基于全去斜率接收技術的雷達距離成像

周 濤,周鈺鑫

(解放軍91404部隊,河北 秦皇島 066001)

基于全去斜率接收技術的雷達距離成像

周 濤,周鈺鑫

(解放軍91404部隊,河北 秦皇島 066001)

針對掠海環境條件下目標高分辨率距離成像的問題,提出了基于全去斜率接收技術的雷達距離成像方法。該方法將全去斜率接收處理技術與目標運動速度補償相結合,并綜合采用了DSPA數字脈壓和Hamming加權算法,不僅縮減了回波信號帶寬,減少了信號處理工作量,而且消除了目標速度對回波相位的影響,降低了目標距離副瓣電平。經外場動態實測,實現了對海上船只的一維距離成像。試驗結果驗證了方法的可行性與實用性。該方法為外場雷達目標一維距離成像測量研究提供了有效途徑。

散射截面;線性調頻;stretch處理;高分辨率距離像;數字信號處理

通常雷達所能提供的目標信息,絕大多數僅限于目標的距離、方位、仰角(或高度)、徑向速度等。根據這些信息無法解決目標識別的問題,還應當結合目標自身的有關特征和信息,諸如形狀、大小,以及其它可以應用的特征信息。雷達目標特征信號隱含于雷達回波(復數值)之中,通過對雷達回波的幅度和相位的處理、分析和變換,可以得到諸如雷達散射截面(RCS)及其統計特征參數、散射中心分布等參量。

對于較復雜的目標在小于遠場距離處測量,距離因子影響較小。在高頻時,目標各部分的能量與其它部分的散射能量幾乎無關,各部分散射幅度的大小對測量距離不敏感[1]。為此我們常在小于遠場距離處測量。目標高分辨率距離像的獲取僅需采用普通寬帶雷達技術,而且這種寬帶雷達技術已經相當成熟[2]。對于外場單站雷達而言,我們關心的是后向散射功率,即面向雷達接收機方向的二次散射功率,有時也稱為反射功率。一個外形復雜的目標,它的后向散射能量的大小是隨著一些參數變化的,這些參數包括雷達的發射波長、目標的幾何尺寸和外形、目標的姿態和反射性能等。目標高分辨距離像(HRRP)特性是目標識別的有效特征。采用全去斜率接收技術,對目標RCS進行測量與處理,形成高分辨距離像,可以找出目標的關鍵散射點,用于雷達目標識別、艦船隱身和雷達電子對抗。

1 全去斜率接收原理

雷達由頻率合成器產生發射波形,經射頻放大器提供射頻增益將激勵信號放大至雷達天線。接收機對雷達回波進行放大、濾波、下變頻和數字化。而發射波形選擇與接收處理方式相關聯,其中接收機的去斜處理就是一項常用于處理寬帶線性調頻(LFM)波形的技術。

1.1 高分辨率波形選擇

就一維距離像成像方式選擇而言,可供選擇的高分辨率波形有:窄脈沖信號、脈沖線性調頻信號、相位編碼信號、頻率編碼信號以及階梯跳頻信號等,窄脈沖信號涉及毫微秒技術及毫微秒器件,工程實現較困難;相位編碼信號和頻率編碼信號編碼復雜,相應的信號處理設備較為復雜;階梯跳頻信號雖然編碼簡單,易于實現,但其成像時間較長,運動補償復雜,數據率低;而脈沖線性調頻信號成像時間短,適合遠距離寬帶成像?；谏鲜隹紤]并且對應下面選擇的寬帶信號處理方式,本文研究探討的雷達波形是脈沖線性調頻信號。

1.2 全去斜率接收處理

對瞬時寬帶線性調頻信號的處理有幾種可選擇的方法,較為典型的有兩種。一種是直接壓縮處理,即按傳統接收處理方式,采用兩路正交(I、Q)的A/D變換對寬帶信號進行采樣,并進行脈沖壓縮處理;寬帶信號的脈沖壓縮如果采用直接壓縮法,要求接收機視頻帶寬寬、A/D采樣率高、數據量大;無論是用模擬或是數字方法,工程實現難度相對大一些。另一種方法是采用全去斜率接收(stretch)處理技術,其優點:一是經過去斜處理后,輸出信號帶寬變小,可大大降低采樣率,從而降低了對A/D變換器的速率和內存容量;二是脈壓僅需一次FFT運算,且FFT的點數減小,要完成脈壓的運算量也大大降低,工程上易于實現。因此,通常選擇全去斜率接收處理技術來處理寬帶信號。雷達全去斜率信號接收處理方法如圖1所示。

