(中國電子科技集團公司第三十八研究所,安徽合肥230088)

0 引言

寬帶雷達回波經(jīng)脈沖壓縮處理后目標的多個散射點距離上可分,即雷達發(fā)射寬帶波形可以獲知目標尺寸、散射點個數(shù)、散射點間相對強弱及位置分布等信息,大大提升了雷達的目標感知能力,因而雷達具備發(fā)射大帶寬信號能力具有重要意義。與大瞬時帶寬工作體制相比,步進頻率綜合寬帶工作體制需求的瞬時帶寬小,可以在窄帶發(fā)射機、接收機條件下工作,易于工程實現(xiàn),且應用于相控陣雷達時沒有大瞬時帶寬面臨的寬帶DBF難題,具有巨大的工程應用優(yōu)勢。但步進頻率綜合寬帶工作體制存在距離-多普勒耦合現(xiàn)象[1-2],對運動目標綜合成像時必須先對其精確測速再作速度補償處理。目前國內外學者已提出若干速度估計補償以及距離像拼接方法[3-9],但主要針對單目標成像,實際場景中存在距離較近但速度不同的多個目標,需要在高分辨距離像中同時獲知這些目標的散射特征細節(jié)和位置關系。若按照單目標成像方法進行處理,則距離像中只有速度匹配的目標的成像結果是無失真的,其余目標的成像結果發(fā)生畸變并偏離真實位置。本文提出了步進頻率綜合寬帶模式下多目標成像方法,脈沖壓縮后對數(shù)據(jù)進行分段處理,每個分段僅包含一個目標,對每個目標單獨進行步進頻率綜合成像處理,綜合各目標距離像得到完整距離像,該距離像真實反映各目標的散射特征細節(jié)和位置關系。

1 步進信號運動目標回波特性

步進頻率綜合寬帶的基本原理是將B=N·dF的總信號帶寬,分在N個子脈沖中分時發(fā)射出去,經(jīng)過信號處理后距離分辨率與直接發(fā)射瞬時大帶寬信號的距離分辨率相同。順序步進時載頻由f0按dF的頻率間隔在脈沖間順序跳變,直到f0+(N-1)·dF,步進頻率脈沖串發(fā)射信號的數(shù)學表示如下:

式中:xp(t)為子脈沖基帶信號,信號帶寬為ban d;m為第m個子脈沖的標識;T為脈沖重復周期;f0為起始載頻;dF為脈間頻率步進量;N為脈沖串內子脈沖個數(shù)。信號綜合總帶寬B=(N-1)dF+ban d,根據(jù)波形設計準則,一般ban d＞dF[1-2],因而B≈N·dF,回波信號經(jīng)過混頻、解調及后續(xù)信號處理后獲得與直接發(fā)射瞬時帶寬為B的大帶寬信號相同的距離分辨率。

設單散射點目標P作勻速運動,徑向速度為v,初始距離對應時延為tl0,目標距離時延tl=tl0-,c為光速,得到解調后的步進頻率回波數(shù)據(jù)如下:

式中,σ為目標散射強度,m為第m個子脈沖的標號。對式(2)作IFFT運算即完成綜合成像過程,公式中一次相位exp(j2πf0b·m)將使得綜合成像結果發(fā)生偏移,二次相位exp(j2π·dF·b·m2)將使得綜合成像結果產(chǎn)生波形畸變、失真[3-4]。偏移距離為

未經(jīng)速度補償時運動目標綜合成像結果形狀畸變且位置較其真實位置發(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]要求目標在綜合成像結果中的位置與目標真實位置一致,否則距離像拼接結果出現(xiàn)錯誤。為了消除目標運動的影響,需要估計目標的運動速度且速度估計誤差必須滿足要求,依據(jù)估計速度構造式(2)中的一次相位、二次相位進行補償。

目標運動同樣引起子脈沖距離走動[2],一方面目標運動引起的目標距離變化使得目標在多個子脈沖脈壓結果中的峰值位置出現(xiàn)距離走動現(xiàn)象;另一方面,各子脈沖載頻步進變化引入的距離多普勒耦合量不同。上述距離走動導致綜合成像時存在能量泄露與偽峰,需要依據(jù)目標速度估計值進行多普勒校正和包絡對齊處理來消除子脈沖距離走動。

