施興相, 廖可非,2*, 賈新迪
(1.桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院, 桂林 541004; 2.桂林電子科技大學(xué)衛(wèi)星導(dǎo)航定位與位置服務(wù)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心, 桂林 541004)
頻率掃描陣列是一種電掃描陣列,通過改變工作頻率而使天線陣元間的相位發(fā)生變化。能夠?qū)崿F(xiàn)陣列天線波束掃描及指向目標(biāo)[1]。因?yàn)槠涮炀€波束變換靈活和硬件成本低等優(yōu)勢(shì)[2],頻率掃描陣列雷達(dá)在目標(biāo)識(shí)別方面呈現(xiàn)著重要作用[3]。但是,當(dāng)頻率掃描陣列的波束指向某一目標(biāo)方位時(shí),頻率掃描陣列中各輻射單元間饋線產(chǎn)生的相位差不能改變發(fā)射或接收信號(hào)的頻率[4]。一旦頻率改變,會(huì)導(dǎo)致相位誤差的產(chǎn)生。相位誤差會(huì)隨信號(hào)瞬時(shí)帶寬的增大而變大,最終引起波束指向的偏移以及造成波瓣形狀不對(duì)稱,副瓣電平增高等現(xiàn)象[5]。因此,頻率掃描陣列對(duì)信號(hào)瞬時(shí)帶寬有較大的約束。在配合使用需要發(fā)射寬帶信號(hào)的逆合成孔徑雷達(dá)(inverse synthetic aperture radar,ISAR)成像技術(shù)時(shí),頻率掃描陣列受到了很大限制[6]。
為了解決上述問題,引入了頻率分集ISAR成像技術(shù)[7]。在研究過程中,要明確此技術(shù)與頻率分集陣列的不同,避免兩者的概念混淆。頻率分集陣列的工作原理是在同一時(shí)刻,每個(gè)陣元以不同的頻率向目標(biāo)發(fā)射信號(hào),實(shí)現(xiàn)整個(gè)探測(cè)空域的自動(dòng)掃描[8]。而頻率分集技術(shù)采用的是分時(shí)發(fā)射單頻信號(hào)的方法,即在不同時(shí)刻向觀測(cè)目標(biāo)發(fā)射不同頻率的信號(hào),所以頻率分集ISAR成像技術(shù)通過將不同頻率的單頻信號(hào)合成寬帶信號(hào)從而獲得距離向分辨能力[9-10],并利用目標(biāo)與雷達(dá)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)合成孔徑,得到方位向分辨能力,最終形成對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的二維成像能力。將頻率分集ISAR成像應(yīng)用在頻率掃描陣列上,可形成一種新的成像體制,在該體制中發(fā)射頻率信號(hào)與波束指向角度還存在一個(gè)對(duì)應(yīng)的關(guān)系,此關(guān)系將在成像模型部分進(jìn)行推導(dǎo)。通過發(fā)射多個(gè)單頻信號(hào)并結(jié)合頻率合成技術(shù),可實(shí)現(xiàn)用于頻率掃描陣列的ISAR目標(biāo)成像方法。結(jié)果表明該成像方法既可以形成波束指向目標(biāo),又可以克服發(fā)射頻率信號(hào)時(shí)對(duì)瞬時(shí)帶寬的限制,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的二維成像。因此,頻率分集ISAR成像在頻率掃描陣列上的應(yīng)用對(duì)降低ISAR成像系統(tǒng)的復(fù)雜度、制造成本以及提升系統(tǒng)帶寬資源的靈活度和提高成像的質(zhì)量等方面具有重要意義[11]。
首先介紹頻率分集聯(lián)合頻率掃描陣列ISAR成像基本原理和后向投影(back propagation,BP)算法原理,并建立基于頻率分集技術(shù)的頻率掃描陣列ISAR成像模型;然后對(duì)成像模型進(jìn)行仿真分析,驗(yàn)證該模型的有效性,接著再分析該模型系統(tǒng)性能,主要是分析此雷達(dá)系統(tǒng)的陣列參數(shù)與目標(biāo)航跡參數(shù)對(duì)成像的距離向分辨率和方位向分辨率產(chǎn)生的影響;最后給出結(jié)論。
