雷達(dá)導(dǎo)引頭單脈沖前視成像技術(shù)研究

杜 勇，磨國瑞，楊海粟，吳一龍

(西安電子工程研究所， 西安710100)

0 引言

現(xiàn)有的常規(guī)雷達(dá)導(dǎo)引頭主要利用合成孔徑雷達(dá)(SAR)、多普勒波束銳化(DBS)等技術(shù)，利用雷達(dá)平臺(tái)相對(duì)地面目標(biāo)運(yùn)動(dòng)引起的多普勒頻率變化提高方位分辨率。但是，在前視方向，由于距離-方位耦合較大，方位分辨率急劇下降，SAR、DBS等技術(shù)容易形成前視成像盲區(qū)，大大制約了這類技術(shù)在精確制導(dǎo)領(lǐng)域中的應(yīng)用。未來精確制導(dǎo)導(dǎo)彈朝著高/超聲速方向發(fā)展，導(dǎo)彈飛行速度快，不容易大角度變軌飛行，而在末制導(dǎo)階段選擇攻擊點(diǎn)時(shí)，導(dǎo)彈主要關(guān)心的是航向正前方的目標(biāo)信息，因此需要制導(dǎo)雷達(dá)具備前視成像能力。

目前，我們主要借鑒機(jī)載雷達(dá)前視成像技術(shù)，開展雷達(dá)導(dǎo)引頭成像技術(shù)研究。實(shí)波束成像［1］依賴于雷達(dá)波束寬度，能在一定程度上實(shí)現(xiàn)角度分辨，波束越窄，角分辨率越高。受限于實(shí)孔徑波束寬度，該技術(shù)在近距離可獲得較好的成像效果，但是仍不能滿足遠(yuǎn)距離導(dǎo)彈制導(dǎo)前視成像分辨率的要求。解卷積方位超分辨技術(shù)［2］具有較成熟的理論基礎(chǔ)，根據(jù)其處理特點(diǎn)也僅適合于較簡(jiǎn)單探測(cè)背景條件下對(duì)孤立強(qiáng)雷達(dá)散射特征點(diǎn)目標(biāo)的成像制導(dǎo)應(yīng)用場(chǎng)合。但由于其較復(fù)雜的處理算法以及對(duì)目標(biāo)檢測(cè)信噪比的苛刻要求，工程應(yīng)用適應(yīng)性較差，需要進(jìn)一步完善。

相對(duì)于實(shí)波束成像以及解卷積方位超分辨技術(shù)，單脈沖成像技術(shù)原理清晰，算法簡(jiǎn)單，易于工程實(shí)現(xiàn)，適合于較簡(jiǎn)單探測(cè)背景條件下對(duì)孤立強(qiáng)雷達(dá)散射特征點(diǎn)目標(biāo)的成像制導(dǎo)應(yīng)用場(chǎng)合。單脈沖前視成像技術(shù)［3-5］將距離高分辨技術(shù)與單脈沖測(cè)角技術(shù)相結(jié)合，利用脈沖壓縮實(shí)現(xiàn)距離維高分辨，利用單脈沖測(cè)角技術(shù)實(shí)現(xiàn)不同距離單元強(qiáng)散射點(diǎn)間的方位維高分辨，能有效彌補(bǔ)SAR技術(shù)在前視成像領(lǐng)域的不足，下文將詳細(xì)展開。

1 單脈沖測(cè)角原理

從原理上講，單脈沖雷達(dá)只需要一個(gè)回波脈沖，就能提取出目標(biāo)的方位位置的全部信息［6］。由于其測(cè)量精度高，單脈沖技術(shù)廣泛應(yīng)用于對(duì)目標(biāo)的搜索與跟蹤中。單脈沖測(cè)角是同時(shí)波瓣測(cè)角法［7-8］的一種，即在同一個(gè)角平面內(nèi)，利用相互交疊的天線波束多路同時(shí)接收雷達(dá)回波信號(hào)并進(jìn)行比較，就能求得目標(biāo)在該平面內(nèi)偏離等信號(hào)軸的角度，如圖1所示。圖1a)為兩饋源方向圖，圖1b)為兩饋源交疊后所形成的和、差波束方向圖。