2 步進頻率綜合寬帶處理

若窄帶模式提供的測速精度滿足步進頻率綜合寬帶處理要求,則使用窄帶模式的目標速度估計值進行運動補償處理,否則需要發(fā)射對應的波形進行自測速處理。對目標徑向速度的估計方法可分為兩類:一類是通過回波數(shù)據(jù)直接計算求取目標速度,如時域互相關[3]、頻域互相關法[3]、正負調頻測速[4]等;另一類是利用構造的評價函數(shù)在一定速度范圍搜索最大值/最小值獲得目標速度,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。本文采用第一類算法中的相位差分-IFFT測速算法[10]進行測速處理,此處不再詳細討論。

脈沖壓縮后大尺寸目標回波信號分布在子脈沖的相鄰若干距離單元內,需要拼接每個距離單元的綜合成像結果得到大尺寸目標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,這兩種方法對目標速度的估計誤差有較高要求,若速度估計誤差較大則距離像拼接結果出錯。本文采用散射中心對齊法[9]進行距離像拼接,該方法對速度估計誤差要求相對較低,通過頻域線性相位乘因子實現(xiàn)目標多個散射中心沿快時間維對齊,抽取若干等距的平行線得到目標高分辨距離像。

綜上所述,步進頻率綜合寬帶信號處理流程包含如下步驟:多普勒補償和包絡對齊、脈沖壓縮、測速、包絡再對齊、相位補償、綜合成像、距離像拼接,如圖1所示。若窄帶模式提供的測速精度滿足要求,則可省去測速、包絡再對齊兩個處理步驟。

3 多目標成像處理

實際工作場景中存在多個目標相距較近的情形,此時獲取的距離像應能表征各目標自身的散射點特征和目標間距離關系。若這些目標徑向速度相同,則按照圖1所示流程處理即可,但大多數(shù)情形下各目標的徑向速度不同,例如彈道導彈彈頭、彈體分離初始時刻,此時彈頭、彈體距離較近,但速度差別較大。如果只是按照某個目標的速度對整個數(shù)據(jù)段進行步進頻率綜合寬帶處理,則速度不匹配目標的距離像形狀發(fā)生畸變且目標間的距離關系產(chǎn)生偏差。

圖1 步進頻率綜合寬帶信號處理流程

采用多目標成像處理方法,依據(jù)每個目標的估計速度對每個目標分別進行運動補償、成像處理,得到各目標的距離像拼接結果,再將多個目標的距離像按照距離關系進行拼接綜合得到多目標距離像。本文只討論脈沖壓縮后多目標出現(xiàn)在不同距離單元上的情形,多目標成像處理時需要隔離各個目標的回波信號才能實現(xiàn)各目標獨立精準運動補償。脈沖壓縮后各個目標在距離上可分,可通過截取當前目標附近若干距離單元數(shù)據(jù)實現(xiàn)對其他目標回波信號的隔離,具體措施為:將脈壓結果中兩個目標峰值之間的中心位置作為分割界限進行分割,若目標個數(shù)為N,則脈壓后有效數(shù)據(jù)段被分成N段,每段包含一個目標,如圖2所示。對每段數(shù)據(jù)分別進行包絡再對齊、相位補償、綜合成像、距離像拼接等操作。

圖2 多目標數(shù)據(jù)分段

非大時寬大脈寬超高速運動情況下多普勒未完全補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。脈沖壓縮時依據(jù)某個目標的速度估計值完成多普勒補償和包絡對齊,而其余目標的真實速度與該值偏差較大,導致這些目標包絡未完全對齊,進而引起綜合成像結果能量分散以及拼接距離像時出現(xiàn)偽峰。因而,需要依據(jù)各目標估計速度對各目標的分段數(shù)據(jù)進行包絡再對齊處理,包絡再對齊通過在分段數(shù)據(jù)頻域乘上對應的線性相位因子后在反變換回時域實現(xiàn)。設分段數(shù)據(jù)為s(n,m),當前目標速度估計值為V1,脈沖壓縮時速度補償值為V0,包絡對齊后分段數(shù)據(jù)為u(n,m),則包絡再對齊過程由式(4)、式(5)、式(6)表示:

