王 寧,呂曉德,李苗苗,3,劉忠勝
(1.中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院,北京 100094;2.微波成像技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100190;3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)電子電氣與通信工程學(xué)院,北京 100049)
根據(jù)傅里葉分析的理論,一個(gè)域的更高分辨率需要其變換域具有更寬的支撐區(qū)間。因此,為了提高距離分辨率需要加寬發(fā)射信號(hào)的帶寬,例如使用線性調(diào)頻(linear frequency modulation,LFM)信號(hào)。但由于頻譜資源以及硬件的限制,無(wú)法任意增大單一輻射源的帶寬,此時(shí)就可以考慮對(duì)多頻帶信號(hào)進(jìn)行相參處理,即將不同子帶的信號(hào)通過(guò)插值和外推的手段進(jìn)行拼接,從而獲得大帶寬的信號(hào)。
早期多帶相參處理的想法由林肯實(shí)驗(yàn)室Cuomo等提出,通過(guò)使兩部雷達(dá)發(fā)射不同頻段的信號(hào),并同時(shí)接收這兩個(gè)頻段的回波信號(hào),運(yùn)用基于擬合模型的插值方法補(bǔ)全處于不同頻帶信號(hào)之間空缺的數(shù)據(jù),由此形成寬帶信號(hào),提高成像分辨率;近兩年,多帶相參處理在光子雷達(dá)測(cè)距和逆合成孔徑雷達(dá)(inverse synthetic aperture radar,ISAR)領(lǐng)域有所應(yīng)用。多帶相參處理的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是對(duì)不同頻帶信號(hào)進(jìn)行互相干處理,使插值后的頻帶數(shù)據(jù)在拼接點(diǎn)處具有相位連續(xù)性,從而滿足相參處理的條件。回波匹配濾波后的頻譜體現(xiàn)為全極點(diǎn)模型,Cuomo等認(rèn)為不同頻帶信號(hào)的頻譜會(huì)差一個(gè)固定相位和線性相位,需要通過(guò)非線性優(yōu)化來(lái)實(shí)現(xiàn)互相干處理,但沒(méi)有詳細(xì)論述所差相位的來(lái)源,也沒(méi)有考慮目標(biāo)運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的影響。多帶之間的相位差異一方面來(lái)源于觀測(cè)條件的不同,例如初始相位的不同、回波路徑的不同等,另一方面來(lái)源于目標(biāo)運(yùn)動(dòng);一般默認(rèn)由于觀測(cè)條件不同導(dǎo)致的相位差異對(duì)不同的目標(biāo)是一樣的,而由于目標(biāo)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的多普勒相位差異是依賴于目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度大小的,且目標(biāo)速度通常是未知的。文獻(xiàn)[8]考慮了在多頻帶多雷達(dá)融合成像中,由于多部雷達(dá)觀測(cè)條件不一致所造成的幅相差異,建立了相關(guān)的誤差模型,但沒(méi)有考慮由于目標(biāo)運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的多普勒相位差異。文獻(xiàn)[9-14]使用了不同的方法來(lái)處理不同頻帶信號(hào)的相位差異,但沒(méi)有詳細(xì)考慮目標(biāo)運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的多普勒相位差異。文獻(xiàn)[15-17]考慮了存在動(dòng)目標(biāo)時(shí)的互相干處理,但在做速度補(bǔ)償時(shí)需要估計(jì)目標(biāo)速度,而且沒(méi)有考慮存在速度不同的多目標(biāo)時(shí),需要補(bǔ)償不同的相位,也沒(méi)有考慮子帶之間脈沖重復(fù)時(shí)間(pulse repetition interval,PRI)不同帶來(lái)的影響。文獻(xiàn)[18-19]考慮了載頻不同導(dǎo)致不同頻段數(shù)據(jù)的多普勒維尺度不同,利用Keystone變換使其尺度統(tǒng)一;但未考慮PRI不同對(duì)多普勒維尺度的影響,而原始的Keystone變換是無(wú)法處理該影響的。
