本发明属于雷达系统设计技术领域，具体涉及中重频脉冲多普勒雷达脉组参差设计方法。
背景技术
现代战场环境日趋复杂，敌方目标总是在有源/无源干扰或地海杂波掩护下进行突防，复杂的背景环境往往使得雷达系统既难以有效甄别和提取真实目标参数信息，及时对敌目标做出相应威胁等级判别，又易耗费系统探测时间资源，造成任务量和处理量过载。对于地面监视雷达，杂波抑制一直是雷达系统设计和信息处理需要重点考虑的问题之一，常用的杂波抑制方法有常规的动目标显示(movingtargetindication，mti)、动目标检测(movingtargetdetect，mtd)和脉冲多普勒(pulsedoppler，pd)等。按照《雷达手册》中的定义，使最大探测距离不模糊的重频称为低重频(常规mti和mtd雷达)，使探测目标最大速度不模糊的重频称为高重频，距离和速度均模糊的重频称为中重频，将使用中重频和高重频的雷达称为pd雷达。
对于执行地面监视任务的雷达，作用距离都在几百公里以上，如果采用常规的低重频设计，则脉冲重复频率(pulserepetitionfrequency，prf)较小，此时在多普勒频率范围内，杂波谱将占据相对较宽的范围，即多普勒清晰区较窄，且随着载频增加或杂波谱展宽，多普勒清晰区减小，目标与杂波谱混叠在一起的概率增加，降低了目标检测性能，因此，低重频一般适用于弱杂波环境。高重频雷达能够在多普勒域对快速运动目标和杂波进行有效分离，获得目标速度信息，但高重频模式下由于距离高度模糊，使得远距离的目标不得不与近处强杂波竞争，且采用高重频模式时高占空比将导致距离上产生较大的遮蔽损耗，需要设计复杂的参差脉组用于获取目标完整的距离信息；高重频一般用于强杂波环境中远程探测快速接近的目标，如机载预警雷达、空对空速度搜索模式及俯射模式的火控雷达等。
中重频同时具有低重频和高重频的一些优点和缺点，通过合理地的设计脉组参差，能够避免低重频和高重频的缺点，同时保持二者的性能优点，在对目标情况未知，且又同时需要获取大的探测范围内目标距离和速度信息时，中重频是最优选择。关于中重频pd雷达技术，国外多年前已开展研究和应用，具有代表性的如法国master系列雷达等，但国内在该方面的研究起步较晚，且公开的技术资料较少。在文献《基于遗传算法的地面中重频pd雷达prf组选择》(现代雷达，2008，30(9)，pp.33-35)中提出了利用遗传算法基于m/n准则的中重频pd模式参差脉组设计方法，但该类方法需要n组脉冲同时使用才能完成探测需求，即n组脉冲紧耦合，严重限制了灵活性和雷达数据率，一般使用较少。借鉴master雷达的设计思想，在文献《地面雷达中的pd工作方式设计》(电子技术与软件工程，2015,pp.120-122)和《地面三坐标情报雷达中pd工作方式的研究》(南京理工大学硕士学位论文，2013)中对中重频pd雷达工作方式进行了研究和性能分析，在文献《参差加抖动解距离模糊方法应用分析》(现代雷达，2011，33(3)，pp.20-23)中对基于参差加抖动方式实现距离解模糊进行了应用分析，但这些文献均未给出中重频pd模式参差脉组的具体设计方法。
技术实现要素：
本发明针对背景技术存在的缺陷和实际工程应用的迫切需求，提出一种交替优化搜索脉组参差中重频pd系统设计方法，按照“参差+抖动”的设计方式，用每一对抖动脉组实现距离解模糊，再用其他几对脉组实现距离补盲、速度补盲。一种交替优化搜索脉组参差中重频pd系统设计方法以距离-速度覆盖最大为原则，兼顾单次扫描周期内距离解模糊和补盲、扫描周期间速度补盲或解模糊的灵活性，一共设计4对脉组，每对脉组通过重复周期抖动实现距离解模糊，两两之间实现距离补盲，4对同时使用实现速度补盲，即1/2#和3/4#脉组同时使用实现距离解模糊和距离补盲，5/6#和7/8#脉组同时使用实现距离解模糊和距离补盲，4对脉组同时使用实现距离解模糊、距离补盲和速度补盲。本设计方法可以根据雷达数据率要求灵活使用4对脉组，如果雷达时间资源允许，则可以在一个天线周期内同时发射4对脉组，同时完成距离解模糊/补盲、速度补盲，如果数据率要求较高，则可以在天线扫描周期间循环发射1/2#和3/4#、5/6#和7/8#两对脉组，在单周期内实现距离解模糊和补盲，在周期间实现速度补盲。
