雷达导引头单脉冲前视成像技术研究

杜 勇，磨国瑞，杨海粟，吴一龙

(西安电子工程研究所， 西安710100)

0 引言

现有的常规雷达导引头主要利用合成孔径雷达(SAR)、多普勒波束锐化(DBS)等技术，利用雷达平台相对地面目标运动引起的多普勒频率变化提高方位分辨率。但是，在前视方向，由于距离-方位耦合较大，方位分辨率急剧下降，SAR、DBS等技术容易形成前视成像盲区，大大制约了这类技术在精确制导领域中的应用。未来精确制导导弹朝着高/超声速方向发展，导弹飞行速度快，不容易大角度变轨飞行，而在末制导阶段选择攻击点时，导弹主要关心的是航向正前方的目标信息，因此需要制导雷达具备前视成像能力。

目前，我们主要借鉴机载雷达前视成像技术，开展雷达导引头成像技术研究。实波束成像［1］依赖于雷达波束宽度，能在一定程度上实现角度分辨，波束越窄，角分辨率越高。受限于实孔径波束宽度，该技术在近距离可获得较好的成像效果，但是仍不能满足远距离导弹制导前视成像分辨率的要求。解卷积方位超分辨技术［2］具有较成熟的理论基础，根据其处理特点也仅适合于较简单探测背景条件下对孤立强雷达散射特征点目标的成像制导应用场合。但由于其较复杂的处理算法以及对目标检测信噪比的苛刻要求，工程应用适应性较差，需要进一步完善。

相对于实波束成像以及解卷积方位超分辨技术，单脉冲成像技术原理清晰，算法简单，易于工程实现，适合于较简单探测背景条件下对孤立强雷达散射特征点目标的成像制导应用场合。单脉冲前视成像技术［3-5］将距离高分辨技术与单脉冲测角技术相结合，利用脉冲压缩实现距离维高分辨，利用单脉冲测角技术实现不同距离单元强散射点间的方位维高分辨，能有效弥补SAR技术在前视成像领域的不足，下文将详细展开。

1 单脉冲测角原理

从原理上讲，单脉冲雷达只需要一个回波脉冲，就能提取出目标的方位位置的全部信息［6］。由于其测量精度高，单脉冲技术广泛应用于对目标的搜索与跟踪中。单脉冲测角是同时波瓣测角法［7-8］的一种，即在同一个角平面内，利用相互交叠的天线波束多路同时接收雷达回波信号并进行比较，就能求得目标在该平面内偏离等信号轴的角度，如图1所示。图1a)为两馈源方向图，图1b)为两馈源交叠后所形成的和、差波束方向图。

单脉冲跟踪雷达的角误差信号处理经常需要用和路信号对角误差信号作归一化处理，并且用和路信号对角误差信号进行鉴相，图1c)为和差比幅测角鉴相特性曲线，判断角误差信号的符号，当和路信号与差路同相时，判定角误差的信号为“+”，当和路信号与差路信号反相时，判定角误差的符号为“-”。

图1 单脉冲测角示意图

采用数字信号处理实现和差的数字鉴相，假设和路信号为 Σ=ΣI+jΣQ，差路信号为 Δ=ΔI+jΔQ，则和差归一化处理为

在式(2)中，由于 I、Q 通道正交，虚部 ΣIΔQ-ΣQΔI为0，所以角度测量的符号根据实部 ΣIΔI+ΣQΔQ来确定。实际工程中，和差通道存在一定的相位差，I、Q也不是严格正交，应当具体情况具体分析，采取相应的通道均衡措施校正通道间的误差。

2 信号模型

在研究成像算法时，不妨设空间存在N个散射目标，第n个目标Pn的方位角为θn，如图2所示，单脉冲和差天线以角速度w在一定范围内转动，雷达通过天线不断向探测空间发射宽带线性调频(LFM)信号并接收各散射点回波。

设发射LFM信号为s(t)，各散射点的后向散射系数分别为σn，与雷达距离分别为Rn。设雷达天线的收发间隔为Δt，则，在这段时间内天线转过的角度为Δα=wΔt。

图2 天线与目标方位示意图

设天线发射时波束中心偏转角为α，此时第n个目标与波束中心的夹角为θn-α，接收信号时，天线波束中心偏角为α+Δα。信号发射是通过和通道发射，接收则是和、差通道同时接收，忽略发射及接收信号时间内天线的转动角度，天线和、差通道回波信号可以表示为

式中:FΣ(·)、FΔ(·)分别表示和差波束方向图增益。

3 成像处理流程

雷达成像是以散射点模型为依据的［8］，即将目标以散射点模型表示，这些散射点处理后就构成了目标的“雷达像”。单脉冲成像技术［6-8］是将距离高分辨技术与单脉冲测角技术结合，利用脉冲压缩实现距离维高分辨，将目标各散射点沿径向距离进行分离，然后通过单脉冲测角技术测得各散射中心偏离波束中心的角度，这样就获得了波束内各散射点的距离和角度信息，根据这些信息就能获得雷达图像。

图3 波束内目标方位示意图

如图3所示，实波束成像对目标1、2难以在方位维上进行分辨，结合单脉冲测角技术，目标1、2成像的清晰度将显著提高，而且雷达像还能反映出目标的相对方位信息。当某一距离单元内波束方位范围中只存在一个强散射目标时，相对实波束成像，单脉冲成像对成像质量的改善尤为明显。

