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PRC-CW雷達(dá)地雜波相關(guān)特性分析

作者： 時(shí)間：2011-04-18 來(lái)源：網(wǎng)絡(luò) 收藏

本文分析了在低俯視角情形時(shí)地雜波要引起雷達(dá)回波信號(hào)展寬的事實(shí)，對(duì)于偽碼調(diào)相連續(xù)波雷達(dá)來(lái)講，某一時(shí)刻的回波信號(hào)將是此前一段時(shí)間內(nèi)展寬的回波在此時(shí)刻的迭加，提出了計(jì)算偽碼調(diào)相連續(xù)波雷達(dá)回波信號(hào)的迭加方法，在以往對(duì)地雜波特性研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，同時(shí)考慮不同分辨單元間在空間和時(shí)間上的相關(guān)性質(zhì)，研究該體制雷達(dá)地雜波回波信號(hào)的時(shí)間相關(guān)特性，并進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬，結(jié)果表明，與脈沖雷達(dá)相比，其地雜波的時(shí)間相關(guān)性將增強(qiáng).
　　關(guān)鍵詞:偽碼調(diào)相連續(xù)波雷達(dá)；地雜波；相關(guān)特性

Correlation Characteristics Analysis of Land Clutter for PRC-CW Radar

CAO Zhi-guo　ZHANG Zhi-yong
(Institute for Pattern Recognition and AI,HUST,Wuhan 430074,China)
ZHANG Tian-xu
(State Key Lab.for Image Processing and Intelligent Control,Wuhan 430074,China)
YUAN Ting　WANG Ke-yu
(Shanghai Electronic Communication Equipment Institute,Shanghai 200081,China)

　　Abstract:It is pointed out that the land clutter,when the radar grazing angle is low,will cause the time spread of radar echo signal,For the pseudo-random code continuous wave (PRC-CW) radar,the echo signal at a specified moment will be the superposition of some spread echo signals in a period of time before this specified moment.A superposition algorithm was proposed to calculated the PRC-CW radar signal.Based on the former results on the characteristics of land clutter,and considering temporal and spatial correlation characteristics between defferent resolution cells,the temporal correlation characteristics of the echo signal of land clutter for the PRC-CW radar are investigated with simulation method.The results indicate that the echo signal of land clutter for PRC-CW radar is more correlated than that for pulse radar.
　　Key words:PRC-CW radar;land clutter;correlation characteristics

一、引　　言
　　隨著現(xiàn)代微波固態(tài)器件的發(fā)展，使得具有較低截獲概率、在雜波環(huán)境下具有良好的檢測(cè)能力和有利于反隱身的偽碼調(diào)相連續(xù)波(PRC-CW)雷達(dá)，在目標(biāo)檢測(cè)、跟蹤、制導(dǎo)等方面的實(shí)際應(yīng)用成為可能［1］.但PRC-CW雷達(dá)發(fā)射的是一種連續(xù)波形，因此，在遠(yuǎn)距離，低俯視角情況下，雷達(dá)波照射到地物表面上時(shí)，碼元回波要產(chǎn)生重疊，其地雜波特性與脈沖雷達(dá)體制下的將有所不同.雖然，文獻(xiàn)［2］在研究脈沖雷達(dá)對(duì)于粗糙表面的電磁波散射特性時(shí)，應(yīng)用回波疊加的模型來(lái)研究地雜波的概率密度分布特性，但是，它的前提是認(rèn)為各疊加矢量之間是相互獨(dú)立的，這與PRC-CW雷達(dá)的工作情形不一樣，因?yàn)镻RC-CW雷達(dá)各碼元回波之間顯然是有一定的相關(guān)性的，所以，不能夠直接應(yīng)用脈沖雷達(dá)體制下地雜波特性的研究結(jié)果.為了在設(shè)計(jì)和使用PRC-CW雷達(dá)時(shí)，最大限度地發(fā)揮其作戰(zhàn)效能，必須針對(duì)其特殊性來(lái)研究目標(biāo)特性和環(huán)境特性，但是，這方面的研究與測(cè)試結(jié)果在國(guó)內(nèi)外卻尚未見(jiàn)公開(kāi)報(bào)道，因此，本文通過(guò)理論建模和計(jì)算機(jī)模擬的方法，來(lái)研究PRC-CW雷達(dá)的地雜波相關(guān)特性.

