步进频率综合宽带多目标成像处理

(中国电子科技集团公司第三十八研究所,安徽合肥230088)

0 引言

宽带雷达回波经脉冲压缩处理后目标的多个散射点距离上可分,即雷达发射宽带波形可以获知目标尺寸、散射点个数、散射点间相对强弱及位置分布等信息,大大提升了雷达的目标感知能力,因而雷达具备发射大带宽信号能力具有重要意义。与大瞬时带宽工作体制相比,步进频率综合宽带工作体制需求的瞬时带宽小,可以在窄带发射机、接收机条件下工作,易于工程实现,且应用于相控阵雷达时没有大瞬时带宽面临的宽带DBF难题,具有巨大的工程应用优势。但步进频率综合宽带工作体制存在距离-多普勒耦合现象[1-2],对运动目标综合成像时必须先对其精确测速再作速度补偿处理。目前国内外学者已提出若干速度估计补偿以及距离像拼接方法[3-9],但主要针对单目标成像,实际场景中存在距离较近但速度不同的多个目标,需要在高分辨距离像中同时获知这些目标的散射特征细节和位置关系。若按照单目标成像方法进行处理,则距离像中只有速度匹配的目标的成像结果是无失真的,其余目标的成像结果发生畸变并偏离真实位置。本文提出了步进频率综合宽带模式下多目标成像方法,脉冲压缩后对数据进行分段处理,每个分段仅包含一个目标,对每个目标单独进行步进频率综合成像处理,综合各目标距离像得到完整距离像,该距离像真实反映各目标的散射特征细节和位置关系。

1 步进信号运动目标回波特性

步进频率综合宽带的基本原理是将B=N·dF的总信号带宽,分在N个子脉冲中分时发射出去,经过信号处理后距离分辨率与直接发射瞬时大带宽信号的距离分辨率相同。顺序步进时载频由f0按dF的频率间隔在脉冲间顺序跳变,直到f0+(N-1)·dF,步进频率脉冲串发射信号的数学表示如下:

式中:xp(t)为子脉冲基带信号,信号带宽为ban d;m为第m个子脉冲的标识;T为脉冲重复周期;f0为起始载频;dF为脉间频率步进量;N为脉冲串内子脉冲个数。信号综合总带宽B=(N-1)dF+ban d,根据波形设计准则,一般ban d＞dF[1-2],因而B≈N·dF,回波信号经过混频、解调及后续信号处理后获得与直接发射瞬时带宽为B的大带宽信号相同的距离分辨率。

设单散射点目标P作匀速运动,径向速度为v,初始距离对应时延为tl0,目标距离时延tl=tl0-,c为光速,得到解调后的步进频率回波数据如下:

式中,σ为目标散射强度,m为第m个子脉冲的标号。对式(2)作IFFT运算即完成综合成像过程,公式中一次相位exp(j2πf0b·m)将使得综合成像结果发生偏移,二次相位exp(j2π·dF·b·m2)将使得综合成像结果产生波形畸变、失真[3-4]。偏移距离为

未经速度补偿时运动目标综合成像结果形状畸变且位置较其真实位置发生偏移,常用的同距离舍弃法、同距离选大法等距离像拼接方法[4,8]要求目标在综合成像结果中的位置与目标真实位置一致,否则距离像拼接结果出现错误。为了消除目标运动的影响,需要估计目标的运动速度且速度估计误差必须满足要求,依据估计速度构造式(2)中的一次相位、二次相位进行补偿。

目标运动同样引起子脉冲距离走动[2],一方面目标运动引起的目标距离变化使得目标在多个子脉冲脉压结果中的峰值位置出现距离走动现象;另一方面,各子脉冲载频步进变化引入的距离多普勒耦合量不同。上述距离走动导致综合成像时存在能量泄露与伪峰,需要依据目标速度估计值进行多普勒校正和包络对齐处理来消除子脉冲距离走动。

2 步进频率综合宽带处理

若窄带模式提供的测速精度满足步进频率综合宽带处理要求,则使用窄带模式的目标速度估计值进行运动补偿处理,否则需要发射对应的波形进行自测速处理。对目标径向速度的估计方法可分为两类:一类是通过回波数据直接计算求取目标速度,如时域互相关[3]、频域互相关法[3]、正负调频测速[4]等;另一类是利用构造的评价函数在一定速度范围搜索最大值/最小值获得目标速度,如最小波形熵法、最小脉组误差法[5]、最小脉组相位差分法[6]等,属于速度搜索类。本文采用第一类算法中的相位差分-IFFT测速算法[10]进行测速处理,此处不再详细讨论。

