1 引言
分布式相参雷达最早由林肯实验室提出[1],即由若干机动式单元雷达和一个中心控制系统组成,这些单元雷达按照一定方式进行阵列布局,波束指向相同区域,并通过中心控制系统进行联合相参工作,等效形成一个大威力探测雷达[2]。基于地基分布式雷达,已有学者从多平台同步[3];正交波形设计[4];误差参数跟踪估计[5- 6];多节点联合目标参数估计[7];性能分析[8-10];雷达节点布局[11]以及分布式雷达抗干扰[12-13]等问题进行了分析。
若分布式雷达节点位于运动平台,则可大幅度增加分布式雷达的机动性及生存能力;并且可将分布式相参雷达算法应用于高空中多部同时飞行的平台上。然而由于运动平台物理条件的限制,无法采用同一个时钟发生器线馈的方式进行时间同步,其时间相位频率误差会更为剧烈,平台定位误差也将引入至模型中;并且平台自身运动带来的非均匀杂波[14]及正交波形多普勒敏感性也会对动平台分布式相参雷达的算法造成影响。
本论文对上述问题进行分析建模,后续内容安排如下:文章第2节介绍动平台分布式相参雷达的工作模式以及动平台分布式相参雷达系统所面临的问题;第3节介绍室内验证实验;第4节总结全文。
2 动平台分布式相参雷达建模及检测
2.1 动平台分布式相参雷达系统拓扑建模
对于L发K收的分布式接收相参雷达系统,则存在L×K发射-接收对。雷达观测场景可划分为由带宽和波束宽度决定的多个分辨单元,而检测问题即对于每个分辨单元进行处理从而发现感兴趣的运动目标。
由于雷达天线存在旁瓣及背瓣,故而根据距离环对回波场景进行建模,对于双基地雷达,距离环呈椭圆形式,如图1所示。
图1 双节点分布式雷达拓扑构型
Fig.1 Dual-node distributed radar topology configuration
假设Q个脉冲的回波仍保持相参性且相对拓扑关系的变化并没有引起相对速度发生明显的变化,将其构成一组CPI。设rlk为第l发射机发射第k接收机接收,并进行匹配滤波后的一个距离分辨单元下的一组CPI信号。
2.2 检测模型
分布式雷达目标检测作为分布式相参雷达信号处理第一步,该部分算法的准确与否将直接影响后续接收相参及发射相参的性能。
对于L发K收的分布式动平台MIMO雷达系统,检测问题可定义如下:
H0:rlk=clk+nlk,
H1:rlk=αlkdlk+clk+nlk,
l=1,2,…,L;k=1,2,…,K
(1)
上式中,clk为椭圆距离环内所有杂波散射点之和;nlk为高斯噪声;αlk代表目标回波幅值;
代表目标多普勒导向矢量,其中, fk,l为雷达平台和目标相对速度所产生的多普勒频移。
分布式雷达杂波依赖于探测区域和发射/接收对的相对位置关系,且运动平台下杂波实时变化。即杂波方差矩阵随距离分辨单元和时间的变化而不断改变。
基于[15]中所提出的最佳匹配滤波器的目标检测方法,对分布式动平台MIMO雷达系统的检测问题进行了初步的分析,经过推导,MIMO雷达的广义似然比检测规则如下所示
(2)
上式中,C代表杂波和噪声的协方差矩阵。由于雷达平台自身速度已知,仅需对目标速度νx和νy进行最大似然估计即可,即上式中的目标检测规则。
2.3 动平台分布式相参雷达系统所面临问题
2.3.1 时、空、频(相)同步
由于动平台分布式雷达系统中每部雷达节点具有独立的时频统,并且由于运动平台无法采用差分GPS技术进行精确的雷达定位,故而分布式雷达的时/空/频(相)误差是不容忽视的问题。
考虑N部雷达组成的分布式雷达系统,N部雷达拥有各自独立的时统、频统;这N部时、频统可通过同步技术进行同步,但实际系统中必然存在同步误差。在第m个PRT时,各节点位于Pn(m),n=1,…,N,m=0,1,…。
在雷达k中做数据处理时,是以雷达k内部时间为基准,之后雷达k将自认为的起始时间记录到数据帧头上进行数据传输,故而信号形式应以雷达k内部时间t′=t-Δτk(m)为基准,即下式
[t′-Δτlk(m)-τlk(Tq(m),m)]
exp(-j 2π(fc+Δfl(m))(Δτlk(m)+τlk(Tq(m),m))-
jΔθlk(m))exp(j 2πΔflk(m)t′)
(3)
上式即为经过节点l发射,位于Tq(m)=(xq(m),yq(m))处的点散射体反射,节点k接收的基带回波信号模型。其中t′为接收机时间,即满足t′=t-Δτk(m);Δτlk(m)=Δτl(m)-Δτk(m)为相对时间同步误差,且定位误差耦合,其中;Δflk(m)=Δfl(m)-Δfk(m)为相对频率同步误差;Δθlk(m)=Δθl(m)-Δθk(m)为相对相位同步误差。
由上式可知,时间同步误差与频率同步误差互相耦合对回波信号造成影响。分布式雷达系统进行相参合成时,每个雷达节点按照自身的相对时/空/频(相)将回波数据传输至中心控制系统。发射-接收对间的相对时间误差、相对相位误差、相对频率误差、定位误差以及发射雷达的频率误差都会对相参合成的结果造成影响。并且时/空同步误差与频率同步误差在多普勒相位上耦合,导致对同步要求很高。
其中信号带宽越高,时间同步以及平台定位容差越小,频率同步容差越大;信号带宽对相位容差几乎没有影响。
2.3.2 校正方法及缺陷
