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[导读]高频地波雷达接收回波中的主要参数包括船只目标的方位、距离、径向速度三个参数。对于一个目标,只要已知其方位角和距离就可以将其在空间中定位,径向速度则是一个重要的参数指标,无论在确定目标还是目标跟踪方面都有重要作用。因此如何提高三大参数的准确度至关重要。

高频地波雷达接收回波中的主要参数包括船只目标的方位、距离、径向速度三个参数。对于一个目标,只要已知其方位角和距离就可以将其在空间中定位,径向速度则是一个重要的参数指标,无论在确定目标还是目标跟踪方面都有重要作用。因此如何提高三大参数的准确度至关重要。

图–1 船载HFSWR与目标检测

目标三大参数的检测分为三步:解距离、解速度、解方向角。通过对原始信号的两次傅里叶变换可分别求解出目标距离和速度,得到频域数据。再于空域对数据做相关处理,求解出目标来波方向角。这就是求解目标参数的过程。由于技术方法的明显差别,我们将解距离、解速度过程和解方向角的过程分为两章分别介绍。本章节将介绍船载地波雷达解距离、解速度的过程,并与岸基高频地波雷达的处理方法做比较。

简单来说,岸基HFSWR的回波信号的处理过程是将多个经收发脉冲控制的回波信号集中处理,再将回波信号与本振信号混频进行去斜率处理,得到解调信号,然后对解调信号进行傅里叶变换变换得到目标的距离信息。

该过程如图2–2所示:

图–2 HFSWR的回波信号的处理过程流程图

岸基HFSWR测距测速原理

线性调频中断连续波(Frequency Modulation Interrupt Continuous Wave,FMICW)信号是一种常用的雷达收发信号,这种信号的雷达不仅兼具调频连续波(Frequency Modulation Continuous Wave,FMCW)脉冲压缩雷达可以解决目标距离分辨率与探测距离之间的矛盾的优点,而且可以做到收发隔离,因此,实际一般采用FMICW信号,这里为了简化推导过程,我们采用FMCW的形式进行推导。

周期的岸基高HFSWR发射和接收信号形式如下:

表示矩形波函数,形式为:

设船只目标为理想目标,信号在传输过程中没有衰减,则接收信号的形式为:

      

式中,n是从0到M-1的正整数,其中M为扫频周期数,j表示复数运算符,表示目标回波延迟,(单位s);表示目标相对于雷达的起始距离(单位m);v表示目标的径向速度(以朝向雷达运动的方向为正)(单位m/s);c表示光速(单位m/s)。发射信号波形如图–3所示。

 

图–3 FMCW信号示意图

发射信号和回波信号形式是相同的,只是信号在传播过程中发生延迟而带来了一定的相位差,如图2–4所示。对收发信号做差频,即相位相减,可得解调信号表达式:

图–4为发射与接收信号差频信号示意图,图中,为发射信号中调频信号的瞬时频率,为接收信号中线性调频信号的瞬时频率, 为信号带宽, 为收发信号的时间延迟,为调频周期。发射信号和接受信号去斜之后的差频频率如图–4所示。

图2–4 FMCW发射与接收信号差频信号示意图

当目标径向速度为零时,应用欧拉公式对作变换,可以看出,实际上是一个复正弦信号。取的任一周期作傅氏变换,求的幅度谱最大点对应的频率,即得目标的距离信息如下,

设为岸基HFSWR检测的目标距离,则:

 

上式表明,在每个调频周期内,解调信号频率为

式中  

假设目标匀速运动且最大非模糊径向速度为,如果有下面条件成立,

式中表示相参积累时间(s)。选择合理的参数B 和 ,使得

则有

从上式可以直观地看到,信号在每个调频周期内均为同频率的正弦波,而相邻周期间具有固定的相位差。因此,在信号处理时,首先将差频信号按调频周期排成矩阵的形式,分别在行和列两个方向做傅里叶变换,在每个调频周期内做傅里叶变换可得包含距离信息的,在另一方向做傅里叶变换可以得到每个距包含离门上的速度信息的峰值频率的形式如下:

目标的距离和速度可以通过两次傅里叶变换,搜寻距离维方向和多普勒维方向的峰值,再分别求得。

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