基于多散射中心聯(lián)合抽取的步進(jìn)頻雷達(dá)成像方法

李陽(yáng)， 石智友， 陳鵬， 李小海

(1.北京理工大學(xué) 雷達(dá)技術(shù)研究所，北京 100081；2.中國(guó)兵器工業(yè) 第203研究所，陜西，西安 710065)

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基于多散射中心聯(lián)合抽取的步進(jìn)頻雷達(dá)成像方法

李陽(yáng)1， 石智友1， 陳鵬1， 李小海2

(1.北京理工大學(xué) 雷達(dá)技術(shù)研究所，北京 100081；2.中國(guó)兵器工業(yè) 第203研究所，陜西，西安 710065)

針對(duì)步進(jìn)頻雷達(dá)復(fù)雜目標(biāo)抽取一維距離像時(shí)存在的多散射中心幅度損失問(wèn)題，提出了一種基于多散射中心的聯(lián)合抽取算法. 方法根據(jù)目標(biāo)最強(qiáng)散射中心，利用逆向舍棄法得到參考距離像，然后提取目標(biāo)多散射中心峰值，并由強(qiáng)到弱得出能抽取到相應(yīng)散射中心峰值的多組抽取起始點(diǎn)集合，依次對(duì)這些集合取交集，作為最佳抽取起始點(diǎn). 該方法確定的抽取起始點(diǎn)能夠抽取到盡可能多的散射中心峰值，并且各散射中心的測(cè)距精度更高. 經(jīng)計(jì)算機(jī)仿真和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，該方法抽取效果優(yōu)于逆向舍棄法等傳統(tǒng)抽取方法.

步進(jìn)頻雷達(dá)；目標(biāo)抽??；多散射中心；抽取起始點(diǎn)

步進(jìn)頻信號(hào)廣泛應(yīng)用于寬帶雷達(dá)體制中，是一種重要的距離高分辨信號(hào)[1]. 它通過(guò)發(fā)射一組脈間載頻跳變、脈內(nèi)調(diào)制如線性調(diào)頻信號(hào)等的脈沖串，再對(duì)回波信號(hào)做脈間IFFT處理，等效合成大帶寬信號(hào)來(lái)提高距離分辨率[2]. 通過(guò)步進(jìn)頻信號(hào)的高分辨處理，可以得到目標(biāo)的一維高分辨距離像(HRRP)，HRRP表征了目標(biāo)各個(gè)散射中心在雷達(dá)徑向上的能量分布，是目標(biāo)高分辨檢測(cè)、高精度跟蹤以及分類識(shí)別的重要特征[3].

由于實(shí)際工程中步進(jìn)頻信號(hào)的參數(shù)設(shè)計(jì)所導(dǎo)致的距離失配冗余、過(guò)采樣冗余等，需要利用目標(biāo)抽取算法，從這些冗余的高分辨距離像中提取出真實(shí)有效的目標(biāo)信息. 目前主要的抽取算法有：舍棄法、同距離選大法、疊加法和逆向舍棄法等[4]. 其中舍棄法、同距離選大法、疊加法未指明如何確定抽取起始點(diǎn)，且受相對(duì)速度帶來(lái)的耦合時(shí)移的影響會(huì)引起抽取峰值偏移甚至丟失；而逆向舍棄法先找峰值再確定抽取起始點(diǎn)，保證能抽取到目標(biāo)最強(qiáng)散射中心，但可能會(huì)帶來(lái)目標(biāo)其它散射中心幅度的損失，導(dǎo)致多散射中心間的幅度關(guān)系失真，因此逆向舍棄法只適用于點(diǎn)目標(biāo)，對(duì)多散射中心的復(fù)雜目標(biāo)距離像的還原不準(zhǔn)確.

針對(duì)上述抽取算法存在的問(wèn)題，提出了一種基于目標(biāo)多散射中心聯(lián)合抽取的算法. 該方法在逆向舍棄法的基礎(chǔ)上，不僅保證能抽取到目標(biāo)最強(qiáng)散射中心，還要尋找目標(biāo)其它散射中心的峰值，并使得盡可能多的散射中心峰值被抽取到，更精確地還原了目標(biāo)真實(shí)的HRRP.