同步误差的校正方法可分为外部强点校正(外校准)以及节点间直达波信号校正(内校准)的方法。
①外校准:
外校准为将若干个强反射点(例如角反)放置于分布式雷达波束范围内,对分布式雷达链路中的误差进行校正。通过外校准后可有效校准和补偿各雷达节点发射通道、接收通道和天线阵元误差,获得系统的定标补偿因子,满足系统的目标探测、接收相参和目标参数跟踪估计的要求。
分布式雷达系统是由多路发射通道和接收通道组成,雷达节点定位误差对于回波时延的影响会随目标的方位角度变化,因此在校正时需要沿不同的方位角放置外标定源(如角反射器)。
定标后的剩余误差受天线相位中心的误差和方位上定标点放置的间隔的影响。
②内校准:
内校准为在雷达节点间设计直达波通路,采用雷达节点间的直达波信号进行误差校正。可用于消除系统内部的时、空、频(相)同步误差,由于对于误差参数的精确估计需要较高的信噪比,可先对直达波信号进行相参叠加,从而保证同步误差估计的准确性。
但采用直达波耦合校正无法校正每个雷达节点具有相同偏差时的情况,即可能发生分布式雷达阵面整体左移或右移的情况。对于SAR系统,阵面整体平移仅导致成像结果整体搬移,不影响后续对图像中目标的识别;但是对于分布式雷达系统,平台自身绝对定位不准会影响后续发射相参的实现。
3 室内验证实验
拟开发两套小雷达系统,搭载在两部无人车上,共同构成动平台分布式雷达演示验证系统。基于此系统对后续分布式相参算法进行演示验证,目前已经实现了单节点及双节点雷达探测性能的实验测试。
3.1 系统介绍
动平台分布式雷达系统由两个动平台雷达系统组成(即两雷达节点)。单部雷达系统组成如图2。
图2 单节点雷达系统组成
Fig.2 Single node radar system
表1 实验参数
Tab.1 Experimental parameters
参数参数值中心频率S工作带宽/MHz100脉宽/μs10波形正/负调频Chirp信号
信号处理机作为系统核心部件,经由SMA线缆与功放连接;经由PCIe板卡与电脑主机相连接;为了保证分布式雷达系统雷达节点间时/频(相)的同步性,GPS单向授时同步方法被采用,各同步模块利用接收到的GPS信号驯服本地恒温晶振,经由SMA线缆与时频同步模块的1 pps触发信号及10 MHz时钟相连接。
3.2 实验数据采集
3.2.1 单节点雷达系统
采用无线同步设备保证了分布式雷达节点的时频同步,将雷达系统和角反射器放置于室内走廊,角反射器中心正对发射/接收天线中心位置。并将角反射器放置于距雷达24 m处,雷达接收天线采集信号后下变频并经过AD数采器以备后续数据处理。为了对消目标回波中的环境杂波,对去除角反射器的背景环境进行回波数据记录。
图3 单节点雷达室内测试场景
Fig.3 Single node radar indoor test scene
3.2.2 双节点雷达系统
双节点分布式雷达系统,即两部上一小节中的单节点雷达系统。实验场景如图4所示。
图4 双节点雷达室内测试场景
Fig.4 Double node radar indoor test scene
由于接收卫星个数会对同步性能造成影响,将同步模块GPS天线置于实验楼楼顶,并将GPS天线接收到的信号经由等长度导线传输至楼内分布式雷达系统处,楼顶处信号遮挡角度低于45度,可保证良好的同步性能。
3.3 实验数据处理结果与分析
3.3.1 单节点雷达系统
采用杂波图对消和脉冲压缩的方法对回波数据进行处理。由于测试环境复杂,多径、后方墙体反射等现象都会对测试结果造成影响,故而需在回波脉压前对杂波环境进行对消。
图5给出角反射器位于距雷达24 m处,采用上述数据处理方法时目标的一维距离像。
图5 角反射器放置于24 m处,目标一维距离像
Fig.5 One-dimensional range image of target when corner reflector is placed at 24 m
由上图可知,可在23 m处观察到明显的目标峰值,在45 m处观察到的峰值为走廊最后方的窗户,由于角反射器遮挡了后方窗户接收到的电磁波,从而在回波信号取绝对值后出现了对应窗户位置的回波峰值,而其他略低的峰值可能为杂波未完全消除的部分。实验结果表明单节点雷达工作情况良好。
3.3.2 双节点雷达系统
分布式双节点雷达系统节点间采用波形正交的方式进行工作,雷达节点1发射正调频Chirp信号,雷达节点2发射负调频Chirp信号。
对于位于24 m处的目标,实验结果如图6所示。
图6 目标位于24 m处的一维距离像
Fig.6 One-dimensional range image of target when target is placed at 24 m
4 结论
分布式相参雷达系统可显著改善单部雷达节点性能,而运动平台极大的扩充了分布式雷达系统的适用范围。因此,动平台分布式雷达系统问题分析及建模有益于在更大的适用场景下提升雷达的探测性能。本文从非均匀杂波背景检测以及时/空/频(相)同步等角度对动平台场景进行了分析。最后搭建了分布式相参雷达系统并对单/双节点雷达性能进行了测试验证。
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