綜上,雖然以往也有文獻(xiàn)考慮到目標(biāo)運(yùn)動(dòng)會(huì)帶來(lái)子帶之間的相位差異,但還尚未有文獻(xiàn)考慮到當(dāng)多帶信號(hào)的載頻、PRI都不同,并且回波中存在不同速度目標(biāo)時(shí),每個(gè)目標(biāo)的多普勒相位在不同頻帶上是不同的,這導(dǎo)致不能通過(guò)乘以一個(gè)統(tǒng)一的修正相位來(lái)補(bǔ)償不同頻帶上的多普勒相位信息。本文針對(duì)這一問(wèn)題,在已有工作的基礎(chǔ)上,提出一種基于Keystone變換的多普勒相位補(bǔ)償方法,在速度未知的情況下,可以在補(bǔ)償距離徙動(dòng)的同時(shí)補(bǔ)償不同頻帶信號(hào)上的多普勒相位,在此基礎(chǔ)上通過(guò)插值的方法對(duì)不同頻帶進(jìn)行相參處理拼接成大帶寬信號(hào),從而提高距離分辨率。通過(guò)理論分析和仿真驗(yàn)證說(shuō)明該方法的可行性,該方法可以在多目標(biāo)場(chǎng)景下補(bǔ)償多普勒相位。
本文后續(xù)結(jié)構(gòu)如下:第1節(jié)建立了多頻帶相參處理模型,詳細(xì)分析了多帶信號(hào)之間相位差異的形式;第2節(jié)簡(jiǎn)潔介紹了Keystone變換;第3節(jié)給出了基于Keystone變換的多普勒相位補(bǔ)償方法的理論分析;第4節(jié)介紹了信號(hào)處理流程;第5節(jié)給出在單目標(biāo)及多目標(biāo)場(chǎng)景下的仿真結(jié)果,并利用已有的單頻帶實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了半實(shí)測(cè)半仿真試驗(yàn),驗(yàn)證方法的可行性;第6節(jié)對(duì)本文內(nèi)容進(jìn)行了總結(jié),并說(shuō)明了應(yīng)用價(jià)值。
假設(shè)有兩部脈沖體制的雷達(dá)在相近的時(shí)間內(nèi)發(fā)射信號(hào),所用的兩部雷達(dá)的脈沖信號(hào)應(yīng)保證在一個(gè)相干處理間隔(coherent processing interval,CPI)之內(nèi),但所發(fā)信號(hào)的載頻、PRI、時(shí)寬、帶寬均可不同,并且兩部雷達(dá)之間的距離遠(yuǎn)小于目標(biāo)的距離,這樣可以保證目標(biāo)響應(yīng)在兩部雷達(dá)之間的觀測(cè)相關(guān)性,條件約束與常規(guī)脈沖雷達(dá)類似。假設(shè)脈沖多普勒雷達(dá)每個(gè)CPI中接收個(gè)脈沖回波,則回波模型可以表示為
式中:是一個(gè)常數(shù),表示回波大小;()是所發(fā)射帶寬為的信號(hào);T 是PRI;是載頻;()是回波時(shí)延。假設(shè)目標(biāo)在雷達(dá)視線方向上勻速運(yùn)動(dòng),則有()=-2/c,=2/c,其中,是動(dòng)目標(biāo)的初始距離。假設(shè)動(dòng)目標(biāo)在一個(gè)脈沖發(fā)射到接收的過(guò)程中距離是不變的,則經(jīng)過(guò)下變頻后可以表示為
式中:=-m T ,表示快時(shí)間,表示慢時(shí)間。s(,)做完匹配濾波后,假設(shè)頻譜幅度近似為常數(shù),則在快頻率-慢時(shí)間域有如下形式:
式中:f 為目標(biāo)的多普勒;f 為目標(biāo)的快頻率;是系數(shù);是頻域采樣點(diǎn)數(shù)。表達(dá)式分別為