一种交替优化搜索脉组参差中重频pd系统设计方法具体包括以下步骤：
步骤一：设定基本参数；
设中重频pd模式雷达探测最大距离为rmax，最大目标速度为vmax，根据距离模糊次数namb设定中重频pd模式脉冲重复频率变化范围为prf∈[prfmin,prfmax]，则脉冲重复周期取值范围为pri∈[primin,primax]，其中primin＝1/prfmax，primax＝1/prfmin，平均重复周期为priave＝(primin+primax)/2；设雷达发射平均占空比为dave，最大占空比为dmax，则可计算发射脉冲宽度为τ＝min(priavedave,primindmax)，其中min()为取小运算；设雷达采样率为fs，则一个距离单元为δr＝c/(2fs)，其中c为光速，设一对脉组重复周期抖动量为njit个距离单元对应的时间，即脉组重复周期抖动量
步骤二：计算脉组内相参脉冲个数与多普勒滤波器组设计；
在确定脉宽后，根据雷达探测距离要求确定脉组内相参脉冲个数，当增加相参脉冲个数使雷达威力覆盖能满足作用距离要求时，以此时脉冲个数为脉组内相参脉冲个数；当确定相参脉冲个数后，采用数字综合多普勒滤波器组设计方法，根据设定的杂波谱宽和滤波器副瓣电平逐通道进行多普勒滤波器设计；在滤波器组设计后，以归一化响应-3db为门限，计算单组滤波器组归一化频率覆盖范围为ρvis。
步骤三：计算第一对抖动脉组重复周期；
根据雷达探测距离rmax，考虑到距离解模糊余量，取一个脉冲宽度对应的距离rmin＝cτ/2，以距离(rmax+rmin)计算距离不模糊时对应的最小重复周期为prina＝2(rmax+rmin)/c，根据设定的距离模糊次数namb，取第一个脉组重复周期为
步骤四：计算第二对脉组重复周期；
在第一对脉组重复周期确定后，在[primin,primax]范围内搜索3#脉组重复周期pri3，搜索的准则是，第一对脉组和第二对脉组同时使用时，在距离覆盖率最大的条件下，使第一对脉组和第二对脉组速度覆盖率最大的重复周期为pri3，则对应4#脉组重复周期为pri4＝pri3+tjit；以距离单元δr对距离范围进行量化rt∈[0,rmax+rmin]，距离单元总数为
步骤五：计算第三对和第四对脉组重复周期；
在确定了第一对1/2#和第二对3/4#脉组的重复周期后，第三对5/6#和第四对7/8#脉组重复周期的选取原则是，第三对和第四对重复周期独立使用时距离覆盖最大，且在第三对和第四对重复周期速度覆盖率满足设定值时使四对重复周期距离-速度覆盖最大；设5#脉组和7#脉组重复周期分别为pri5和pri7，对应6#脉组和8#脉组重复周期分别为pri6＝pri5+tjit和pri8＝pri7+tjit，对于任一个重复周期prii，设prfi＝1/prii，对于每个距离单元rt和速度单元vt，距离-速度覆盖条件为mod(2rt/c,prii)＞τ且|mod(2vt/λ,prfi)/prfi-0.5|＜ρvis/2，设距离-速度覆盖单元个数为nrv_c，则重复周期prii的距离-速度覆盖率为nrv_c/(nr_allnv_all)；定义优化搜索函数为：
其中γrv为四对脉组距离-速度覆盖率，mean(pri1-8)为四对脉组重复周期均值，α为加权系数；设四对脉组距离-速度覆盖率最低门限为β1，第三对和第四对脉组速度覆盖率最低门限为β2，在满足门限β1和β2的范围内优化搜索函数最大值对应的结果即为pri5和pri7。
