提出来的其基本思路是通过对各个无方向性辐射单元的信号进行正交编码在接收系统中再根据编码分辨出各个辐射单元的信号分量通过空间设置的单元作时延校正使各个信号分量重新相干地组合得到窄脉冲并由此形成发射波束。..正交编码对各路辐射信号综合脉冲与孔径雷达(SIAR)系统要求其在空间迭加后不形成方向图即辐射能量在所有方向上均匀分布。为此第i个发射阵元的辐射信号鼠应满足如下条件:£(ff)岛‘(ttj)dt=O,i,j()式(.)中“一为共轭运算符号。实际上满足式(.)所需的编码不需要很复杂只要对不同的发射阵元用一组满足一定关系的不同频率馈电即可则为:(f)=rect(t)expjn'(fof鲈)吼fo’札一l()哪){麓q(.)式(.)中鲈是相邻两阵元间的变频间隔石是发射信号的中心频率。各发射信号具有(.)式的严格相位关系如果补偿掉空间某一点到各发射阵元的距离则合成信号对M个信号求和得到宽度为ZIN.的窄脉冲。由于各发射阵元采用了异频发射方式因而系统的距离分辨率就仅与发射信号总带宽有关。另外阵元孔径通常不是非常大而综合脉冲的脉冲宽度又不是很窄所以各阵元发射信号的包络时延可以认为近似相等即窄带假设条件成立故式(.)可写成:$a(tr,)=rect(tr,)expj刀(foi(i一掣)鲈)(fq)】fol札一l()式()中t是第i个发射阵元到该点的时延ft由()式得:r瓯(f)s‘口(卜rj)dt=型筹exp啪硝(f一删ex出刀'fj(rj叫】exp【弦(f卅捌()第三章SIAR中主要的跟踪处理技术其中Z:foO一Ne)鲈。由(.)式知:只要死可为任一整数则各个阵元所发射的信号彼此都是正交的。通常取死鲈=这就意味着将窄脉冲(脉冲为Z/M)的整个频谱分割成札等份并且将这些分量分配给札个互不相关且位置上是分开的发射阵元辐射出去发射信号的总带宽为札鲈。..发射波束综合由于发射的是正交编码信号所以发射阵列在空间不形成发射方向图即发射无方向性。如果在接收端分别接收札个信号并调整它们之间的延迟时间使之得到(.)式的相位关系那么其合成信号就成为一大振幅的窄脉冲因而可以通过在接收端以信号处理的方式等效地形成发射波束。图.天线布阵示意图如图.的天线布阵示意图。设空间远场处一点目标T'其仰角为死方位角为eo接收阵元经过数字波束形成(DBF)补偿后相当于在圆心处有一接收阵这样由目标T反射到O处的信号为:.NeI"(f)=口(卜%/c一%)州/弧f)exp)唧【砺(%一斫两)/cl七皇l咖<t<()式()中一般a(tRor/CArk)a(tRor/综合脉冲与孔径雷达的目标跟踪技术及其实现砸一RorIC)={L’嘉孙圮弛‘石=fo(k一掣)Ⅳv:/弛其中吸为各发射脉冲信号的初相C为光速一OT为(Oo唬)方向上的单位矢量OEk为阵中心O点到第K个发射阵元的距离矢量表示点积%r为O点到目标T的距离。将()式的信号移到基频并进行离散采样得:所(刀)NeI口(刀&一%r)eXpj万(七一丝岩)正f】exp(砘)exp(一j#fkror)exp(j#fIOT瓦)/c)一oo<n<()式()中for=%r/CAt为采样间隔。当该信号通过与之相匹配的滤波器后.时域输出(幅度)为:品(以)l=lYr(靠Oyr‘(OIll=I=鼢NmIr’争扩鼢半沥一l一<以<OO()式(.)中Nm=TelAt为宽脉冲内的采样数f’=f%r/At将上式写成如下的矩阵形式:l品(以)=hr.耳(以)IIJr..形.耳(刀)lIP一熹c一掣P一焉t一等Ix砌I形:le而’r(.丁NeII)e吖急卜下NeIlx脚)lP一熹c竿f焉t竿一I()=diag(e一确Dr嗨c一旃ej’rfoDr枷讪c一雠‘)I=【lIl】kI耳(冗)=【肼(开出for)所。誓))rQ誓砌一)】由(.)式可以看出对于这种正交频率编码信号的匹配滤波可以等效地分成三步进行第一步进行频分多路即矽耳(以)第二步对各频率分量信号进行相位补偿即巾(矽YAn))第三步是对补偿后的各频率分量进行相加求和即第三章SIAR中主要的跟踪处理技术jr【(rr写(以))】这样就完成了发射脉冲的综合。..