可以看出,匹配濾波后的信號(hào)在快頻率 慢時(shí)間域呈現(xiàn)一個(gè)二維復(fù)正弦的形式。兩部雷達(dá)信號(hào)的回波可以表示為
式中:f 、f 分別表示目標(biāo)在兩部雷達(dá)回波中的多普勒;f 、f 分別表示目標(biāo)在兩部雷達(dá)回波中的快頻率;兩部雷達(dá)信號(hào)回波中的取值邊界分別用和表示,計(jì)算方式與相同。
當(dāng)以式(5)為準(zhǔn),調(diào)整式(6)的線性相位、固定相位和幅度后,可將式(5)和式(6)重寫(xiě)為
圖1 帶寬插值Fig.1 Bandwidth interpolation
以往文獻(xiàn)只考慮了上述的固定相位,線性相位以及幅度的差異,并將對(duì)其補(bǔ)償?shù)倪^(guò)程稱為互相干處理,但是很少有考慮第一個(gè)復(fù)指數(shù)項(xiàng)的差異,即動(dòng)目標(biāo)多普勒相位的差異,該差異具有速度依賴性,多目標(biāo)場(chǎng)景下不能通過(guò)乘以統(tǒng)一的相位來(lái)補(bǔ)償;而且速度通常是未知的,需要在速度未知的情況下去補(bǔ)償。
由于觀測(cè)目標(biāo)與雷達(dá)之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng),時(shí)延在每一個(gè)脈沖回波中都不一樣,當(dāng)相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度太大時(shí),這些時(shí)延的差異不可忽略,會(huì)對(duì)之后的相參積累造成影響,即距離徙動(dòng)。Keystone變換是常用的矯正線性距離徙動(dòng)的方法,最早在合成孔徑雷達(dá)(synthetic aperture radar,SAR)領(lǐng)域被使用,后來(lái)也被用于脈沖多普勒體制雷達(dá)。距離徙動(dòng)的因素正體現(xiàn)在式(4)中的“1+”,這一項(xiàng)使得快頻率維“”和慢時(shí)間維“”存在一定的耦合,不能通過(guò)簡(jiǎn)單的二維快速傅里葉變換(fast Fourier transform,F(xiàn)FT)實(shí)現(xiàn)相參處理。為了處理掉這一項(xiàng),引入了坐標(biāo)變換式,即Keystone變換:
但Keystone變換并不適合于速度出現(xiàn)模糊的情況。當(dāng)速度出現(xiàn)模糊時(shí),f (1+)>1,令f 為模糊后的多普勒頻率,則
式中:f ∈[-0.5,0.5];為正數(shù),表示模糊程度。如果只進(jìn)行Keystone變換的話,則
假設(shè)兩部雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的載頻、PRI分別為和,和,并且其f 都相同,則在快頻率-慢時(shí)間域可以表示為
以往文獻(xiàn)為了將兩段頻譜互相干,往往只是乘以一個(gè)e ,e 是為了補(bǔ)償f ,e是為了補(bǔ)償其余的相位因素,其中,通常被稱為固定相位。此處已經(jīng)假設(shè)了f 相同,所以可以暫時(shí)不考慮。用Δ來(lái)表示目標(biāo)在兩部雷達(dá)回波中的多普勒相位差異,則Δ可具體表示如下:
對(duì)于不同的,Δ往往是不同的,即使忽略距離徙動(dòng)因素1+,有
也可以看出對(duì)于不同速度的目標(biāo),由于信號(hào)載頻和PRI的不同,導(dǎo)致需要補(bǔ)償?shù)南辔皇遣煌模荒芤桓哦?。為了可以?duì)不同速度目標(biāo)的多普勒相位統(tǒng)一補(bǔ)償,在無(wú)速度模糊的情況下可以對(duì)式(12)使用式(9)的坐標(biāo)變換,而對(duì)(13)使用坐標(biāo)變換。
