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PRC-CW雷達地雜波相關(guān)特性分析

作者： 時間：2011-04-18 來源：網(wǎng)絡(luò) 收藏

本文分析了在低俯視角情形時地雜波要引起雷達回波信號展寬的事實，對于偽碼調(diào)相連續(xù)波雷達來講，某一時刻的回波信號將是此前一段時間內(nèi)展寬的回波在此時刻的迭加，提出了計算偽碼調(diào)相連續(xù)波雷達回波信號的迭加方法，在以往對地雜波特性研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，同時考慮不同分辨單元間在空間和時間上的相關(guān)性質(zhì)，研究該體制雷達地雜波回波信號的時間相關(guān)特性，并進行了計算機模擬，結(jié)果表明，與脈沖雷達相比，其地雜波的時間相關(guān)性將增強.
　　關(guān)鍵詞:偽碼調(diào)相連續(xù)波雷達；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能力和有利于反隱身的偽碼調(diào)相連續(xù)波(PRC-CW)雷達，在目標檢測、跟蹤、制導(dǎo)等方面的實際應(yīng)用成為可能［1］.但PRC-CW雷達發(fā)射的是一種連續(xù)波形，因此，在遠距離，低俯視角情況下，雷達波照射到地物表面上時，碼元回波要產(chǎn)生重疊，其地雜波特性與脈沖雷達體制下的將有所不同.雖然，文獻［2］在研究脈沖雷達對于粗糙表面的電磁波散射特性時，應(yīng)用回波疊加的模型來研究地雜波的概率密度分布特性，但是，它的前提是認為各疊加矢量之間是相互獨立的，這與PRC-CW雷達的工作情形不一樣，因為PRC-CW雷達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)用脈沖雷達體制下地雜波特性的研究結(jié)果.為了在設(shè)計和使用PRC-CW雷達時，最大限度地發(fā)揮其作戰(zhàn)效能，必須針對其特殊性來研究目標特性和環(huán)境特性，但是，這方面的研究與測試結(jié)果在國內(nèi)外卻尚未見公開報道，因此，本文通過理論建模和計算機模擬的方法，來研究PRC-CW雷達的地雜波相關(guān)特性.

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

PRC-CW雷達地雜波相關(guān)特性分析　(1)

式中，Vg(t)為實際接收的碼元信號復(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為第一個子波束對地面的距離和俯視角.

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

圖1　雷達波束示意圖

圖2　PRC-CW雷達波束示意圖

　　若只考慮地雜波雷達散射截面的影響，則Aq=(2σ)1/2,σ為地面分布雜波的雷達散射截面.
　　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雷達地雜波相關(guān)特性分析asPRC-CW雷達地雜波相關(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、工作頻率和天線極化方式而不同.
　　從時間特性角度考慮，Aq與具有相似分辨單元尺寸的常規(guī)脈沖雷達體制下的雜波回波幅度具有相同的時間起伏特性.根據(jù)以往的測試研究，在X波段且對于適中的分辨單元尺寸，概率密度分布滿足瑞利分布.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，其歸一化時間相關(guān)函數(shù)為：
R(τ)=atexp(-α2τ2)+(1-at)exp(-βτ)　(4)
其中，at(0PRC-CW雷達地雜波相關(guān)特性分析atPRC-CW雷達地雜波相關(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)時間.
　　因此，模擬PRC-CW雷達的地雜波回波信號的步驟為：
　　(1)產(chǎn)生一組長度為Q的隨機序列［4］，它的概率密度分布滿足Weibull分布，而相關(guān)性滿足式(3)；
　　(2)以上一步產(chǎn)生的Q個數(shù)據(jù)，作為各子波束回波幅度時間序列的均值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序列，作為各子波束的回波復(fù)振幅時間序列；
　　(3)根據(jù)式(1)進行迭加，從而得到Vg(t).
　　但是，這樣產(chǎn)生的地雜波回波信號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間相關(guān)性，但不同子波束間的時間相關(guān)性卻被認為是互不相關(guān)的，這與實際情況有差異，只是時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，產(chǎn)生步驟是：
　　(1)產(chǎn)生一個子波束的回波復(fù)振幅時間序列，它的實部和虛部是相互獨立的、但各自滿足式(4)相關(guān)特性的相干高斯隨機序列；
　　(2)在上一步產(chǎn)生的時間序列的基礎(chǔ)上，考慮距離衰減，利用式(2)，即可得到Q個子波束的時間序列；
　　(3)根據(jù)式(1)進行迭加，從而得到Vg(t).
三、地雜波的時間起伏頻譜特性
　　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)窄帶過程，且回波信號的功率譜是一對稱譜，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).對于PRC-CW雷達，發(fā)生碼元迭加時其相關(guān)函數(shù)特性，分以下兩種情況進行討論.
　　1.不同波束在時間特性上是相互獨立的
　　假定xi、yi、zi、…，(i=0,1,2,…,N-1)分別代表不同波束的回波信號，i代表時間序列中的序號，并且，xi、yi、zi，…，是獨立同分布的高斯N(0，σ2)隨機變量，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，只考慮三個碼元迭加后的情況，即：Ai=xi+yi+zi,(i=0,1,…,N- 
				
            

                
			
							

                
			            

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