脉冲压缩后大尺寸目标回波信号分布在子脉冲的相邻若干距离单元内,需要拼接每个距离单元的综合成像结果得到大尺寸目标的完整高分辨距离像。常用的距离像拼接方法为同距离舍弃法和同距离选大法,这两种方法对目标速度的估计误差有较高要求,若速度估计误差较大则距离像拼接结果出错。本文采用散射中心对齐法[9]进行距离像拼接,该方法对速度估计误差要求相对较低,通过频域线性相位乘因子实现目标多个散射中心沿快时间维对齐,抽取若干等距的平行线得到目标高分辨距离像。

综上所述,步进频率综合宽带信号处理流程包含如下步骤:多普勒补偿和包络对齐、脉冲压缩、测速、包络再对齐、相位补偿、综合成像、距离像拼接,如图1所示。若窄带模式提供的测速精度满足要求,则可省去测速、包络再对齐两个处理步骤。

3 多目标成像处理

实际工作场景中存在多个目标相距较近的情形,此时获取的距离像应能表征各目标自身的散射点特征和目标间距离关系。若这些目标径向速度相同,则按照图1所示流程处理即可,但大多数情形下各目标的径向速度不同,例如弹道导弹弹头、弹体分离初始时刻,此时弹头、弹体距离较近,但速度差别较大。如果只是按照某个目标的速度对整个数据段进行步进频率综合宽带处理,则速度不匹配目标的距离像形状发生畸变且目标间的距离关系产生偏差。

图1 步进频率综合宽带信号处理流程

采用多目标成像处理方法,依据每个目标的估计速度对每个目标分别进行运动补偿、成像处理,得到各目标的距离像拼接结果,再将多个目标的距离像按照距离关系进行拼接综合得到多目标距离像。本文只讨论脉冲压缩后多目标出现在不同距离单元上的情形,多目标成像处理时需要隔离各个目标的回波信号才能实现各目标独立精准运动补偿。脉冲压缩后各个目标在距离上可分,可通过截取当前目标附近若干距离单元数据实现对其他目标回波信号的隔离,具体措施为:将脉压结果中两个目标峰值之间的中心位置作为分割界限进行分割,若目标个数为N,则脉压后有效数据段被分成N段,每段包含一个目标,如图2所示。对每段数据分别进行包络再对齐、相位补偿、综合成像、距离像拼接等操作。

图2 多目标数据分段

非大时宽大脉宽超高速运动情况下多普勒未完全补偿引起的脉压损失较小可忽略,只是残留距离多普勒耦合量。脉冲压缩时依据某个目标的速度估计值完成多普勒补偿和包络对齐,而其余目标的真实速度与该值偏差较大,导致这些目标包络未完全对齐,进而引起综合成像结果能量分散以及拼接距离像时出现伪峰。因而,需要依据各目标估计速度对各目标的分段数据进行包络再对齐处理,包络再对齐通过在分段数据频域乘上对应的线性相位因子后在反变换回时域实现。设分段数据为s(n,m),当前目标速度估计值为V1,脉冲压缩时速度补偿值为V0,包络对齐后分段数据为u(n,m),则包络再对齐过程由式(4)、式(5)、式(6)表示:

式中,n为距离单元标号,m为脉冲串内第m个子脉冲的标识,T为脉冲重复周期,f0为起始载频,dF为脉间频率步进量,Kr为子脉冲调频斜率,fS为子脉冲采样频率,L为FFT、IFFT点数,k取值0,1,…,L-1。

综上所述,多目标成像处理包含多普勒补偿、包络对齐、脉冲压缩、数据分段、包络再对齐、相位补偿、综合成像、距离像拼接等步骤,如图3所示。

图3 步进频率综合宽带多目标成像处理流程

4 仿真分析

假设存在3个相距较近的目标,分别位于距离29 998,30 107和30 157 m处,远离雷达的速度分别为400,800和600 m/s。第1个目标由4个散射点构成,相邻散射点间隔为4,2和11 m,散射强度为1,1,1,1;第2个目标由3个散射点构成,相邻散射点间隔为3 m,4 m,散射强度为1,2,1;第3个目标由3个散射点构成,相邻散射点间隔为3 m,4 m,散射强度为6,2,5。雷达发射波形参数如下:起始载频为5 GHz,综合宽带为200 MHz,子脉冲带宽为30 MHz,脉冲宽度为0.04 ms,子脉冲采样频率为30 MHz,频率步进间隔为15 MHz,脉冲个数为14,脉冲重复周期为1 ms,子脉冲脉压前回波信噪比为-5 dB。依据第1个目标速度对回波数据进行多普勒校正、包络对齐处理,脉冲结果如图4所示,为了压低距离旁瓣,脉冲压缩时加40 dB泰勒窗。