這樣就可以以信號(hào)1為基準(zhǔn)將不同速度目標(biāo)的多普勒相位統(tǒng)一補(bǔ)償;要注意,應(yīng)以無(wú)模糊間隔大的信號(hào)為基準(zhǔn)進(jìn)行補(bǔ)償。與原始的Keystone變換不同,新引入的變換式(16)考慮了脈沖的PRI,也正是因?yàn)榧尤肓薖RI才能使得兩部雷達(dá)回波信號(hào)中的多普勒相位補(bǔ)償一致。文獻(xiàn)[15-17]為了補(bǔ)償兩部雷達(dá)回波中與速度有關(guān)的相位差異,都是先對(duì)速度進(jìn)行估計(jì)再進(jìn)行補(bǔ)償,這個(gè)思路對(duì)多目標(biāo)不合適。而本文將與速度有關(guān)的相位差異歸結(jié)為多普勒相位差異,新的變換可以在速度未知的情況下對(duì)多目標(biāo)的多普勒相位進(jìn)行補(bǔ)償。
當(dāng)存在速度模糊時(shí),在Keystone變換和多普勒相位補(bǔ)償后,兩個(gè)信號(hào)的多普勒如下所示:
為了對(duì)應(yīng)實(shí)際的模糊后的多普勒,需要分別予以/(1+)和[/(1+)]·[/]的補(bǔ)償;這里區(qū)分和是因?yàn)橥荒繕?biāo)在兩部雷達(dá)信號(hào)回波中的模糊程度不同。
圖2是兩部雷達(dá)信號(hào)多頻帶相參處理的流程,IFFT表示逆FFT(inverse FFT)。該處理流程可以很容易拓展到多部雷達(dá)信號(hào)的情況,下面對(duì)關(guān)鍵步驟作簡(jiǎn)要說(shuō)明。
圖2 信號(hào)處理流程Fig.2 Signal processing flow
在頻域進(jìn)行匹配濾波后,由于信號(hào)本身的譜往往是有起伏的,體現(xiàn)在
有時(shí)為了消除這種起伏帶來(lái)的影響,可以除以|()|最終得到式(4)。對(duì)于LFM信號(hào),當(dāng)時(shí)寬帶寬積較大時(shí),可以忽略|()|,認(rèn)為其近似為常數(shù)。
又由于采樣頻率F往往大于信號(hào)帶寬,頻域上有一些點(diǎn)是不在信號(hào)帶寬范圍內(nèi)的,可以直接不使用,即省去?[-,]的點(diǎn)。有些信號(hào),例如LFM 信號(hào),在其頻譜邊緣會(huì)出現(xiàn)Gibbs現(xiàn)象,在頻域取點(diǎn)時(shí)需要省去出現(xiàn)Gibbs現(xiàn)象的點(diǎn),以免其對(duì)插值過(guò)程產(chǎn)生影響。例如圖3是LFM信號(hào)的頻譜,取數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)取紅框中的數(shù)據(jù),避開(kāi)出現(xiàn)Gibbs現(xiàn)象的位置。
圖3 LFM信號(hào)幅度譜Fig.3 Amplitude spectrum of LFM
互相干處理在此指的是補(bǔ)償不同信號(hào)之間的線性相位、固定相位以及幅度,關(guān)于互相干處理的方法可參考[1,8-13];因?yàn)槎嗥绽障辔谎a(bǔ)償是單獨(dú)對(duì)信號(hào)2在慢時(shí)間維進(jìn)行處理,其他相位和幅度差異的補(bǔ)償在慢時(shí)間維的數(shù)據(jù)上表現(xiàn)為乘以一個(gè)復(fù)常數(shù),不影響該處理,所以本文只考慮多普勒相位的差異,仿真時(shí)假設(shè)不存在線性相位、固定相位以及幅度的差異。
當(dāng)兩段頻譜沒(méi)有重合部分時(shí),需要對(duì)其缺失部分進(jìn)行插值。首先,插值之所以放在“慢時(shí)間FFT”之后,是因?yàn)椤奥龝r(shí)間域”變換到了“慢頻率域”,而“慢頻率域”其實(shí)是多普勒維,在多普勒維度上可以將低速干擾和高速目標(biāo)分開(kāi),這樣在進(jìn)行頻譜外推時(shí)可以減少非目標(biāo)成分的干擾。插值的方法有很多種,例如基于有理譜模型的方法,基于狀態(tài)空間模型的方法,基于非參數(shù)自適應(yīng)濾波器組的方法,以及基于稀疏重構(gòu)的方法。本文采用基于自回歸模型(autoregressive model,AR)的方法,關(guān)于AR模型參數(shù)估計(jì)的方法有很多,推薦使用Burg算法,Burg算法計(jì)算效率高,保證外推系數(shù)的穩(wěn)定性,即沒(méi)有極點(diǎn)位于單位圓之外,而且對(duì)噪聲更不敏感;AR模型的階數(shù)一般選擇小于/3,但對(duì)于低信噪比的信號(hào)需要更高的階數(shù)。
