第３４卷第２期　２０１４年６月　雷达与对抗　ＲＡＤＡＲ＆ＥＣＭ　Ｖｏ１．３４　Ｎｏ．２　Ｊｕｎ．２０１４　

高速目标距离、多普勒走动及其补偿方法　

刘育才　，马晓静　

（１．中国电子科技集团公司第三十八研究所，合肥２３００８８；２．解放军电子工程学院，合肥２３００３１）　

摘要：ｌ临近空间飞行器的出现对现役雷达系统提出了严峻挑战，其高超声速特点导致的跨距　

离单元、跨多普勒单元现象使雷达系统常用的相参积累处理失效，必须通过对目标回波信号进　行速度、加速度补偿才能实现有效的积累。本文首先分析了临近空间目标的运动特性，及其导　致距离、多普勒走动的原因，然后提出了通过Ｋｅｙｓｔｏｎｅ变换以及加速度补偿处理的方法，并对　

工程实现中面临的问题进行了分析，最后通过仿真验证了算法的可行性。　

关键词：临近空间目标；距离、多普勒走动；Ｋｅｙｓｔｏｎｅ变换；加速度补偿　中图分类号：ＴＮ９５９．６　文献标志码：Ａ　文章编号：１００９一ｏ４０ｌ（２０１４）０２—０００４—０３　

Ｒａｎｇｅ／Ｄｏｐｐｌｅｒ　ｍｉｇｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｆｏｒ　

ｈｙｐｅｒｓｏｎｉｃ　ｔａｒｇｅｔｓ　

ＬＩＵ　Ｙｕ—ｃａｉ　，ＭＡ　Ｘｉａｏ—ｊｉｎｇ　

（１．Ｎｏ　３８　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　ＣＥＴＣ，Ｈｅｆｅｉ　２３００８８；　２．Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｈｅｆｅｉ　２３００３　１）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ａｄｖｅｎｔ　ｏｆ　ｎｅａｒ　ｓｐａｃｅ　ａｉｒｃｒａｆｔ　ｂｒｉｎｇｓ　ｃｈａｌｌｅｎｇｅｓ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｒａｄａｒ　ｓｙｓｔｅｍｓ　ｉｎ　ｓｅｒｖｉｃｅ．Ｔｈｅ　ｈｙｐｅｒｓｏｎｉｃ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｎｅａｒ　ｓｐａｃｅ　ｔａｒｇｅｔｓ　ｒｅｓｕｌｔ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐｈｅｎｏｍｅｎａ　ｏｆ　ｒａｎｇｅ／Ｄｏｐｐｌｅｒ　ｃｅｌｌ　ｍｉｇｒａ—　

ｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈ　ｍａｋｅ　ｔｈｅ　ｃｏｈｅｒｅｎｔ　ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ａｂｎｏｒｍａ１．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｉｔ　ｉｓ　ｎｅｃｅｓｓａｒｙ　ｔｈａｔ　ｖｅ—　ｌｏｃｉｔｙ　ａｎｄ　ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｓｈｏｕｌｄ　ｂｅ　ｍａｄｅ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｅｃｈｏ　ｓｉｇｎａｌｓ　ｔｏ　ｒｅａｌｉｚｅ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ａｃｃｕｍｕ—　

ｌａｔｉｏｎ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅ　ｍｏｔｉｏｎ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｎｅａｒ　ｓｐａｃｅ　ｔａｒｇｅｔｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｒｅａｓｏｎｓ　ｔｈａｔ　ｌｅａｄ　ｔｏ　ｒａｎｇｅ／　Ｄｏｐｐｌｅｒ　ｍｉｇｒａｔｉｏｎ　ａｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｓｅｃｏｎｄｌｙ，ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｆａｃｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ａｒｅ　

ａｌｓｏ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　Ｋｅｙｓｔｏｎｅ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ　ａｌｇｏ－　ｒｉｔｈｍ　ｉｓ　ｖｅｒｉｆｉｅｄ　ｔｏ　ｂｅ　ｆｅａｓｉｂｌｅ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．　

