(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,安徽合肥230088)

0 引言

寬帶雷達(dá)回波經(jīng)脈沖壓縮處理后目標(biāo)的多個(gè)散射點(diǎn)距離上可分,即雷達(dá)發(fā)射寬帶波形可以獲知目標(biāo)尺寸、散射點(diǎn)個(gè)數(shù)、散射點(diǎn)間相對(duì)強(qiáng)弱及位置分布等信息,大大提升了雷達(dá)的目標(biāo)感知能力,因而雷達(dá)具備發(fā)射大帶寬信號(hào)能力具有重要意義。與大瞬時(shí)帶寬工作體制相比,步進(jìn)頻率綜合寬帶工作體制需求的瞬時(shí)帶寬小,可以在窄帶發(fā)射機(jī)、接收機(jī)條件下工作,易于工程實(shí)現(xiàn),且應(yīng)用于相控陣?yán)走_(dá)時(shí)沒(méi)有大瞬時(shí)帶寬面臨的寬帶DBF難題,具有巨大的工程應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。但步進(jìn)頻率綜合寬帶工作體制存在距離-多普勒耦合現(xiàn)象[1-2],對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)綜合成像時(shí)必須先對(duì)其精確測(cè)速再作速度補(bǔ)償處理。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者已提出若干速度估計(jì)補(bǔ)償以及距離像拼接方法[3-9],但主要針對(duì)單目標(biāo)成像,實(shí)際場(chǎng)景中存在距離較近但速度不同的多個(gè)目標(biāo),需要在高分辨距離像中同時(shí)獲知這些目標(biāo)的散射特征細(xì)節(jié)和位置關(guān)系。若按照單目標(biāo)成像方法進(jìn)行處理,則距離像中只有速度匹配的目標(biāo)的成像結(jié)果是無(wú)失真的,其余目標(biāo)的成像結(jié)果發(fā)生畸變并偏離真實(shí)位置。本文提出了步進(jìn)頻率綜合寬帶模式下多目標(biāo)成像方法,脈沖壓縮后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分段處理,每個(gè)分段僅包含一個(gè)目標(biāo),對(duì)每個(gè)目標(biāo)單獨(dú)進(jìn)行步進(jìn)頻率綜合成像處理,綜合各目標(biāo)距離像得到完整距離像,該距離像真實(shí)反映各目標(biāo)的散射特征細(xì)節(jié)和位置關(guān)系。

1 步進(jìn)信號(hào)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波特性

步進(jìn)頻率綜合寬帶的基本原理是將B=N·dF的總信號(hào)帶寬,分在N個(gè)子脈沖中分時(shí)發(fā)射出去,經(jīng)過(guò)信號(hào)處理后距離分辨率與直接發(fā)射瞬時(shí)大帶寬信號(hào)的距離分辨率相同。順序步進(jìn)時(shí)載頻由f0按dF的頻率間隔在脈沖間順序跳變,直到f0+(N-1)·dF,步進(jìn)頻率脈沖串發(fā)射信號(hào)的數(shù)學(xué)表示如下:

式中:xp(t)為子脈沖基帶信號(hào),信號(hào)帶寬為ban d;m為第m個(gè)子脈沖的標(biāo)識(shí);T為脈沖重復(fù)周期;f0為起始載頻;dF為脈間頻率步進(jìn)量;N為脈沖串內(nèi)子脈沖個(gè)數(shù)。信號(hào)綜合總帶寬B=(N-1)dF+ban d,根據(jù)波形設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,一般ban d＞dF[1-2],因而B(niǎo)≈N·dF,回波信號(hào)經(jīng)過(guò)混頻、解調(diào)及后續(xù)信號(hào)處理后獲得與直接發(fā)射瞬時(shí)帶寬為B的大帶寬信號(hào)相同的距離分辨率。

設(shè)單散射點(diǎn)目標(biāo)P作勻速運(yùn)動(dòng),徑向速度為v,初始距離對(duì)應(yīng)時(shí)延為tl0,目標(biāo)距離時(shí)延tl=tl0-,c為光速,得到解調(diào)后的步進(jìn)頻率回波數(shù)據(jù)如下:

式中,σ為目標(biāo)散射強(qiáng)度,m為第m個(gè)子脈沖的標(biāo)號(hào)。對(duì)式(2)作IFFT運(yùn)算即完成綜合成像過(guò)程,公式中一次相位exp(j2πf0b·m)將使得綜合成像結(jié)果發(fā)生偏移,二次相位exp(j2π·dF·b·m2)將使得綜合成像結(jié)果產(chǎn)生波形畸變、失真[3-4]。偏移距離為

