海面艦船目標(biāo)雷達(dá)距離高分辨特性測(cè)量

祝明波，孫銘浩，丁向榮

（海軍航空大學(xué)，山東煙臺(tái)264001）

雷達(dá)距離高分辨特性，即目標(biāo)的一維高分辨距離像（HRRP）特性，是目標(biāo)散射體在每個(gè)距離單元中回波的相干和，代表了目標(biāo)散射中心在雷達(dá)視線（LOS）上復(fù)雜回波信號(hào)的投影[1]，能夠體現(xiàn)目標(biāo)的形狀及結(jié)構(gòu)信息。因其易于獲取，同時(shí)能夠?qū)δ繕?biāo)準(zhǔn)確識(shí)別，已成為目前雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向[2]。距離高分辨雷達(dá)的發(fā)射信號(hào)具有很大的時(shí)寬帶寬積，其距離分辨力可達(dá)亞米級(jí)，一般目標(biāo)的回波分布在不同的徑向距離單元，呈現(xiàn)為“一維距離像”，形成了“距離拓展目標(biāo)”[3]。作為現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)的重要研究方向與未來偵察系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵組成，加強(qiáng)對(duì)距離高分辨率下的目標(biāo)特性的測(cè)量與分析，對(duì)目標(biāo)識(shí)別具有極其重要的軍事應(yīng)用價(jià)值。為提高反艦導(dǎo)彈對(duì)艦船目標(biāo)的精確打擊性能，利用距離高分辨雷達(dá)導(dǎo)引頭對(duì)艦船目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)與識(shí)別，已成為反艦導(dǎo)彈探測(cè)制導(dǎo)技術(shù)發(fā)展的重要方向。通過分析艦船目標(biāo)距離高分辨特性，可為新體制末制導(dǎo)雷達(dá)有效進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)與識(shí)別提供理論基礎(chǔ)。

國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)經(jīng)過20多年的不斷研究與實(shí)踐，使得基于HRRP的雷達(dá)目標(biāo)測(cè)量與識(shí)別得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，并在此基礎(chǔ)上提出了很多識(shí)別新方法，但目前大部分研究都是基于仿真模型開展，很少基于實(shí)測(cè)艦船或飛機(jī)數(shù)據(jù)開展。西安電子科技大學(xué)的邢孟道[4]、電子科技大學(xué)的周云[5]等，運(yùn)用飛機(jī)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)研究了距離高分辨下目標(biāo)特性與識(shí)別。中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)雷華電子技術(shù)研究所曾開展了海面目標(biāo)識(shí)別技術(shù)的研究[6]，但其中也僅從理論方面提出一維距離像的優(yōu)勢(shì)與可行性；海軍工程大學(xué)的張家昌[7]、國(guó)防科技大學(xué)的李為民[8]利用建模仿真方法獲得艦船目標(biāo)的HRRP進(jìn)行研究。由此可見，國(guó)內(nèi)較為缺乏對(duì)于海面艦船目標(biāo)距離高分辨特性數(shù)據(jù)的實(shí)際測(cè)量與分析。

本文利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有全相參新體制導(dǎo)引頭目標(biāo)測(cè)量平臺(tái)，對(duì)海面艦船目標(biāo)的距離高分辨特性進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量，并通過脈沖壓縮處理得到其米級(jí)高分辨距離像。首先，介紹了測(cè)量背景與意義；接著，介紹了測(cè)量平臺(tái)的組成與性能指標(biāo)；之后，簡(jiǎn)要介紹了測(cè)量過程；最后，展示了實(shí)測(cè)得到的艦船目標(biāo)的一維距離像。

1 測(cè)量平臺(tái)

測(cè)量平臺(tái)采用先進(jìn)的全相參脈沖壓縮體制，主要由系統(tǒng)硬件和軟件組成。

1.1 平臺(tái)硬件

主要由天線、全相參收發(fā)系統(tǒng)和主控計(jì)算機(jī)（內(nèi)嵌數(shù)據(jù)采集模塊）組成，見圖1。其中，接收分系統(tǒng)采用正交解調(diào)方案設(shè)計(jì)。

圖1 測(cè)量平臺(tái)硬件組成框圖Fig.1 Diagram of platform structure

1.2 平臺(tái)軟件

操作系統(tǒng)為Windows XP 64bit。開發(fā)軟件主要是Microsoft Visual Studio 2010與Matlab 2014。Microsoft Visual Studio 2010是美國(guó)微軟公司的開發(fā)工具包系列產(chǎn)品，實(shí)驗(yàn)中用于測(cè)量與控制程序的開發(fā)及運(yùn)行。通過編程，建立包含參數(shù)設(shè)置的平臺(tái)控制界面如圖2所示，用以完成平臺(tái)校準(zhǔn)與數(shù)據(jù)采集。Matlab 2014是美國(guó)MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，實(shí)驗(yàn)中利用該軟件完成脈沖壓縮程序開發(fā)與運(yùn)行。通過編程對(duì)回波進(jìn)行匹配濾波獲得目標(biāo)一維距離像。

圖2 平臺(tái)控制界面Fig.2 Platform control interface

1.3 主要性能指標(biāo)

波門寬度：0～127μs；波門延時(shí)：0～127μs；增益控制：0～30dB；脈沖重復(fù)頻率：1～10 kHz（步長(zhǎng)1 kHz）、2.5 kHz、40 kHz等12檔；采樣頻率：150 MHz、200 MHz、250 MHz；信號(hào)脈沖寬度：5μs、10μs、20μs、50μs、100μs；線性調(diào)頻帶寬：15 MHz、30 MHz、50 MHz、150 MHz。