ISAR的工作方式是雷達(dá)保持靜止的狀態(tài)并對(duì)持續(xù)移動(dòng)的目標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)[12]。在觀測(cè)運(yùn)動(dòng)物體時(shí)雷達(dá)會(huì)產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度,得到方位向分辨率,再通過發(fā)射大寬帶信號(hào)得到距離維度相關(guān)信息,由此具備對(duì)目標(biāo)的二維成像能力。然而,發(fā)射大寬帶信號(hào)對(duì)系統(tǒng)硬件有較高的要求,也會(huì)給信號(hào)帶寬資源帶來極大的浪費(fèi)[13]。現(xiàn)在利用頻率分集技術(shù),通過發(fā)射單頻信號(hào)解決上述問題。
雷達(dá)距離目標(biāo)的垂直距離為R0;w為初始時(shí)刻目標(biāo)到雷達(dá)的距離;a為tn時(shí)刻目標(biāo)與雷達(dá)間的距離;目標(biāo)在空中沿直線以速度v勻速飛行;b為目標(biāo)的飛行距離,且b=vtn;N為觀測(cè)次數(shù);α為初始時(shí)刻目標(biāo)到雷達(dá)的俯視角度;在雷達(dá)視角中,目標(biāo)較初始時(shí)刻轉(zhuǎn)過角度為θ圖1 基于頻率分集技術(shù)的頻率掃描陣列ISAR模型Fig.1 ISAR model of frequency scan array based on frequency diversity technology
結(jié)合以上的構(gòu)想,基于頻率分集技術(shù)的頻率掃描陣列ISAR模型如圖1所示。tn時(shí)刻雷達(dá)向觀測(cè)目標(biāo)發(fā)射的單頻信號(hào)fn計(jì)算公式為
fn=f0+snΔf,n=1,2,…,N
(1)
式(1)中:sn表示在[1,N]任意一個(gè)數(shù);Δf為頻率增量,并設(shè)定載頻f0遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于任意倍數(shù)的頻率增量snΔf。
根據(jù)圖1中所示,結(jié)合所設(shè)置的各部分變量,可得到關(guān)系式為
(2)
式(2)化簡(jiǎn)可得
(3)
通過對(duì)頻率掃描陣列天線結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步分析[14],可以發(fā)現(xiàn)天線發(fā)射頻率與波束掃描角度的關(guān)系。圖2所示為頻率掃描陣列的結(jié)構(gòu)模型。
圖2 頻率掃描陣列結(jié)構(gòu)模型Fig.2 Structure model of frequency scanning array
頻率掃描陣列各單元等間距排列,陣元個(gè)數(shù)為M,d為陣元間距,各陣元由饋線l串聯(lián)連接。通過觀察,由傳輸線引起的陣元之間的相位差φ1為
(4)
當(dāng)陣列對(duì)空中目標(biāo)進(jìn)行掃描時(shí),相鄰陣元之間的波程差φ2為
(5)
那么相鄰陣元在空間的某點(diǎn)相位差可表示為
(6)
(7)
式(7)在僅考慮幅值的情況下可以化簡(jiǎn)為
(8)
由洛必達(dá)法則可知,式(8)的最大值發(fā)生點(diǎn)為
(9)
注意式(8)右側(cè)取2kπ,因?yàn)閘>d,且λg>λ,從而Δφ>0。進(jìn)一步化簡(jiǎn)得
(10)
式(10)即為天線波束指向角度與不同頻率的單頻發(fā)射信號(hào)之間的關(guān)系,可以看出結(jié)合頻率分集的概念,可以在波束指向和發(fā)射頻率間建立起一種確定關(guān)系,通過在不同時(shí)刻發(fā)射不同信號(hào)頻率值,使天線波束的指向角度跟隨著發(fā)生變化,解決了頻掃天線波束的指向問題。