步骤六：验证中重频pd参差脉组参数选取的正确性；
以搜索的四对脉组重复周期计算距离范围rt∈[0,rmax+rmin]和速度范围vt∈[0,vmax]内每个单元是否满足距离-速度覆盖，画出距离-速度覆盖图验证中重频pd参差脉组重复周期选取的正确性。
附图说明
图1是本发明一种交替优化搜索脉组参差中重频pd系统设计方法设计流程图。
图2是本发明具体实施例中确定脉组内相关脉冲个数时的雷达探测威力图。
图3是本发明具体实施例中设计的多普勒滤波器组频率响应图。
图4是本发明具体实施例中搜索第二对脉组重复周期时距离和速度覆盖率。
图5是本发明具体实施例中搜索第三对和第四对脉组重复周期距离覆盖率。
图6是本发明具体实施例中搜索第三对和第四对脉组重复周期时四对脉组距离-速度覆盖率。
图7是本发明具体实施例中搜索第三对和第四对脉组重复周期速度覆盖率。
图8是本发明具体实施例中满足搜索设定门限的距离-速度覆盖率。
图9是本发明具体实施例中四对优选的脉组距离-速度覆盖图。
具体实施方式
本发明一种交替优化搜索脉组参差中重频pd系统设计方法设计流程如图1所示，结合流程图和实施例，对本发明方法的实施方式作具体阐述，过程如下：
步骤一：设定基本参数；
设中重频pd模式雷达探测最大距离为rmax，最大目标速度为vmax，根据距离模糊次数namb设定中重频pd模式脉冲重复频率变化范围为prf∈[prfmin,prfmax]，则脉冲重复周期取值范围为pri∈[primin,primax]，其中primin＝1/prfmax，primax＝1/prfmin，平均重复周期为priave＝(primin+primax)/2；设雷达发射平均占空比为dave，最大占空比为dmax，则可计算发射脉冲宽度为τ＝min(priavedave,primindmax)，其中min()为取小运算；设雷达采样率为fs，则一个距离单元为δr＝c/(2fs)，其中c为光速，设一对脉组重复周期抖动量为njit个距离单元对应的时间，即脉组重复周期抖动量tjit＝2njitδr/c＝[njit/fs]，其中
本实施例中设中重频模式雷达最大探测距离为rmax＝60km，最大目标速度为vmax＝1000m/s，设距离模糊次数为namb＝3，脉冲重复频率变化范围为prf∈[5khz,10khz]，则脉冲重复周期取值范围为pri∈[100us,200us]，平均重复周期为priave＝150us；设雷达发射平均占空比为dave＝10％，最大占空比为dmax＝15％，则发射脉冲宽度为τ＝15us；设雷达采样率为fs＝2mhz，一对脉组重复周期抖动量为njit＝4个距离单元，对应的抖动时间tjit＝njit/fs＝2us。
步骤二：计算脉组内相参脉冲个数与多普勒滤波器组设计；
在确定脉宽后，根据雷达探测距离要求确定脉组内相参脉冲个数，当增加相参脉冲个数使雷达威力覆盖能满足作用距离要求时，以此时脉冲个数为脉组内相参脉冲个数。本实施例中在低空0°、3°和6°采用中重频pd搜索，根据雷达系统参数画出雷达威力图，当脉组内相参脉冲个数为npulse＝15时，能够满足作用距离要求，如图2所示。
当确定相参脉冲个数后，采用数字综合多普勒滤波器组设计方法，根据设定的杂波谱宽和滤波器副瓣电平逐通道进行多普勒滤波器设计；在滤波器组设计后，以归一化响应-3db为门限，计算单组滤波器组归一化频率覆盖范围为ρvis。本实施例中设计的15阶滤波器组如图3所示，单组滤波器组归一化频率覆盖范围为ρvis＝76％。
步骤三：计算第一对抖动脉组重复周期；
根据雷达探测距离rmax，考虑到距离解模糊余量，取一个脉冲宽度对应的距离rmin＝cτ/2，以距离(rmax+rmin)计算距离不模糊时对应的最小重复周期为prina＝2(rmax+rmin)/c，根据设定的距离模糊次数namb，取第一个脉组重复周期为