圖1 雷達去斜率信號處理圖

圖1中,SR(t)為回波信號,SL(t)為全去斜率混頻器本振信號(稱為參考信號),Sf(t)為全去斜率混頻器輸出的中頻信號,SN(n)為Sf(t)經A/D變換后的數字信號,它用于后端的成像處理。設所測目標具有M個散射點,若發射機發射的線性調頻信號如式(1)所示:

ST(t)=a(t)ej2π(f0t+kt2/2)

(1)

式中，f0為起始頻率,T為時寬,k為調頻斜率。設目標具有M個散射點,則寬帶回波信號SR(t)可表示為

(2)

其中，τi為第i個散射點回波距離延時,fdi為第i個散射點的多普勒頻率。

(3)

去斜率混頻器的輸出為

Sf(t)=SR(t)·SL*(t)

(4)

將式(2)(3)代入式(4),可得

(5)

由于高分辨率距離像對姿態角的敏感性是由位于相同距離單元的不同橫向位置的各散射中心之間的相位干涉造成的,所以雷達對目標視角的微小變化,會導致同一距離單元內橫向位置不同的散射點的徑向距離差改變,從而使子回波的相位差發生明顯變化。式(5)是已考慮目標散射點多普勒相位變化的結果。如果一本振信號的調頻斜率等于點目標回波信號的調頻斜率,去斜處理接收機輸出的是一個固定頻率。即便經常采用的大帶寬百分數可能使多普勒頻率在脈沖持續期內變化較大,但去斜處理期間目標多普勒頻率保持不變,其輸出頻率偏移等于這個多普勒頻率。事實上,目標速度較低時,只要考慮脈間的多普勒相位變化即可,因為脈內的各散射點多普勒相位相同,如在運動補償時采用恒定相位差消除,就可大大削弱這一影響而能正常成像。

2 一維成像速度補償

運動目標相對于雷達運動可分為平動分量和轉動分量,平動分量為目標姿態相對于雷達射線保持不變,在平面波照射的近似條件下,目標上各散射點相對于雷達的距離變化量相同,即它們的子回波具有相同的多普勒,當目標只有平動時,它的距離像是不變的。實際上,當我們測量海面上實體艦船時,粗糙海面上艦船的運動是復雜的,即使在相干成像處理時段(一般幾秒)內忽略船體形變,艦船的運動仍為剛體質心平動(縱蕩、橫蕩、垂蕩)和船體滾動、俯仰顛簸和偏航轉動合成的六自由度復雜運動。若船體受到外力和力矩驅動,船體將是更高階的非平穩運動。

2.1 目標運動速度對一維成像的影響

當目標徑向速度較高時,目標實體就可能非平穩運動,脈內各散射點多普勒的差異不可忽略,這一差異可能會影響一維距離像。這時一維成像的關鍵在于速度補償。圖2給出了目標不同運動速度對一維成像的影響。由圖2可見,隨著目標速度的不斷提高,多普勒頻率引起的距離偏移逐漸變大,當在外場測量快速小目標時這種現象會更為明顯。

圖2 目標運動速度對一維距離像的影響

當目標徑向速度較高時,多普勒頻率便會引起距離偏移,常用方法是由多普勒效應測速原理,測出目標回波的多普勒信號頻率fd由此求出V(t);并通過運動補償確保波形失真較小,使這一影響不會太嚴重。

2.2 目標運動速度補償

對不同外形結構、不同的飛行或航行速度的各類目標,要獲得高質量的一維高分辨距離像,有時必須采取相應措施進行速度補償。這就要求徑向速度測量與RCS測量相結合,采用測速系統及算法程序得到運動目標初速度的估算值及α,β的估計值,完成雷達截獲目標徑向運動速度的估算。本文假設運動目標的徑向速度的運動規律V(t))為二次曲線:

V(t)=V+αt+βt2(t≥0)

(6)

在目標截獲狀態時,采用開環濾波獲得目標的初始速度與初始位置。而濾波則采用變參數α-β濾波器,若取目標截獲采用6周期截獲,其系數的計算公式為:

(7)

由此,雷達會在多個相繼不同的脈沖重復頻率的相干處理間隔中估算出徑向速度。

解決目標運動速度補償的主要技術途徑是利用測速系統得到的目標速度信息形成補償序列,與寬帶回波數據相乘,消除目標速度對寬帶回波相位的影響。圖3為一種典型的帶有速度補償的一維成像原理圖。

圖3 一維成像原理框圖

徑向一維成像就是對完成運動補償的回波進行相干積累,構建目標散射率的空間分布。本文的寬帶雷達成像,是以射頻端發射線性調頻信號,并在徑向進行脈壓的脈內相干積累。實際應用中為了方便,常將復距離像直接取模,得到實數的一維距離像[3]。因此,對于采用去斜率混頻體制, 需對Sf(t)進行A/D變換后再作FFT及求模處理(如圖3所示),即可得到這種處理方式下的目標一維距離像。

3 對艦船一維距離成像

理論上,只要發射足夠窄的脈沖,通過記錄回波時間軸上的間隔就可以獲知目標散射中心在雷達徑向距離上的分布狀況,但發射過窄的脈沖工程上不易實現。當然,為實現目標的高分辨率,要求雷達發射信號的帶寬很高,這樣就對信號處理的硬件電路提出了很高的要求,同時也加大了信號處理軟件的工作量。為了消除這些不利影響,工程中采用了去斜率處理來降低回波信號的帶寬,從而減少信號處理的工作量。當采用了脈沖壓縮技術,一維距離像分辨率則由發射信號的帶寬決定。通過發射時采用線性調頻信號,接收時采用Stretch技術,使回波信號與具有同發射信號完全相同調制規律的本振信號進行混頻,再經相關信號處理就能夠獲得分辨率距離像。

3.1 基于全去斜率(stretch)的數字接收

由于水面艦船航速較低時,脈內各散射點多普勒相位相同,在運動補償時采用恒定相位差消除方法就可消除這一影響而能正常成像。當艦船在較好的海況下,近于平穩地徑向運動時,多普勒頻率引起距離偏移波形失真較小。計算機仿真表明:目標在脈內移過的距離小于像素時,對成像的影響不大。因此,在考慮運動補償,并忽略脈內各點多普勒相位的差異后,前面式(5)可寫成

(8)

其中,Δτi=τ0-τi,表示散射點同參考點之間的時延差。由(8)式可知每個散射點的回波信號瞬時相位為

(9)

其頻率為:

(10)

3.2 基于DSPA的數字脈壓

在數字接收機中,用轉換器對接收信號數字化,然后用數字信號處理完成I和Q下變頻到基帶。在許多系統中,用來提取I和Q基帶分量的模擬乘積檢波器已經被數字下變頻技術所取代。數字下變頻的優勢在于其性能不受模擬乘積檢波器硬件中存在的幅相不平衡限制?，F代用于外場測量的寬帶RCS雷達 通常是中頻采樣,這樣會使線性度更好;帶寬和采樣率更加靈活。而與中頻接收相關聯的信號處理,是基于CPCI總線構設的嵌入式實時處理系統,雷達信號處理的基本流程是由同步器向雷達主控機發送主控機調度脈沖中斷,雷達主控機讀取信號處理系統的處理結果,然后啟動處理,處理結束后向各分系統發送下一調度周期的控制信息。信號處理插件上的DSPA(數字信號處理器)讀取主控機送來的控制信息,當處理啟動中斷到來時,信號處理插件上的DSPA處理器,將錄取數據發送給數據錄取插件,并對上個周期的采集數據進行數字脈壓處理,然后對脈壓數據進行窄帶數據處理(信號檢測、距離誤差提取、距離回路閉合、寬帶一維成像等處理);并將處理結果數據,以一定的數據格式送給與主控機共享的雙端口RAM,由主控計算機讀出,由此便可分析確定目標徑向范圍內的諸多獨立的散射體。雷達一維距離像的信號處理框圖如圖4所示。