繼續(xù)將式(10)與式(3)進(jìn)行聯(lián)立,可以得到新的式子,即
(11)
式(11)過于復(fù)雜,不能直觀地看出發(fā)射信號(hào)頻率與各項(xiàng)參數(shù)之間的關(guān)系,做進(jìn)一步化簡(jiǎn)可以得到
(12)
(13)
由上述過程,推導(dǎo)出了頻率掃描陣列發(fā)射頻率與目標(biāo)飛行角度之間的關(guān)系,可以看出這里的發(fā)射頻率由多個(gè)參數(shù)確定,其中大致包括頻率掃描陣列與運(yùn)動(dòng)目標(biāo)這兩部分的參數(shù)。不同的發(fā)射頻率具有不同指向角度的波束,將不同頻率回波信號(hào)合成寬帶信號(hào),進(jìn)一步處理獲取距離向分辨率。聯(lián)合上述參數(shù)確定成像需要的帶寬,可以提高帶寬資源利用率。
后向投影(BP)算法的核心內(nèi)容是“補(bǔ)償-求和”[15]。首先對(duì)觀測(cè)區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分(散射點(diǎn)包含在其中),然后對(duì)整個(gè)網(wǎng)格矩陣進(jìn)行遍歷,獲得散射點(diǎn)與雷達(dá)之間的時(shí)延,最后將時(shí)延補(bǔ)償后的回波信號(hào)做相干累加,獲得目標(biāo)的圖像。
根據(jù)以上思路,假設(shè)頻率掃描陣列各輻射單元等間距排列,輻射單元個(gè)數(shù)為M,雷達(dá)在不同觀測(cè)時(shí)刻,向目標(biāo)場(chǎng)景發(fā)射不同頻率的單頻信號(hào),若設(shè)當(dāng)前觀測(cè)時(shí)間為tn,所需發(fā)射的頻率為fn,此時(shí)發(fā)射天線發(fā)射的信號(hào)可以表示為
x(tn)=s(tn)exp{j2πfntn},n=1,2,…,N
(14)
式(14)中:s(tn)為信號(hào)的復(fù)包絡(luò)。
選擇陣列中第一個(gè)輻射單元為參考單元,對(duì)成像區(qū)域中某一目標(biāo)散射點(diǎn)p進(jìn)行觀測(cè),該散射點(diǎn)沿陣列射線的法向夾角為θp(tn),與雷達(dá)的距離為Rp(tn),電磁波沿空間的傳播速度為光速,用c表示,則第m個(gè)輻射單元的回波信號(hào)時(shí)延表示為
(15)
掃描信號(hào)被目標(biāo)反射,由雷達(dá)系統(tǒng)接收并進(jìn)行數(shù)字采樣、混頻后得到tn時(shí)刻的回波信號(hào),即
m=1,2,…,M
(16)
式(16)中:σp為該散射點(diǎn)散射系數(shù);s(tn)的變換相對(duì)比較慢,可忽略不計(jì)。此時(shí)得到的是某一觀測(cè)時(shí)刻的回波矩陣,更新觀測(cè)時(shí)間,得到N個(gè)觀測(cè)時(shí)刻的回波信號(hào)矩陣,即
Xe(tn)=[xe(t1)xe(t2) …xe(tN)]
(17)
使用后向投影算法,把成像的區(qū)域劃分為網(wǎng)格的形狀,并且對(duì)每個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)(x,y)做相應(yīng)的時(shí)延補(bǔ)償,該點(diǎn)相對(duì)于第m個(gè)輻射單元的時(shí)延補(bǔ)償項(xiàng)可以表示為
(18)
式(18)中:Rx,y是網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)(x,y)到達(dá)雷達(dá)的距離;θx,y是該節(jié)點(diǎn)相對(duì)于雷達(dá)法線方向的角度,所以tn時(shí)刻補(bǔ)償相位后回波的信號(hào)矩陣表示為
(19)
將N個(gè)觀測(cè)時(shí)刻進(jìn)行相位補(bǔ)償?shù)幕夭ň仃囅鄥⒗奂樱纯色@得目標(biāo)二維像為
(20)