1 信號(hào)模型

步進(jìn)頻信號(hào)由N個(gè)載頻等間隔增加的子脈沖信號(hào)組成，子脈沖內(nèi)可以有不同形式的調(diào)制方式. 以簡(jiǎn)單步進(jìn)頻信號(hào)為例，假設(shè)第一個(gè)子脈沖的載頻為f0，脈間載頻步進(jìn)階梯為Δf，脈沖重復(fù)周期為tr，脈沖持續(xù)時(shí)間為tp. 經(jīng)相參混頻后得到的視頻回波的時(shí)域表達(dá)式為

(1)

式中：τ(t)=(2R-2vt)/c表示目標(biāo)回波的延遲時(shí)間，c為光速，R為目標(biāo)距離，v為目標(biāo)相對(duì)雷達(dá)的徑向速度. 目標(biāo)與雷達(dá)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，會(huì)帶來(lái)回波的多普勒頻移，引起積累時(shí)間內(nèi)的包絡(luò)走動(dòng)和相位失配[4]，導(dǎo)致不完全積累、距離耦合時(shí)移、波形發(fā)散、峰值幅度損失等問(wèn)題，影響目標(biāo)抽取算法的性能. 因此，對(duì)回波采樣后，先要進(jìn)行速度補(bǔ)償[5]，再對(duì)各子脈沖相同位置的采樣點(diǎn)做脈間IFFT處理，得到該采樣點(diǎn)高分辨距離像的N條譜線為

l=0，1，2，…，N-1.

(2)

抽取算法就是要從這N條譜線中選取代表該采樣點(diǎn)實(shí)際距離范圍的有效部分，如何選擇最佳的抽取區(qū)是抽取算法的關(guān)鍵.

2 基于多散射中心的聯(lián)合抽取算法

傳統(tǒng)的逆向舍棄法能保證目標(biāo)的最強(qiáng)散射中心被抽取到，但是對(duì)于其它散射中心可能會(huì)導(dǎo)致幅度損失，但如果對(duì)目標(biāo)的多個(gè)散射中心分別利用逆向舍棄法，就能保證抽取到相應(yīng)散射中心的峰值. 因此，提出的多散射中心聯(lián)合抽取法分別基于目標(biāo)的各個(gè)散射中心峰值進(jìn)行逆向舍棄，得到多組抽取起始點(diǎn)范圍，并利用這些起始點(diǎn)范圍的共同部分作為抽取起始點(diǎn)時(shí)，能保證各個(gè)散射中心均被取到峰值.

基于目標(biāo)多散射中心聯(lián)合抽取的方法可分為3個(gè)步驟:① 以目標(biāo)最強(qiáng)散射中心為基準(zhǔn)，生成參考HRRP；② 提取目標(biāo)多散射中心；③ 融合多散射中心的抽取區(qū).

2.1 參考HRRP生成

設(shè)信號(hào)采樣頻率為fs，處理波門內(nèi)有M個(gè)采樣點(diǎn)，每個(gè)采樣點(diǎn)所做IFFT點(diǎn)數(shù)為N，處理后得到一個(gè)M×N的二維高分辨矩陣. 每個(gè)高分辨點(diǎn)所代表的距離為c/(2NΔf)，但N點(diǎn)高分辨距離像所包含的有效距離新信息僅為一個(gè)采樣點(diǎn)的距離c/(2fs)，所以每個(gè)采樣點(diǎn)需要抽取的高分辨點(diǎn)數(shù)為W=?NΔf/fs」，其中??」為取整操作.

設(shè)高分辨矩陣最大值即最強(qiáng)散射中心位置Pmax=[m，n](m為采樣點(diǎn)號(hào)，n為高分辨點(diǎn)號(hào))，在最強(qiáng)散射中心被抽取到的條件下，該采樣點(diǎn)的抽取區(qū)有W種情況(如圖1所示，其中W=5)，對(duì)應(yīng)最強(qiáng)散射中心所在高分辨點(diǎn)n分別處于抽取區(qū)的第1，2，3，…，W點(diǎn).