脉冲综合仿真结果脉冲综合相当于在一般雷达中进行的“脉冲压缩”处理其与一般脉冲压缩的相同之处是都为对目标信号进行时域滤波处理实现方法基本相同。但不同之处是一般脉冲压缩的权系数与目标回波的方向无关而脉冲综合的权系数与目标回波的方向有关即不同方向回波的综合权系数是不同的。在综合脉冲与孔径雷达(STAR)中对目标信号做DBF后的输出为同时多波束输出故若要同时对多波束输出的结果按照相应的波束指向进行脉冲综合处理运算量特别大所以实现时考虑在频域利用FFT处理。假设目标回波满足窄带条件。在本文探讨的综合脉冲与孔径雷达(SL啵)系统中信号形式有两种分别是长脉冲和短脉冲。在这里我们选择长脉冲进行脉冲综合的仿真。假定长脉冲的重复周期为.ms脉冲宽度为Z=us该信号为线性调频信号各发射阵元间频率间隔为af=/£=.KHz为了减少在波束主瓣之内的时空耦合还要考虑阵元发射信号的频率编码问题。长脉冲的仿真结果如图.至图.所示图.为目标方位为的结果图.为目标的方位为。的结果图.和图.分别为图.和图.的局部放大图。一一一一J.。山.。lMk山^.k。}。枷.舢.‰...枞.“^山h“II.m一.卅^一忖“图.长脉冲综合(方位为。)OOOO斟馨综合脉冲与孔径雷达的目标跟踪技术及其实现一一一!一I.Ir一一:/\:/L一一厂f一一‘、一扒h厂N八./\一仝N。k^^u小..^I“I以止.I^ukh^“~JI‘“L一^^‘图.长脉冲综合(方位为。)、/、~^I^、“州i%./、扒^一/、厂\广、、^一图.长脉冲综合(方位。)局部放大图j||l||||:||||||第三章SIAR中主要的跟踪处理技术其中长脉冲的脉冲综合信噪比损失随目标速度变化结果如图.所示。图.长脉冲综合的脉冲综合信噪比损失随目标速度变化结果当发射阵元数较少时为了保证一定的距离分辨能力各发射单元发射信号的脉冲宽度不能太宽则雷达的威力受到限制。因此在保证一定的距离分辨能力的前提下提高雷达的威力必须加宽脉冲宽度即增大Z但同时Ⅳ保持原来的值不变即要求TAf为大于l的整数。但TAr过大的一个结果就是出现脉冲综合输出的距离旁瓣。目标的运动会带来一定的多普勒频率从而会造成脉冲综合为失配滤波引起信噪比的损失如图.所示。因此如何进一步降低距离旁瓣和多普勒敏感性对SIAR系统的影响仍需要深入研究。..包络移动补偿.包络移动补偿和脉冲积累我们知道当噪声功率远大于目标回波信号功率时信号将湮没在噪声中难以分辨出来。在发射信号峰值功率一定的情况下要靠增大发射脉冲宽度以增大发射信号的能量但脉冲宽度的增加会使雷达系统的距离分辨率降低。因此在满足系统距离分辨率要求的前提下我们通常采用脉冲相干积累的办法来增强系统的检测能力。由于积累的时间较长快速运动目标的包络移动较大将会跨越距离单元为了进行有效积累必须对目标的包络移动进行补偿。通常初相和包络补偿之间存在一定的相位关系它们都是由目标的运动所引起的。若目标的径向速度为形雷达重复周期为丁则相邻脉冲的相位差为=toaT=ztV(五为波长)。,T/这一初相变化可由FFT的旋转因子补偿而相邻脉冲的包络延迟差为综合脉冲与孔径雷达的目标跟踪技术及其实现At=万K/T(C为光速)。由此可见若雷达不存在速度模糊(如某些米波雷达和高重复频率雷达)FFT的各路输出能正确反应目标的多普勒频率则各路的包络延迟差可以通过矽和r的关系求得。若FFT滤波器组依次表示由负到正的多普勒值那么它们的脉间包络延迟差一般在/Lf】区间上线性变化(Z为雷达工作频率)。通常运动补偿是在基带进行的初相补偿和包络补偿应配合进行。初相补偿只是将数据乘以一定的相位旋转因子在时域和频域只是作一次复乘。包络补偿须通过一线性相位全通(或近似全通)滤波器相位特性的斜率与需要补偿的延迟差相适应。