為了驗(yàn)證本文所提頻率掃描陣列ISAR成像方法的有效性,進(jìn)行了基于MATLAB的仿真實(shí)驗(yàn)。設(shè)置的仿真參數(shù)如表1所示。
表1 仿真參數(shù)Table 1 Simulation parameters
成像過程中目標(biāo)相對(duì)于雷達(dá)轉(zhuǎn)過的角度范圍為-5°~5°,假設(shè)目標(biāo)做剛體運(yùn)動(dòng),將目標(biāo)等效為5個(gè)散射點(diǎn),分別設(shè)置在(0°,10 km),(0°,9.97 km),(0°,10.03 km),(3°,10 km),(-3°,10 km),目標(biāo)散射系數(shù)為1,目標(biāo)在場(chǎng)景中的分布示意圖和仿真圖分別如圖3和圖4所示。
對(duì)比圖3與圖4可以看出,使用頻率掃描陣列ISAR體制對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行成像,仿真結(jié)果可以重建目標(biāo)散射點(diǎn)的相對(duì)位置。仿真成像結(jié)果表明,本文所提的頻率掃描陣列ISAR目標(biāo)成像方法,通過發(fā)射多個(gè)單頻信號(hào)并結(jié)合頻率合成技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的二維成像,解決了頻率掃描陣列不能發(fā)射寬帶信號(hào)的缺點(diǎn)。相比于寬帶相控陣ISAR成像,降低了系統(tǒng)復(fù)雜度與成本。
圖3 目標(biāo)散點(diǎn)分布示意圖Fig.3 Schematic diagram of scattering point distribution
圖4 成像仿真結(jié)果Fig.4 Results of imaging simulation
2.2.1 基本特性
通過式(12)計(jì)算求得掃描區(qū)域兩個(gè)邊界角度相應(yīng)的頻率值,頻率增量即為此系統(tǒng)所能達(dá)到的最大帶寬。因此,頻率掃描陣列ISAR成像系統(tǒng)的距離向分辨率表示為
(21)
式(21)中:B為頻率掃描陣列ISAR系統(tǒng)的帶寬。由式(21)可知,由于只存在系統(tǒng)帶寬這一可控變量,所以它對(duì)雷達(dá)的距離分辨率影響很大,系統(tǒng)的分辨率隨著帶寬的增加得到有效的提升,這是ISAR常用的實(shí)現(xiàn)成像高精度效果的處理手段。
逆合成孔徑雷達(dá)利用雷達(dá)和觀測(cè)目標(biāo)之間的相對(duì)移動(dòng)的過程合成孔徑,從而獲得方位向上的分辨能力。相比于實(shí)孔徑雷達(dá),逆合成孔徑雷達(dá)不但可以縮減天線的長(zhǎng)度,而且擁有更高的分辨率,其表達(dá)式為
(22)
式(22)中:f0系統(tǒng)初始Δθ時(shí)刻載頻;N為觀測(cè)次數(shù);Δθ為相鄰兩個(gè)觀測(cè)時(shí)刻所偏移的角度,可寫作Φ=NΔθ,Φ即為成像過程中的合成孔徑目標(biāo)。
2.2.2 陣列參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響
本節(jié)將在目標(biāo)航跡參數(shù)確定的情況下,分析陣列參數(shù)對(duì)成像系統(tǒng)性能的影響,其中包括陣元個(gè)數(shù)、陣元間距以及饋線長(zhǎng)度。目標(biāo)航跡參數(shù)如表2所示。
表2 目標(biāo)航跡參數(shù)Table 2 Target track parameters
根據(jù)式(12)可知,在航跡參數(shù)確定的情況下,η可看作是一個(gè)常數(shù)h,則發(fā)射頻率可重新表示為
(23)
由于給的參數(shù)過多,為了方便區(qū)分和理解,將距離向分辨率和方位向分辨率分開討論,現(xiàn)在結(jié)合式(21),先討論以下幾個(gè)因素對(duì)距離向分辨率造成的變化。
