孫慧霞，邱 峰，劉申順，王 燚

（1.運城學院物理與電子工程系，山西運城044000;2.中航工業(yè)第一飛機設計研究院航電所，西安 710089）

運動目標循環(huán)移位舍棄像拼接算法*

孫慧霞1，＊＊，邱 峰2，劉申順1，王 燚1

（1.運城學院物理與電子工程系，山西運城044000;2.中航工業(yè)第一飛機設計研究院航電所，西安 710089）

雷達目標一維高分辨距離像拼接是一維高分辨距離像用于雷達目標識別的前提。當目標運動時，距離像發(fā)生循環(huán)移位，采用傳統(tǒng)的目標抽取算法如同距離舍棄法和同距離選大法將導致目標抽取結果產生像缺損。分析了目標運動對步進頻率一維高分辨距離像的影響，提出了可避免抽取損失的循環(huán)移位舍棄像拼接算法。該算法基于幅度最強像修正抽取范圍，將抽取范圍與距離像同步移動，克服了目標運動對傳統(tǒng)的距離像拼接算法的影響，同時避免了精確運動補償計算量大的問題，具有工程應用價值。仿真實驗驗證了該算法的有效性。

雷達目標識別;運動目標;高分辨距離像;步進頻率;像拼接算法;循環(huán)移位

1 引言

在雷達系統(tǒng)中，采用高距離分辨率信號具有很多優(yōu)越性，步進頻率信號即是一種重要的高距離分辨率信號，它具有在獲得距離高分辨的同時降低對數(shù)字信號處理機瞬時帶寬要求的優(yōu)點，因此得到了廣泛的應用［1］。

步進頻率信號通過將大帶寬信號分成多次進行發(fā)射，從而降低了系統(tǒng)的瞬時帶寬，進而減輕了數(shù)字信號處理機的負擔。然而，這種優(yōu)點所付出的代價是需要多個脈沖才能得到一次結果，使得步進頻率信號的數(shù)據(jù)率較低，從而成為多普勒敏感信號［2］。步進頻率信號在參數(shù)設計時通常使單個采樣點的IFFT結果有一定的冗余，這就需要像拼接算法從冗余信息中抽取完備的一維距離像，拼接成與真實情況相符的最優(yōu)的一維距離像。由于步進頻率信號是多普勒敏感信號，目標運動將導致一維距離像走動和展寬，進而影響距離像拼接算法形成一維高分辨距離像，因此必須對運動目標進行精確補償，從而利用靜止目標距離像拼接算法對補償后的一維距離像進行拼接。目前，常用的靜止目標距離像拼接算法有同距離舍棄法和同距離選大法［3－5］，其中同距離舍棄法對各個采樣點的重疊信息進行簡單舍棄，存在信噪比低的問題，而同距離選大法則是對重疊信息進行選大運算，計算量較同距離舍棄法大，當目標靜止時，采用同距離舍棄法和同距離選大法均能獲得完備的一維距離像。然而，當速度估計誤差較大時，采用傳統(tǒng)的距離像拼接算法如同距離舍棄法、同距離選大法［3－5］得到的距離像可能出現(xiàn)像缺損、錯位等問題。因此，如何在速度估計誤差存在時形成完備真實的一維高分辨距離像是運動目標環(huán)境下步進頻率信號面臨的主要問題。

速度估計誤差是指粗速度補償后的殘留項，已基本解決了幅度衰減和距離像發(fā)散問題，其主要影響在于目標距離像偏離了靜止情況下的目標抽取范圍［6］。本文提出了可避免抽取損失的循環(huán)移位舍棄像拼接算法，將抽取窗與距離像同步循環(huán)移位，通過搜索幅度最強的像確定該像的偏移量，從而修正循環(huán)移位范圍。該算法一方面避免了同距離舍棄法信噪比低的問題，另一方面又解決了同距離選大法計算量大的問題。最后利用仿真實驗對算法的有效性進行了驗證。