單脈沖跟蹤雷達(dá)的角誤差信號(hào)處理經(jīng)常需要用和路信號(hào)對(duì)角誤差信號(hào)作歸一化處理，并且用和路信號(hào)對(duì)角誤差信號(hào)進(jìn)行鑒相，圖1c)為和差比幅測(cè)角鑒相特性曲線，判斷角誤差信號(hào)的符號(hào)，當(dāng)和路信號(hào)與差路同相時(shí)，判定角誤差的信號(hào)為“+”，當(dāng)和路信號(hào)與差路信號(hào)反相時(shí)，判定角誤差的符號(hào)為“-”。

圖1 單脈沖測(cè)角示意圖

采用數(shù)字信號(hào)處理實(shí)現(xiàn)和差的數(shù)字鑒相，假設(shè)和路信號(hào)為 Σ=ΣI+jΣQ，差路信號(hào)為 Δ=ΔI+jΔQ，則和差歸一化處理為

在式(2)中，由于 I、Q 通道正交，虛部 ΣIΔQ-ΣQΔI為0，所以角度測(cè)量的符號(hào)根據(jù)實(shí)部 ΣIΔI+ΣQΔQ來確定。實(shí)際工程中，和差通道存在一定的相位差，I、Q也不是嚴(yán)格正交，應(yīng)當(dāng)具體情況具體分析，采取相應(yīng)的通道均衡措施校正通道間的誤差。

2 信號(hào)模型

在研究成像算法時(shí)，不妨設(shè)空間存在N個(gè)散射目標(biāo)，第n個(gè)目標(biāo)Pn的方位角為θn，如圖2所示，單脈沖和差天線以角速度w在一定范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，雷達(dá)通過天線不斷向探測(cè)空間發(fā)射寬帶線性調(diào)頻(LFM)信號(hào)并接收各散射點(diǎn)回波。

設(shè)發(fā)射LFM信號(hào)為s(t)，各散射點(diǎn)的后向散射系數(shù)分別為σn，與雷達(dá)距離分別為Rn。設(shè)雷達(dá)天線的收發(fā)間隔為Δt，則，在這段時(shí)間內(nèi)天線轉(zhuǎn)過的角度為Δα=wΔt。

圖2 天線與目標(biāo)方位示意圖

設(shè)天線發(fā)射時(shí)波束中心偏轉(zhuǎn)角為α，此時(shí)第n個(gè)目標(biāo)與波束中心的夾角為θn-α，接收信號(hào)時(shí)，天線波束中心偏角為α+Δα。信號(hào)發(fā)射是通過和通道發(fā)射，接收則是和、差通道同時(shí)接收，忽略發(fā)射及接收信號(hào)時(shí)間內(nèi)天線的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，天線和、差通道回波信號(hào)可以表示為

式中:FΣ(·)、FΔ(·)分別表示和差波束方向圖增益。

3 成像處理流程

雷達(dá)成像是以散射點(diǎn)模型為依據(jù)的［8］，即將目標(biāo)以散射點(diǎn)模型表示，這些散射點(diǎn)處理后就構(gòu)成了目標(biāo)的“雷達(dá)像”。單脈沖成像技術(shù)［6-8］是將距離高分辨技術(shù)與單脈沖測(cè)角技術(shù)結(jié)合，利用脈沖壓縮實(shí)現(xiàn)距離維高分辨，將目標(biāo)各散射點(diǎn)沿徑向距離進(jìn)行分離，然后通過單脈沖測(cè)角技術(shù)測(cè)得各散射中心偏離波束中心的角度，這樣就獲得了波束內(nèi)各散射點(diǎn)的距離和角度信息，根據(jù)這些信息就能獲得雷達(dá)圖像。

圖3 波束內(nèi)目標(biāo)方位示意圖

如圖3所示，實(shí)波束成像對(duì)目標(biāo)1、2難以在方位維上進(jìn)行分辨，結(jié)合單脈沖測(cè)角技術(shù)，目標(biāo)1、2成像的清晰度將顯著提高，而且雷達(dá)像還能反映出目標(biāo)的相對(duì)方位信息。當(dāng)某一距離單元內(nèi)波束方位范圍中只存在一個(gè)強(qiáng)散射目標(biāo)時(shí)，相對(duì)實(shí)波束成像，單脈沖成像對(duì)成像質(zhì)量的改善尤為明顯。