未經(jīng)速度補(bǔ)償時(shí)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)綜合成像結(jié)果形狀畸變且位置較其真實(shí)位置發(fā)生偏移,常用的同距離舍棄法、同距離選大法等距離像拼接方法[4,8]要求目標(biāo)在綜合成像結(jié)果中的位置與目標(biāo)真實(shí)位置一致,否則距離像拼接結(jié)果出現(xiàn)錯(cuò)誤。為了消除目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的影響,需要估計(jì)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度且速度估計(jì)誤差必須滿足要求,依據(jù)估計(jì)速度構(gòu)造式(2)中的一次相位、二次相位進(jìn)行補(bǔ)償。

目標(biāo)運(yùn)動(dòng)同樣引起子脈沖距離走動(dòng)[2],一方面目標(biāo)運(yùn)動(dòng)引起的目標(biāo)距離變化使得目標(biāo)在多個(gè)子脈沖脈壓結(jié)果中的峰值位置出現(xiàn)距離走動(dòng)現(xiàn)象;另一方面,各子脈沖載頻步進(jìn)變化引入的距離多普勒耦合量不同。上述距離走動(dòng)導(dǎo)致綜合成像時(shí)存在能量泄露與偽峰,需要依據(jù)目標(biāo)速度估計(jì)值進(jìn)行多普勒校正和包絡(luò)對(duì)齊處理來(lái)消除子脈沖距離走動(dòng)。

2 步進(jìn)頻率綜合寬帶處理

若窄帶模式提供的測(cè)速精度滿足步進(jìn)頻率綜合寬帶處理要求,則使用窄帶模式的目標(biāo)速度估計(jì)值進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償處理,否則需要發(fā)射對(duì)應(yīng)的波形進(jìn)行自測(cè)速處理。對(duì)目標(biāo)徑向速度的估計(jì)方法可分為兩類(lèi):一類(lèi)是通過(guò)回波數(shù)據(jù)直接計(jì)算求取目標(biāo)速度,如時(shí)域互相關(guān)[3]、頻域互相關(guān)法[3]、正負(fù)調(diào)頻測(cè)速[4]等;另一類(lèi)是利用構(gòu)造的評(píng)價(jià)函數(shù)在一定速度范圍搜索最大值/最小值獲得目標(biāo)速度,如最小波形熵法、最小脈組誤差法[5]、最小脈組相位差分法[6]等,屬于速度搜索類(lèi)。本文采用第一類(lèi)算法中的相位差分-IFFT測(cè)速算法[10]進(jìn)行測(cè)速處理,此處不再詳細(xì)討論。

脈沖壓縮后大尺寸目標(biāo)回波信號(hào)分布在子脈沖的相鄰若干距離單元內(nèi),需要拼接每個(gè)距離單元的綜合成像結(jié)果得到大尺寸目標(biāo)的完整高分辨距離像。常用的距離像拼接方法為同距離舍棄法和同距離選大法,這兩種方法對(duì)目標(biāo)速度的估計(jì)誤差有較高要求,若速度估計(jì)誤差較大則距離像拼接結(jié)果出錯(cuò)。本文采用散射中心對(duì)齊法[9]進(jìn)行距離像拼接,該方法對(duì)速度估計(jì)誤差要求相對(duì)較低,通過(guò)頻域線性相位乘因子實(shí)現(xiàn)目標(biāo)多個(gè)散射中心沿快時(shí)間維對(duì)齊,抽取若干等距的平行線得到目標(biāo)高分辨距離像。

綜上所述,步進(jìn)頻率綜合寬帶信號(hào)處理流程包含如下步驟:多普勒補(bǔ)償和包絡(luò)對(duì)齊、脈沖壓縮、測(cè)速、包絡(luò)再對(duì)齊、相位補(bǔ)償、綜合成像、距離像拼接,如圖1所示。若窄帶模式提供的測(cè)速精度滿足要求,則可省去測(cè)速、包絡(luò)再對(duì)齊兩個(gè)處理步驟。

3 多目標(biāo)成像處理

實(shí)際工作場(chǎng)景中存在多個(gè)目標(biāo)相距較近的情形,此時(shí)獲取的距離像應(yīng)能表征各目標(biāo)自身的散射點(diǎn)特征和目標(biāo)間距離關(guān)系。若這些目標(biāo)徑向速度相同,則按照?qǐng)D1所示流程處理即可,但大多數(shù)情形下各目標(biāo)的徑向速度不同,例如彈道導(dǎo)彈彈頭、彈體分離初始時(shí)刻,此時(shí)彈頭、彈體距離較近,但速度差別較大。如果只是按照某個(gè)目標(biāo)的速度對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)段進(jìn)行步進(jìn)頻率綜合寬帶處理,則速度不匹配目標(biāo)的距離像形狀發(fā)生畸變且目標(biāo)間的距離關(guān)系產(chǎn)生偏差。