2 步進頻率信號及其處理

2.1 信號形式

設步進頻率信號的脈沖寬度為τ，脈沖重復周期為Tr，載頻起始頻率為f0，頻率步進數(shù)為N，頻率步進值為Δf，采樣頻率為fs，光速為c，則發(fā)射信號為

2.2 目標運動對一維距離像的影響

3 靜止目標距離像拼接算法

步進頻率雷達在參數(shù)設計時通常會有一定的冗余，當IFFT后的單點不模糊距離大于單脈沖距離分辨率時，會產生距離失配冗余，距離失配冗余使成像結果在一定程度上克服了目標運動對成像的影響，因其會在不模糊距離窗中產生一段冗余區(qū)來克服成像結果的循環(huán)移位;為避免采樣損失，通常會過采樣，對應的冗余為過采樣冗余，過采樣冗余會使同一段距離的像出現(xiàn)在連續(xù)多個成像結果中。距離像拼接算法即是通過一定的算法對冗余的、亂序的一維距離像信息進行抽取、拼接，從而獲得完備真實的一維高分辨距離像。

傳統(tǒng)的靜止目標距離像拼接算法首先將第i個采樣點IFFT后的結果進行周期延拓，然后提取該采樣序列中－Ta/2+iTs～Ta/2+iTs之間的部分，其中Ta為單個采樣點的抽取時間長度，且通常有Ta＞Ts。這樣，相鄰的兩個采樣點的抽取結果有部分是重疊的，如果對重疊信息進行簡單的舍棄，對應的抽取算法為舍棄法;若對重疊信息進行選大處理，則對應同距離選大法。

以相鄰5組采樣點IFFT后的結果為例，假設存在4倍過采樣冗余，圖1為靜止目標距離像拼接算法，圖中rI為不模糊距離窗長度，rτ為單脈沖距離分辨率，rs為每組IFFT結果提供的距離新息。字母A～H代表實際目標模型，每個字母表示的距離范圍為rs，每一行代表一副子距離像，4個由字母表示的區(qū)域為成像有效區(qū)，null為距離失配冗余，代表成像無效區(qū)，相鄰兩幅距離像有3個重復區(qū)域，為過采樣冗余區(qū)。

圖1 靜止目標距離像拼接算法Fig.1 Range profile splicing algorithm for static target

舍棄法的結果如圖1（a）所示，即從每一組采樣點的結果中提取出rs的長度并舍棄其他點，續(xù)接起來就構成了完備的一維高分辨距離像;同距離選大法的結果如圖1（b）所示，即從每一組采樣點的結果中對重疊信息進行取大，取出最大的值拼接起來就得到完備的一維高分辨距離像。

舍棄法是將當前采樣點IFFT結果的起始部分作為距離新息保留下來，由于目標剛剛進入采樣點，其幅度通常較小，從而降低了提取后的信噪比，這是其最主要的缺點;同距離選大法不僅對有用信息進行了選大，也同時對噪聲進行了選大，這是其主要缺點。

4 運動目標距離像拼接算法

4.1 目標運動對靜止目標距離像拼接算法的影響

目標運動會使距離像產生偏移，若目標速度得不到精確補償，則速度估計誤差項將導致目標距離像偏離抽取范圍。假設速度估計誤差項導致目標距離像向時間軸正向偏移rs，如圖2所示，舍棄法的拼接結果如圖2（a）所示，同距離選大法的拼接結果如圖2（b）所示。

圖2 速度估計誤差存在時的像拼接算法Fig.2 Range profile splicing algorithm with velocity error

由圖2可以看出，當運動目標的速度不能精確補償時，利用靜止目標抽取算法將產生像缺損，從而導致測距不準，并且不利于后續(xù)基于一維高分辨距離像的目標識別。目前解決像缺損問題的方法主要是進行精確的速度補償，如最小熵法等，但這些方法通常計算量較大，離實際工程應用尚有距離。