當(dāng)同一距離波門內(nèi)波束范圍中存在兩個(gè)或者多個(gè)強(qiáng)散射目標(biāo)時(shí)，由于角閃爍效應(yīng)［9］，在兩目標(biāo)間形成一個(gè)等效目標(biāo)(如圖3)，角閃爍現(xiàn)象將導(dǎo)致單脈沖成像質(zhì)量的惡化甚至成像結(jié)果的不可靠。針對(duì)此種情況，可利用SAR成像、DBS成像技術(shù)予以解決，但是在前視條件下，由于存在嚴(yán)重距離-方位耦合，SAR和DBS成像均存在一定的難度。

在前視條件下，利用單脈沖成像技術(shù)，雖然無法將同一距離單元內(nèi)的多個(gè)目標(biāo)從方位上分開，但是能改善不同距離單元內(nèi)目標(biāo)之間的方位分辨率，能很好解決實(shí)波束前視成像方位分辨率低、SAR和DBS前視成像距離-方位耦合嚴(yán)重的問題。在單脈沖成像技術(shù)中，首先需要對(duì)和、差兩路回波信號(hào)在距離向上做脈壓處理，然后利用單脈沖技術(shù)的精確定位性能提高目標(biāo)的方位向圖像精度［10］，具體算法流程如圖4所示。

圖4 單脈沖成像流程圖

考慮脈沖積累效應(yīng)，雷達(dá)信號(hào)處理一般以幀(CPI)為單位進(jìn)行。一個(gè)CPI時(shí)間內(nèi)，信號(hào)處理器將雷達(dá)回波視頻信號(hào)經(jīng)過脈沖壓縮、脈沖積累處理后，得到的數(shù)據(jù)如圖5所示(設(shè)一個(gè)CPI周期內(nèi)收到的回波信號(hào)為N個(gè))，橫向表示的是多普勒通道號(hào)，縱向?yàn)榫嚯x單元。

圖5 單脈沖成像數(shù)據(jù)重排示意圖

S(i，j)，D(i，j)分別表示和、差通道數(shù)據(jù)經(jīng)脈沖壓縮、脈沖積累處理后第i個(gè)距離單元第j多普勒通道數(shù)據(jù)。單脈沖測(cè)角后得到對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)單元的角度信息α(i，j)。設(shè)方位向波束劃分單元數(shù)為M，當(dāng)天線半波束寬度為θ0.5時(shí)，方位向每個(gè)劃分單元代表的方位角寬度為θ0.5/M。

建立新的存儲(chǔ)空間I(m，M)，根據(jù)測(cè)角信息α(i，j)，對(duì)和通道數(shù)據(jù)S(i，j)進(jìn)行重排，規(guī)則如下:

保持S(i，j)距離維信息不變，按照 α(i，j)以及方位劃分單元數(shù)M確定方位向數(shù)據(jù)單元號(hào)，方位向單元號(hào)最小為1，最大為M，計(jì)算方式如下

式中:ceil表示朝正無窮方向取整。

4 分辨率

雷達(dá)成像的分辨率分為距離分辨率和方位分辨率［11］。距離分辨率越高，波束照射區(qū)域內(nèi)距離劃分單元越多，這樣同一距離單元內(nèi)可能出現(xiàn)的強(qiáng)散射點(diǎn)數(shù)目將會(huì)減少，角閃爍現(xiàn)象將會(huì)減少。對(duì)于大目標(biāo)，其強(qiáng)散射點(diǎn)將會(huì)分布在更多的距離單元中，這樣用較多的點(diǎn)來描述目標(biāo)也能從一定程度上提高成像質(zhì)量。距離分辨率與信號(hào)的帶寬有關(guān)