圖4 雷達信號處理框圖

數字脈壓實現有硬件和軟件兩種工作方式。而且,隨著DSP器件的發展,硬件實現在速度方面的優勢也在逐步喪失,而采用軟件實現數字脈壓具有很強的可塑性,通過軟件編程,實現不同的功能,同時易于系統擴展。因此方案設計中,數字脈壓常常采用全軟件的工作方式。數字脈沖壓縮技術可通過對任意波形的數字卷積或通過對線性調頻波形進行展寬處理來實現匹配濾波。作為時域卷積處理器的數字實現,其計算量大;而頻域卷積從計算量的角度給出了一個更經濟的方法,其數字脈壓的基本原理框圖如圖5所示,頻域處理是將通過數字下變頻后的復包絡輸入序列與匹配濾波器響應序列的離散傅里葉變換相乘,這種處理適用于任何波形。

圖5 數字脈壓原理框圖

3.3 基于Hamming加權的艦船成像

因匹配濾波器輸出端的壓縮脈沖的主瓣有距離副瓣,距離副瓣會隱藏目標;對于線性調頻波形的情況,匹配濾波器后通常會跟隨一個加權濾波器以降低距離副瓣電平,在這種情況下,會有信噪比的損失[4]。

根據一維成像測量對距離向分辨率Δrs的要求確定瞬時射頻帶寬B,其關系為

(11)

由式(11)可見,射頻信號帶寬與距離分辨率存在反比關系。式中為c光速。實際測量中考慮到系統頻率特性對成像分辨率的影響,帶寬需要取較大一點,一般取經驗值:

(12)

這里,取距離分辨率Δrs=5m,因此,可得B為39MHz。為了降低副瓣,采用Hamming加權,Hamming加權的理論旁瓣電平為-42.6dB,-3dB的主瓣加寬系數為1.47,信噪比損失1.34dB,故為保證加權后仍滿足距離分辨率的要求,設計中通常選取瞬時射頻帶寬為45MHz。

外場對成像的精度驗證一般采用主瓣寬度檢驗法或峰值分布檢驗法,方案采用的是后者即峰值分布檢驗法:設置雷達系統工作在“一維成像”測量方式;按所選的分辨距離,架設雙標準體 (兩者間距小于或等于距離分辨率)并于雷達徑向方向對其測量;由測量得到的兩個角反射體RCS峰值所對應的分布距離,驗證成像精度。本方案用木質漁船并在其艏艉線以相距約5m的間距,架設兩只三面角反射體,其口面和軸心朝向船艏向,角反射體架設如圖6所示。漁船距雷達3.5km,以3kn航速由遠至近艏向朝岸基雷達方向縱向行駛,要求航向角偏離度小于0.3°;設置雷達發射脈寬為10μs,射頻帶寬為45MHz,采樣率80MHz;雷達標校后便可實施雙角反射體峰值分布測試。兩個角反射體雙峰值距離分布如圖7所示。

由圖7可見,雙峰間有4個單元距離;而應用80MHz采樣率對應的跨度=150/80=1.875m,數字脈壓加窗后展寬,-3dB的主瓣加寬系數為1.47,對應單元距離1.875/1.47=1.25m,經驗證兩個角反射體峰值分布距離為4×1.25=5m。

圖6 設置角反射體示意圖

圖7 雙反射體峰值距離分布圖

外場測量系統一維像測量的工作波形時序可以采用:一個窄帶脈沖和一個寬帶脈沖交替發射,窄帶信號用于測距,寬帶信號用于成像。窄帶跟蹤寬帶成像的波形時序示例見圖8。

圖8 窄帶跟蹤寬帶成像的基本波形時序

本方案采用邊跟蹤邊測量和中頻接收直接采樣的方法,中頻頻率為120MHz,主通道處理點數1120點。寬帶相參雷達直接采樣的回波信號是通道之間相參的、時間上同步和相位上及幅度上嚴格匹配。當距離像分辨率單元遠小于船體在雷達徑向上的尺寸時,船只會占據多個距離單元,回波呈現出波峰和波谷的起伏,它可以看作是目標在雷達徑向視角時散射中心的一維分布。實測海上輪船時,選擇的雷達射頻帶寬為45MHz,發射脈寬設為10μs,圖8為實際橫向拍攝的海上輪船的主要外部結構布局圖。當海上輪船于徑向相對寬帶RCS測量雷達7km,方位191°、仰角-0.067°時,寬帶RCS測量雷達一維距離成像散射分布圖如圖10所示。