4.2 循環(huán)移位舍棄像拼接算法

當速度估計誤差項存在時，距離像將產生循環(huán)移位，直接利用靜止目標距離像拼接算法可能產生像缺損，從而得不到完備且真實的一維高分辨距離像。解決此問題的一種方法是將抽取窗與距離像同步循環(huán)移位，為了避免抽取損失，通過搜索幅度最大的像確定抽取窗的循環(huán)移位量，將幅度最大像的位置確定為抽取窗的中心位置，計算移位量，并以同樣的移位量修正各個采樣點的抽取范圍，舍棄掉冗余信息量，將抽取的距離像進行拼接即可得到完備真實且沒有抽取損失的一維高分辨距離像，即循環(huán)移位舍棄像拼接算法，其流程圖如圖3所示。該算法一方面避免了靜止目標舍棄法存在的抽取損失問題，另一方面又避免了同距離選大法的同距離信息比大的運算，算法效率較高。

圖3 循環(huán)移位舍棄像拼接算法流程圖Fig.3 The flow chart of cyclic shift discard profile splicing algorithm

循環(huán)移位舍棄像拼接算法如圖4所示，可以看出，通過修正抽取窗范圍，可以得到完備真實的一維高分辨距離像。

圖4 循環(huán)移位舍棄像拼接算法Fig.4 Cyclic shift discard profile splicing algorithm

循環(huán)移位舍棄像拼接算法在確定抽取窗的移位量時，將幅度最大像的位置確定為抽取窗的中心位置，可能產生的最大誤差為表示取整運算。該誤差導致各散射點同步移位但并不影響各散射點之間的相對位置關系，從而不會影響到后續(xù)基于一維高分辨距離像的目標識別。

5 仿真實驗與分析

根據(jù)頻率步進信號的參數(shù)匹配準則［2］，設計參數(shù)需保證存在距離失配冗余和過采樣冗余，仿真參數(shù)設置如下:雷達發(fā)射頻率為f0=35 GHz，脈沖寬度為 τ =0.2 μs，頻率步進值為 Δf=4 MHz，頻率步進數(shù)為 N=64，脈沖重復周期為 Tr=25 μs。τΔf=4/5且4倍過采樣，對應的不模糊距離窗為rI=c/2Δf=37.5 m，單脈沖距離分辨率為 rτ=cτ/2=30 m。該參數(shù)設計符合實際工程背景，能夠模擬真實情況。

假設目標模型如圖5所示，速度估計誤差為Δv=67 m/s。圖6（a）為相鄰5組采樣點所成的距離像依次排列的結果，圖6（b）為舍棄法拼接結果，圖6（c）為同距離選大法拼接結果，圖6（d）為循環(huán)移位舍棄法拼接結果，可以看出，舍棄法和同距離選大法均出現(xiàn)了嚴重的像缺損，而本文提出的循環(huán)移位舍棄像拼接算法能夠有效避免像缺損問題。由于采用4倍過采樣，則采樣帶來的距離新息為rs=rτ/4=7.5 m，故將幅度最大像的位置確定為抽取窗的中心位置時所產生的最大誤差為rs/2=3.75 m。該誤差使得目標整體最大偏移3.75 m，并不影響各散射點的相對位置關系，由于抽取的是幅度最強的像，故不存在抽取損失，因而不會影響到后續(xù)的檢測與跟蹤。

圖5 目標散射點模型Fig.5 Target scatter point model

圖6 距離像拼接結果Fig.6 Splicing results of range profile

6 結束語

本文基于毫米波頻率步進體制雷達首先研究了目標運動對一維高分辨距離像的影響，即目標運動導致距離像產生循環(huán)移位，并對靜止目標一維高分辨距離像拼接算法進行了分析，給出了舍棄法和同距離選大法的原理及特點;其次，分析了目標運動對靜止目標距離像拼接算法的影響，并在此基礎上提出了能避免像缺損和抽取損失的循環(huán)移位舍棄像拼接算法，該算法與傳統(tǒng)的舍棄法［3］相比，解決了速度估計誤差項存在時可能導致的像缺損問題，同時，又避免了同距離選大法［4－5］的比較取大運算，提高了算法效率;最后利用仿真實驗驗證了本文所提方法的有效性。