如果令第m個(gè)采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的抽取區(qū)是以最強(qiáng)散射中心為中心位置的W個(gè)點(diǎn)(如圖1中n處于抽取區(qū)第3點(diǎn))，設(shè)抽取區(qū)起始點(diǎn)為Pm，結(jié)束點(diǎn)為Qm，則

(3)

其中Mod為取余操作. 根據(jù)第m個(gè)采樣點(diǎn)的抽取區(qū)，由式(4)中相鄰兩個(gè)采樣點(diǎn)的抽取區(qū)關(guān)系，依次逆推出其它所有采樣點(diǎn)的抽取范圍(如圖2所示).

Pm=Mod{Qm-1+1，N}，

Qm=Mod{Pm+W-1，N}.

(4)

最后，將所有采樣點(diǎn)的抽取區(qū)按采樣點(diǎn)號(hào)順序拼接起來(lái)，便可得到參考HRRP. 此種抽取方法稱為逆向舍棄法. 定義逆向舍棄法時(shí)第1個(gè)采樣點(diǎn)高分辨像的抽取起始點(diǎn)為P1，再由圖1中抽取區(qū)的可能位置，推算出第1個(gè)采樣點(diǎn)的抽取起始點(diǎn)范圍S(如圖2所示)為

(5)

2.2 多散射中心提取

在尋找目標(biāo)的各個(gè)散射中心時(shí)，如果直接按幅度大小從參考HRRP中選取，會(huì)將HRRP中可能存在的較大野值和強(qiáng)雜波點(diǎn)錯(cuò)誤地判斷成目標(biāo)散射中心. 為解決此問(wèn)題，采用聯(lián)合目標(biāo)長(zhǎng)度和CFAR檢測(cè)[6]的方法，具體操作如下：

① 計(jì)算目標(biāo)在參考HRRP中占據(jù)的點(diǎn)數(shù)：如果目標(biāo)徑向長(zhǎng)度未知，則可利用文獻(xiàn)[7]中滑窗的方法確定出目標(biāo)的徑向長(zhǎng)度，或者已知目標(biāo)可能的最大徑向長(zhǎng)度，并將確定出的徑向長(zhǎng)度記為L(zhǎng)，則目標(biāo)在HRRP中占據(jù)的高分辨點(diǎn)數(shù)為D=L/Δr，Δr為每個(gè)高分辨點(diǎn)所代表的距離.

② 確定目標(biāo)在參考HRRP中的位置：假設(shè)HRRP中最強(qiáng)散射中心為p，則依次以HRRP中第p-D+1，p-D+2，…，p-1，p點(diǎn)為起始點(diǎn)，對(duì)包括起始點(diǎn)在內(nèi)的連續(xù)D個(gè)點(diǎn)的幅度求和為S1，S2，…，SD-1，SD；根據(jù)目標(biāo)多散射中心在徑向長(zhǎng)度范圍內(nèi)連續(xù)分布的特點(diǎn)，以所有散射中心聯(lián)合信噪比最大為準(zhǔn)則，選取這D個(gè)幅度求和值的最大值所對(duì)應(yīng)的起始點(diǎn)作為目標(biāo)在HRRP中的起始邊界，并順序取D個(gè)點(diǎn)作為目標(biāo)區(qū).

③ CFAR檢測(cè)：對(duì)②中目標(biāo)位置內(nèi)的所有點(diǎn)做CFAR檢測(cè)，如CACFAR，OSCFAR等，并將檢測(cè)過(guò)門限的點(diǎn)按升序排列，得到多散射中心集合{X1，X2，…，Xk-1，Xk}.

2.3 多散射中心抽取融合

考慮到2.1中能抽取到目標(biāo)最強(qiáng)散射中心時(shí)的抽取起始點(diǎn)范圍為S，同理依次以2.2中多散射中心集合的其它散射中心為基準(zhǔn)，按散射中心幅度由強(qiáng)到弱，依次尋找這些散射中心的峰值，并分別按照2.1中的方法，得到多組能夠抽取到不同散射中心峰值的抽取起始點(diǎn)范圍. 然后對(duì)這些抽取起始點(diǎn)范圍融合即取交集，得到最佳抽取起始點(diǎn). 具體流程如下：

