極化有源雷達(dá)校準(zhǔn)器的幅相失真分析及修正

林健智,李衛(wèi)星,張　月,陳曾平

(國防科技大學(xué)自動目標(biāo)識別重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南長沙 410073)

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極化有源雷達(dá)校準(zhǔn)器的幅相失真分析及修正

林健智,李衛(wèi)星,張月,陳曾平

(國防科技大學(xué)自動目標(biāo)識別重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南長沙 410073)

極化有源雷達(dá)校準(zhǔn)器(Polarimetric Active Radar Calibrator,PARC)可用于寬帶高分辨雷達(dá)的定標(biāo),以使高分辨成像技術(shù)能準(zhǔn)確刻畫雷達(dá)目標(biāo)的細(xì)微特征,但其作為有源器件會引入額外失真從而影響系統(tǒng)失真補(bǔ)償.本文基于成對回波理論及頻域失真補(bǔ)償原理,通過將頻域補(bǔ)償轉(zhuǎn)換為時域?yàn)V波,提出截取濾波器系數(shù)的方法以修正PARC失真.實(shí)測數(shù)據(jù)結(jié)果表明了理論分析和提出的修正方法的正確性,修正后的PARC可近似理想地補(bǔ)償系統(tǒng)失真.

寬帶高分辨雷達(dá);定標(biāo);高分辨成像技術(shù);雷達(dá)目標(biāo);有源器件;失真補(bǔ)償;回波

1　引言

高分辨成像技術(shù)可提供雷達(dá)目標(biāo)形狀、尺寸等細(xì)微特征,是當(dāng)今雷達(dá)研究的重要發(fā)展方向之一[1,2].高分辨意味著大帶寬,而雷達(dá)系統(tǒng)各種非理想元器件難以在整個寬頻帶內(nèi)保持平坦幅度特性和線性相位特性,從而引起系統(tǒng)幅相失真的問題[3,4].一般雷達(dá)系統(tǒng)要求旁瓣小于-25dB,這意味著系統(tǒng)在帶內(nèi)幅頻波動小于1dB、相頻波動小于6°,如果不進(jìn)行系統(tǒng)幅相失真補(bǔ)償,實(shí)際的雷達(dá)系統(tǒng)很難達(dá)到這樣的指標(biāo)要求[5].

當(dāng)前高分辨雷達(dá)進(jìn)行系統(tǒng)失真補(bǔ)償?shù)某Ｓ么胧┦鞘褂脴O化有源雷達(dá)校準(zhǔn)器[4,6].它最先是由國外研究者研制并用于極化雷達(dá)的外定標(biāo),由收發(fā)兩天線和放大器、光調(diào)制器和光纖延遲線等有源器件組成,故被命名為“Polarimetric Active Radar Calibrator(PARC)”,國內(nèi)學(xué)者將其翻譯為“極化有源雷達(dá)校準(zhǔn)器”[7].PARC后來也用于非極化雷達(dá)的系統(tǒng)幅相失真補(bǔ)償,工作于轉(zhuǎn)發(fā)器模式,即PARC的接收天線接收到雷達(dá)發(fā)射信號后,將信號進(jìn)行放大、電光轉(zhuǎn)換、光纖延遲、光電轉(zhuǎn)換和增益控制,最后由發(fā)射天線輻射回雷達(dá)處,起到相當(dāng)于遠(yuǎn)場點(diǎn)目標(biāo)的作用,且能提供數(shù)十dB以上的高信噪比,是進(jìn)行系統(tǒng)幅相失真補(bǔ)償?shù)妮^理想目標(biāo)[4,6].需要注意的是該方法并非外定標(biāo),因?yàn)橥舛?biāo)是通過外部放置定標(biāo)體來修正極化雷達(dá)天線的極化誤差,兩者雖然在形式上都利用了外部目標(biāo)但工作方式和目的不一樣[8].然而PARC的有源器件也為非理想元器件,從而雷達(dá)信號在經(jīng)過其一系列處理后也將不可避免地發(fā)生失真,對雷達(dá)系統(tǒng)的幅相失真補(bǔ)償會產(chǎn)生影響.

本文基于采用匹配濾波方式進(jìn)行脈沖壓縮的系統(tǒng),針對利用PARC補(bǔ)償系統(tǒng)幅相失真的過程,在系統(tǒng)幅相失真及補(bǔ)償原理上,深入分析了PARC的幅相失真特性及影響,從時域補(bǔ)償角度修正了PARC的幅相失真誤差,解決了當(dāng)前雷達(dá)系統(tǒng)幅相失真補(bǔ)償效果有限的問題,實(shí)測數(shù)據(jù)結(jié)果證明了本文理論分析和提出方法的正確性和有效性.

