一种高重频极化雷达的慢速目标检测方法研究_雷亚哲.pdf

一种高重频极化雷达的慢速目标检测方法研究雷亚哲，李舒婉（中国电子科技集团公司第二十研究所，陕西西安710068）摘要：提出一种适用于高重频极化雷达的慢速目标检测方法。雷达采用高重频跟踪波形，利用变初相和收发极化切换的方式，实现对因距离模糊而落入近区强杂波段内的慢速目标的检测。基于高重频波形下目标与近区杂波距离模糊个数的差异，通过改变发射脉冲的初相和收发天线的极化方式，一方面改变回波中目标的等效多普勒频率，另一方面利用收发极化正交有效抑制近区杂波，减少自动增益控制对模糊在近区杂波段目标的衰减，最后完成目标与杂波在多普勒维的分辨,并通过计算机仿真进行验证。关键词：慢速目标检测；高重频；天线极化方式；脉冲初相相位中图分类号：TN957.51文献标识码：A文章编号：1003-773X（2023）06-0065-020引言脉冲体制雷达为了能够稳定对目标进行的跟踪，往往采用速度不模糊设计的高重频波形。但是，高重频波形探测慢速目标存在较为明显的问题：高重频带来无模糊距离范围缩小，远区目标会折叠到近区杂波区，强杂波会影响弱目标的检测；受系统资源的限制，波形的驻留时间不可能无限增大，通过增加积累拍数提高速度分辨率始终有上限，此外，杂波在多普勒维的扩展效应，会覆盖慢速目标的多普勒速度，即便提高速度分辨率也无法探测目标1-3。为了解决高重频对慢速目标探测的问题，一种基于十字窗改进的多帧积累算法被提出，该方法利用多帧点迹数据趋势进行目标检测，但是当目标落入近区强杂波带内时，该检测方法失效4。因此，一种基于高重频波形的慢速目标检测方法被提出，该方法从信号处理方面，通过引入变初相处理，目标的多普勒频率被人为引入一个偏差，从而实现慢速目标与杂波在多普勒维的分辨，但是该方法没有考虑高重频雷达自动增益控制对目标检测的影响。雷达为了保证接收通道射频不饱和，会采用自动增益控制，衰减值会随着距离的增加而同步降低，当远区目标经距离模糊折叠至近区杂波带时，自动增益控制在对杂波进行衰减的同时，也对目标回波进行衰减，从而影响目标检测5-6。1慢速目标检测方法验证及参数计算方法本方法基于目标与近区杂波距离模糊个数的差异，通过改变发射脉冲的初相和收发天线的极化方式，一方面改变回波中目标的等效多普勒频率，另一方面利用收发极化正交有效抑制近区杂波，减少自动增益控制对模糊在近区杂波带目标的衰减，最后完成目标与杂波在多普勒维的分辨。所提方法经过 matlab仿真，验证了其有效性。具体方法如下：1）雷达参数如下：天线发射和接收可以极化切换，H 表示水平极化，V 表示垂直极化。脉冲重复周期为 Tr，对应的最大无模糊距离为 Rmax=cTr/2，其中 c 为光速，每个相参积累间隔包含 N 个脉冲，杂波的距离位于距离无模糊区内，多普勒fdC的范围为-fdC，maxfdC，max。2）根据目标目指距离 RT、速度 vT以及雷达的参数，计算目标折叠到距离无模糊区的折叠次数 K 和目标的多普勒频率 fdT，公式分别为：K=RT/Rmax.（1）fdT=2vT/.（2）式中：为向下取整；为雷达波长。3）计算脉冲初相变化参数：设计将目标的多普勒频率偏移到杂波正多普勒频率最大值 fdC，max的 L 倍处，脉冲初相变化参数 由式（3）计算可得：=2Tr（fdT-LfdC，max）K.（3）4）对一个相参积累间隔的 N 个发射脉冲的初相分别进行调制，第 1，2，N 个发射脉冲的初相分别调制相位为 n（n=1，2，N）的值为式（4），相邻脉冲的初相相位差为式（5）。n=（n-1）n2.（4）n-n-1=（n-1）.（5）式中：为脉冲初相变化参数。由式（5）可知，相邻脉冲的初相相位差为线性变化。5）除了初相调制外，基于目标折叠到距离无模糊区的折叠次数 K，对该相参积累间隔的 N 个发射脉冲的收发极化方式进行切换，原则是：当脉冲数 nK时，此时没有目标回波，雷达保持相同的极化发射方式和极化正交的接收方式，即均 H 极化发射，V 极化接收，或者均 V 极化发射，H 极化接收；当脉冲数 nK+1 时，存在目标回波，此时，第 n 个脉冲的接收方式收稿日期：2023-03-07第一作者简介：雷亚哲（1996），男，硕士，在中国电子科技集团公司第二十研究所雷达总体部工作，从事雷达信号处理研究。总第 242 期2023 年第 6 期机械管理开发MechanicalManagementandDevelopmentTotal 242No.6，2023DOI:10.16525/14-1134/th.2023.06.026专题综述机械管理开发第 38 卷采用第 n-K 脉冲的发射极化方式，第 n 个脉冲的发射方式采用第 n-K 脉冲的接收极化方式。旨在当脉冲数 nK+1 时，当前脉冲发射的极化方式与接收的极化方式正交，K 个脉冲前的目标回波的极化方式和当前脉冲接收的极化方式相同，当前脉冲近区强杂波带和当前脉冲接收的极化方式正交。根据工程测试结果，考虑到目标散射回波对电磁波的极化调制作用，雷达收发极化正交至少能够引入 12 dB 极化损耗，即由于极化正交失配，近区强杂波段要比目标回波至少多 12 dB 的损耗，有效抑制自动增益控制对目标信号的衰减。