① 計(jì)算能夠抽取到次強(qiáng)散射中心峰值的抽取起始點(diǎn)范圍：假設(shè)2.2得到的多散射中心集合中Xk-1點(diǎn)所在的采樣點(diǎn)號(hào)為Z、高分辨點(diǎn)位置為O，然后比較Xk-1與前后相鄰兩個(gè)采樣點(diǎn)Z-1和Z+1的高分辨距離像中第O點(diǎn)的值，選出三者中的最大值，例如第Z+1采樣點(diǎn)高分辨距離像中第O點(diǎn)的值最大. 在保證該最大值能夠被抽取到的前提下，按照2.1中式(5)抽取起始點(diǎn)范圍的計(jì)算方法，得到一組能夠抽取到該次散射中心峰值時(shí)的抽取起始點(diǎn)范圍，記作S′.

② 融合多散射中心峰值抽取的起始點(diǎn)范圍：對(duì)集合S與S′求交集，如果交集為空，則說(shuō)明最強(qiáng)和次強(qiáng)兩個(gè)散射中心的峰值不能同時(shí)被抽取到；如果交集只有一個(gè)元素，則將此交集重新記作S；如果交集大于一個(gè)元素，則先將此交集記作S，并繼續(xù)以下一個(gè)次強(qiáng)散射中心Xk-2為基準(zhǔn)，與①中對(duì)Xk-1的操作相同，又可得到一組新的抽取起始點(diǎn)范圍，同樣也記作S′，然后再與S取交集，如此循環(huán)進(jìn)行，依次計(jì)算能夠抽取到散射中心Xk-3，Xk-4，Xk-5……峰值時(shí)的抽取起始點(diǎn)范圍，直到S與S′的交集為空或只有一個(gè)元素為止.

③ 根據(jù)最佳抽取起始點(diǎn)拼接完備HRRP：取②中最終得到的抽取起始點(diǎn)范圍交集S內(nèi)的任一元素(如集合中值)作為最佳抽取起始點(diǎn)，并按2.1中式(4)依次計(jì)算所有采樣點(diǎn)的高分辨抽取區(qū)，拼接獲得能抽取到盡可能多的散射中心峰值的HRRP.

3 仿真和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證

仿真和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了基于多散射中心聯(lián)合抽取算法的有效性，并與傳統(tǒng)逆向舍棄法的抽取結(jié)果進(jìn)行了比較，比較的性能指標(biāo)有多散射中心成像幅度和測(cè)距精度.

3.1 算法仿真驗(yàn)證

仿真所使用的簡(jiǎn)單頻率步進(jìn)波形參數(shù)為：脈沖寬度80 ns，采樣率80 MHz，脈間步進(jìn)頻率5 MHz，步進(jìn)脈沖個(gè)數(shù)128，目標(biāo)3個(gè)等強(qiáng)散射中心的徑向距離分別為55.5，61.0，63.5 m.

傳統(tǒng)的逆向舍棄法、基于多散射中心的聯(lián)合抽取法得到的HRRP分別如圖3和圖4所示.

統(tǒng)計(jì)兩圖中3個(gè)散射中心(編號(hào)1、2、3，圖4中實(shí)線)的成像幅度和距離，如表1.

表1 兩種抽取算法下目標(biāo)3個(gè)散射中心的成像幅度和距離

從表1中可以看出，對(duì)編號(hào)為2的散射中心，多散射中心聯(lián)合抽取算法比逆向舍棄法的成像幅度高7.33 dB，消除了逆向舍棄法存在的幅度損失，并且多散射中心聯(lián)合抽取算法的測(cè)距偏差更小. 進(jìn)一步對(duì)上述3個(gè)散射中心的位置和幅度均添加高斯隨機(jī)噪聲，使用多散射中心聯(lián)合抽取法進(jìn)行100次蒙特卡洛仿真，得到的HRRP如圖4中星型線(100次仿真)表示，與不含噪聲(實(shí)線)時(shí)的HRRP相差較小，說(shuō)明了多散射中心聯(lián)合抽取法具有魯棒性.