方位分辨率主要取決于系統(tǒng)天線波束寬度，雷達(dá)波束越窄，一個(gè)波束內(nèi)目標(biāo)散射點(diǎn)個(gè)數(shù)就會(huì)越少，角閃爍現(xiàn)象越弱，成像質(zhì)量就會(huì)越好。但是，在探測(cè)遠(yuǎn)距離目標(biāo)時(shí)，雷達(dá)波束覆蓋范圍依舊很大，因此，通過減小雷達(dá)波束寬度來提高方位分辨率成效不大，況且受限于機(jī)加工藝及成本，雷達(dá)波束寬度也不可能無限小。

單脈沖成像，表面上看方位分辨率是θ0.5/M，實(shí)際上，從前文可以看出，單脈沖測(cè)角并不能從方位上將同一波束內(nèi)位于同一距離單元內(nèi)不同角度的兩散射點(diǎn)分開，但是這種成像方式能將不同距離單元內(nèi)的目標(biāo)從方位上分辨開來，因此，可以認(rèn)為單脈沖成像對(duì)圖像質(zhì)量的改善是一種非均勻的改善，其并不能改善整幅圖像的方位分辨率。

單脈沖成像技術(shù)對(duì)圖像質(zhì)量的改善主要體現(xiàn)在對(duì)某些典型目標(biāo)(如建筑物、車輛等)成像清晰度的改善上，這種改善在我們關(guān)注雷達(dá)圖像局部特征(例如輪廓)的時(shí)候具有重要的應(yīng)用價(jià)值。針對(duì)艦船等大型面目標(biāo)，以及散射點(diǎn)連片的目標(biāo)，該技術(shù)主要是通過對(duì)面目標(biāo)上的強(qiáng)散射點(diǎn)進(jìn)行分辨，通過對(duì)面目標(biāo)輪廓的成像，彌補(bǔ)SAR技術(shù)在前視成像領(lǐng)域的不足。

5 仿真驗(yàn)證

下文將對(duì)單脈沖前視成像算法開展相應(yīng)的仿真，以驗(yàn)證其正確性，為后期的工程實(shí)現(xiàn)提供必要的參考數(shù)據(jù)。仿真采用的雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)如下:天線方位波束寬度為3°，信號(hào)體制為LFM，信號(hào)帶寬為20 MHz，脈寬為8 μs，重頻為10 kHz，脈沖積累點(diǎn)數(shù)為64，方位向波束劃分單元數(shù)M設(shè)為30。

天線方位指向0°，靜止，強(qiáng)散射點(diǎn)目標(biāo)分布同一個(gè)波束范圍內(nèi)的不同距離單元，目標(biāo)距離設(shè)置為［3 000，4 000，4 000，3 200］m，方位角度設(shè)置為［0，-0.2，0.5，0.3］(°)，實(shí)波束成像以及單脈沖前視成像仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 多目標(biāo)成像對(duì)比

單脈沖成像質(zhì)量較實(shí)波束明顯提高，但是，圖6b)中同距離不同角度的兩目標(biāo)出現(xiàn)角閃爍現(xiàn)象，未能分辨開，而不同距離單元不同方位的目標(biāo)從距離、方位上得以分辨。

天線工作在掃描狀態(tài)，模擬艦船輪廓強(qiáng)散射點(diǎn)分布。天線掃描角度為-5°～+5°，掃描角速度為30°/s。強(qiáng) 散射點(diǎn)陣距離為［3 5 0 0，3 4 6 0，3 5 4 0，3 460，3 540，3 460，3 540，3 500］m，對(duì)應(yīng)的方位角度為［-2，-1.5，-1.5，0，0，0.6，0.6，1.6］(°)，散射點(diǎn)平面內(nèi)分布如圖7a)所示，單脈沖前視成像結(jié)果如圖7b)所示。

圖7 艦船輪廓單脈沖成像仿真

天線靜止單幀數(shù)據(jù)成像，以及天線掃描多幀數(shù)據(jù)成像結(jié)果與預(yù)期結(jié)果較為一致，單脈沖前視成像算法能部分改善圖像的方位分辨率，具有一定的工程實(shí)用性。