圖1 步進(jìn)頻率綜合寬帶信號(hào)處理流程

采用多目標(biāo)成像處理方法,依據(jù)每個(gè)目標(biāo)的估計(jì)速度對(duì)每個(gè)目標(biāo)分別進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償、成像處理,得到各目標(biāo)的距離像拼接結(jié)果,再將多個(gè)目標(biāo)的距離像按照距離關(guān)系進(jìn)行拼接綜合得到多目標(biāo)距離像。本文只討論脈沖壓縮后多目標(biāo)出現(xiàn)在不同距離單元上的情形,多目標(biāo)成像處理時(shí)需要隔離各個(gè)目標(biāo)的回波信號(hào)才能實(shí)現(xiàn)各目標(biāo)獨(dú)立精準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。脈沖壓縮后各個(gè)目標(biāo)在距離上可分,可通過(guò)截取當(dāng)前目標(biāo)附近若干距離單元數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)其他目標(biāo)回波信號(hào)的隔離,具體措施為:將脈壓結(jié)果中兩個(gè)目標(biāo)峰值之間的中心位置作為分割界限進(jìn)行分割,若目標(biāo)個(gè)數(shù)為N,則脈壓后有效數(shù)據(jù)段被分成N段,每段包含一個(gè)目標(biāo),如圖2所示。對(duì)每段數(shù)據(jù)分別進(jìn)行包絡(luò)再對(duì)齊、相位補(bǔ)償、綜合成像、距離像拼接等操作。

圖2 多目標(biāo)數(shù)據(jù)分段

非大時(shí)寬大脈寬超高速運(yùn)動(dòng)情況下多普勒未完全補(bǔ)償引起的脈壓損失較小可忽略,只是殘留距離多普勒耦合量。脈沖壓縮時(shí)依據(jù)某個(gè)目標(biāo)的速度估計(jì)值完成多普勒補(bǔ)償和包絡(luò)對(duì)齊,而其余目標(biāo)的真實(shí)速度與該值偏差較大,導(dǎo)致這些目標(biāo)包絡(luò)未完全對(duì)齊,進(jìn)而引起綜合成像結(jié)果能量分散以及拼接距離像時(shí)出現(xiàn)偽峰。因而,需要依據(jù)各目標(biāo)估計(jì)速度對(duì)各目標(biāo)的分段數(shù)據(jù)進(jìn)行包絡(luò)再對(duì)齊處理,包絡(luò)再對(duì)齊通過(guò)在分段數(shù)據(jù)頻域乘上對(duì)應(yīng)的線性相位因子后在反變換回時(shí)域?qū)崿F(xiàn)。設(shè)分段數(shù)據(jù)為s(n,m),當(dāng)前目標(biāo)速度估計(jì)值為V1,脈沖壓縮時(shí)速度補(bǔ)償值為V0,包絡(luò)對(duì)齊后分段數(shù)據(jù)為u(n,m),則包絡(luò)再對(duì)齊過(guò)程由式(4)、式(5)、式(6)表示:

式中,n為距離單元標(biāo)號(hào),m為脈沖串內(nèi)第m個(gè)子脈沖的標(biāo)識(shí),T為脈沖重復(fù)周期,f0為起始載頻,dF為脈間頻率步進(jìn)量,Kr為子脈沖調(diào)頻斜率,fS為子脈沖采樣頻率,L為FFT、IFFT點(diǎn)數(shù),k取值0,1,…,L-1。

綜上所述,多目標(biāo)成像處理包含多普勒補(bǔ)償、包絡(luò)對(duì)齊、脈沖壓縮、數(shù)據(jù)分段、包絡(luò)再對(duì)齊、相位補(bǔ)償、綜合成像、距離像拼接等步驟,如圖3所示。