3.2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證

利用某寬帶雷達(dá)對(duì)多散射中心聯(lián)合抽取算法進(jìn)行了驗(yàn)證. 發(fā)射簡(jiǎn)單步進(jìn)頻信號(hào)，脈沖寬度80 ns，采樣率80 MHz，步進(jìn)頻率5 MHz，步進(jìn)脈沖個(gè)數(shù)128，目標(biāo)為距離雷達(dá)約910 m的卡車. 試驗(yàn)場(chǎng)景如圖5所示，卡車前方約8 m處放置一個(gè)雷達(dá)截面積為3 000 m2的角反射器作為參考散射中心.

傳統(tǒng)的逆向舍棄法、基于多散射中心聯(lián)合抽取法得到的卡車HRRP分別如圖6和圖7所示.

圖6和圖7中編號(hào)為1的散射中心為場(chǎng)景中放置的參考角反，分別統(tǒng)計(jì)屬于卡車的編號(hào)為2、3、4的3個(gè)主要散射中心的成像幅度，結(jié)果如表2.

從表2中可以看出，基于多散射中心聯(lián)合抽取算法取到的散射中心幅度比逆向舍棄法更大，體現(xiàn)在對(duì)編號(hào)3和4的散射中心的成像幅度分別高3.81，1.00 dB. 另外，由于試驗(yàn)過(guò)程中卡車目標(biāo)上各散射中心實(shí)際精確距離不可知，故在測(cè)距精度方面不易進(jìn)行比較.

表2 兩種抽取算法得到的卡車的3個(gè)散射中心的成像幅度

Tab.2 Amplitude information of 3 scatters on truck using the two methods

抽取方法散射中心(編號(hào)2、3、4)幅度/dB逆向舍棄法37.21,25.23,27.67多散射中心聯(lián)合抽取37.21,29.04,28.67

4 結(jié) 論

為了解決傳統(tǒng)抽取算法對(duì)復(fù)雜目標(biāo)多散射中心抽取時(shí)存在的幅度損失問(wèn)題，提出了一種基于目標(biāo)多散射中心聯(lián)合抽取的算法. 該算法首先根據(jù)目標(biāo)最強(qiáng)散射中心，采用逆向舍棄法生成一組參考HRRP. 然后，從參考HRRP中由強(qiáng)到弱依次選擇目標(biāo)的各個(gè)散射中心，并尋找各散射中心的峰值，同理按逆向舍棄法得到能夠抽取到各散射中心峰值的抽取起始點(diǎn)范圍，對(duì)這些起始點(diǎn)范圍依次求交集，并保證交集非空. 最后，選取交集中的元素作為最佳抽取起始點(diǎn)，并依次得到各個(gè)采樣點(diǎn)的抽取區(qū)，順序拼接成完備的HRRP. 經(jīng)計(jì)算機(jī)仿真和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，該方法抽取效果優(yōu)于傳統(tǒng)的抽取方法.

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(責(zé)任編輯：劉芳)

Range Profile Extraction Method Based on Cooperative Multi-Scatters for Stepped Frequency Radar

LI Yang1， SHI Zhi-you1， CHEN Peng1， LI Xiao-hai2

(1.Radar Research Laboratory， Beijing Institute of Technology， Beijing 100081， China; 2.No. 203 Research Institute of China Ordnance Industries， Xi’an, Shaanxi 710065， China)

An improved range profile extraction algorithm based on multi-scatters was proposed to solve the problem of scatters’ amplitude loss during the complicated target’s range profile extraction in the stepped frequency radar. First, according to the target’s highest peak of scatters, a reference range profile was extracted based on the inverse discard method. Then the target’s multiple scatters were extracted, and the sets of extraction starting points were obtained based on each scatter’s peak in the descending order of amplitude. Then the intersection among these sets was successively calculated as the ideal starting point. This algorithm can extract as many scatters’ peak amplitude as possible, and the range measurement of each scatter is more accurate. Simulation results and field measured data demonstrate the advantages of the proposed method over the others.

stepped frequency radar; target extraction; multiple scatters; extraction starting point

2015-01-29

國(guó)家高等學(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智計(jì)劃資助項(xiàng)目(B14010)

李陽(yáng)(1979—)，男，副研究員，碩士生導(dǎo)師，E-mail:bit_liyang@bit.edu.cn.

TN 957.52

A

1001-0645(2016)11-1200-05

10.15918/j.tbit1001-0645.2016.11.019