杜 勇，磨國瑞，楊海粟，吳一龍

(西安電子工程研究所， 西安710100)

0 引言

現(xiàn)有的常規(guī)雷達(dá)導(dǎo)引頭主要利用合成孔徑雷達(dá)(SAR)、多普勒波束銳化(DBS)等技術(shù)，利用雷達(dá)平臺相對地面目標(biāo)運動引起的多普勒頻率變化提高方位分辨率。但是，在前視方向，由于距離-方位耦合較大，方位分辨率急劇下降，SAR、DBS等技術(shù)容易形成前視成像盲區(qū)，大大制約了這類技術(shù)在精確制導(dǎo)領(lǐng)域中的應(yīng)用。未來精確制導(dǎo)導(dǎo)彈朝著高/超聲速方向發(fā)展，導(dǎo)彈飛行速度快，不容易大角度變軌飛行，而在末制導(dǎo)階段選擇攻擊點時，導(dǎo)彈主要關(guān)心的是航向正前方的目標(biāo)信息，因此需要制導(dǎo)雷達(dá)具備前視成像能力。

目前，我們主要借鑒機載雷達(dá)前視成像技術(shù)，開展雷達(dá)導(dǎo)引頭成像技術(shù)研究。實波束成像［1］依賴于雷達(dá)波束寬度，能在一定程度上實現(xiàn)角度分辨，波束越窄，角分辨率越高。受限于實孔徑波束寬度，該技術(shù)在近距離可獲得較好的成像效果，但是仍不能滿足遠(yuǎn)距離導(dǎo)彈制導(dǎo)前視成像分辨率的要求。解卷積方位超分辨技術(shù)［2］具有較成熟的理論基礎(chǔ)，根據(jù)其處理特點也僅適合于較簡單探測背景條件下對孤立強雷達(dá)散射特征點目標(biāo)的成像制導(dǎo)應(yīng)用場合。但由于其較復(fù)雜的處理算法以及對目標(biāo)檢測信噪比的苛刻要求，工程應(yīng)用適應(yīng)性較差，需要進(jìn)一步完善。

相對于實波束成像以及解卷積方位超分辨技術(shù)，單脈沖成像技術(shù)原理清晰，算法簡單，易于工程實現(xiàn)，適合于較簡單探測背景條件下對孤立強雷達(dá)散射特征點目標(biāo)的成像制導(dǎo)應(yīng)用場合。單脈沖前視成像技術(shù)［3-5］將距離高分辨技術(shù)與單脈沖測角技術(shù)相結(jié)合，利用脈沖壓縮實現(xiàn)距離維高分辨，利用單脈沖測角技術(shù)實現(xiàn)不同距離單元強散射點間的方位維高分辨，能有效彌補SAR技術(shù)在前視成像領(lǐng)域的不足，下文將詳細(xì)展開。

1 單脈沖測角原理

從原理上講，單脈沖雷達(dá)只需要一個回波脈沖，就能提取出目標(biāo)的方位位置的全部信息［6］。由于其測量精度高，單脈沖技術(shù)廣泛應(yīng)用于對目標(biāo)的搜索與跟蹤中。單脈沖測角是同時波瓣測角法［7-8］的一種，即在同一個角平面內(nèi)，利用相互交疊的天線波束多路同時接收雷達(dá)回波信號并進(jìn)行比較，就能求得目標(biāo)在該平面內(nèi)偏離等信號軸的角度，如圖1所示。圖1a)為兩饋源方向圖，圖1b)為兩饋源交疊后所形成的和、差波束方向圖。

單脈沖跟蹤雷達(dá)的角誤差信號處理經(jīng)常需要用和路信號對角誤差信號作歸一化處理，并且用和路信號對角誤差信號進(jìn)行鑒相，圖1c)為和差比幅測角鑒相特性曲線，判斷角誤差信號的符號，當(dāng)和路信號與差路同相時，判定角誤差的信號為“+”，當(dāng)和路信號與差路信號反相時，判定角誤差的符號為“-”。

圖1 單脈沖測角示意圖

采用數(shù)字信號處理實現(xiàn)和差的數(shù)字鑒相，假設(shè)和路信號為 Σ=ΣI+jΣQ，差路信號為 Δ=ΔI+jΔQ，則和差歸一化處理為

在式(2)中，由于 I、Q 通道正交，虛部 ΣIΔQ-ΣQΔI為0，所以角度測量的符號根據(jù)實部 ΣIΔI+ΣQΔQ來確定。實際工程中，和差通道存在一定的相位差，I、Q也不是嚴(yán)格正交，應(yīng)當(dāng)具體情況具體分析，采取相應(yīng)的通道均衡措施校正通道間的誤差。

2 信號模型

在研究成像算法時，不妨設(shè)空間存在N個散射目標(biāo)，第n個目標(biāo)Pn的方位角為θn，如圖2所示，單脈沖和差天線以角速度w在一定范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動，雷達(dá)通過天線不斷向探測空間發(fā)射寬帶線性調(diào)頻(LFM)信號并接收各散射點回波。