(1)陣元個(gè)數(shù)造成的影響。圖5為模擬回波距離向切片圖,表明距離向分辨率會(huì)隨著陣元個(gè)數(shù)的增加而提高。原因是頻率掃描陣列形成波束指向目標(biāo)時(shí),多個(gè)陣元將回波數(shù)據(jù)進(jìn)行多次累加,累加的結(jié)果使得成像結(jié)果圖的旁瓣越來越低,提升成像效果。所以相比于單陣元系統(tǒng),多陣元系統(tǒng)在成像效果方面更具有優(yōu)勢(shì)。
圖5 不同陣元個(gè)數(shù)距離向仿真切片圖Fig.5 Slice diagram of range simulation with different number of array elements
(2)陣元間距的影響。由式(23)可知,當(dāng)η>0,即陣元間距增大時(shí),表達(dá)式分母變小,發(fā)射信號(hào)頻率增大。波束指向最大偏轉(zhuǎn)角所需的頻率變大,系統(tǒng)帶寬也會(huì)變大,距離向分辨率隨之提升。圖6為d與ρr之間的反比關(guān)系圖。
圖6 陣元間距與距離向分辨率關(guān)系Fig.6 Relationship between array element spacing and range resolution
(3)饋線長(zhǎng)度的影響。成像系統(tǒng)的距離向分辨率與系統(tǒng)帶寬有關(guān),由式(23)可知,因?yàn)橄鄬?duì)介電常數(shù)大于零,當(dāng)饋線長(zhǎng)度增加時(shí),系統(tǒng)合成帶寬減少,成像系統(tǒng)的ρr逐漸變大。所以饋線長(zhǎng)度l與系統(tǒng)的ρr成正比關(guān)系。
假設(shè)上述影響因子不變,繼續(xù)探討它們與方位向分辨率的關(guān)聯(lián),得到如下相關(guān)的結(jié)果。
(1)陣元個(gè)數(shù)。根據(jù)式(22),雷達(dá)方位向分辨率取決于雷達(dá)系統(tǒng)的初始時(shí)刻的載頻、觀測(cè)次數(shù)以及相鄰兩個(gè)觀測(cè)時(shí)刻所偏移的角度,而陣元的個(gè)數(shù)并不會(huì)引起上述3個(gè)重要因素的變化,故方位向分辨率保持不變;圖7為M=3、M=10、M=15情況下的模擬回波方位向切片圖,仿真圖也表明陣元個(gè)數(shù)對(duì)方位向分辨率只產(chǎn)生了微弱的影響。
圖7 不同陣元個(gè)數(shù)方位向仿真切片圖Fig.7 Slice diagram of azimuth simulation with different number of array elements
(2)陣元間距和饋線長(zhǎng)度造成的影響。如圖8所示,陣元間距變大會(huì)導(dǎo)致信號(hào)發(fā)射頻率的增加,但這只會(huì)影響距離向分辨率。在式(22)中,分別對(duì)照3個(gè)主要變化因素,可知當(dāng)固定系統(tǒng)其余的參數(shù)值,只改變饋線長(zhǎng)度或改變陣元間距的數(shù)值,并不會(huì)對(duì)成像系統(tǒng)的ρθ產(chǎn)生影響。
圖8 陣元間距與信號(hào)發(fā)射頻率關(guān)系Fig.8 Relationship between array element spacing and signal transmitting frequency
2.2.3 航跡參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響
在頻率掃描陣列參數(shù)確定的情況下,分析目標(biāo)航跡參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響,其中包括目標(biāo)飛行速度、觀測(cè)次數(shù)以及初始距離。參數(shù)如表3所示。
表3 陣列參數(shù)Table 3 Array parameters
(24)
式(24)的分子沒有改變,但由于給了不同的定值,分母則發(fā)生了很大的變化,距離向分辨率與上述因素的關(guān)聯(lián)如下。
