分布式全相參雷達(dá)相位差閉環(huán)跟蹤技術(shù)

韓小妹， 李雁斌， 黃 勇

（1.空軍駐上海航天局軍事代表室；2.上海無(wú)線電設(shè)備研究所，上海200090）

0 引言

分布式全相參雷達(dá)要求各單元雷達(dá)實(shí)現(xiàn)發(fā)射相參和接收相參，然而為實(shí)現(xiàn)發(fā)射相參，需要對(duì)目標(biāo)處各單元雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的相位差進(jìn)行跟蹤估計(jì)。對(duì)于同一目標(biāo)，由于各單元雷達(dá)的分散布設(shè)造成雷達(dá)與目標(biāo)的距離各不相同，因此，各單元雷達(dá)的發(fā)射信號(hào)在目標(biāo)處會(huì)產(chǎn)生與其距離差相對(duì)應(yīng)的相位差。同時(shí)，分布式系統(tǒng)中各單元雷達(dá)間的相位同步誤差也會(huì)對(duì)目標(biāo)處各信號(hào)間的相位差產(chǎn)生影響。因此，需要對(duì)目標(biāo)處各信號(hào)的相位差進(jìn)行跟蹤估計(jì)，進(jìn)而利用跟蹤結(jié)果對(duì)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行相位調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)發(fā)射相參的目的［1］。

1 分布式全相參工作原理

分布式全相參雷達(dá)系統(tǒng)的工作過(guò)程包括接收相參工作模式和發(fā)射相參工作模式。系統(tǒng)首先發(fā)射正交波形實(shí)現(xiàn)接收相參，然后發(fā)射相參波形實(shí)現(xiàn)發(fā)射相參，從而完成全相參工作。

1.1 接收相參工作模式

如圖1所示，每部雷達(dá)除接收自己發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生的目標(biāo)回波之外，還接收其他單元雷達(dá)發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生的回波，并采用與發(fā)射正交波形匹配的一組濾波器，經(jīng)過(guò)精確的接收延時(shí)與相位控制，實(shí)現(xiàn)匹配相參處理獲得N2的最大信噪比增益。

圖1 接收相參模式

1.2 發(fā)射相參工作模式

分布式全相參雷達(dá)的工作原理如圖2所示，各單元雷達(dá)發(fā)射完全相同的波形，通過(guò)精確的發(fā)射時(shí)間和相位控制，使各單元雷達(dá)的發(fā)射信號(hào)在目標(biāo)處同時(shí)同相相加，即發(fā)射全相參，這個(gè)相參合成的發(fā)射信號(hào)經(jīng)目標(biāo)發(fā)射后，由各單元雷達(dá)接收，再經(jīng)過(guò)精確的接收延時(shí)和相位控制，進(jìn)行接收相參合成處理，獲得N3的最大信噪比增益。

圖2 分布式全相參雷達(dá)系統(tǒng)框圖

2 同步誤差對(duì)相參性能的影響

基于上述工作原理，針對(duì)雙站分布式全相參雷達(dá)系統(tǒng)，對(duì)相參合成后的信噪比改善進(jìn)行了仿真分析。

假設(shè)單元雷達(dá)1 和單元雷達(dá)2 發(fā)射相同波形，并可表示為

式中：u為調(diào)頻斜率。

兩路信號(hào)在發(fā)射時(shí)通過(guò)時(shí)間和相位補(bǔ)償確保信號(hào)在目標(biāo)處相參疊加，目標(biāo)散射回波信號(hào)經(jīng)不同延時(shí)后合成產(chǎn)生模擬目標(biāo)回波，在兩部單元雷達(dá)內(nèi)對(duì)模擬目標(biāo)回波信號(hào)分別進(jìn)行匹配濾波（共2個(gè)信道），再經(jīng)過(guò)時(shí)間和相位補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)全相參合成。

圖3（a）表示雷達(dá)在單站、接收相參、全相參工作模式下的回波信號(hào)脈壓結(jié)果。其中，綠色實(shí)線表示單站回波信號(hào)的脈壓結(jié)果，藍(lán)色點(diǎn)劃線表示接收相參合成后的脈壓結(jié)果，紅色虛線表示全相參合成后的脈壓結(jié)果。圖3（b）表示雷達(dá)在接收相參、全相參工作模式下的合成信噪比改善情況。相對(duì)于單站信噪比，藍(lán)色虛線表示接收相參合成信噪比改善，紅色實(shí)線表示全相參合成信噪比改善。