仿真生成參數(shù)不同的LFM信號(hào)的回波來(lái)模擬不同雷達(dá)信號(hào)的回波,參數(shù)如表1,回波脈沖數(shù)為128,信噪比(signal to noise ratio,SNR)為-15 dB,SNR定義為10lg(/),其中,是信號(hào)的幅度,是噪聲方差。并且以下仿真中在快時(shí)間維和慢時(shí)間維都沒(méi)有加窗來(lái)降低旁瓣。
表1 單目標(biāo)參數(shù)Table 1 Single target parameters
圖4(a)和圖4(b)分別是信號(hào)1和信號(hào)2經(jīng)過(guò)傳統(tǒng)相參積累(包括了Keystone變換)的結(jié)果,可以看出,由于載頻和PRI的不同,兩者的峰值不在同一距離多普勒單元,分別處在(83 Hz,150 m)和(666.7 Hz,150 m),因此無(wú)法在同一多普勒單元上通過(guò)插值來(lái)實(shí)現(xiàn)相參處理,因?yàn)榇藭r(shí)同一多普勒單元對(duì)應(yīng)著不同的目標(biāo)速度。圖4(c)是以信號(hào)1為基準(zhǔn),對(duì)信號(hào)2進(jìn)行多普勒相位補(bǔ)償之后的距離 多普勒?qǐng)D,可以看出其目標(biāo)多普勒變?yōu)?3 Hz,與信號(hào)1的距離 多普勒?qǐng)D中的目標(biāo)多普勒一致,說(shuō)明多普勒相位已經(jīng)得到補(bǔ)償,即同一運(yùn)動(dòng)目標(biāo)在兩個(gè)距離 多普勒?qǐng)D中處在同一多普勒單元;在此基礎(chǔ)上,可進(jìn)一步進(jìn)行相參處理。圖4(d)是頻帶相參處理后的結(jié)果,可以看出距離分辨率有明顯的提升,間接說(shuō)明了信號(hào)2的多普勒相位已經(jīng)調(diào)整的和信號(hào)1的一樣。
圖4 單目標(biāo)仿真Fig.4 Single target simulation
仿真生成參數(shù)不同的LFM 信號(hào)的回波,參數(shù)如表2,回波脈沖數(shù)為128,SNR為-15 d B;=0.8/,這樣傳統(tǒng)相參積累在距離向是分不開(kāi)兩個(gè)相近目標(biāo)的。
表2 多目標(biāo)參數(shù)Table 2 Multi-target parameters
圖5(a)和圖5(b)分別是信號(hào)1和信號(hào)2經(jīng)過(guò)傳統(tǒng)相參積累(包括了Keystone變換)的結(jié)果,可以看出由于多普勒相位沒(méi)有補(bǔ)償,目標(biāo)處于不同的多普勒單元上,而且不能夠?qū)⑾嘟哪繕?biāo)區(qū)分開(kāi),3個(gè)目標(biāo)在信號(hào)1和信號(hào)2的距離-多普勒?qǐng)D中所處的距離多普勒單元分別為(83 Hz,150 m)和(666.7 Hz,150 m),(83 Hz,150.9 m)和(666.7 Hz,150.9 m),(-250 Hz,154.6 m)和(0 Hz,154.6 m);圖5(c)是以信號(hào)1為基準(zhǔn),對(duì)信號(hào)2進(jìn)行多普勒相位補(bǔ)償之后的距離 多普勒?qǐng)D,可以看出3個(gè)目標(biāo)的多普勒與圖5(a)信號(hào)1中的一致,說(shuō)明多普勒相位已經(jīng)得到補(bǔ)償,在此基礎(chǔ)上,可進(jìn)一步進(jìn)行相參處理。圖5(d)是頻帶相參處理后的結(jié)果,距離相近的兩個(gè)目標(biāo)被區(qū)分開(kāi)來(lái),說(shuō)明頻帶相參處理提高了分辨率,進(jìn)而間接說(shuō)明了信號(hào)2的多普勒相位已經(jīng)調(diào)整得和信號(hào)1的一樣。
圖5 多目標(biāo)仿真Fig.5 Multi-target simulation