設(shè)發(fā)射LFM信號為s(t)，各散射點的后向散射系數(shù)分別為σn，與雷達(dá)距離分別為Rn。設(shè)雷達(dá)天線的收發(fā)間隔為Δt，則，在這段時間內(nèi)天線轉(zhuǎn)過的角度為Δα=wΔt。

圖2 天線與目標(biāo)方位示意圖

設(shè)天線發(fā)射時波束中心偏轉(zhuǎn)角為α，此時第n個目標(biāo)與波束中心的夾角為θn-α，接收信號時，天線波束中心偏角為α+Δα。信號發(fā)射是通過和通道發(fā)射，接收則是和、差通道同時接收，忽略發(fā)射及接收信號時間內(nèi)天線的轉(zhuǎn)動角度，天線和、差通道回波信號可以表示為

式中:FΣ(·)、FΔ(·)分別表示和差波束方向圖增益。

3 成像處理流程

雷達(dá)成像是以散射點模型為依據(jù)的［8］，即將目標(biāo)以散射點模型表示，這些散射點處理后就構(gòu)成了目標(biāo)的“雷達(dá)像”。單脈沖成像技術(shù)［6-8］是將距離高分辨技術(shù)與單脈沖測角技術(shù)結(jié)合，利用脈沖壓縮實現(xiàn)距離維高分辨，將目標(biāo)各散射點沿徑向距離進(jìn)行分離，然后通過單脈沖測角技術(shù)測得各散射中心偏離波束中心的角度，這樣就獲得了波束內(nèi)各散射點的距離和角度信息，根據(jù)這些信息就能獲得雷達(dá)圖像。

圖3 波束內(nèi)目標(biāo)方位示意圖

如圖3所示，實波束成像對目標(biāo)1、2難以在方位維上進(jìn)行分辨，結(jié)合單脈沖測角技術(shù)，目標(biāo)1、2成像的清晰度將顯著提高，而且雷達(dá)像還能反映出目標(biāo)的相對方位信息。當(dāng)某一距離單元內(nèi)波束方位范圍中只存在一個強散射目標(biāo)時，相對實波束成像，單脈沖成像對成像質(zhì)量的改善尤為明顯。

當(dāng)同一距離波門內(nèi)波束范圍中存在兩個或者多個強散射目標(biāo)時，由于角閃爍效應(yīng)［9］，在兩目標(biāo)間形成一個等效目標(biāo)(如圖3)，角閃爍現(xiàn)象將導(dǎo)致單脈沖成像質(zhì)量的惡化甚至成像結(jié)果的不可靠。針對此種情況，可利用SAR成像、DBS成像技術(shù)予以解決，但是在前視條件下，由于存在嚴(yán)重距離-方位耦合，SAR和DBS成像均存在一定的難度。

在前視條件下，利用單脈沖成像技術(shù)，雖然無法將同一距離單元內(nèi)的多個目標(biāo)從方位上分開，但是能改善不同距離單元內(nèi)目標(biāo)之間的方位分辨率，能很好解決實波束前視成像方位分辨率低、SAR和DBS前視成像距離-方位耦合嚴(yán)重的問題。在單脈沖成像技術(shù)中，首先需要對和、差兩路回波信號在距離向上做脈壓處理，然后利用單脈沖技術(shù)的精確定位性能提高目標(biāo)的方位向圖像精度［10］，具體算法流程如圖4所示。

圖4 單脈沖成像流程圖

考慮脈沖積累效應(yīng)，雷達(dá)信號處理一般以幀(CPI)為單位進(jìn)行。一個CPI時間內(nèi)，信號處理器將雷達(dá)回波視頻信號經(jīng)過脈沖壓縮、脈沖積累處理后，得到的數(shù)據(jù)如圖5所示(設(shè)一個CPI周期內(nèi)收到的回波信號為N個)，橫向表示的是多普勒通道號，縱向為距離單元。

圖5 單脈沖成像數(shù)據(jù)重排示意圖

S(i，j)，D(i，j)分別表示和、差通道數(shù)據(jù)經(jīng)脈沖壓縮、脈沖積累處理后第i個距離單元第j多普勒通道數(shù)據(jù)。單脈沖測角后得到對應(yīng)存儲單元的角度信息α(i，j)。設(shè)方位向波束劃分單元數(shù)為M，當(dāng)天線半波束寬度為θ0.5時，方位向每個劃分單元代表的方位角寬度為θ0.5/M。

建立新的存儲空間I(m，M)，根據(jù)測角信息α(i，j)，對和通道數(shù)據(jù)S(i，j)進(jìn)行重排，規(guī)則如下:

保持S(i，j)距離維信息不變，按照 α(i，j)以及方位劃分單元數(shù)M確定方位向數(shù)據(jù)單元號，方位向單元號最小為1，最大為M，計算方式如下