2　系統(tǒng)幅相失真及補(bǔ)償

2.1系統(tǒng)幅相失真分析

實(shí)際雷達(dá)系統(tǒng)總會存在幅相失真,來源于系統(tǒng)整個通路上的所有非理想元器件,最簡單的系統(tǒng)幅相失真特性為簡諧振動[9]:

H1(f)=[a0+a1cos(2πc1f)]

·exp[-j2πb0f-jb1sin(2πd1f)]

(1)

其中f為頻率,a0和b0為恒值,a1和c1分別表示幅頻特性起伏的幅度和變化頻率,b1和d1分別表示相頻特性起伏的幅度和變化頻率.

(2)

可見,信號通過存在幅相失真的系統(tǒng)時,輸出分為三項(xiàng):第一項(xiàng)是輸入信號的無失真線性放大項(xiàng);第二項(xiàng)和第三項(xiàng)分別由幅頻失真和相頻失真引起,其形狀和輸入信號一致,對稱分布在第一項(xiàng)兩側(cè),稱為成對回波.成對回波導(dǎo)致主瓣展寬、距離分辨率下降、旁瓣抬高,甚至產(chǎn)生假目標(biāo),稱為徑向重影.

實(shí)際系統(tǒng)幅相特性較復(fù)雜,但根據(jù)傅里葉級數(shù)展開,可表示成多個簡諧振動之和,即表達(dá)式中多了累加號,后續(xù)的推導(dǎo)只需在相應(yīng)地方加上累加號即可,不影響推導(dǎo),本文為書寫簡便僅采用簡單表達(dá)式.

2.2頻域補(bǔ)償

不同于采用STRETCH處理方式時系統(tǒng)失真具有復(fù)雜特性,采用匹配濾波處理方式時,雷達(dá)系統(tǒng)是各個子系統(tǒng)線性串聯(lián)的系統(tǒng),可以作為整體一起進(jìn)行測試和補(bǔ)償[5].常用的方法是頻域補(bǔ)償[3]:設(shè)Sideal i(f)為理想輸入信號sideal i(t)的頻譜,Sideal o(f)為經(jīng)過系統(tǒng)后輸出信號即理想點(diǎn)目標(biāo)回波sideal o(t)的頻譜,則可得頻域補(bǔ)償因子:

(3)

設(shè)Starget o(f)為雷達(dá)實(shí)際目標(biāo)回波starget o(t)的頻譜,從而頻域補(bǔ)償結(jié)果為

(4)

3　PARC幅相失真誤差及修正

3.1PARC幅相失真分析

(5)

于是上述頻域補(bǔ)償過程中求得的頻域補(bǔ)償因子實(shí)際上為:

(6)

從而對實(shí)際目標(biāo)的實(shí)際補(bǔ)償結(jié)果為:

(7)

(8)

(9)

這說明了實(shí)際補(bǔ)償結(jié)果出現(xiàn)了由PARC幅相失真誤差引起的成對回波.

3.2PARC幅相失真修正

由于頻域乘法相當(dāng)于時域卷積,因此,上述頻域補(bǔ)償過程也可以在時域通過濾波實(shí)現(xiàn),即在上述得到頻域補(bǔ)償因子后取其倒數(shù),通過傅里葉逆變換可得到濾波器的時域響應(yīng),然后截取較大值點(diǎn)作為FIR濾波器的系數(shù),將實(shí)際目標(biāo)回波時域信號通過該FIR濾波器即可實(shí)現(xiàn)失真補(bǔ)償[10].

(10)

這表明,利用PARC進(jìn)行系統(tǒng)幅相失真補(bǔ)償時所求得的濾波器的時域響應(yīng),相比利用理想點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)幅相失真補(bǔ)償時所求得的濾波器的時域響應(yīng),多了成對回波.因此,在截取濾波器時域響應(yīng)的較大值點(diǎn)構(gòu)造FIR濾波器時,只要將成對回波排除在外,即取FIR濾波器時域響應(yīng)為:

(11)

于是其頻域特性近似式(3)中僅存在系統(tǒng)幅相失真時的濾波器的頻域特性,用它來對系統(tǒng)進(jìn)行失真補(bǔ)償就相當(dāng)于利用理想點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行補(bǔ)償,即消除了PARC失真的影響.