当同一距离波门内波束范围中存在两个或者多个强散射目标时，由于角闪烁效应［9］，在两目标间形成一个等效目标(如图3)，角闪烁现象将导致单脉冲成像质量的恶化甚至成像结果的不可靠。针对此种情况，可利用SAR成像、DBS成像技术予以解决，但是在前视条件下，由于存在严重距离-方位耦合，SAR和DBS成像均存在一定的难度。

在前视条件下，利用单脉冲成像技术，虽然无法将同一距离单元内的多个目标从方位上分开，但是能改善不同距离单元内目标之间的方位分辨率，能很好解决实波束前视成像方位分辨率低、SAR和DBS前视成像距离-方位耦合严重的问题。在单脉冲成像技术中，首先需要对和、差两路回波信号在距离向上做脉压处理，然后利用单脉冲技术的精确定位性能提高目标的方位向图像精度［10］，具体算法流程如图4所示。

图4 单脉冲成像流程图

考虑脉冲积累效应，雷达信号处理一般以帧(CPI)为单位进行。一个CPI时间内，信号处理器将雷达回波视频信号经过脉冲压缩、脉冲积累处理后，得到的数据如图5所示(设一个CPI周期内收到的回波信号为N个)，横向表示的是多普勒通道号，纵向为距离单元。

图5 单脉冲成像数据重排示意图

S(i，j)，D(i，j)分别表示和、差通道数据经脉冲压缩、脉冲积累处理后第i个距离单元第j多普勒通道数据。单脉冲测角后得到对应存储单元的角度信息α(i，j)。设方位向波束划分单元数为M，当天线半波束宽度为θ0.5时，方位向每个划分单元代表的方位角宽度为θ0.5/M。

建立新的存储空间I(m，M)，根据测角信息α(i，j)，对和通道数据S(i，j)进行重排，规则如下:

保持S(i，j)距离维信息不变，按照 α(i，j)以及方位划分单元数M确定方位向数据单元号，方位向单元号最小为1，最大为M，计算方式如下

式中:ceil表示朝正无穷方向取整。

4 分辨率

雷达成像的分辨率分为距离分辨率和方位分辨率［11］。距离分辨率越高，波束照射区域内距离划分单元越多，这样同一距离单元内可能出现的强散射点数目将会减少，角闪烁现象将会减少。对于大目标，其强散射点将会分布在更多的距离单元中，这样用较多的点来描述目标也能从一定程度上提高成像质量。距离分辨率与信号的带宽有关

方位分辨率主要取决于系统天线波束宽度，雷达波束越窄，一个波束内目标散射点个数就会越少，角闪烁现象越弱，成像质量就会越好。但是，在探测远距离目标时，雷达波束覆盖范围依旧很大，因此，通过减小雷达波束宽度来提高方位分辨率成效不大，况且受限于机加工艺及成本，雷达波束宽度也不可能无限小。

单脉冲成像，表面上看方位分辨率是θ0.5/M，实际上，从前文可以看出，单脉冲测角并不能从方位上将同一波束内位于同一距离单元内不同角度的两散射点分开，但是这种成像方式能将不同距离单元内的目标从方位上分辨开来，因此，可以认为单脉冲成像对图像质量的改善是一种非均匀的改善，其并不能改善整幅图像的方位分辨率。

单脉冲成像技术对图像质量的改善主要体现在对某些典型目标(如建筑物、车辆等)成像清晰度的改善上，这种改善在我们关注雷达图像局部特征(例如轮廓)的时候具有重要的应用价值。针对舰船等大型面目标，以及散射点连片的目标，该技术主要是通过对面目标上的强散射点进行分辨，通过对面目标轮廓的成像，弥补SAR技术在前视成像领域的不足。

5 仿真验证

下文将对单脉冲前视成像算法开展相应的仿真，以验证其正确性，为后期的工程实现提供必要的参考数据。仿真采用的雷达系统参数如下:天线方位波束宽度为3°，信号体制为LFM，信号带宽为20 MHz，脉宽为8 μs，重频为10 kHz，脉冲积累点数为64，方位向波束划分单元数M设为30。

天线方位指向0°，静止，强散射点目标分布同一个波束范围内的不同距离单元，目标距离设置为［3 000，4 000，4 000，3 200］m，方位角度设置为［0，-0.2，0.5，0.3］(°)，实波束成像以及单脉冲前视成像仿真结果如图6所示。

图6 多目标成像对比

单脉冲成像质量较实波束明显提高，但是，图6b)中同距离不同角度的两目标出现角闪烁现象，未能分辨开，而不同距离单元不同方位的目标从距离、方位上得以分辨。

天线工作在扫描状态，模拟舰船轮廓强散射点分布。天线扫描角度为-5°～+5°，扫描角速度为30°/s。强 散射点阵距离为［3 5 0 0，3 4 6 0，3 5 4 0，3 460，3 540，3 460，3 540，3 500］m，对应的方位角度为［-2，-1.5，-1.5，0，0，0.6，0.6，1.6］(°)，散射点平面内分布如图7a)所示，单脉冲前视成像结果如图7b)所示。

图7 舰船轮廓单脉冲成像仿真

天线静止单帧数据成像，以及天线扫描多帧数据成像结果与预期结果较为一致，单脉冲前视成像算法能部分改善图像的方位分辨率，具有一定的工程实用性。

6 结束语

本文所述前视单脉冲成像算法对图像质量的改善本质上是一种非均匀的改善，能部分改善图像的方位向分辨率，成像质量优于实波束成像，但是与SAR图像还有一定的差距。前视单脉冲成像技术能解决SAR、DBS技术成像盲区的问题，且运算量小，具有较高的工程实用价值。后续我们将结合具体的工程应用，开展单脉冲前视成像技术工程化研究。

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