式中:ceil表示朝正無窮方向取整。

4 分辨率

雷達(dá)成像的分辨率分為距離分辨率和方位分辨率［11］。距離分辨率越高，波束照射區(qū)域內(nèi)距離劃分單元越多，這樣同一距離單元內(nèi)可能出現(xiàn)的強散射點數(shù)目將會減少，角閃爍現(xiàn)象將會減少。對于大目標(biāo)，其強散射點將會分布在更多的距離單元中，這樣用較多的點來描述目標(biāo)也能從一定程度上提高成像質(zhì)量。距離分辨率與信號的帶寬有關(guān)

方位分辨率主要取決于系統(tǒng)天線波束寬度，雷達(dá)波束越窄，一個波束內(nèi)目標(biāo)散射點個數(shù)就會越少，角閃爍現(xiàn)象越弱，成像質(zhì)量就會越好。但是，在探測遠(yuǎn)距離目標(biāo)時，雷達(dá)波束覆蓋范圍依舊很大，因此，通過減小雷達(dá)波束寬度來提高方位分辨率成效不大，況且受限于機加工藝及成本，雷達(dá)波束寬度也不可能無限小。

單脈沖成像，表面上看方位分辨率是θ0.5/M，實際上，從前文可以看出，單脈沖測角并不能從方位上將同一波束內(nèi)位于同一距離單元內(nèi)不同角度的兩散射點分開，但是這種成像方式能將不同距離單元內(nèi)的目標(biāo)從方位上分辨開來，因此，可以認(rèn)為單脈沖成像對圖像質(zhì)量的改善是一種非均勻的改善，其并不能改善整幅圖像的方位分辨率。

單脈沖成像技術(shù)對圖像質(zhì)量的改善主要體現(xiàn)在對某些典型目標(biāo)(如建筑物、車輛等)成像清晰度的改善上，這種改善在我們關(guān)注雷達(dá)圖像局部特征(例如輪廓)的時候具有重要的應(yīng)用價值。針對艦船等大型面目標(biāo)，以及散射點連片的目標(biāo)，該技術(shù)主要是通過對面目標(biāo)上的強散射點進(jìn)行分辨，通過對面目標(biāo)輪廓的成像，彌補SAR技術(shù)在前視成像領(lǐng)域的不足。

5 仿真驗證

下文將對單脈沖前視成像算法開展相應(yīng)的仿真，以驗證其正確性，為后期的工程實現(xiàn)提供必要的參考數(shù)據(jù)。仿真采用的雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)如下:天線方位波束寬度為3°，信號體制為LFM，信號帶寬為20 MHz，脈寬為8 μs，重頻為10 kHz，脈沖積累點數(shù)為64，方位向波束劃分單元數(shù)M設(shè)為30。

天線方位指向0°，靜止，強散射點目標(biāo)分布同一個波束范圍內(nèi)的不同距離單元，目標(biāo)距離設(shè)置為［3 000，4 000，4 000，3 200］m，方位角度設(shè)置為［0，-0.2，0.5，0.3］(°)，實波束成像以及單脈沖前視成像仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 多目標(biāo)成像對比

單脈沖成像質(zhì)量較實波束明顯提高，但是，圖6b)中同距離不同角度的兩目標(biāo)出現(xiàn)角閃爍現(xiàn)象，未能分辨開，而不同距離單元不同方位的目標(biāo)從距離、方位上得以分辨。

天線工作在掃描狀態(tài)，模擬艦船輪廓強散射點分布。天線掃描角度為-5°～+5°，掃描角速度為30°/s。強 散射點陣距離為［3 5 0 0，3 4 6 0，3 5 4 0，3 460，3 540，3 460，3 540，3 500］m，對應(yīng)的方位角度為［-2，-1.5，-1.5，0，0，0.6，0.6，1.6］(°)，散射點平面內(nèi)分布如圖7a)所示，單脈沖前視成像結(jié)果如圖7b)所示。

圖7 艦船輪廓單脈沖成像仿真

天線靜止單幀數(shù)據(jù)成像，以及天線掃描多幀數(shù)據(jù)成像結(jié)果與預(yù)期結(jié)果較為一致，單脈沖前視成像算法能部分改善圖像的方位分辨率，具有一定的工程實用性。

6 結(jié)束語

本文所述前視單脈沖成像算法對圖像質(zhì)量的改善本質(zhì)上是一種非均勻的改善，能部分改善圖像的方位向分辨率，成像質(zhì)量優(yōu)于實波束成像，但是與SAR圖像還有一定的差距。前視單脈沖成像技術(shù)能解決SAR、DBS技術(shù)成像盲區(qū)的問題，且運算量小，具有較高的工程實用價值。后續(xù)我們將結(jié)合具體的工程應(yīng)用，開展單脈沖前視成像技術(shù)工程化研究。

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