經(jīng)過(guò)外場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)得一組帶有動(dòng)目標(biāo)的單頻帶實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),所測(cè)得的動(dòng)目標(biāo)為民用飛機(jī),距離約56 km。利用已有的單頻帶實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),仿真生成與其對(duì)應(yīng)的另一頻帶模擬回波數(shù)據(jù),模擬回波數(shù)據(jù)中目標(biāo)的距離與速度從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中估計(jì)得到,所添加的高斯白噪聲方差也是利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)估計(jì)得到的,并進(jìn)一步調(diào)整模擬回波數(shù)據(jù)中信號(hào)回波幅度的大小,使其相參積累后的SNR與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本一致;其他相關(guān)參數(shù)如表3所示,由于保密需求,信號(hào)的真實(shí)參數(shù)用符號(hào)代替。
表3 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)的參數(shù)Table 3 Parameters of measured data and simulated data
對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)分別在不使用本文多普勒相位補(bǔ)償方法和使用本文多普勒相位補(bǔ)償方法的情況下進(jìn)行多頻帶相參處理,結(jié)果如圖6所示,可以看出,使用本文方法可以在目標(biāo)所在位置積累出更窄的峰值。圖7是目標(biāo)所在位置的距離維曲線,可以看出,通過(guò)利用AR模型對(duì)頻域數(shù)據(jù)進(jìn)行有效外推可以提高距離分辨率,但在進(jìn)行多頻帶相參處理時(shí),如果不使用本文多普勒相位補(bǔ)償方法距離分辨就無(wú)法得到有效提高,這說(shuō)明多普勒相位補(bǔ)償?shù)谋匾砸约霸谠搱?chǎng)景下本文所提方法的可行性。
圖6 半實(shí)測(cè)半仿真結(jié)果Fig.6 Semi-measured and semi-simulation result
圖7 距離維對(duì)比Fig.7 Contrast in range dimension
多頻帶相參處理可以應(yīng)用于雙/多基雷達(dá)的目標(biāo)測(cè)距和成像領(lǐng)域,其關(guān)鍵技術(shù)是互相干處理,互相干處理是為了補(bǔ)償子頻帶之間的相位差異,其中就包括多普勒相位差異。本文在兩部脈沖雷達(dá)發(fā)射信號(hào)載頻、PRI不同的場(chǎng)景下,針對(duì)不同載頻、PRI導(dǎo)致同一動(dòng)目標(biāo)在兩部雷達(dá)的回波中的多普勒相位不同,影響多頻帶數(shù)據(jù)之間相參處理的問(wèn)題,提出一種基于Keystone變換的多普勒相位補(bǔ)償方法,該方法可以在距離徙動(dòng)校正的同時(shí)以及速度未知的情況下完成多目標(biāo)多普勒相位補(bǔ)償,為多源多頻帶場(chǎng)景下的多目標(biāo)信號(hào)互相干處理提供了一種新的途徑。通過(guò)單目標(biāo)及多目標(biāo)場(chǎng)景的仿真以及半實(shí)測(cè)半仿真實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了該方法可以在速度未知的情況下對(duì)多普勒相位進(jìn)行補(bǔ)償,補(bǔ)償后的信號(hào)可以進(jìn)一步相參處理,提高分辨率。