本实施例根据步骤一中设定的参数，计算可得第一个脉组重复周期为
步骤四：计算第二对脉组重复周期；
在第一对脉组重复周期确定后，在[primin,primax]范围内搜索3#脉组重复周期pri3，搜索的准则是，第一对脉组和第二对脉组同时使用时，在距离覆盖率最大的条件下，使第一对脉组和第二对脉组速度覆盖率最大的重复周期为pri3，则对应4#脉组重复周期为pri4＝pri3+tjit；以距离单元δr对距离范围进行量化rt∈[0,rmax+rmin]，距离单元总数为
本实施例中在pri∈[100us,200us]范围内搜索3#脉组重复周期pri3，画出距离覆盖率曲线和速度覆盖率曲线如图4所示，在满足距离覆盖率最大前提下，选择速度覆盖率最大的重复周期作为pri3，从图中可以看出，在距离覆盖率最大的区间内，速度覆盖最大值为92.04％，对应重复周期为164us，因此取pri3＝164us，对应的4#脉组重复周期为pri4＝166us。
步骤五：计算第三对和第四对脉组重复周期；
在确定了第一对1/2#和第二对3/4#脉组的重复周期后，第三对5/6#和第四对7/8#脉组重复周期的选取原则是，第三对和第四对重复周期独立使用时距离覆盖最大，且在第三对和第四对重复周期速度覆盖率满足设定值时使四对重复周期距离-速度覆盖最大；设5#脉组和7#脉组重复周期分别为pri5和pri7，对应6#脉组和8#脉组重复周期分别为pri6＝pri5+tjit和pri8＝pri7+tjit，对于任一个重复周期prii，设prfi＝1/prii，对于每个距离单元rt和速度单元vt，距离-速度覆盖条件为mod(2rt/c,prii)＞τ且|mod(2vt/λ,prfi)/prfi-0.5|＜ρvis/2，设距离-速度覆盖单元个数为nrv_c，则重复周期prii的距离-速度覆盖率为nrv_c/(nr_allnv_all)；定义优化搜索函数为
其中γrv为四对脉组距离-速度覆盖率，mean(pri1-8)为四对脉组重复周期均值，α为加权系数；设四对脉组距离-速度覆盖率最低门限为β1，第三对和第四对脉组速度覆盖率最低门限为β2，在满足门限β1和β2的范围内优化搜索函数最大值对应的结果即为pri5和pri7。
本实施例在100-200us范围内搜索5#脉组和7#脉组重复周期pri5和pri7，第三对和第四对脉组重复周期距离覆盖率如图5所示，四对脉组重复周期距离-速度覆盖率如图6所示，第三对和第四对脉组重复周期速度覆盖率如图7所示。
在第三对和第四对重复周期距离覆盖率最大的条件下，设四对脉组距离-速度覆盖率最低门限为β1＝94.5％，第三对和第四对脉组速度覆盖率最低门限为β2＝91％，满足门限β1和β2的距离-速度覆盖率如图8所示，在满足门限β1和β2的范围内优化搜索函数最大值为fmax＝0.9531，对应的搜索结果为pri5＝125us和pri7＝177us，对应pri6＝127us和pri8＝179us。
步骤六：验证中重频pd参差脉组参数选取的正确性；
以搜索的四对脉组重复周期计算距离范围rt∈[0,rmax+rmin]和速度范围vt∈[0,vmax]内每个单元是否满足距离-速度覆盖，画出距离-速度覆盖图验证中重频pd参差脉组重复周期选取的正确性。
本实施例四对脉组重复周期选择为139/141us、164/166us、125/127us和177/179us时，画出距离-速度覆盖图，如图9所示，图中白色区域表示该距离和速度能够覆盖，黑色区域为距离-速度盲区；在0-62.25km距离范围、0-1000m/s速度范围内距离-速度覆盖率为94.70％，四对脉组重复周期平均值为152us，平均占空比为9.85％，满足设计要求。