高頻地波雷達(dá)解距離解速度方法

高頻地波雷達(dá)接收回波中的主要參數(shù)包括船只目標(biāo)的方位、距離、徑向速度三個參數(shù)。對于一個目標(biāo)，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(shù)指標(biāo)，無論在確定目標(biāo)還是目標(biāo)跟蹤方面都有重要作用。因此如何提高三大參數(shù)的準(zhǔn)確度至關(guān)重要。

圖–1 船載HFSWR與目標(biāo)檢測

目標(biāo)三大參數(shù)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(biāo)距離和速度，得到頻域數(shù)據(jù)。再于空域?qū)?shù)據(jù)做相關(guān)處理，求解出目標(biāo)來波方向角。這就是求解目標(biāo)參數(shù)的過程。由于技術(shù)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(jié)將介紹船載地波雷達(dá)解距離、解速度的過程，并與岸基高頻地波雷達(dá)的處理方法做比較。

簡單來說，岸基HFSWR的回波信號的處理過程是將多個經(jīng)收發(fā)脈沖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(jìn)行去斜率處理，得到解調(diào)信號，然后對解調(diào)信號進(jìn)行傅里葉變換變換得到目標(biāo)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(diào)頻中斷連續(xù)波（Frequency Modulation Interrupt Continuous Wave，F(xiàn)MICW）信號是一種常用的雷達(dá)收發(fā)信號，這種信號的雷達(dá)不僅兼具調(diào)頻連續(xù)波（Frequency Modulation Continuous Wave，F(xiàn)MCW）脈沖壓縮雷達(dá)可以解決目標(biāo)距離分辨率與探測距離之間的矛盾的優(yōu)點，而且可以做到收發(fā)隔離，因此，實際一般采用FMICW信號，這里為了簡化推導(dǎo)過程，我們采用FMCW的形式進(jìn)行推導(dǎo)。

周期的岸基高HFSWR發(fā)射和接收信號形式如下：

表示矩形波函數(shù)，形式為：

設(shè)船只目標(biāo)為理想目標(biāo)，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(shù)，其中M為掃頻周期數(shù)，j表示復(fù)數(shù)運算符，表示目標(biāo)回波延遲，（單位s）；表示目標(biāo)相對于雷達(dá)的起始距離(單位m)；v表示目標(biāo)的徑向速度（以朝向雷達(dá)運動的方向為正）(單位m/s)；c表示光速(單位m/s)。發(fā)射信號波形如圖–3所示。

圖–3 FMCW信號示意圖

發(fā)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(fā)生延遲而帶來了一定的相位差，如圖2–4所示。對收發(fā)信號做差頻，即相位相減，可得解調(diào)信號表達(dá)式：

圖–4為發(fā)射與接收信號差頻信號示意圖，圖中，為發(fā)射信號中調(diào)頻信號的瞬時頻率，為接收信號中線性調(diào)頻信號的瞬時頻率， 為信號帶寬， 為收發(fā)信號的時間延遲，為調(diào)頻周期。發(fā)射信號和接受信號去斜之后的差頻頻率如圖–4所示。

圖2–4 FMCW發(fā)射與接收信號差頻信號示意圖

當(dāng)目標(biāo)徑向速度為零時，應(yīng)用歐拉公式對作變換，可以看出，實際上是一個復(fù)正弦信號。取的任一周期作傅氏變換，求的幅度譜最大點對應(yīng)的頻率，即得目標(biāo)的距離信息如下，

設(shè)為岸基HFSWR檢測的目標(biāo)距離,則：

上式表明，在每個調(diào)頻周期內(nèi)，解調(diào)信號頻率為

式中  

假設(shè)目標(biāo)勻速運動且最大非模糊徑向速度為，如果有下面條件成立，

式中表示相參積累時間（s）。選擇合理的參數(shù)B 和 ，使得

則有

從上式可以直觀地看到，信號在每個調(diào)頻周期內(nèi)均為同頻率的正弦波，而相鄰周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(diào)頻周期排成矩陣的形式，分別在行和列兩個方向做傅里葉變換，在每個調(diào)頻周期內(nèi)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峰值頻率，的形式如下：

目標(biāo)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峰值，再分別求得。