二、地雜波信號(hào)模型及其模擬
　　圖1中R為探測(cè)距離，θφ為天線(xiàn)垂直波束寬度，φ為波束俯角，τ0為波束前沿與后沿的時(shí)差，若τe=(2Rθφctgφ)/c為一個(gè)碼元回波的時(shí)間長(zhǎng)度，則當(dāng)τe＞τ0時(shí)，碼元回波展寬，回波信號(hào)的碼元之間會(huì)產(chǎn)生重疊，迭加的個(gè)數(shù)為Q，Q=［τe/τ0］,“［.］”表示上取整，即某一時(shí)刻的回波信號(hào)將是此前一段時(shí)間內(nèi)Q個(gè)展寬的回波在此時(shí)刻的迭加.這樣，可以把整個(gè)雷達(dá)波束分成Q個(gè)子波束，見(jiàn)圖2，每個(gè)子波束對(duì)地面的距離與俯視角分別為Rq和φq.θq為第q個(gè)子波束回波信號(hào)的相位，它在(0，2π)間服從均勻分布.Aq是第q個(gè)子波束回波信號(hào)的幅度，則實(shí)際雷達(dá)接收到的每個(gè)碼元信號(hào)復(fù)振幅是Q個(gè)碼元回波信號(hào)空間矢量迭加的結(jié)果：

PRC-CW雷達(dá)地雜波相關(guān)特性分析　(1)

式中，Vg(t)為實(shí)際接收的碼元信號(hào)復(fù)包絡(luò)，X(t)、Y(t)分別為Vg(t)的同相分量和正交分量，rq為權(quán)因子，根據(jù)圖2所示的雷達(dá)波束幾何模型，得：

rq=(R0/Rq)3/2cos1/2φ0/cos1/2φq　(2)

式中，R0和φ0為第一個(gè)子波束對(duì)地面的距離和俯視角.

　　　　　　　PRC-CW雷達(dá)地雜波相關(guān)特性分析　　　　　　　　　　　PRC-CW雷達(dá)地雜波相關(guān)特性分析

圖1　雷達(dá)波束示意圖

圖2　PRC-CW雷達(dá)波束示意圖

  • 　　若只考慮地雜波雷達(dá)散射截面的影響，則Aq=(2σ)1/2,σ為地面分布雜波的雷達(dá)散射截面.
    　　從圖2還可看出，各子波束的回波幅度分別是各分辨單元的后向散射幅度，從空間上看代表了相鄰各分辨單元的散射截面的大小，即地雜波的空間分布特性，在一般地物情況下，測(cè)試研究表明［3］，地雜波散射系數(shù)空間分布的概率密度函數(shù)為Weibull分布函數(shù)，且其相關(guān)性包含了快起伏和慢起伏雙尺度的變化，因此，地雜波的歸一化空間相關(guān)函數(shù)為：

    R(d)=asexp(-d2/b2)+(1-as)exp(-d/c)　(3)

    　　其中，as(0PRC-CW雷達(dá)地雜波相關(guān)特性分析asPRC-CW雷達(dá)地雜波相關(guān)特性分析1)為快起伏分量在總能量中所占的比例，b、c分別是快、慢起伏分量的去相關(guān)距離.這些參數(shù)的取值依不同的地物、工作頻率和天線(xiàn)極化方式而不同.
    　　從時(shí)間特性角度考慮，Aq與具有相似分辨單元尺寸的常規(guī)脈沖雷達(dá)體制下的雜波回波幅度具有相同的時(shí)間起伏特性.根據(jù)以往的測(cè)試研究，在X波段且對(duì)于適中的分辨單元尺寸，概率密度分布滿(mǎn)足瑞利分布.一般地物的相關(guān)函數(shù)特性則也是包含了快起伏和慢起伏兩種尺度的變化，其歸一化時(shí)間相關(guān)函數(shù)為：