为了减少运算量在本文探讨的综合脉冲与孔径雷达(S认R)系统中我们考虑采用分数延迟的方法来解决该问题。采用FFT实现分数延迟的原理是通过在频域对信号乘以一定的相位因子在时域来实现对信号的延迟其原理实现简单主要过程分为三步:第一步:对信号作FFT处理第二步:对FFT结果乘以一定的相位因子第三步:对第二步的结果作IFFT处理。..脉冲相干积累由于雷达完成一次扫描的过程中任何目标的回波脉冲都不止一个通过对雷达天线波束扫过点目标的时间内目标回波脉冲迭加以改善检测性能的过程称为积累。现代雷达为了检测低可观测目标常采用长时间积累其积累时间达秒级或更长。我们知道对于脉冲雷达只有当多普勒频移尼>/r(f为发射脉冲宽度)时才有可能用单个脉冲测出多普勒频移。我们通常都要积累多个目标回波脉冲这相当于连续波工作时的取样状态回波脉冲的包络调制频率即为多普勒频率。正交相干检波以后可以得到目标回波的复包络对其进行谱分析得到目标运动引起的多普勒频移进而可以推算出目标运动的径向速度。脉冲相干积累技术可以提高雷达的检测能力但一般雷达可供积累的脉冲数很少使积累改善因子有限。综合脉冲与孔径雷达(S认R)在接收端通过计算形成发射和接收脉冲因此SIAR的脉冲综合可以保持对某方向的计算等效于把雷达波束固定在某些方向上。因此可以在接收端同时形成多个波束或波束堆积甚至可以充满整个工作空间而无波束扫描问题可以一直对准目标。由于SIAR中不存在波束扫描的概念积累时间可以获得较多的相干积累脉冲数。第三章SIAR中主要的跟踪处理技术在雷达信号处理中常采用傅里叶变换作相干积累。实际上雷达总是对接收回波串进行分段处理也可说用的是短时傅里叶变换(Sn叩)当信号多普勒与傅里叶某一分量的频率相同时旋转因子将各次信号的相位校正为相同从而使信号相干相加。STFT的窗长应与目标的波束驻留时间相适应当为检测小目标而采用多波束技术等加长目标波束驻留时间则应考虑回波信号的平稳性即多普勒的时变性。这时STI叮的窗长应与信号的“局部平稳长度"相适应过分的窗长不能使窗内的时变信号有效地相干积累输出信噪比反而会降低。假设目标的运动速度为马赫以长脉冲为例作点的相干积累选取距离单元数为点其计算机仿真结果如图.图.所示。其中图.是单个脉冲作相干积累前的脉冲综合结果图图.是作点相干积累后的结果。由结果可知相干积累后信号的信噪比有所改善。相千积累前单'脉冲综合结果图图.点相干积累前单个脉冲综合结果点相干积累结果圈IJ『lI一一F.距离单元图.点脉冲相干积累结果Onnnnnn仉n仉鹫ll丑综合脉冲与孔径雷达的目标跟踪技术及其实现..脉冲非相干积累将接收回波序列取模(即去掉相位信息)作跨周期相加称为非相干积累或检波后积累。一般说来由于非相干积累未利用相位信息其检测性能不如相干积累两者之差称为检波损失。检波损失与输入信噪比有关信噪比越大则检波损失就越小。若信噪比无穷大(即噪声为零)则非相干积累的结果与相干积累的相同即检波损失为零。实际上只要输入信噪比大于检波损失已经比较小了这时可用非相干积累代替相干积累因为非相干积累无须作相位补偿实现起来要简单得多。非相干积累的输出没有目标的多普勒信息难以实现包络移动补偿而对长的观测时间包络移动通常相当大。因此若需要做长时间积累时可以考虑分两个阶段进行:前一阶段由于信噪比很低必须分批作相干积累待信噪比提高到接近于l时就可采用非相干方式继续进行积累。.恒虚警率(CⅣ瓜)处理雷达信号的恒虚警率(CFAR)处理是雷达信号处理的重要内容之一它在自动检测中占有不可缺少的重要地位。广义地讲CFAR处理属于自适应门限检测但在现代雷达信号数字处理系统中一般不直接用CFAR处理的输出作为检测结果而是用其作所谓的门限调整(第一门限)然后再按具体要求使用一合适的门限(固定或自动)作过门限检测(/切割)最后对切割的结果作滑窗积累检测(第二门限)。..恒虚警率处理的基本概念杂波和噪声是雷达固有的工作环境雷达恒虚警率检测性能与背景杂波噪声的分布和强度有很大关系【】。