基于柵瓣修正窗的調(diào)頻步進(jìn)信號時(shí)域合成算法

洪香茹

(西安電子工程研究所 西安 710100)

信號/數(shù)據(jù)處理

基于柵瓣修正窗的調(diào)頻步進(jìn)信號時(shí)域合成算法

洪香茹

(西安電子工程研究所 西安 710100)

文章針對調(diào)頻步進(jìn)信號存在頻域冗余時(shí)，“去斜”接收距離像時(shí)域合成算法出現(xiàn)的柵瓣現(xiàn)象，提出基于柵瓣修正窗的時(shí)域拼接算法。根據(jù)本雷達(dá)收發(fā)分置的特點(diǎn)，提出利用發(fā)射信號直接衰減回環(huán)到接收端的信號形成理想柵瓣修正窗的方法；給出基于柵瓣修正窗的時(shí)域拼接算法流程及仿真驗(yàn)證；利用某近場成像雷達(dá)的實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證了本方法的有效性。對調(diào)頻步進(jìn)信號的實(shí)際工程應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值。

調(diào)頻步進(jìn) 高分辨距離像 柵瓣 “去斜”接收 近場成像

Abstract: Aiming at phenomenon of grating lobe occurred in de-chirp reception range profile synthesis algorithm in time-domain when stepped-frequency chirp signal has redundancy in frequency-domain, stitching algorithm in time-domain based-on grating lobe correction window is presented. According to bistatic features of radar, method of forming ideal grating lobe correction window by using signal which is attenuated and looped to receiving terminal directly from transmitting signal is presented; flow and simulation demonstration of stitching algorithm in time-domain based-on grating lobe correction window is presented; effectiveness of this method is verified by using measured data of a near-field imaging radar. The method can be used as reference for actual engineering application of stepped frequency-modulated signal.

Keywords：frequency-modulated step; high resolution range profile; grating lobe; de-chirp reception; near-field imaging

0 引言

調(diào)頻步進(jìn)信號，作為一種實(shí)用的高分辨率信號體制，它的主要特點(diǎn)，就是在每一個(gè)PRT中采用寬脈沖，在一組相參的PRT中采用載頻離散跳變方式，實(shí)現(xiàn)離散化的LFM信號，可以在降低信號產(chǎn)生、回波接收及A/D采樣率和信號處理瞬時(shí)帶寬要求的條件下得到距離高分辨率。

調(diào)頻步進(jìn)信號在降低前端帶寬的情況下，得到高分辨距離像的代價(jià)是增加了后續(xù)距離像合成的難度及計(jì)算量。對單點(diǎn)目標(biāo)而言，調(diào)頻步進(jìn)信號處理只需把一組脈沖壓縮后的子脈沖信號進(jìn)行IFFT即可。對延展目標(biāo)，需要將多個(gè)高分辨的一維距離像進(jìn)行拼接，即高分辨距離像合成。

常用的高分辨距離合成算法有：目標(biāo)抽取算法、時(shí)域合成法、頻域合成法、基于系統(tǒng)傳遞函數(shù)的濾波法。在雷達(dá)目標(biāo)之間具有相對運(yùn)動時(shí)，目標(biāo)抽取算法存在偽峰；基于系統(tǒng)傳遞函數(shù)的濾波法針對不同的系統(tǒng)，需要設(shè)計(jì)不同的系統(tǒng)傳遞函數(shù)且計(jì)算量大；時(shí)域合成法及頻域合成法在原則上都是將離散化的LFM信號先合成大帶寬的LFM信號，再做匹配濾波，只是頻域合成算法計(jì)算量小。

由于某項(xiàng)目近距要求到3m，采用連續(xù)波體制；又考慮到距離高分辨率的要求，采用脈內(nèi)LFM的調(diào)頻步進(jìn)信號，為此接收采用“去斜接收”，這樣“去斜”之后的回波信號為單頻信號，步進(jìn)頻距離像合成時(shí)，只需要把各個(gè)子脈沖時(shí)移，再疊加即可。又由于考慮到頻域冗余，時(shí)移疊加后合成的距離像存在柵瓣，為此采用點(diǎn)目標(biāo)回波形成修正窗，消除合成后的柵瓣。

1 算法流程

1.1 調(diào)頻步進(jìn)信號的頻域冗余、采樣冗余分析

圖1 調(diào)頻步進(jìn)信號的時(shí)域波形

文獻(xiàn)中給出由ΔR,Ru決定的Ba，Δf設(shè)計(jì)關(guān)系，即由

(1)

推導(dǎo)出

(2)