(1)飛行速度和觀測(cè)次數(shù)。根據(jù)式(24),不能直觀地看出系統(tǒng)發(fā)射頻率fn與目標(biāo)飛行速度關(guān)系,采用控制變量法,控制觀測(cè)次數(shù)、雷達(dá)垂直距離、目標(biāo)飛行速度這3個(gè)影響因素。其中先控制觀測(cè)次數(shù)、雷達(dá)垂直距離為定值,觀察飛行速度與分辨率的變化,如圖9所示。再使雷達(dá)垂直距離、目標(biāo)飛行速度為定值,觀察觀測(cè)次數(shù)與分辨率的變化,如圖10所示。最后,隨著目標(biāo)飛行速度或觀測(cè)次數(shù)的增大,目標(biāo)飛行速度和觀測(cè)次數(shù)都與ρr呈反比關(guān)系。這兩個(gè)因素導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)射頻率增大,所以系統(tǒng)帶寬隨之變大,進(jìn)一步使ρr減小。
圖9 飛行速度與距離分辨率關(guān)系Fig.9 Relationship between flight speed and range resolution
(2)雷達(dá)到目標(biāo)的垂直距離對(duì)系統(tǒng)性能造成的變化。根據(jù)式(24)采用控制變量法,ρr與雷達(dá)垂直距離呈正比關(guān)系變化。
最后,還有對(duì)系統(tǒng)方位向分辨率的影響,有些因素本質(zhì)上影響相同,可分為兩個(gè)方面說明。
(1)飛行速度和觀測(cè)次數(shù)。由仿真參數(shù)可知,脈沖重復(fù)頻率PRF=1 000 Hz,則脈沖重復(fù)間隔TPRI=0.001 s,假設(shè)每隔20個(gè)脈沖重復(fù)間隔觀測(cè)一次,那么飛行目標(biāo)在相鄰的兩次觀測(cè)時(shí)間內(nèi)移動(dòng)的距離為
D=20VTPRI
(25)
在觀測(cè)次數(shù)和初始距離確定的情況下,目標(biāo)飛行速度越快,成像過程中目標(biāo)徑向飛行距離越大,所轉(zhuǎn)過的角度也會(huì)增大。方位分辨率與f0和NΔθ有關(guān),因此系統(tǒng)的方位向分辨率會(huì)隨著目標(biāo)飛行速度的增加而變小。同樣的,由于相鄰兩次觀測(cè)時(shí)間內(nèi)移動(dòng)距離是確定的,所以觀測(cè)次數(shù)對(duì)ρθ的影響與飛行速度參數(shù)對(duì)ρθ的影響本質(zhì)上相同,都隨著NΔθ的增加,導(dǎo)致ρθ減小。
(2)雷達(dá)到目標(biāo)的垂直距離對(duì)系統(tǒng)性能的影響。根據(jù)圖1系統(tǒng)模型,在目標(biāo)飛行速度,觀測(cè)次數(shù)確定的情況下,雷達(dá)垂直距離越大,目標(biāo)相對(duì)于雷達(dá)所轉(zhuǎn)過的角度越小。由式(22)可知,NΔθ為合成孔徑,即目標(biāo)相對(duì)于雷達(dá)轉(zhuǎn)過的角度,因此ρθ會(huì)隨著初始距離的增大而增大。
頻率掃描陣列可以通過改變工作頻率控制天線波束的掃描,但發(fā)射寬帶信號(hào)時(shí)對(duì)瞬時(shí)帶寬有較大的約束和限制,進(jìn)而降低了雷達(dá)成像的質(zhì)量。所以將頻率分集ISAR成像方法與頻率掃描陣列聯(lián)合應(yīng)用,構(gòu)建頻率掃描陣列ISAR成像系統(tǒng),解決了頻率掃描陣列不適合于ISAR成像的問題,并經(jīng)過實(shí)驗(yàn)后得出以下的結(jié)論。
(1)頻率分集ISAR成像與頻率掃描陣列聯(lián)合應(yīng)用,在頻率改變的同時(shí)實(shí)現(xiàn)波束指向和寬帶信號(hào)合成功能,可解決信號(hào)瞬時(shí)帶寬約束問題,結(jié)合BP成像算法,完成了對(duì)目標(biāo)的二維成像,與相控陣相比,可降低ISAR成像成本。
(2)采用控制變量法討論了陣列參數(shù)與目標(biāo)航跡參數(shù)對(duì)系統(tǒng)距離向分辨率和方位向分辨率的影響,給出了頻率掃描陣列ISAR成像的應(yīng)用指導(dǎo)。