目前常用的雷达信号恒虚警率处理按照背景干扰可以分为噪声环境的恒虚警率处理和杂波环境的恒虚警率处理。噪声环境的恒虚警率处理适用于热噪声环境杂波环境的恒虚警率处理既适用于热噪声环境也适用于杂波干扰环境。杂波环境恒虚警率(CFAR)又可根据不同特性的杂波分成不同的类型如对付瑞利分布的单元平均CFAR及其各种改进形式(包括单元平均选大、选小CFAR、有序统计CFAR等)又如对数正态分布杂波CFAR、韦布尔分布杂波CFAR等。广义上属于自动检测范畴的恒虚警率(CFAR)检测的杂波背景也可归纳为三种典型情况:()均匀杂波背景()杂波边缘()多目标干扰。与噪声相第三章SIAR中主要的跟踪处理技术比杂波干扰的统计特性很复杂为了采取合理、有效的措施在不同的杂波环境中获得恒虚警率效果必须对杂波的统计特性主要是杂波的幅度统计特性进行研究。除孤立的建筑物、水塔等可以认为是固定目标(干扰)外绝大多数地物、海浪杂波都是极为复杂的它可能既包含有固定的部分又包含有运动的部分而每一部分反射回来的回波其相位和振幅都是随机的。用一个较合理的数学模型所表示的杂波的幅度的概率分布特性就是所谓CFAR处理所面临的杂波环境亦即雷达杂波模型。现在比较典型的雷达杂波模型有:瑞利(Rayleigh)分布、对数一正态(LogNormal)分布和韦布尔(Weibull)分布。、瑞利分布在雷达可分辨范围内当散射体的数目很多的时候根据散射体反射信号振幅和相位的随机特性一般可认为它们合成的回波包络振幅是服从瑞利分布的。若以X表示杂波回波的包络幅度以万表示它的平均功率(即标准差)则x的概率密度函数为:厂cx=IX.XF)xO(.I工<、瑞利分布与每个散射体的振幅分布无关只要求散射体的数目足够多并且所有散射体中没有一个是起主导作用的。需要说明的是瑞利分布只要代表同一距离单元中杂波从这次扫描的变化规律严格地说它不能用来表示同一扫描过程中杂波回波的幅度分布因为杂波的强度一般都是随着距离的增大而减弱的。、对数一正态分布设X代表杂波回波的包络振幅则x的对数一正态分布是m={南懿言掣)x。()X<U式(.)中%是尺度参数表示分布的中位数:正是形状参数表明分布的偏斜度。对于海杂波谚从高视角(.数量级)和低海况条件下的.dB(近似值)变化到低视角(大约)和高海况条件下的大约.dB。在地杂波中作为雷达视角的函数大约从dB至UdB范围内变化。、韦布尔分布一般说来对于大多数实验和理论所确定的杂波幅度分布瑞利模型和对数一正态模型仅适应于它们中的有限分布。瑞利模型一般倾向于低估实际杂波分布的动态范围而对数一正态模型倾向于高估实际杂波分布的动态范围。韦布尔杂波模型比瑞利和对数一正态杂波模型常常能在更宽广的环境内精确综合脉冲与孔径雷达的目标跟踪技术及其实现表示实际的杂波分布适当地调整韦布尔分布的参数能够使它成为瑞利分布或接近于对数一正态分布。通常在使用高分辨力雷达、低入射角的情况下海浪杂波能够用韦布尔分布精确地描述地物杂波也能够用韦布尔分布描述。设x代表杂波回波的包络振幅则X的韦布尔分布为r。。^一I。f(x){专唧【‘宝【o一”(.)其中屯是分布的中值它是分布的尺度参数:刀是分布的形状参数n的取值范围一般为<n。显然韦布尔分布比瑞利分布复杂。瑞利分布只有一个表示杂波强度的尺度参数在尺度参数一定时分布函数也就确定了。韦布尔分布像对数一正态分布一样也是一个双变量分布函数除尺度参数外还有形状参数只有二者均确定时分布函数才能确定。从雷达信号检测的角度来看对数一正态杂波为最恶劣的杂波环境瑞利杂波代表最简单的杂波环境而韦布尔杂波则是中间杂波环境在许多情况下它是一种比较合理的杂波分布。此外由于雷达杂波环境的复杂性和时变随机性上面给出的三种杂波模型并不能反映所有的实际杂波特性如后来提出的K分布对描述海杂波甚佳甚至还有的杂波环境根本就不能用确定的模型予以描述等。无论是韦布尔分

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