毕 波，张永杰，李 民2，朱淮城

(1.北京遥感设备研究所 毫米波系统技术研究重点实验室，北京 100039；2.哈尔滨工业大学，哈尔滨 150001)

1 引 言

雷达系统采用距离高分辨信号具有很多优点，如提高跟踪精度、分辨目标要害部位等。频率步进信号是一种重要的距离高分辨率雷达信号，它由一组载频线性跳变的脉冲信号组成，具有大时宽带宽的特性，且瞬时带宽较窄，是一种实用和易于工程实现的雷达信号，因此近年来受到了广泛的关注。文献[1-3]对步进频信号距离高分辨的原理进行了分析。由于频率步进信号是利用各频点回波信号的相位信息得到高距离分辨率，因此频率步进信号对相位变化非常敏感，信号相位的变化会造成距离分辨率下降、信噪比损失和距离像畸变的现象。

一般频段雷达的器件技术工艺成熟，硬件上可以保证各频点间信号的相参性，因此很少出现由于频率源各频点信号不相参引起的分辨率下降。本文所述雷达工作在W频段(波长为3 mm)，采用步进频信号合成宽带获得高距离分辨率，在系统调试过程中出现了距离像畸变的情况。由于W频段雷达频率高，在频率源的设计上也与其它频段有所不同，且缺乏相应的仪器设备，因而要确保各频点的相参性，硬件调试难度大，周期长，随机性强。针对这种情况，本文根据步进频信号距离高分辨的原理提出一种在信号处理中对各相位频点进行补偿的方法，并进行了仿真和试验验证。

2 信号处理无法正常成像的原因分析

2.1 系统组成及出现的问题

雷达系统框图如图1所示，该雷达为W频段主动雷达，在近距离步进频体制下，采用正负跳频的方式，即前一帧为上跳频，后一帧为下跳频，一帧的跳频点数为64点。经本振混频后的中频信号为60 MHz，采用中频采样并进行后续信号处理。

图1 W频段雷达系统框图

在雷达室内试验中，发现对单一静止点目标成像出现主瓣展宽、距离像畸变现象，图2为上位机观测的成像图。图3为针对相位差Δφk的不同情况进行仿真的结果。

图2 畸变距离像

(a)Δφk为固定值

(b)Δφk∈(-π/3,π/3)的随机值

(c)Δφk∈(-π/2,π/2)的随机值

2.2 原因分析

分析原因，定位于激励源和本振部分的滤波器由于中心频点不一样，从而导致相同频点的相位特性不一致，而这种不一致经过后面的倍频放大后更加恶化，造成频率源发射部分和本振部分在不同跳频点上的相位差Δφk不一致，造成回波的相位不相参，以至于信号产生幅度下降和展宽。

下面针对Δφk=φtk-φsk的不同情况进行仿真，仿真均采用256点，加汉明窗，采用的信号参数为跳频点数64点、频率间隔8 MHz。仿真分为Δφk为固定值，Δφk∈(-π/3,π/3)的随机值，Δφk∈(-π/2,π/2)的随机值，Δφk∈(-π,π)的随机值4种情况。仿真结果如图3所示。可以看出，Δφk的影响导致距离分辨率下降、信噪比损失和距离像畸变等问题。

3 补偿方法

由于雷达工作在W频段，工作载频高，难以保证相位变化的一致性。在频率源高频部分进行相位一致性的调试难度大、周期长。通过在示波器上观测中频信号发现，各频点的相位是固定的，所以可以采用在信号处理机中对各频点的回波相位进行补偿的方法，从而降低硬件设计和调试的难度。

同时我们注意到，真实的Δφk在个别频点可能存在超过一个周期而出现相位模糊的情况，即Δφk>2π，而计算相位差时，我们得到的结果都是在2π之内的。如图4所示，如果相位差超过2π时，在补偿时是不能被忽略的，否则同样不能得到正确的距离像。根据频率源器件的特性，可以推断出其相位差变化的曲线应该是平滑的，所以如果有跳变点，就要根据曲线对其进行分析加上2π或减去2π。

(a)对相位模糊周期进行补偿

(b)不对相位模糊周期进行补偿

3.1 补偿的具体步骤

补偿的具体步骤如下：

(1)对采样的I、Q两路信号数据求模，确定最大值点的采样点，即信噪比最强的采样点；

(2)再用此采样单元数据，利用公式ψk=tg-1(Q/I)及I、Q的符号，得出回波各频点相位值；

(5)各频点的回波在做IFFT之前先乘以exp(-jμk)，然后再进行相应的信号处理。

3.2 实测的补偿值

实测补偿值如图5所示。

(a)上跳频补偿值

(b)下跳频补偿值

3.3 补偿方法存在的问题

这种补偿方法的一个问题是会造成距离测量的系统误差，但这个可以通过系统调试标校掉，对系统的性能没有影响。

4 补偿方法的仿真和试验验证

4.1 Matlab仿真

对信号处理机中采到的原始数据进行仿真，结果如图6所示，(a)和(b)分别为没采用补偿算法和采用补偿算法的。

(a)补偿前距离像

(b)补偿后距离像

4.2 试验验证

在DSP的算法中补偿后，从上位机观测，如图7所示，其结果和仿真结果基本一致。

图7 补偿后成像结果

5 结束语

频率步进雷达信号是高分辨率雷达信号的一种重要形式，但对各频点间的相位变化十分敏感。随着信号载频频率的提高使得频率源各跳频点间的相参性调试难度大、周期长。本文提出在信号处理机上进行相位补偿的方法，经过仿真和试验验证证实了其可行性和正确性。该方法可以在保证雷达系统性能的同时，有效降低硬件设计调试的难度，缩短调试周期。

参考文献：

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MAO Er-ke, LONG Teng, HAN Qiu-yue. Digital signal processing of stepped frequency radar[J].Acta Aeronautica Et Astronautica Sinica，2001，22(6)：16-25.(in Chinese)

[2] 龙腾，李眈，吴琼之.频率步进雷达参数设计与目标抽取算法[J].系统工程与电子技术，2001,23(6):26-31.

LONG Teng, LI Dan, WU Qiong-zhi. Design methods for step frequency waveform and the target pick-up algorithm[J]. Systems Engineering and Electronics,2001,23(6):26-31.(in Chinese)

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[4] 苏宏艳，朱淮城.毫米波宽带雷达相位误差校正方法研究[J].系统工程与电子技术，2008，30(2) :253-256.

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