根據(jù)奈奎斯特定理，采樣頻率fs只要等于發(fā)射信號的帶寬Ba，就可以通過IFFT合成全程的一維距離像，但考慮到在實(shí)際系統(tǒng)中，由于回波展寬、發(fā)散，就有可能造成采樣點(diǎn)沒有采到回波的最大值，造成幅度損失。所以為了減小損失，通常增加采樣率，一般取

fs=1.5～2Ba

(3)

每個(gè)采樣點(diǎn)對應(yīng)的脈寬內(nèi)最大不模糊距離窗如下圖2所示：

圖2 采樣點(diǎn)對應(yīng)的脈寬內(nèi)最大不模糊距離窗

1.2 算法流程

針對某項(xiàng)目的“去斜”接收體制，采用時(shí)域合成算法拼接一維距離像解決過采樣引起的高分辨距離像合成問題。

去斜處理，對于不同載頻的子脈沖，所對應(yīng)的單點(diǎn)散射體的接收信號是同一載頻的單頻信號，所以合成時(shí)只需要對單頻信號做時(shí)移、疊加形成大時(shí)寬帶寬的LFM信號去斜接收信號，再做去斜后脈壓即可。其流程示意如下圖3所示：

圖3 去斜接收調(diào)頻步進(jìn)信號距離像合成流程

本“去斜”接收調(diào)頻步進(jìn)信號距離像合成流程中關(guān)鍵的步驟是：時(shí)移與加窗修正。時(shí)移的目的是：將子脈沖信號能夠按照發(fā)射順序在時(shí)間上相銜接。即將子脈沖信號中心移到與合成信號中心相對應(yīng)的位置上，時(shí)移的時(shí)間間隔Δt(n)由子脈沖信號載頻與合成信號載頻的頻率間隔Δf(n)=fc-fc(n)決定的，即：

(4)

設(shè)子脈沖帶寬Ba=200MHz，調(diào)頻步進(jìn)量Δf=100MHz，以兩個(gè)步進(jìn)調(diào)頻子脈沖信號的“去斜”接收為例，圖4給出子脈沖“去斜”接收距離像合成的過程。圖4a為子脈沖1、2“去斜”接收的示意，圖4b為子脈沖1、2接收后補(bǔ)0的示意，圖4c為子脈沖1、2時(shí)移的示意；圖4d為兩個(gè)子脈沖疊加合成的示意；圖4e為合成信號加窗修正的結(jié)果。從圖4d，圖4e可知疊加之后去斜接收信號的時(shí)寬變?yōu)樽用}沖時(shí)寬的1.5倍，對應(yīng)的帶寬加寬到原來的1.5倍，對此合成信號做距離脈壓分辨率也將比子脈沖對應(yīng)的分辨率提高1.5倍。

1.3 柵瓣修正窗

(5)

式中Wideal(f)為期望的窗函數(shù)，Wreal(f)為實(shí)際的窗函數(shù)。

實(shí)際窗函數(shù)獲取時(shí)，為避免實(shí)測點(diǎn)目標(biāo)回波數(shù)據(jù)中的非理想因素及近場環(huán)境的干擾，利用某雷達(dá)收發(fā)分置的特點(diǎn)，實(shí)測修正窗利用把發(fā)射信號衰減之后直接饋到接收機(jī)輸入端的方式形成。

根據(jù)以上調(diào)頻步進(jìn)信號的處理流程，下面給出其仿真及SAR近場成像雷達(dá)的實(shí)測數(shù)據(jù)處理結(jié)果。

1.4 算法仿真

仿真數(shù)據(jù)波形參數(shù)如表1所示，對應(yīng)的處理結(jié)果如圖5～圖6所示。

表1 仿真數(shù)據(jù)波形相關(guān)參數(shù)

圖4 去斜接收調(diào)頻步進(jìn)信號距離像合成原理示意圖

圖5給出子脈沖間0.79dB、子脈沖內(nèi)1.14dB幅度起伏的回波修正窗。

圖6 調(diào)頻步進(jìn)信號修正后的合成結(jié)果

圖6給出用該修正窗修正后調(diào)頻步進(jìn)信號合的結(jié)果。從圖6可知，調(diào)頻步進(jìn)信號直接合成之后，由于頻域冗余及子脈沖的幅度起伏，柵瓣及旁瓣很大，且柵瓣不能通過普通的距離加窗消除，加上對應(yīng)的修正窗之后，柵瓣基本完全消除。

2 實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證

利用以上調(diào)頻步進(jìn)信號距離像合成算法，對某雷達(dá)的實(shí)測回波進(jìn)行處理，其中雷達(dá)實(shí)測數(shù)據(jù)的波形參數(shù)如表1所示，只是步進(jìn)調(diào)頻點(diǎn)數(shù)變成20。處理結(jié)果如圖7-圖10所示。