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｎｅａｒ　ｓｐａｃｅ　ｔａｒｇｅｔ；ｒａｎｇｅ／Ｄｏｐｐｌｅｒ　ｍｉｇｒａｔｉｏｎ；Ｋｅｙｓｔｏｎｅ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍ；ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ　ｃｏｍｐｅｎ—　

ｓａｔｊｏｎ　

０　引　言　

临近空间高超声速目标能够在稀薄大气层作持续　

的高超声速飞行，具有飞行速度快、机动性强、投送能　力远、突防能力强等特点，能够完成高空侦察、临空轰　

炸、远程快速精确打击重要目标等任务。其中，高超声　速巡航导弹（速度３．５（７　Ｍａ）、高超声速飞机（速度４　

（１０　Ｍａ）、高超声速空天飞行器（速度８（２０　Ｍａ）等为　临近空间高超声速目标的典型代表，未来战争也会被　首当使用。　临近空间目标的高速高机动特性使雷达对其进行　探测时产生困难，主要表现在其高速高机动特点引发　

的在雷达积累时间内跨距离单元、多普勒单元现象，使　雷达回波难以有效积累。　

１　跨距离单元及其解决方法　

在波束驻留时间内，常规目标飞行速度较慢，可以　认为目标在积累时问内不会跨越距离单元，此时常规　

积累都是针对同一个距离单元内的回波进行的；而临　

收稿日期：２０１４－０３—１９　作者简介：刘育才（１９８２一），男，工程师，硕士，研究方向：雷达总体技术；马晓静（１９８３一），女，教员，研究方向：雷达系统与雷达对抗。　

——　——

　刘育才等　高速目标距离、多普勒走动及其补偿方法　

近空间高超声速目标由于速度快，在积累时间内有可　能跨距离单元，即不同周期的脉冲回波包络位置不同。　

如果基于同一个距离单元作相参积累，就会导致目标　的能量泄露而造成积累损失，所以要解决相参积累时　

的目标跨距离单元问题，即距离补偿，就是将不同周期　的脉冲回波的包络进行对齐。　

雷达成像中的Ｋｅｙｓｔｏｎｅ变换法无需目标速度信息　

即可校正目标的线性距离走动，在校正目标走动的同　时保持回波信号的相位关系，从而通过相参积累提高　

检测信噪比。Ｋｅｙｓｔｏｎｅ变换原理如下：　雷达接收的基带回波信号可以表示成二维形式：　４　，　ｓ　（；，￡　）＝Ａｐ（；，￡　）ｅｘｐ［一Ｊ　Ｒ（￡　）］　（１）　

式中，Ｚ＝ｔ—ｍＴｒ为快时问域，ｔ　＝ｍＴｒ为慢时间域，Ａ　和Ｒ（ｔ　）分别为目标信号的幅度和ｔ　时刻的距离，Ｐ　

（．）为归一化的回波包络，　为载波频率。　

将ｓ　（　，ｔ　）从快时间域变换到基带频域：　Ａ—　Ｓｒ（厂，ｔ　）＝Ｐ∽Ａｅｘｐ［一　（　＋　Ｒ（　）］　（２）　０　式中Ｐ（．厂）为Ｐ（；）的傅里叶变换。　如果目标在ｔ　时刻近似以恒速飞行，即Ｒ（ｔ　）＝　