式中,n為距離單元標號,m為脈沖串內第m個子脈沖的標識,T為脈沖重復周期,f0為起始載頻,dF為脈間頻率步進量,Kr為子脈沖調頻斜率,fS為子脈沖采樣頻率,L為FFT、IFFT點數(shù),k取值0,1,…,L-1。

綜上所述,多目標成像處理包含多普勒補償、包絡對齊、脈沖壓縮、數(shù)據(jù)分段、包絡再對齊、相位補償、綜合成像、距離像拼接等步驟,如圖3所示。

圖3 步進頻率綜合寬帶多目標成像處理流程

4 仿真分析

假設存在3個相距較近的目標,分別位于距離29 998,30 107和30 157 m處,遠離雷達的速度分別為400,800和600 m/s。第1個目標由4個散射點構成,相鄰散射點間隔為4,2和11 m,散射強度為1,1,1,1;第2個目標由3個散射點構成,相鄰散射點間隔為3 m,4 m,散射強度為1,2,1;第3個目標由3個散射點構成,相鄰散射點間隔為3 m,4 m,散射強度為6,2,5。雷達發(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,頻率步進間隔為15 MHz,脈沖個數(shù)為14,脈沖重復周期為1 ms,子脈沖脈壓前回波信噪比為-5 dB。依據(jù)第1個目標速度對回波數(shù)據(jù)進行多普勒校正、包絡對齊處理,脈沖結果如圖4所示,為了壓低距離旁瓣,脈沖壓縮時加40 dB泰勒窗。

按照圖2進行多目標數(shù)據(jù)分段,圖5、圖6、圖7分別給出了第1個目標、第2個目標、第3個目標包絡再對齊前后結果對比,第1個目標實際上無需包絡再對齊處理,從圖中可以看出,各個目標數(shù)據(jù)經(jīng)過包絡再對齊處理后包絡對齊較好,且修正了目標的距離位置。

圖4 多目標子脈沖脈壓結果

圖5 第1個目標包絡再對齊前后結果

圖6 第2個目標包絡再對齊前后結果

圖7 第3個目標包絡再對齊前后結果

若多個目標的徑向速度相同,使用本文的多目標成像方法與普通的單目標成像方法得到的距離像應是一致的,圖8給出了多目標速度相同(遠離雷達速度為400 m/s)時成像結果,此時多目標成像處理結果與單目標成像處理結果一致。

圖8 多目標速度相同時綜合成像結果

圖9給出了多目標速度不同時綜合成像結果,從圖中可以看出,多目標成像方法得到的距離像中各目標散射特征未發(fā)生畸變且真實反映各目標距離關系;單目標成像處理得到的距離像中第2、第3目標散射特征畸變且未能真實反映各目標距離關系。第1目標的散射特征理論上應該未受影響,但圖9中第1目標的幅度有5 dB左右的損失,這是由第3目標的散射強度較強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目標的散射強度不變,第2目標的散射強度為原先的0.5倍,第3目標的散射強度為原先的0.1倍。圖10給出了散射強度改變后多目標速度不同時綜合成像結果,從圖中可以看出單目標成像處理結果和多目標成像處理結果中第1目標的成像結果是一致的。

圖9 多目標速度不同時的綜合成像結果

圖10 目標1強度最強時多目標速度不同的綜合成像結果

5 結束語

本文梳理了步進頻率雷達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情形的多目標成像方法,解決了單目標成像方法獲取的距離像中目標形狀畸變、位置失真的現(xiàn)象。該方法通過對脈沖壓縮后數(shù)據(jù)分割分段和包絡再對齊處理,再逐個對目標綜合寬帶處理,運算量小,易于工程實現(xiàn)。

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