圖7中為接收20點(diǎn)調(diào)頻步進(jìn)信號合成的柵瓣修正窗。

圖7 雷達(dá)實(shí)測回波形成的修正窗

圖8給出用該修正窗修正后調(diào)頻步進(jìn)信號合成的結(jié)果。圖8a為在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室(普通實(shí)驗(yàn)室)擺放兩個(gè)邊長4cm的角散射體、兩散射體在距離像上相距0.1m的20點(diǎn)調(diào)頻步進(jìn)信號回波的距離像合成的結(jié)果。圖中黑色曲線為調(diào)頻步進(jìn)信號子脈沖脈壓結(jié)果，對應(yīng)的距離分辨率0.75m，圖中藍(lán)色、紅色曲線分別對應(yīng)調(diào)頻步進(jìn)信號回波不加?xùn)虐晷拚?、加?xùn)虐晷拚昂铣傻慕Y(jié)果。本實(shí)驗(yàn)中發(fā)射20點(diǎn)調(diào)頻步進(jìn)信號對應(yīng)的合成帶寬為2000MHz，對應(yīng)的理論分辨率為0.075m，考慮兩目標(biāo)主瓣的重疊，實(shí)際可分辨出下凹口的分辨率可達(dá)0.1m。

從圖8中可以看出調(diào)頻步進(jìn)信號合成后的距離像能夠區(qū)分出相距0.1m的目標(biāo)；同時(shí)加?xùn)虐晷拚靶拚蟮慕Y(jié)果比不加修正時(shí)的旁瓣、柵瓣幅度要低一些，與算法仿真結(jié)果相符。

圖9給出用該修正窗修正并加漢明窗后調(diào)頻步進(jìn)信號合成的距離像?？紤]到加窗展寬，為驗(yàn)證0.15m距離分辨率，在距離像上擺放間隔0.25m的兩個(gè)散射球，為減少遮擋影響后邊目標(biāo)比目標(biāo)高一些。處理結(jié)果中黑色為粗分辨脈壓結(jié)果(分辨率為0.75m)，藍(lán)色為調(diào)頻步進(jìn)信號合成的結(jié)果，紅色為調(diào)頻步進(jìn)信號距離向合成之后再加窗的結(jié)果。從圖中可以看出，步進(jìn)頻合成之后再加窗的結(jié)果能完全區(qū)分開0.25m的目標(biāo)。

圖8 雷達(dá)實(shí)測調(diào)頻步進(jìn)回波距離像合成結(jié)果

圖9 距離像分辨率驗(yàn)證結(jié)果

圖10給出某雷達(dá)對4個(gè)直徑5cm的散射球用上述距離像拼接的算法再做近場SAR成像的結(jié)果。圖中4個(gè)散射球擺成一個(gè)四邊形，邊長0.25m，且為保障前面目標(biāo)不遮擋后目標(biāo)，后目標(biāo)比前目標(biāo)高0.26m。前面兩個(gè)目標(biāo)距離地面高度1.21m，后面兩個(gè)目標(biāo)距離地面高度1.47m。圖中成像的結(jié)果表明此距離像拼接算法滿足實(shí)際工程的需求。

3 結(jié)論

文章結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用，給出“去斜”接收時(shí)調(diào)頻步進(jìn)信號距離像的時(shí)域合成算法。針對信號的頻域冗余引起的距離像合成的柵瓣現(xiàn)象，采用加?xùn)虐晷拚暗姆椒▉斫档蜄虐辏豢紤]到某項(xiàng)目收發(fā)分置的特點(diǎn)，利用直接把發(fā)射信號衰減回環(huán)到接收端的方法形成柵瓣修正窗。某近場成像雷達(dá)實(shí)測數(shù)據(jù)處理結(jié)果驗(yàn)證了方法的有效性。為調(diào)頻步進(jìn)信號的實(shí)際工程應(yīng)用提供有力支持。

圖10 SAR近場成像結(jié)果與實(shí)物擺放對比

[1] Hong Xiangru, Zhang Tao, Du Zicheng. helicopter-borne SAR imaging processing of chirp-stepped signal. International Conference on Radar, 2006.

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SteppedFrequency-modulatedSignalSynthesisAlgorithminTime-DomainBased-onGratingLobeCorrectionWindow

Hong Xiangru

(Xi’an Electronic Engineering Research Institute, Xi’an 710100)

TN95

A

1008-8652(2017)02-036-06

2017-04-12

洪香茹(1984-)，女，高級工程師。研究方向?yàn)樾盘柼幚砑夹g(shù)。