6 結(jié)束語

本文所述前視單脈沖成像算法對(duì)圖像質(zhì)量的改善本質(zhì)上是一種非均勻的改善，能部分改善圖像的方位向分辨率，成像質(zhì)量?jī)?yōu)于實(shí)波束成像，但是與SAR圖像還有一定的差距。前視單脈沖成像技術(shù)能解決SAR、DBS技術(shù)成像盲區(qū)的問題，且運(yùn)算量小，具有較高的工程實(shí)用價(jià)值。后續(xù)我們將結(jié)合具體的工程應(yīng)用，開展單脈沖前視成像技術(shù)工程化研究。

［1］ Malenke T，Oeigart T，Rieek W.W-band-radar system in a dual-mode seeker for autonomous target detection［C］//European Conference on EUSAR Cologne.Germany:［s.n.］Press，2002.

［2］ 李悅麗，梁甸農(nóng)，黃曉濤.一種單脈沖雷達(dá)多通道解卷積前視成像方法［J］.信號(hào)處理，2006，23(5):699-703.Li Yueli，Liang Diannong，Huang Xiaotao.A multi-channel deconvolution based on forward-looking imaging method in monopulse radar［J］.Signal Processing，2006，23(5):699-703.

［3］ 孫富君，陶建鋒，孫宏偉.單脈沖雷達(dá)的角度跟蹤干擾研究［J］. 現(xiàn)代雷達(dá)，2004，26(1):17-18，36.Sun Fujun，Tao Jianfeng，Sun Hongwei.Research on monopulse radar angle jamming［J］.Modern Radar，2004，26(1):17-18，36.

［4］ Skolnik M I.雷達(dá)系統(tǒng)導(dǎo)論［M］.3版.左群聲，徐國良，馬 林，等譯.北京:電子工業(yè)出版社，2007.Skolnik M I.Introduction to radar system［M］.3rd ed.Zuo Qunsheng，Xu Guoliang，Ma Lin，et al trans.Beijing:Publishing House of Electronic Industry，2007.

［5］ 丁鷺飛，耿富錄.雷達(dá)原理［M］.3版.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2010.Ding Lufei，Geng Fulu.The principles of radar［M］.3 rd ed.Xi＇an:Xidian University Press，2010.

［6］ 保 錚，刑孟道，王 彤.雷達(dá)成像技術(shù)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2008.Bao Zheng，Xing Mengdao，Wang Tong.Radar imaging technology［M］.Beijing:Publishing House of Electronics Industry，2008.

［7］ 吳 迪，朱岱寅，朱兆達(dá).機(jī)載雷達(dá)單脈沖前視成像算法［J］.中國圖象圖形學(xué)報(bào)，2010，15(3):462-469.Wu Di，Zhu Daiyin，Zhu Zhaoda.Research on monopulse forward-looking imaging algorithm for airborne radar［J］.Journal of Image and Graphics，2010，15(3):462-469.

［8］ 賀林峰.單脈沖成像［D］.武漢:華中科技大學(xué)，2008.He Linfeng.Monopulse imaging［D］.Wuhan:Huazhong U-niversity of Science and Technology，2008.

［9］ 陳剛果，達(dá)文彬，劉 榮，等.基于單脈沖窄帶雷達(dá)ISAR多目標(biāo)成像研究［J］.現(xiàn)代雷達(dá)，2006，28(9):32-36.Chen Gangguo，Da Wenbin，Liu Rong，et al.Study on ISAR multi-target imaging for monopulse narrowband radar［J］.Modern Radar，2006，28(9):32-36.

［10］ 張江華，劉逸平，杜自成.單脈沖雷達(dá)測(cè)角特性分析［J］. 火控雷達(dá)技術(shù)，2005，34(2):55-58.Zhang Jianghua，Liu Yiping，Du Zicheng.Analysis of angle estimation in monopulse radar［J］.Fire Control Radar Technology，2005，34(2):55-58.

［11］ 李朝偉，王宏強(qiáng)，黎 湘.單脈沖雷達(dá)對(duì)目標(biāo)源的檢測(cè)研究［J］. 現(xiàn)代雷達(dá)，2004，26(10):18-21.Li Chaowei，Wang Hongqiang，Li Xiang.Research on detection of multiple unresolved targets by monopulse radar［J］.Modern Radar，2004，26(10):18-21.