本文所提算法是基于粗速度得到補償?shù)倪\動目標一維高分辨距離像拼接算法，粗速度補償已基本解決了距離像衰減甚至失真的問題，故僅考慮了殘留的速度估計誤差項導致的距離像移位問題，如何實現(xiàn)粗速度估計與距離像拼接算法的有效統(tǒng)一是下一步工作研究的重點。

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Cyclic Shift Discard Profile Sp licing Algorithm for M oving Targets

SUN Hui－ xia1，QIU Feng2，LIU Shen － shun1，WANG Yi1
（1.Department of Physics and Electronics Engineering，Yuncheng University，Yuncheng 044000，China;2.Avionics Institute，The First Aircraft Institute of Aviation Industry Corporation of China，Xi'an 710089，China）

Radar target high range resolution profile splicing is a premise for the application of one－dimensional high range resolution profile in radar target recognition.The velocity of moving target will produce cyclic shift of the range profile，which may cause losing target on range profile with traditional redundancy removement algorithms like discard method or method of selecting the large with same distance.The influence of target motion on high range resolution profile of stepped frequency radar is analyzed，while cyclic shift discard profile splicing algorithm which avoids extracting loss is proposed.The algorithm makes selected range move with range profile by modifying the pick－up scope based on the offset of the most powerful scatterer，which overcomes the effects of target motion on traditional range profile splicing algorithm while avoiding large computation of accurate motion compensation，thus showing engineering application value.Computer simulation validates the correctness of theoretical analysis.

radar target recognition;moving target;high range resolution profiles;stepped frequency;profile splicing algorithm;cyclic shift

School Project of Yuncheng University（YQ－2013017）;Training Project of Innovation and Entrepreneurship for Undergraduates of Yuncheng University

＊＊

hxsun@mail.xidian.edu.cn Corresponding author:hxsun@mail.xidian.edu.cn

TN957.52

A

1001－893X（2014）05－0541－06

10.3969/j.issn.1001 －893x.2014.05.003

孫慧霞，邱峰，劉申順，等.運動目標循環(huán)移位舍棄像拼接算法［J］.電訊技術，2014，54（5）:541 －546.［SUN Hui－xia，QIU Feng，LIU Shen－ shun，et al.Cyclic Shift Discard Profile Splicing Algorithm for Moving Targets［J］.Telecommunication Engineering，2014，54（5）:541 －546.］

2014－01－02;

2014－04－01

date:2014－01－02;Revised date:2014－04－01

運城學院院級項目（YQ－2013017）;運城學院大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目

孫慧霞（1983—），女，山西運城人，2011年于西安電子科技大學雷達信號處理國防科技重點實驗室獲博士學位，現(xiàn)為講師，主要研究方向為雷達目標識別;

SUN Hui－ xia was born in Yuncheng，Shanxi Province，in 1983.She received the Ph.D.degree from National Key Lab of RadarSignal Processing，Xidian University，in 2011.She is now a lecturer.Her research concerns radar target recognition.

Email:hxsun@mail.xidian.edu.cn

邱 峰（1982—），男，陜西西安人，2008年于西安電子科技大學雷達信號處理國防科技重點實驗室獲碩士學位，現(xiàn)為工程師，主要研究方向為雷達信號與信息處理;

QIU Feng was born in Xi'an，Shaanxi Province，in 1982.He received the M.S.degree from National Key Lab of Radar Signal Processing，Xidian University，in 2008.He is now an engineer.His research concerns radar signal and information processing.

劉申順（1992—），男，山西呂梁人，運城學院物理與電子工程系大四學生;

LIU Shen － shun was born in Lvliang，Shanxi Province，in 1992.He is now a senior student in Department of Physics and Electronics Engineering，Yuncheng University.

王 燚（1991—），男，山西平遙人，運城學院物理與電子工程系大四學生。

WANG Yi was born in Pingyao，Shanxi Province，in 1991.He is now a senior student in Department of Physics and Electronics Engineering，Yuncheng University.