圖3 步進(jìn)頻率綜合寬帶多目標(biāo)成像處理流程

4 仿真分析

假設(shè)存在3個(gè)相距較近的目標(biāo),分別位于距離29 998,30 107和30 157 m處,遠(yuǎn)離雷達(dá)的速度分別為400,800和600 m/s。第1個(gè)目標(biāo)由4個(gè)散射點(diǎn)構(gòu)成,相鄰散射點(diǎn)間隔為4,2和11 m,散射強(qiáng)度為1,1,1,1;第2個(gè)目標(biāo)由3個(gè)散射點(diǎn)構(gòu)成,相鄰散射點(diǎn)間隔為3 m,4 m,散射強(qiáng)度為1,2,1;第3個(gè)目標(biāo)由3個(gè)散射點(diǎn)構(gòu)成,相鄰散射點(diǎn)間隔為3 m,4 m,散射強(qiáng)度為6,2,5。雷達(dá)發(fā)射波形參數(shù)如下:起始載頻為5 GHz,綜合寬帶為200 MHz,子脈沖帶寬為30 MHz,脈沖寬度為0.04 ms,子脈沖采樣頻率為30 MHz,頻率步進(jìn)間隔為15 MHz,脈沖個(gè)數(shù)為14,脈沖重復(fù)周期為1 ms,子脈沖脈壓前回波信噪比為-5 dB。依據(jù)第1個(gè)目標(biāo)速度對(duì)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行多普勒校正、包絡(luò)對(duì)齊處理,脈沖結(jié)果如圖4所示,為了壓低距離旁瓣,脈沖壓縮時(shí)加40 dB泰勒窗。

按照?qǐng)D2進(jìn)行多目標(biāo)數(shù)據(jù)分段,圖5、圖6、圖7分別給出了第1個(gè)目標(biāo)、第2個(gè)目標(biāo)、第3個(gè)目標(biāo)包絡(luò)再對(duì)齊前后結(jié)果對(duì)比,第1個(gè)目標(biāo)實(shí)際上無(wú)需包絡(luò)再對(duì)齊處理,從圖中可以看出,各個(gè)目標(biāo)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)包絡(luò)再對(duì)齊處理后包絡(luò)對(duì)齊較好,且修正了目標(biāo)的距離位置。

圖4 多目標(biāo)子脈沖脈壓結(jié)果

圖5 第1個(gè)目標(biāo)包絡(luò)再對(duì)齊前后結(jié)果

圖6 第2個(gè)目標(biāo)包絡(luò)再對(duì)齊前后結(jié)果

圖7 第3個(gè)目標(biāo)包絡(luò)再對(duì)齊前后結(jié)果

若多個(gè)目標(biāo)的徑向速度相同,使用本文的多目標(biāo)成像方法與普通的單目標(biāo)成像方法得到的距離像應(yīng)是一致的,圖8給出了多目標(biāo)速度相同(遠(yuǎn)離雷達(dá)速度為400 m/s)時(shí)成像結(jié)果,此時(shí)多目標(biāo)成像處理結(jié)果與單目標(biāo)成像處理結(jié)果一致。

圖8 多目標(biāo)速度相同時(shí)綜合成像結(jié)果

圖9給出了多目標(biāo)速度不同時(shí)綜合成像結(jié)果,從圖中可以看出,多目標(biāo)成像方法得到的距離像中各目標(biāo)散射特征未發(fā)生畸變且真實(shí)反映各目標(biāo)距離關(guān)系;單目標(biāo)成像處理得到的距離像中第2、第3目標(biāo)散射特征畸變且未能真實(shí)反映各目標(biāo)距離關(guān)系。第1目標(biāo)的散射特征理論上應(yīng)該未受影響,但圖9中第1目標(biāo)的幅度有5 dB左右的損失,這是由第3目標(biāo)的散射強(qiáng)度較強(qiáng)以及本文采用的距離像拼接方法的自身特性共同造成的。其他參數(shù)不變,令第1目標(biāo)的散射強(qiáng)度不變,第2目標(biāo)的散射強(qiáng)度為原先的0.5倍,第3目標(biāo)的散射強(qiáng)度為原先的0.1倍。圖10給出了散射強(qiáng)度改變后多目標(biāo)速度不同時(shí)綜合成像結(jié)果,從圖中可以看出單目標(biāo)成像處理結(jié)果和多目標(biāo)成像處理結(jié)果中第1目標(biāo)的成像結(jié)果是一致的。

圖9 多目標(biāo)速度不同時(shí)的綜合成像結(jié)果

圖10 目標(biāo)1強(qiáng)度最強(qiáng)時(shí)多目標(biāo)速度不同的綜合成像結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

本文梳理了步進(jìn)頻率雷達(dá)高分辨距離像的成像原理與處理步驟,研究了適用于多目標(biāo)情形的多目標(biāo)成像方法,解決了單目標(biāo)成像方法獲取的距離像中目標(biāo)形狀畸變、位置失真的現(xiàn)象。該方法通過(guò)對(duì)脈沖壓縮后數(shù)據(jù)分割分段和包絡(luò)再對(duì)齊處理,再逐個(gè)對(duì)目標(biāo)綜合寬帶處理,運(yùn)算量小,易于工程實(shí)現(xiàn)。

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