＋ｖｔ　，　为目标的径向速度，则匹配滤波后的信号为　

Ｓｒ（ｆ，　）＝Ｉ　Ｐ（ｊ０　ｌ　ｅｘｐ（一　４　＂ｆ。）　

（一　ｖｔｍｅｘｐ　ｖｔ）ｅｘｐ（一　ｔ　）（３）　Ｌ—Ｊ■了。　Ｌ—Ｊ－＿＝＿＝，　Ｌｊ　Ｃ　Ｃ　式中　

＝Ａｅｘｐ（一　Ｒｏ）　

式（３）第１个指数项表示目标在０时刻的位置，　第２个指数项为多普勒效应引起的载波相位变化，第　

３个指数项即对应回波包络平移。平移使得目标能量　分散到多个距离单元，最终导致相参积累增益下降，严　

重时甚至无法完成检测。　Ｋｅｙｓｔｏｎｅ变换是对频域信号．ｓ，（　，ｔ　）的ｔ　轴作尺　

度变换，令　

．　而　

变换后的回波信号为　

Ｓｒ　）＝Ｉ　Ｐ（ｆ）Ｉ　２￣ｔｅｘｐ（－．『铷）ｅｘｐ（一　）　

＝ＩＰ（ｆ）１　ｘｐ（一　）ｅｘｐ（一ｊ２＂ｆｆａｃｚ　）（４）　

式中　＝　为与载频　相对应的各目标的多普勒。　观察式（４），变换后频谱对应的目标回波包络“凝结”　在ｔ　：０时的距离，而相位则按各自的多普勒变化，因　

此目标的走动得以校正。　当目标运动速度过快或雷达脉冲重复频率较低　

时，回波信号会发生多普勒模糊，需要对变换后的结果　

进行修正，定义多普勒模糊数为ｋ，则有　

ｆ　Ｊｓ，（／，ｒ　）修正＝ｅｘｐ（一Ｊ　＂ｆｋｍ　ｓ，（，，　）（５）　ｃ　ＴＪ　为此，在进行Ｋｅｙｓｔｏｎｅ变换时需要知道目标的模　糊数。在多目标情况下，当多目标存在速度模糊且各　目标的模糊数不等时，需要在变换后根据各目标的模　

糊数分别进行修正。例如，在　次模糊因子修正下，回　波信号中只有模糊数为　的目标得到正确修正，包络　

被拉至同一个距离单元，相参积累后得到积累峰值，而　其他目标及噪声因模糊因子不匹配，无法有效积累。　

此时，可采用最大模糊数遍历搜索法，对每一个可能的　模糊数进行分别修正，保留每个检测单元在各次修正　

后积累的最大谱值，并记录相应的模糊数。目标信号　在正确模糊因子的修正下将得到积累峰值而被保留下　

来，而噪声由于随机性在补偿中不会得到有效积累。　

２跨多普勒单元及其解决方法　

由于运动速度有限，对于常规目标而言可以认为　

是匀速的，回波的多普勒频率为常数，因此对各个回波　

脉冲作快速傅里叶变换就可以进行多普勒补偿。当多　普勒通道的频率和回波的多普勒频率一样，相位旋转　因子将各个回波的相位调整到同相进行相加，实现相　

参积累。但是，对临近空间高超声速目标而言，目标可　

能有机动和加速度，即使是匀速目标也会因为与雷达　视线的夹角发生变化而造成目标跨多普勒单元。此　时，目标的回波变为非平稳信号（线性调频信号或更　

复杂的时间高阶多项式信号），基于单频率分量的傅　里叶变换已不能将各个回波脉冲调整到同相。因此，　

探测临近空间高超声速目标的相参积累需要研究目标　跨多普勒单元时的多普勒补偿。　

Ｋｅｙｓｔｏｎｅ变换只能校正由于匀速运动引起的距离　走动项，当目标存在加速度时，脉冲间的相参积累还必　须考虑加速度引起的回波二次相位项，否则，进行相参　

积累时会使信号的频谱展宽，积累增益下降。　如果已知目标加速度ｎ，则可将Ｋｅｙｓｔｏｎｅ变换结　果与ｅｘｐ（　叮ｒ口　ｍ２／Ａ）相乘实现对加速度引起的二次　

相位项的有效补偿，补偿后可以实现有效的相参积累。　

一般情况下，加速度是未知的，此时需要根据目标可能　

～５一