6）由于杂波距离近，目标距离远，因此收到第 n个脉冲回波里包含的是第 n 个脉冲的杂波回波信号和第 n-K 个脉冲的目标回波信号，因此，第 n 个脉冲和第 n+1 个脉冲接收回波的相位 n和 n+1分别为：n=n+n-K+n-K.（6）n+1=n+1+（n+1）-K+（n+1）-K.（7）式中：n、n+1分别为杂波多普勒带来的脉间相位变化；n-K、（n+1）-K分别为目标速度带来的脉间相位变化。对回波信号分别进行相位补偿，补偿值为当前发射脉冲的调制相位。得到第 n 个脉冲和第 n+1 脉冲接收回波的相位 n 和 n+1 分别为：n=n+n-K+n-K-n.（8）n+1=n+1+（n+1）-K+（n+1）-K-n+1.（9）相应地，第 n+1 脉冲和第 n 个脉冲接收回波的相位差为：n=n+1-n=2fdCTr+2fdTTr.（10）fdT=fdT-K2Tr.（11）可以看出，目标的多普勒频率由 fdT搬移到 fdT，按照步骤 3 计算得到的脉冲初相变化参数，可以在多普勒维上将杂波与目标区别开，实现强杂波背景下慢速目标的检测。2仿真试验验证仿真试验：高重频雷达参数设置为，重复周期 Tr为 360 s，脉冲宽度 42 s，带宽 5 MHz，脉冲个数为66，对应的最大无模糊距离为 54 km，雷达波长为 1 m；杂波参数，距离范围 050 km，杂波的径向速度-50m/s，50 m/s；目标参数，距离 240 km，径向速度 2 m/s，即多普勒频率为 4 Hz，目标折叠距离无模糊区的折叠次数 K 为 4，折叠后目标距离为 24 km，刚好落入强杂波段内，目标信杂噪比为-40 dB。设计将目标多普勒频率移动到杂波最大多普勒频率 8 倍区域附近的干净地段，对应速度为 400 m/s，利用式（3），可以计算得到初相：=2Tr（fdT-fdT）/K.（12）将相关数据代入式（12）得=0.450 1 rad。脉冲初相调制与极化切换示意图，如图 1 所示。传统固定初相对慢速目标检测仿真，如图 2 所示。本方法对慢速目标检测仿真，如图 3 所示。由图 2 可以看出，折叠后目标刚好落入强杂波段内，且目标速度也在杂波速度范围内，所以导致目标在速度维和距离维均无法检测。由图 3 可以看出，通过初相调制的方式，将目标的多普勒速度从 2 m/s 拉至 400 m/s，且近区强杂波极化失配，而目标极化一致，能够很好地检测到该慢速目标。参考文献1钟雷，李勇，牟之英，等.未知强杂波下基于 DP-TBD 的雷达弱目标检测J.系统工程与电子技术，2019，41（1）：43-49.2赵玉梁.基于三维激光雷达的无人船目标检测D.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2018.3徐敏超，赵三伟，孙玉玺.一种步进频相参处理检测低信杂比目标的方法J.火控雷达技术，2018（4）：1-8.图 1脉冲初相调制与极化切换示意图图 2传统固定初相对慢速目标检测仿真图 3本方法对慢速目标检测仿真距离模糊次数=4HHHHVVVHHVVVV12345672.52.01.51.00.50.0104500-500-1 0001 00000246距离104速度（多普勒）3.02.52.01.51.00.50.01046420800600400200-200-400-600-8000速度（多普勒）距离104X：2.4e+04Y：403.2Z：7293（下转第 95 页）VHH8662023 年第 6 期压缸在无杆端的应力变化情况，见图 5。从图 5 中可以知道，经过优化后，无杆端液压缸压力波动程度明显降低，到达平衡状态的时间也由 4 s钟缩短到了 3 s，同时无杆端液压缸的压力也下降到了 14.8 MPa（148 bar）。另外，无杆端油缸速度曲线的波动范围也明显缩小了，虽然油缸内无杆端压力与设计的上限值相比还出现一些误差，但是超过了设计的最低限度，系统能够稳定地工作，优化取得了预期的结果。4结语为解决传统刮板输送机自动张紧系统的稳定性不高的问题，本文提出了一种新型的刮板输送机自动张紧系统，并对其液压元件的参数进行了计算。通过对原系统的模拟分析，得出了液压油缸在无杆侧压力变化过大，影响了系统的稳定性。通过对优化后的方案进行了仿真计算，结果表明：优化后的液压油缸在无杆一侧的压力得到了明显的减小，并可有效地减少由于启动时输送链条松动而造成的脱落和跑偏事故，从而提高了工作效率。参考文献1李铁莲.综采工作面刮板输送机链条张紧分析J.自动化应用，2019（10）：112-113.2赵连儒.刮板运输机液压自动张紧控制系统设计分析J.能源与节能，2021（4）：150-151.3赵凯.矿井刮板输送机液压自动系统优化设计J.机械研究与应用，2021，34（6）:141-142；145.