3.3實(shí)現(xiàn)步驟

上述給出了PARC幅相失真誤差修正的理論分析,下面給出其具體實(shí)現(xiàn)步驟:

(1)PARC回波信號經(jīng)過接收、直接采樣和正交解調(diào)后得到回波的離散復(fù)信號sPARC o(tn),并通過FFT運(yùn)算得到其頻譜SPARC o(fn);

(2)構(gòu)造理想發(fā)射信號的離散復(fù)信號sideal i(tn)并通過FFT運(yùn)算得到其頻譜Sideal i(fn);

(3)將(1)和(2)中兩頻譜相除求得濾波器的頻域響應(yīng)H(fn);

(4)將H(fn)通過IFFT運(yùn)算得到濾波器的時域響應(yīng)h(tn),截取其較大值且不含成對回波部分作為FIR濾波器的系數(shù),其具體做法為:設(shè)置門限得到大于門限的三塊區(qū)域,中間為主回波,兩側(cè)為成對回波,取中間與左側(cè)的中點(diǎn)作為起始點(diǎn)、中間與右側(cè)的中點(diǎn)作為終止點(diǎn),起始點(diǎn)與終止點(diǎn)之間即為所要截取的濾波器系數(shù);

(5)將實(shí)際目標(biāo)回波信號經(jīng)過接收、直接采樣和正交解調(diào)后得到的離散復(fù)信號通過上述FIR濾波器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)幅相失真補(bǔ)償.

4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

利用我國某ISAR雷達(dá)對本文的理論和方法進(jìn)行驗(yàn)證.首先轉(zhuǎn)動雷達(dá)天線使其對準(zhǔn)數(shù)公里外標(biāo)校塔上的PARC,設(shè)置好雷達(dá)的工作模式,然后開發(fā)射機(jī)發(fā)射信號,雷達(dá)接收機(jī)接收PARC轉(zhuǎn)發(fā)的信號并經(jīng)采集存儲設(shè)備進(jìn)行記錄.錄取完P(guān)ARC的回波數(shù)據(jù)后,雷達(dá)的工作模式不變,轉(zhuǎn)動天線根據(jù)預(yù)報的軌道信息跟蹤球形標(biāo)校星并錄取其回波數(shù)據(jù);同理錄取了非點(diǎn)狀目標(biāo)的回波數(shù)據(jù).

利用PARC回波和標(biāo)校星回波(先通過相參積累提高信噪比)分別構(gòu)造濾波器,其時域響應(yīng)對比如圖1所示,可以看到,利用PARC所構(gòu)造的濾波器的時域響應(yīng)在主體兩側(cè)出現(xiàn)了高的凸起,即為PARC的幅相失真誤差引起的成對回波,這與式(10)的結(jié)論是一致的;而主體部分的差異是由PARC幅相失真中振動頻率較小的分量與主回波疊加在一起所致,該部分影響較小,可以忽略.

圖2是上述兩濾波器對同一非點(diǎn)狀目標(biāo)同一時間段回波數(shù)據(jù)補(bǔ)償后的成像結(jié)果,可以看到,利用PARC補(bǔ)償結(jié)果導(dǎo)致了徑向重影,這與式(9)的結(jié)論是一致的;而目標(biāo)部分的成像效果的細(xì)微差異是由振動頻率較小的失真分量引起,但差別并不大,可通過對比度增強(qiáng)等圖像處理的方法加以消除.

根據(jù)本文方法,修正PARC的失真后對上述同一數(shù)據(jù)的補(bǔ)償結(jié)果如圖3所示,對比圖3和圖2(a),可以看到,修正后徑向重影被消除且目標(biāo)部分的成像效果沒有改變,證明了本文方法的正確性和有效性.

5　結(jié)束語

系統(tǒng)幅相失真補(bǔ)償是雷達(dá)系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計指標(biāo)性能的重要保證.本文針對利用PARC進(jìn)行系統(tǒng)幅相失真補(bǔ)償導(dǎo)致補(bǔ)償后出現(xiàn)徑向重影的問題,結(jié)合系統(tǒng)幅相失真補(bǔ)償?shù)脑?分析了PARC的幅相失真誤差及其影響,從時域補(bǔ)償?shù)慕嵌忍岢隽诵拚椒?從而消除了徑向重影實(shí)現(xiàn)了對系統(tǒng)幅相失真的較理想補(bǔ)償.實(shí)測數(shù)據(jù)結(jié)果驗(yàn)證了本文方法的正確性.由于本文的補(bǔ)償方法實(shí)現(xiàn)簡單,為解決我國當(dāng)前雷達(dá)系統(tǒng)花高成本修建PARC標(biāo)校塔卻不能較好地補(bǔ)償系統(tǒng)幅相失真的難題提供了理論和技術(shù)支撐.

