测量雷达的距离多普勒耦合修正方法研究

测量雷达的距离多普勒耦合修正方法研究

作者：王震 王海风 张锐娟 来源：《硅谷》2014年第10期

摘 要 线性调频脉冲压缩体制的测量雷达，在探测运动目标时，由于距离-多普勒耦合效应的影响，多普勒频移会使雷达产生测距误差，且该误差与目标径向速度成正比。针对该问题，文章在分析多普勒频移对线性调频脉压影响的基础上，给出了距离多普勒耦合修正方法，并利用雷达实测数据进行了验证，有效提高了测量雷达的测距精度。 关键词 线性调频；脉冲压缩；距离多普勒耦合；测距误差

中图分类号：TN957 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）10-0069-02

脉冲压缩体制的雷达具有分辨力高、探测距离远和抗有源噪声干扰能力强等优点，在各类测量雷达研制过程中被广泛采用。线性调频脉冲压缩是最常采用的脉冲压缩技术，线性调频信号对多普勒频移不敏感，使得它成为应用最广泛的脉冲压缩信号。但与此同时引入的问题是匹配滤波器输出响应将出现与多普勒频移成正比的附加延时，即距离-多普勒耦合现象。这直接影响了雷达的测距精度。

为了提高测量雷达测距精度，本文在分析多普勒频移对线性调频脉冲压缩雷达测距精度影响的基础上，提出了距离多普勒耦合修正方法，并利用雷达实测数据进行了验证，取得了良好的试验效果。

1 距离多普勒耦合效应分析

1.1 多普勒频移对线性调频脉压的影响[1-3]

线性调频脉冲压缩体制测量雷达的发射信号可表示为： （1）

式中，为信号幅度，为脉冲宽度，为载波中心频率，为调频斜率，为线性调频脉冲信号的带宽。公式（1）也可表示为： （2）

典型的线性调频信号波形如图1所示。 图1 典型线性调频信号的波形

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设匹配滤波器频率特性为，则根据匹配条件应满足如下关系： （3）

其中，为匹配滤波器产生的延时。根据信号传递关系，当不考虑多普勒频移时（）匹配滤波器输出信号可表示为： （4）

考虑多普勒频移时（），线性调频信号经过匹配滤波器后输出信号变为： （5）

将公式（4）、（5）中信号与信号的包络进行比较，发现多普勒频移使得脉压后信号的包络在时间轴上发生了移动，产生附加时延，直接影响雷达的测距精度。因为，则由多普勒耦合效应产生的附加时延为。 1.2 仿真计算

为了深入了解多普勒频移对线性调频脉冲压缩体制雷达的影响，在时域上对雷达接收多普勒频移的回波情况进行仿真。假设线性调频信号脉冲宽度为100，信号带宽为1 MHz，信号叠加多普勒率为100 kHz，图2为多普勒频率时，信号脉压后输出波形；图3为时，信号脉压后输出波形。

由仿真结果可知，对于正线性调频信号，当多普勒频率为正时，回波脉压后波形峰值前移；当多普勒频率为负时，回波脉压后波形峰值后移。而对于负线性调频信号，回波脉压结果与正线性调频信号输出结果相反。

图2、图3的仿真结果表明当信号叠加100 kHz的多普勒频率时，信号经过脉压后产生的时间偏移量为10，这与1.1节分析结果一致。 图2 时信号脉压后输出波形 图3 时信号脉压后输出波形 2 距离多普勒耦合修正及数据验证 1）距离多普勒耦合修正参数的确定。

多普勒频移引入的附加时延会给雷达测距带来误差： （6）

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式中，为雷达信号中心频率，为雷达跟踪目标的径向速度。

由公式（6）可知，要消除多普勒耦合引入的测距误差，必须经过两个步骤：1）确定测量雷达工作参数，包括：中心频率、脉冲宽度和信号带宽；2）获取目标相对测量雷达的径向速度。由于雷达工作参数可通过仪器仪表精确测量，因此目标径向速度的精度决定了最终误差修正的精度。

为了提高雷达测距误差的修正精度，采用差分GPS数据确定目标的径向速度，计算公式如下： （7） （8） （9）

其中，为雷达站的大地坐标，为目标的大地坐标，（）为目标在雷达站切平面坐标系下的坐标；、和为目标GPS北、东、天三向速度；，和为目标在地心直角坐标系下北、东、天三向速度；、和为目标在地理坐标系下北、东、天三向速度。

综上所述，利用GPS差分数据获取不同时刻下目标相对测量雷达的径向速度，根据公式（10）即可得到修正后的雷达测量距离。 （10）

2）实测数据验证。

某次试验过程中，飞机以表速=500 km/h～750 km/h，海拔高度=2000 m～3000 m，相对测量雷达站作侧站平飞动作，地面X波段测量雷达实时对目标进行跟踪、测试。期间，飞机相对测量雷达站的距离及径向速度变化见图4，测量雷达进行距离多普勒耦合修正前后的测距误差见图5。

图4 飞机相对测量雷达距离及径向速度变化曲线 图5 距离多普勒耦合修正前后的雷达测距误差

由图4可知，雷达跟踪过程中，飞机相对测量雷达的径向速度保持在150 m/s左右。图5表明雷达测距精度较多普勒耦合修正前有大幅度提高，其中修正前雷达测距系统误差为9.6 m，随机误差为3.2 m；修正后雷达测距的系统误差为3.5 m，随机误差为3.1 m。有效消除了由多普勒频移引入的测距误差。

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3 结论

本文在分析线性调频脉冲压缩信号时、频特性的基础上，对雷达接收多普勒频移的回波情况进行了仿真。仿真结果表明由距离-多普勒耦合引入的附加时延引起的测距误差与目标相对测量雷达的径向速度成正比。在此基础上，给出了距离-多普勒耦合修正方法，并利用雷达实测数据进行了验证，有效提高了测量雷达的测距精度。 参考文献

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