對(duì)圖3中的仿真數(shù)據(jù)分析可知：

a）相對(duì)于單站回波，相參合成后脈壓信號(hào)幅度提高了4倍（N2倍）；

b）接收相參合成信噪比改善約為6dB；

c）全相參合成信噪比改善約為9dB。

上述仿真結(jié)果與第1 章中的理論分析結(jié)果一致。

圖4表示雷達(dá)在兩種工作模式下不同時(shí)延誤差對(duì)合成信噪比的影響情況。

對(duì)圖4中仿真數(shù)據(jù)分析可知，雷達(dá)在全相參合成工作模式下，信道間的時(shí)延誤差將導(dǎo)致造成信噪比迅速惡化，約0.04Tp的時(shí)延誤差（Tp為脈壓后的脈沖寬度）就將引起3dB 的信噪比損失；而雷達(dá)在接收相參工作模式下，信道間的時(shí)延誤差對(duì)信噪比的影響相對(duì)較小?？梢钥闯?，分布式全相參雷達(dá)對(duì)于時(shí)間同步誤差及相位同步誤差的要求非?？量?，需要專門(mén)設(shè)計(jì)分布式全相參雷達(dá)的時(shí)間及相位的同步方案。

圖3 回波信號(hào)脈壓與信噪比改善結(jié)果

圖4 不同時(shí)延誤差對(duì)合成信噪比的影響

3 相位閉環(huán)跟蹤環(huán)路

為了實(shí)現(xiàn)分布式全相參雷達(dá)的相位同步，系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)目標(biāo)檢測(cè)跟蹤的過(guò)程中，除了采用經(jīng)典的距離跟蹤環(huán)路、速度跟蹤環(huán)路和角度跟蹤環(huán)路外，還需增加了相位跟蹤環(huán)路，對(duì)目標(biāo)處各信號(hào)的相位差進(jìn)行跟蹤估計(jì)，進(jìn)而利用跟蹤結(jié)果對(duì)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行相位調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)發(fā)射相參的目的。

首先假設(shè)兩部單元雷達(dá)的發(fā)射信號(hào)分別為

式中：f0為本振信號(hào)中心頻率；Δθ為兩部單元雷達(dá)的相位同步誤差。

當(dāng)上述兩個(gè)發(fā)射信號(hào)到達(dá)目標(biāo)時(shí)可表示為

因此，在目標(biāo)處兩信號(hào)的相位差為

式中：ΔφR 表示路程差R1-R2引起的相位差。

結(jié)合分布式全相參雷達(dá)的工作原理，下面分別闡述接收相參相位跟蹤環(huán)路和發(fā)射相參相位跟蹤環(huán)路。

3.1 接收相參相位跟蹤環(huán)路

在接收相參工作模式下，各單元雷達(dá)的發(fā)射信號(hào)相互正交，因此，在同一雷達(dá)上，我們利用各單元雷達(dá)回波信號(hào)的正交性，通過(guò)匹配濾波的方式可以分別得到不同雷達(dá)的回波信號(hào)。利用不同回波信號(hào)的相位信息以得到相位差的估計(jì)值，如圖5所示。

圖5 接收相參相位跟蹤環(huán)路

在單元雷達(dá)1處，回波信號(hào)經(jīng)過(guò)單元雷達(dá)1的本振信號(hào)下變頻至基帶信號(hào)，再通過(guò)匹配濾波分離出兩通道信號(hào)：

然后通過(guò)鑒相器獲得單元雷達(dá)1兩通道信號(hào)的相位差估計(jì)

3.2 發(fā)射相參相位跟蹤環(huán)路

在發(fā)射相參工作模式下，首先利用相位差估計(jì)值對(duì)發(fā)射的相參信號(hào)進(jìn)行相位調(diào)整，實(shí)現(xiàn)在目標(biāo)處兩相參信號(hào)的同相疊加，并等效為在目標(biāo)處有一個(gè)發(fā)射源向兩雷達(dá)分別發(fā)射信號(hào)，然后再對(duì)相位差進(jìn)行跟蹤。發(fā)射相參工作模式下的相位差跟蹤如圖6所示。

假設(shè)目標(biāo)處兩部單元雷達(dá)同相疊加后的合成信號(hào)為

則兩部單元雷達(dá)接收到的回波信號(hào)分別經(jīng)過(guò)各自的本振信號(hào)下變頻至基帶信號(hào)后，可表示為

圖6 發(fā)射相參相位跟蹤環(huán)路

兩路基帶信號(hào)通過(guò)鑒相器獲得相位差估計(jì)值

比較式（6）與式（14）可得，由于相位同步誤差Δθ的存在，發(fā)射相參工作模式下得到的相位差估計(jì)值

因此，相位同步誤差將影響發(fā)射相參工作模式下的相位差跟蹤精度，從而進(jìn)一步影響分布式系統(tǒng)的相參性能。

4 相位閉環(huán)跟蹤算法

本文提出了一種基于回波信噪比動(dòng)態(tài)估計(jì)的相參差閉環(huán)跟蹤算法，該方法不依賴目標(biāo)的先驗(yàn)回波信號(hào)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)分布式全相參雷達(dá)的相位閉環(huán)跟蹤。