[1]周萬幸.ISAR成像系統(tǒng)與技術(shù)發(fā)展綜述[J].現(xiàn)代雷達(dá),2012,34(9):1-7.

ZHOU Wan-xing.Development and prospect of ISAR imaging system and imaging technique[J].Modern Radar,2012,34(9):1-7.(in Chinese)

[2]Biao ZHANG,Yiming PI,Xiaobo YANG.Terahertz imaging radar with aperture synthetic techniques for object detection[A].2013 IEEE International Conference on Communications Workshops[C].Budapest:IEEE,2013.921-925.

[3]Peter TAIT.Introduction to Radar Target Recognition[M].London:The Institution of Engineering and Technology,2009.264-272.

[4]林錢強(qiáng),張月,陳曾平.寬帶雷達(dá)STRETCH處理系統(tǒng)失真補(bǔ)償新方法[J].電子與信息學(xué)報,2013,35(6):1477-1483.LIN Qian-qiang,ZHANG Yue,CHEN Zeng-ping.A new compensation method of system distortion in wideband radar STRETCH processing[J].Journal of Electronics & Information Technology,2013,35(6):1477-1483.(in Chinese)

[5]劉永坦.雷達(dá)成像技術(shù)[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,1999.341-397.

[6]楊文軍,徐泳,王峰,等.寬帶雷達(dá)系統(tǒng)失真補(bǔ)償信號的提取方法[J].現(xiàn)代雷達(dá),2006,28(5):8-11.

YANG Wen-jun,XU Yong,WANG Feng,et al.Compensation signal extraction for wideband radar system distortion[J].Modern Radar,2006,28(5):8-11.(in Chinese)

[7]P S DALEMAN,R K HAWKINS,T I LUKOWSKI.Experience with active radar calibrators for airborne SAR[A].10th Annual International Geoscience and Remote Sensing Symposium[C].Maryland:IEEE,1990.795-798.

[8]HONG Jun,ZANG Bing-rong,WANG Hong-qi.The progress of the airborne SAR calibration techniques in China[A].IEEE 1999 International Geoscience and Remote Sensing Symposium[C].Hamburg:IEEE,1999.422-424.

[9]王吉濱,孟憲德,張忠.一種新的高頻地波雷達(dá)接收系統(tǒng)補(bǔ)償方案[J].電子學(xué)報,2001,29(4):534-537.

WANG Ji-bin,MENG Xian-de,ZHANG Zhong.A new compensation method for HF ground wave radar receiving system[J].Acta Electronica Sinica,2001,29(4):534-537.(in Chinese)

[10]張月,鮑慶龍,楊劍,等.寬帶數(shù)字陣列雷達(dá)通道均衡方法的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].信號處理,2010,26(3):453-457.

ZHANG Yue,BAO Qing-long,YANG Jian,et al.Design and implementation of channel equalization method for wideband digital array radar[J].Signal Processing,2010,26(3):453-457.(in Chinese)

林健智男,1987年9月生于廣東揭陽.現(xiàn)為國防科技大學(xué)博士研究生.研究方向?yàn)閷拵Ю走_(dá)數(shù)據(jù)處理.

E-mail:jzlingfkd@163.com

李衛(wèi)星男,1989年8月生于河南信陽.現(xiàn)為國防科技大學(xué)博士研究生.研究方向?yàn)殛嚵行盘柼幚?

E-mail:lee-weixing@163.com

Analysis and Modification of Amplitude-Phase Distortion in Polarimetric Active Radar Calibrator

LIN Jian-zhi,LI Wei-xing,ZHANG Yue,CHEN Zeng-ping

(ScienceandTechnologyonAutomaticTargetRecognitionLaboratory,NationalUniversityofDefenseTechnology,Changsha,Hunan410073,China)

A polarimetric active radar calibrator (PARC) is used to calibrate wideband high-resolution radars,confirming the high-resolution imaging can accurately characterize radar targets.However,the PARC is an active component and induces additional distortion,affecting the system distortion compensation.This paper was based on the “method of paired echoes” and the distortion compensation in the frequency domain.After transforming the frequency compensation into the filtering in the time domain,we proposed to intercept the time filter for modifying the PARC distortion.The experimental results based on real radar data confirm the accuracy of the theoretical analysis and the proposed modification method and after the modification the PARC can approximately compensate the system distortion.

wideband high-resolution radar;calibration;high-resolution imaging;radar target;active component;distortion compensation;echo

2014-12-01;修回日期:2015-06-18;責(zé)任編輯:覃懷銀

TN957

A

0372-2112 (2016)06-1512-04