2 測(cè)量過程

本文完成了對(duì)同一艦船不同姿態(tài)、相同姿態(tài)不同艦船2種情況下距離分辨率為1 m的回波數(shù)據(jù)采集與處理。測(cè)量過程如下：

1）天線對(duì)準(zhǔn)。將天線電軸對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)艦船。

2）參數(shù)設(shè)置。在平臺(tái)控制界面設(shè)置測(cè)量參數(shù)，如表1所示。

表1 測(cè)量參數(shù)Tab.1 Measurement parameters

3）系統(tǒng)校準(zhǔn)。在平臺(tái)控制界面將工作模式選為“校準(zhǔn)狀態(tài)”，錄取相應(yīng)校準(zhǔn)信號(hào)數(shù)據(jù)，用于對(duì)系統(tǒng)寬帶誤差進(jìn)行補(bǔ)償。同時(shí)，用作后續(xù)脈沖壓縮處理的參考。

4）回波采集。將工作模式選擇到“正常模式”。錄取對(duì)海實(shí)測(cè)回波數(shù)據(jù)。

5）脈沖壓縮。在Matlab中啟動(dòng)脈沖壓縮程序，進(jìn)行脈沖壓縮處理，保存有關(guān)結(jié)果。

6）圖像提取。將基底噪聲電平（-15dB）設(shè)置為提取門限，將脈壓結(jié)果中超過該門限的目標(biāo)部分提取出來，即為艦船目標(biāo)一維距離像。

3 測(cè)量結(jié)果

3.1 同一艦船不同姿態(tài)的一維距離像

如圖3～5所示，通過回波信號(hào)并不能直觀地看出目標(biāo)的特征，而通過脈沖壓縮得到的一維距離像，則細(xì)節(jié)更豐富、特征輪廓更明顯[9]。

圖3 某艦船姿態(tài)1測(cè)量結(jié)果Fig.3 Measurement result of a vessel with attitude 1

圖4 某艦船姿態(tài)2測(cè)量結(jié)果Fig.4 Measurement result of a vessel with attitude 2

圖5 某艦船姿態(tài)3測(cè)量結(jié)果Fig.5 Measurement result of a vessel with attitude 3

由測(cè)量結(jié)果還可以看出，同一艦船姿態(tài)不同時(shí)，距離像差異較大[10]。為使此觀察結(jié)果更具客觀性，本文計(jì)算了目標(biāo)的散射重心[11]與強(qiáng)散射中心數(shù)目[12]2個(gè)典型參數(shù)。

散射重心是在徑向長(zhǎng)度L所對(duì)應(yīng)的HRRP序列片段上進(jìn)行研究，將L所對(duì)應(yīng)的HRRP片段記為，則散射重心M定義為：[13]

式中，M的取值范圍為[0，1]。

強(qiáng)散射中心數(shù)目定義為：[14]

對(duì)圖3 e）、圖4 e）、圖5 e）所示同一艦船不同姿態(tài)的HRRP分別計(jì)算散射重心與強(qiáng)散射中心數(shù)目的結(jié)果如表2所示。

表2 各姿態(tài)散射重心與強(qiáng)散射中心數(shù)目Tab.2 Scattering center of gravity and number of strong scattering centers in different attitudes

上述現(xiàn)象的原因在于目標(biāo)在光學(xué)區(qū)可以近似為一組離散的散射點(diǎn)，而當(dāng)目標(biāo)的姿態(tài)發(fā)生變動(dòng)時(shí)，散射點(diǎn)之間的相對(duì)徑向距離也會(huì)隨之改變[15]。因此，目標(biāo)的散射重心與強(qiáng)散射中心數(shù)目會(huì)發(fā)生變化，即HRRP具有姿態(tài)敏感性[16-18]。

3.2 不同艦船的一維距離像

圖6展示了3艘相同姿態(tài)的錨泊艦船的距離高分辨特性測(cè)量結(jié)果。由圖6可見，艦船目標(biāo)不同，其一維高分辨距離像明顯不同，且差異較大。不同艦船的散射重心與強(qiáng)散射中心數(shù)目如表3所示。

圖6 不同艦船一維距離像Fig.6 HRRPs of different vessels

表3 不同艦船散射重心與強(qiáng)散射中心數(shù)目Tab.3 Scattering center of gravity and number of strong scattering centers of different vessels

4 結(jié)束語

本文利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有全相參新體制導(dǎo)引頭測(cè)量平臺(tái)，對(duì)同一艦船不同姿態(tài)、相同姿態(tài)不同艦船的米級(jí)一維距離像進(jìn)行了實(shí)測(cè)，為今后深入開展海面艦船目標(biāo)識(shí)別研究奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。測(cè)量結(jié)果表明，艦船目標(biāo)的一維距離高分辨特性與其姿態(tài)和結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系，即同一艦船的一維高分辨距離像受姿態(tài)影響較大，具有較強(qiáng)的姿態(tài)敏感性，而不同艦船的一維距離像在姿態(tài)相同時(shí)明顯不同。后續(xù)將在實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上深入開展目標(biāo)敏感性分析，以期獲得可用于海面艦船識(shí)別的穩(wěn)健的距離高分辨特性。