由分布式全相參雷達(dá)方程可知：

式中，N 為單元雷達(dá)個(gè)數(shù)；Pt為單元雷達(dá)發(fā)射功率；G 為單元雷達(dá)天線增益；λ為工作波長(zhǎng)；σ為目標(biāo)散射截面積；R 為目標(biāo)相對(duì)距離；L 為系統(tǒng)和空間損耗。

由式（16）可知，在單元雷達(dá)數(shù)目、發(fā)射功率、天線增益、工作波長(zhǎng)、目標(biāo)散射截面積、系統(tǒng)和空間損耗一定的條件下，回波信噪比與目標(biāo)相對(duì)距離R 的4次方成反比，根據(jù)雷達(dá)輸出的目標(biāo)相對(duì)距離，可以實(shí)時(shí)計(jì)算出當(dāng)前狀態(tài)下分布式雷達(dá)全相參工作的回波信噪比估計(jì)值，定義合成效率為

式中：S／N 是發(fā)射相參工作模式下對(duì)相參合成的回波信號(hào)進(jìn)行采集并實(shí)時(shí)計(jì)算的輸出信噪比。

設(shè)定最低合成效率指標(biāo)ηmin，在相參性能監(jiān)測(cè)模塊實(shí)時(shí)計(jì)算合成效率，通過(guò)與最低合成效率指標(biāo)ηmin的比較來(lái)確定系統(tǒng)的下一步工作狀態(tài)：當(dāng)≥ηmin時(shí)，表明系統(tǒng)相參性能滿足指標(biāo)要求，則系統(tǒng)循環(huán)工作在發(fā)射相參工作模式下；而當(dāng)＜ηmin時(shí)，表明系統(tǒng)相參性能不滿足指標(biāo)要求，則系統(tǒng)需要重新回到接收相參工作模式進(jìn)行全相參的引導(dǎo)。

為此，提出了回波信噪比動(dòng)態(tài)估計(jì)的相位差閉環(huán)跟蹤算法：首先，分布式雷達(dá)進(jìn)行接收相參工作，發(fā)射正交波形進(jìn)行相位差跟蹤估計(jì)，此時(shí)的相位差跟蹤方法是理想的無(wú)偏跟蹤過(guò)程；然后，分布式雷達(dá)轉(zhuǎn)入發(fā)射相參工作，利用上一步所得的相位差估計(jì)值，對(duì)各單元雷達(dá)發(fā)射的相參信號(hào)進(jìn)行相位調(diào)整以實(shí)現(xiàn)發(fā)射相參。同時(shí)，在發(fā)射相參波形條件下進(jìn)行相位差估計(jì)值更新，此后整個(gè)系統(tǒng)循環(huán)工作在發(fā)射相參工作模式下。在此基礎(chǔ)上，在系統(tǒng)的輸出端增加相參性能監(jiān)測(cè)模塊對(duì)系統(tǒng)的相參性能進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)系統(tǒng)全相參合成信噪比改善低于8dB時(shí)，系統(tǒng)需要重新回到接收相參工作模式進(jìn)行全相參引導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)相位差的閉環(huán)跟蹤，如圖7所示。

圖7 相參差閉環(huán)跟蹤工作流程

5 結(jié)論

本文分析了分布式全相參雷達(dá)的理論模型，針對(duì)分布式全相參雷達(dá)這一新體制雷達(dá)的實(shí)現(xiàn)所面臨的相位差跟蹤問(wèn)題，根據(jù)分布式雷達(dá)系統(tǒng)的工作特點(diǎn)，分別提出了接收相參、發(fā)射相參工作模式下的相位差跟蹤環(huán)路。通過(guò)理論推導(dǎo)可知，在接收相參工作模式下可實(shí)現(xiàn)相位差的理想跟蹤；而在發(fā)射相參工作模式下，各單元雷達(dá)的相位同步誤差將影響相位差的跟蹤精度。最后，提出了一種基于回波信噪比動(dòng)態(tài)估計(jì)的相參差閉環(huán)跟蹤算法，使得系統(tǒng)全相參合成信噪比改善不低于8dB。

［1］ 魯耀兵，張履謙，周萌萌，等.分布式陣列相參合成雷達(dá)技術(shù)研究［J］.系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2013，35（8）：1657-1662.

［2］ 曹哲，柴振海，高紅衛(wèi)，等.分布式陣列相參合成雷達(dá)技術(shù)研究與試驗(yàn)［J］.現(xiàn)代防御技術(shù)，2012，40（4）：1-11.

［3］ 殷丕磊，楊小鵬，曾濤，等.分布式全相參雷達(dá)的相位差跟蹤技術(shù)［J］.信號(hào)處理，2013，29（3）：313-318.

［4］ 曾濤，殷丕磊，楊小鵬，等.分布式全相參雷達(dá)系統(tǒng)時(shí)間與相位同步方案研究［J］.雷達(dá)學(xué)報(bào)，2013，2（1）：105-110.