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[導讀]高頻地波雷達接收回波中的主要參數包括船隻目標的方位、距離、徑向速度三個參數。對於一個目標,只要已知其方位角和距離就可以將其在空間中定位,徑向速度則是一個重要的參數指標,無論在確定目標還是目標跟蹤方面都有重要作用。因此如何提高三大參數的準確度至關重要。

高頻地波雷達接收回波中的主要參數包括船隻目標的方位、距離、徑向速度三個參數。對於一個目標,只要已知其方位角和距離就可以將其在空間中定位,徑向速度則是一個重要的參數指標,無論在確定目標還是目標跟蹤方面都有重要作用。因此如何提高三大參數的準確度至關重要。

圖–1 船載HFSWR與目標檢測

目標三大參數的檢測分為三步:解距離、解速度、解方向角。通過對原始信號的兩次傅里葉變換可分別求解出目標距離和速度,得到頻域數據。再於空域對數據做相關處理,求解出目標來波方向角。這就是求解目標參數的過程。由於技術方法的明顯差別,我們將解距離、解速度過程和解方向角的過程分為兩章分別介紹。本章節將介紹船載地波雷達解距離、解速度的過程,並與岸基高頻地波雷達的處理方法做比較。

簡單來説,岸基HFSWR的回波信號的處理過程是將多個經收發脈衝控制的回波信號集中處理,再將回波信號與本振信號混頻進行去斜率處理,得到解調信號,然後對解調信號進行傅里葉變換變換得到目標的距離信息。

該過程如圖2–2所示:

圖–2 HFSWR的回波信號的處理過程流程圖

岸基HFSWR測距測速原理

線性調頻中斷連續波(Frequency Modulation Interrupt Continuous Wave,FMICW)信號是一種常用的雷達收發信號,這種信號的雷達不僅兼具調頻連續波(Frequency Modulation Continuous Wave,FMCW)脈衝壓縮雷達可以解決目標距離分辨率與探測距離之間的矛盾的優點,而且可以做到收發隔離,因此,實際一般採用FMICW信號,這裏為了簡化推導過程,我們採用FMCW的形式進行推導。

週期的岸基高HFSWR發射和接收信號形式如下:

表示矩形波函數,形式為:

設船隻目標為理想目標,信號在傳輸過程中沒有衰減,則接收信號的形式為:

      

式中,n是從0到M-1的正整數,其中M為掃頻週期數,j表示複數運算符,表示目標回波延遲,(單位s);表示目標相對於雷達的起始距離(單位m);v表示目標的徑向速度(以朝向雷達運動的方向為正)(單位m/s);c表示光速(單位m/s)。發射信號波形如圖–3所示。

 

圖–3 FMCW信號示意圖

發射信號和回波信號形式是相同的,只是信號在傳播過程中發生延遲而帶來了一定的相位差,如圖2–4所示。對收發信號做差頻,即相位相減,可得解調信號表達式:

圖–4為發射與接收信號差頻信號示意圖,圖中,為發射信號中調頻信號的瞬時頻率,為接收信號中線性調頻信號的瞬時頻率, 為信號帶寬, 為收發信號的時間延遲,為調頻週期。發射信號和接受信號去斜之後的差頻頻率如圖–4所示。

圖2–4 FMCW發射與接收信號差頻信號示意圖

當目標徑向速度為零時,應用歐拉公式對作變換,可以看出,實際上是一個復正弦信號。取的任一週期作傅氏變換,求的幅度譜最大點對應的頻率,即得目標的距離信息如下,

設為岸基HFSWR檢測的目標距離,則:

 

上式表明,在每個調頻週期內,解調信號頻率為

式中  

假設目標勻速運動且最大非模糊徑向速度為,如果有下麪條件成立,

式中表示相參積累時間(s)。選擇合理的參數B 和 ,使得

則有

從上式可以直觀地看到,信號在每個調頻週期內均為同頻率的正弦波,而相鄰週期間具有固定的相位差。因此,在信號處理時,首先將差頻信號按調頻週期排成矩陣的形式,分別在行和列兩個方向做傅里葉變換,在每個調頻週期內做傅里葉變換可得包含距離信息的,在另一方向做傅里葉變換可以得到每個距包含離門上的速度信息的峯值頻率的形式如下:

目標的距離和速度可以通過兩次傅里葉變換,搜尋距離維方向和多普勒維方向的峯值,再分別求得。

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