圖9 海上典型散射特征的油輪圖

圖10 油輪一維像散射分布圖

圖10是以海上具有典型散射貢獻個體群的油輪為雷達目標而進行一維距離成像的。散射分布圖表征了船只上多個散射中心沿雷達視線上的一維投影,船只距離像的幅度大小為距離單元內所有散射中心的相干求和;分布圖凸顯了甲板上幾個主要散射個體在徑向上RCS貢獻,可以明顯分辨出有5個分開的強散射點及其峰值分布相對位置?？梢?雷達目標的一維距離像不僅提供了目標的強散射點中心數目、分布及徑向長度等特征,并且特性獲取也較為容易[5]。但不可忽略的是,船只是一種長、寬度比較大的細長形體且具有上層建筑群體,在外場動態RCS測試時,當船只艏艉方向相對于雷達徑向視線有偏離時,除了船只上主散射源RCS貢獻外,還要考慮到船只航向偏差引起的RCS幅度起伏的變化。顯然,HRRP對姿態角的敏感度不僅與目標類型、運動速度有關,還與被測目標的航向偏差有關,它是非均勻的多變量函數。

4 結束語

全去斜率的數字接收,其接收信號采用相干電路(I、Q)雙通道,避開了單通道的實信號電路引起的頻譜混疊;因為對上述船只測量所選擇的成像帶寬相對比較窄,系統的帶內幅相特性較易得到保證,而且應用了數字中頻直接采樣,使I和Q不平衡、直流電平漂移幾乎消除,通道不一致性減小; 這些有利條件確保了海上目標一維距離成像得以實現。外場試驗表明,對海上實體船只的一維距離像的獲取,背景真實、實時性強、實用度高。隨著電子技術的發展和現代信息化戰爭的要求愈來愈高,高分辨率成像技術的研究將會受到愈來愈多的關注,開展雷達目標一維距離像的研究就有著十分重要的意義。

[1] (美)E.F. 克拉特. 雷達散射截面[M]. 北京:電子工業出版社,1987.

[2] 黃培康,殷紅成,許小劍. 雷達目標特性[M].北京:電子工業出版社,2005.

[3] 保錚,邢孟道,王彤. 雷達成像技術[M].北京:電子工業出版社,2005.

[4] (美)Merril l. Skolnik. 雷達手冊[M].第3版.北京:電子工業出版社,2010.

[5] 張文峰,何松華. 高分辨率雷達目標一維距離像的編碼識別算法[J].國防科技大學學報,1996,18(4):62-65,87.

Range Image of Radar Based on Dechirping Receive Technology

ZHOU Tao, ZHOU Yu-xin

(Unit 91404 of PLA, Qinhuangdao 066001, China)

The range image with high resolution of sea-skimming target is a very important research direction. This paper presents a method of radar range imaging based on dechirping receive technology. This method combined the dechirping receive technology with speed of target motion compensation. By using DSPA digital pulse compression and Hamming weighting algorithm, the method may not only reduce bandwidth of return signal, but also decrease sidelobe level of target range. Combined with radar outdoor dynamic measurement, one dimension range imaging of ships is obtained. The measured result shown that this method can provide an effective way for dimension range imaging of outdoor radar target.

radar cross section; LFM; stretch processing; high range resolution profile; DSP

2016-11-08

周 濤(1962-),男,江蘇常州人,高級工程師,主要研究方向為指控試驗與雷達目標特性測量。 周鈺鑫(1991-),男,碩士研究生,助理工程師。

1673-3819(2017)01-0083-06

TN958.98；E917

A

10.3969/j.issn.1673-3819.2017.01.018

修回日期： 2016-12-04