    R(τ)=atexp(-α2τ2)+(1-at)exp(-βτ)　(4)

    其中，at(0PRC-CW雷達(dá)地雜波相關(guān)特性分析atPRC-CW雷達(dá)地雜波相關(guān)特性分析1)為快起伏分量在總能量中所占的比例，α、β分別是快、慢起伏分量的去相關(guān)時(shí)間.
    　　因此，模擬PRC-CW雷達(dá)的地雜波回波信號(hào)的步驟為：
    　　(1)產(chǎn)生一組長(zhǎng)度為Q的隨機(jī)序列［4］，它的概率密度分布滿(mǎn)足Weibull分布，而相關(guān)性滿(mǎn)足式(3)；
    　　(2)以上一步產(chǎn)生的Q個(gè)數(shù)據(jù)，作為各子波束回波幅度時(shí)間序列的均值mq,從而模擬產(chǎn)生Q組具有式(4)相關(guān)特性的相干高斯隨機(jī)序列，作為各子波束的回波復(fù)振幅時(shí)間序列；
    　　(3)根據(jù)式(1)進(jìn)行迭加，從而得到Vg(t).
    　　但是，這樣產(chǎn)生的地雜波回波信號(hào)盡管考慮到了不同子波束間的空間相關(guān)性和同一子波束的時(shí)間相關(guān)性，但不同子波束間的時(shí)間相關(guān)性卻被認(rèn)為是互不相關(guān)的，這與實(shí)際情況有差異，只是時(shí)間特性上的一種極端情況.那么，另一種極端情況就是完全相關(guān)，而實(shí)際情況應(yīng)介于這兩種情況之間.所以，也要考慮完全相關(guān)情況下地雜波回波信號(hào)，產(chǎn)生步驟是：
    　　(1)產(chǎn)生一個(gè)子波束的回波復(fù)振幅時(shí)間序列，它的實(shí)部和虛部是相互獨(dú)立的、但各自滿(mǎn)足式(4)相關(guān)特性的相干高斯隨機(jī)序列；
    　　(2)在上一步產(chǎn)生的時(shí)間序列的基礎(chǔ)上，考慮距離衰減，利用式(2)，即可得到Q個(gè)子波束的時(shí)間序列；
    　　(3)根據(jù)式(1)進(jìn)行迭加，從而得到Vg(t).

    三、地雜波的時(shí)間起伏頻譜特性
    　　Vg(t)的相關(guān)函數(shù)為：

    RV(τ)=RXX(τ)+RYY(τ)+j［RYX(τ)-RXY(τ)］　(5)

    假定Vg(t)可看成是一廣義平穩(wěn)窄帶過(guò)程，且回波信號(hào)的功率譜是一對(duì)稱(chēng)譜，則有：RXX(τ)=RYY(τ),RYX(τ)=RXY(τ)=0.所以，RV(τ)=2RXX(τ)，歸一化得到相關(guān)系數(shù)為：rV(τ)=RXX(τ)/RXX(0).對(duì)于PRC-CW雷達(dá)，發(fā)生碼元迭加時(shí)其相關(guān)函數(shù)特性，分以下兩種情況進(jìn)行討論.
    　　1.不同波束在時(shí)間特性上是相互獨(dú)立的
    　　假定xi、yi、zi、…，(i=0,1,2,…,N-1)分別代表不同波束的回波信號(hào)，i代表時(shí)間序列中的序號(hào)，并且，xi、yi、zi，…，是獨(dú)立同分布的高斯N(0，σ2)隨機(jī)變量，有：

    E［x2i］=E［y2i］=E［z2i］=…=R(0);
    E［xixi+τ］=E［yiyi+τ］=E［zizi+τ］=…=R(τ);
    =E［xizi］=E［yizi］=E［xiyi+τ］=E［xizi+τ］
    =E［yizi+τ］=…=0

    不失一般性，只考慮三個(gè)碼元迭加后的情況，即：Ai=xi+yi+zi,(i=0,1,…,N-


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