步進頻率綜合寬帶多目標(biāo)成像處理

(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(biāo)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(biāo)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(biāo)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(yīng)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(yīng)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(biāo)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(nèi)外學(xué)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(biāo)成像,實際場景中存在距離較近但速度不同的多個目標(biāo),需要在高分辨距離像中同時獲知這些目標(biāo)的散射特征細節(jié)和位置關(guān)系。若按照單目標(biāo)成像方法進行處理,則距離像中只有速度匹配的目標(biāo)的成像結(jié)果是無失真的,其余目標(biāo)的成像結(jié)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(biāo)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(biāo),對每個目標(biāo)單獨進行步進頻率綜合成像處理,綜合各目標(biāo)距離像得到完整距離像,該距離像真實反映各目標(biāo)的散射特征細節(jié)和位置關(guān)系。

1 步進信號運動目標(biāo)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(xué)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(biāo)識;T為脈沖重復(fù)周期;f0為起始載頻;dF為脈間頻率步進量;N為脈沖串內(nèi)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(shè)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(diào)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(shè)單散射點目標(biāo)P作勻速運動,徑向速度為v,初始距離對應(yīng)時延為tl0,目標(biāo)距離時延tl=tl0-,c為光速,得到解調(diào)后的步進頻率回波數(shù)據(jù)如下:

式中,σ為目標(biāo)散射強度,m為第m個子脈沖的標(biāo)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(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)速度補償時運動目標(biāo)綜合成像結(jié)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(biāo)在綜合成像結(jié)果中的位置與目標(biāo)真實位置一致,否則距離像拼接結(jié)果出現(xiàn)錯誤。為了消除目標(biāo)運動的影響,需要估計目標(biāo)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(gòu)造式(2)中的一次相位、二次相位進行補償。

目標(biāo)運動同樣引起子脈沖距離走動[2],一方面目標(biāo)運動引起的目標(biāo)距離變化使得目標(biāo)在多個子脈沖脈壓結(jié)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(dǎo)致綜合成像時存在能量泄露與偽峰,需要依據(jù)目標(biāo)速度估計值進行多普勒校正和包絡(luò)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(biāo)速度估計值進行運動補償處理,否則需要發(fā)射對應(yīng)的波形進行自測速處理。對目標(biāo)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(biāo)速度,如時域互相關(guān)[3]、頻域互相關(guān)法[3]、正負調(diào)頻測速[4]等;另一類是利用構(gòu)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(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。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(biāo)回波信號分布在子脈沖的相鄰若干距離單元內(nèi),需要拼接每個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,這兩種方法對目標(biāo)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(jié)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(biāo)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(biāo)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(luò)對齊、脈沖壓縮、測速、包絡(luò)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(luò)再對齊兩個處理步驟。

3 多目標(biāo)成像處理

實際工作場景中存在多個目標(biāo)相距較近的情形,此時獲取的距離像應(yīng)能表征各目標(biāo)自身的散射點特征和目標(biāo)間距離關(guān)系。若這些目標(biāo)徑向速度相同,則按照圖1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(biāo)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(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 步進頻率綜合寬帶信號處理流程

采用多目標(biāo)成像處理方法,依據(jù)每個目標(biāo)的估計速度對每個目標(biāo)分別進行運動補償、成像處理,得到各目標(biāo)的距離像拼接結(jié)果,再將多個目標(biāo)的距離像按照距離關(guān)系進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)成像處理時需要隔離各個目標(biāo)的回波信號才能實現(xiàn)各目標(biāo)獨立精準運動補償。脈沖壓縮后各個目標(biāo)在距離上可分,可通過截取當(dāng)前目標(biāo)附近若干距離單元數(shù)據(jù)實現(xiàn)對其他目標(biāo)回波信號的隔離,具體措施為:將脈壓結(jié)果中兩個目標(biāo)峰值之間的中心位置作為分割界限進行分割,若目標(biāo)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(biāo),如圖2所示。對每段數(shù)據(jù)分別進行包絡(luò)再對齊、相位補償、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(biāo)的速度估計值完成多普勒補償和包絡(luò)對齊,而其余目標(biāo)的真實速度與該值偏差較大,導(dǎo)致這些目標(biāo)包絡(luò)未完全對齊,進而引起綜合成像結(jié)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(biāo)估計速度對各目標(biāo)的分段數(shù)據(jù)進行包絡(luò)再對齊處理,包絡(luò)再對齊通過在分段數(shù)據(jù)頻域乘上對應(yīng)的線性相位因子后在反變換回時域?qū)崿F(xiàn)。設(shè)分段數(shù)據(jù)為s(n,m),當(dāng)前目標(biāo)速度估計值為V1,脈沖壓縮時速度補償值為V0,包絡(luò)對齊后分段數(shù)據(jù)為u(n,m),則包絡(luò)再對齊過程由式(4)、式(5)、式(6)表示:

式中,n為距離單元標(biāo)號,m為脈沖串內(nèi)第m個子脈沖的標(biāo)識,T為脈沖重復(fù)周期,f0為起始載頻,dF為脈間頻率步進量,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償、包絡(luò)對齊、脈沖壓縮、數(shù)據(jù)分段、包絡(luò)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(biāo)成像處理流程

4 仿真分析

假設(shè)存在3個相距較近的目標(biāo),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(biāo)由4個散射點構(gòu)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(biāo)由3個散射點構(gòu)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(biāo)由3個散射點構(gòu)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(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個目標(biāo)速度對回波數(shù)據(jù)進行多普勒校正、包絡(luò)對齊處理,脈沖結(jié)果如圖4所示,為了壓低距離旁瓣,脈沖壓縮時加40 dB泰勒窗。

按照圖2進行多目標(biāo)數(shù)據(jù)分段,圖5、圖6、圖7分別給出了第1個目標(biāo)、第2個目標(biāo)、第3個目標(biāo)包絡(luò)再對齊前后結(jié)果對比,第1個目標(biāo)實際上無需包絡(luò)再對齊處理,從圖中可以看出,各個目標(biāo)數(shù)據(jù)經(jīng)過包絡(luò)再對齊處理后包絡(luò)對齊較好,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個目標(biāo)包絡(luò)再對齊前后結(jié)果

圖6 第2個目標(biāo)包絡(luò)再對齊前后結(jié)果

圖7 第3個目標(biāo)包絡(luò)再對齊前后結(jié)果

若多個目標(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(遠離雷達速度為400 m/s)時成像結(jié)果,此時多目標(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)速度相同時綜合成像結(jié)果

圖9給出了多目標(biāo)速度不同時綜合成像結(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(biāo)的散射強度不變,第2目標(biāo)的散射強度為原先的0.5倍,第3目標(biāo)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(biāo)速度不同時綜合成像結(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)速度不同時的綜合成像結(jié)果

圖10 目標(biāo)1強度最強時多目標(biāo)速度不同的綜合成像結(jié)果

5 結(jié)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(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。該方法通過對脈沖壓縮后數(shù)據(jù)分割分段和包絡(luò)再對齊處理,再逐個對目標(biāo)綜合寬帶處理,運算量小,易于工程實現(xiàn)。

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