（编辑：柴晓峰）5-1压力5-2速度图 5优化后液压缸在无杆端的压力、速度变化情况Optimal Design of Hydraulic Automatic Tensioning System for a Scraper ConveyorLi Bin（Installation Area,Ximing Mine,Shanxi Coking Coal Xishan Coal Power,Taiyuan Shanxi 030052）Abstract:In view of the problem that the traditional mine scraper conveyor automatic tensioning system is unstable in operation,whichmakes it less reliable,a simulation analysis was carried out to design the idea of using genetic algorithm PID optimization,and theoptimized automatic tensioning system was simulated,it can be found that after the optimization of the system,its pressure reaching stabilitytime is greatly reduced,and its fluctuation size is also relatively reduced The feasibility of the optimised design has been demonstrated.Key words:scraper conveyor;automatic tensioning system;optimised design;simulation analysis2602402202001801601400.01.02.03.04.05.06.07.08.0时间/s压力/bar0.150.100.050.00-0.05-0.100.01.02.03.04.05.06.07.08.0时间/s速度/（m s-1）4胡旭超，刘捷，谭贤四，等.一种多高速运动目标补偿方法J.空军预警学院学报，2018（6）：402-406.5王赵.阵列优化布阵及导航抗干扰信号处理设计与实现研究D.西安：西安电子科技大学，2010.6熊鑫，余国文，郭淑芬，等.一种抗多假目标干扰的自适应恒虚警检测方法J.空军预警学院学报，2018（6）：391-396.（编辑：李俊慧）Research on Slow Target Detection with High Refrequency Polarization RadarLei Yazhe,Li Shuwan（The 20th Research Institute of China Electronics Technology Group,Xian Shaanxi 710068）Abstract:This paper presents a slow target detection method suitable for high refrequency polarization radar.The radar adopts the highrefrequency tracking waveform,and realizes the detection of the slow target falling into the strong clutter band in the near area due to thefuzzy rang by means of changing the initial phase and transmitting and receiving polarization switching.In this paper,based on thedifference between the number of distance blur between the target and the near-area clutter under the high refrequency waveform,bychanging the initial phase of the transmitted pulse and the polarization mode of the transceiver antenna,on the one hand,the equivalentDoppler frequency of the target in the echo is changed,on the other hand,the near-area clutter is effectively suppressed by using theorthogonal transmitter-receiving polarization,so as to reduce the attenuation of fuzzy automatic gain control on the near-area clutter target.Finally,the resolution of target and clutter in Doppler is completed and verified by computer simulation.Key words:slow target detection;high repetition frequency;antenna polarization mode;pulse initial phase（上接第 66 页）李斌：刮板输送机液压自动张紧系统优化设计95