按照图2进行多目标数据分段,图5、图6、图7分别给出了第1个目标、第2个目标、第3个目标包络再对齐前后结果对比,第1个目标实际上无需包络再对齐处理,从图中可以看出,各个目标数据经过包络再对齐处理后包络对齐较好,且修正了目标的距离位置。

图4 多目标子脉冲脉压结果

图5 第1个目标包络再对齐前后结果

图6 第2个目标包络再对齐前后结果

图7 第3个目标包络再对齐前后结果

若多个目标的径向速度相同,使用本文的多目标成像方法与普通的单目标成像方法得到的距离像应是一致的,图8给出了多目标速度相同(远离雷达速度为400 m/s)时成像结果,此时多目标成像处理结果与单目标成像处理结果一致。

图8 多目标速度相同时综合成像结果

图9给出了多目标速度不同时综合成像结果,从图中可以看出,多目标成像方法得到的距离像中各目标散射特征未发生畸变且真实反映各目标距离关系;单目标成像处理得到的距离像中第2、第3目标散射特征畸变且未能真实反映各目标距离关系。第1目标的散射特征理论上应该未受影响,但图9中第1目标的幅度有5 dB左右的损失,这是由第3目标的散射强度较强以及本文采用的距离像拼接方法的自身特性共同造成的。其他参数不变,令第1目标的散射强度不变,第2目标的散射强度为原先的0.5倍,第3目标的散射强度为原先的0.1倍。图10给出了散射强度改变后多目标速度不同时综合成像结果,从图中可以看出单目标成像处理结果和多目标成像处理结果中第1目标的成像结果是一致的。

图9 多目标速度不同时的综合成像结果

图10 目标1强度最强时多目标速度不同的综合成像结果

5 结束语

本文梳理了步进频率雷达高分辨距离像的成像原理与处理步骤,研究了适用于多目标情形的多目标成像方法,解决了单目标成像方法获取的距离像中目标形状畸变、位置失真的现象。该方法通过对脉冲压缩后数据分割分段和包络再对齐处理,再逐个对目标综合宽带处理,运算量小,易于工程实现。

[1]毛二可,龙腾,韩月秋.频率步进雷达数字信号处理[J].航空学报,2001,22(增刊):16-24.

[2]龙腾,毛二可,何佩琨.调频步进雷达信号分析与处理[J].电子学报,1998,26(12):84-88.

[3]蒋楠稚,王毛路,李少洪,等.频率步进脉冲距离高分辨一维成像速度补偿分析[J].电子科学学刊,1999,21(5):665-670.

[4]刘宏伟,王俊,张守宏.运动目标环境下步进频率信号的设计及处理[J].西安电子科技大学学报,1997,24(增刊):75-81.

[5]刘峥,张守宏.步进频率雷达目标的运动参数估计[J].电子学报,2000,28(3):43-45.

[6]牛涛,陈卫东.脉冲步进频率雷达的一种运动补偿新方法[J].中国科学技术大学学报,2005,35(2):161-166.

[7]涂建华,石志广,肖怀铁.一种基于FFT和对称性的目标运动补偿新方法[J].雷达科学与技术,2009,7(1):65-70.TU Jianhua,SHI Zhiguang,XIAO Huaitie.A New Velocity Compensation Method of Moving Target Based on FFT and Symmetric Property[J].Radar Science and Technology,2009,7(1):65-70.(in Chinese)

[8]杨永侠,王坤,刘铮.基于周期延拓的目标抽取像拼接算法[J].探测与控制学报,2007,29(4):69-73.

[9]刘开元,周剑雄,朱永峰,等.基于多散射中心对齐的距离像抽取方法[J].雷达科学与技术,2013,11(5):531-536.LIU Kaiyuan,ZHOU Jianxiong,ZHU Yongfeng,et al.Range Profile Stitching of Moving Target Based on Multiple Scattering Center Alignment[J].Radar Science and Technology,2013,11(5):531-536.(in Chinese)

[10]俞万友,杨广玉,刘志英,等.基于国产DSP的步进频率综合宽带处理[J].雷达科学与技术,2016,14(4):382-386.YU Wanyou,YANG Guangyu,LIU Zhiying,et al.Stepped Frequency Synthesis Processing Based on Domestic Digital Signal Processor[J].Radar Science and Technology,2016,14(4):382-386.(in Chinese)