基于全去斜率脈壓的艦船一維成像*

周 濤，賴中安，齊 鑫

(91404 部隊(duì)，河北 秦皇島 066001)

0 引言

通常，雷達(dá)所能提供的目標(biāo)信息絕大多數(shù)僅限于目標(biāo)的距離、方位、仰角(或高度）及徑向速度等。要想根據(jù)這些信息來(lái)解決目標(biāo)識(shí)別的問題是不夠的，還應(yīng)當(dāng)設(shè)法知道目標(biāo)自身的有關(guān)特征和信息，諸如形狀、大小以及其他可以應(yīng)用的特征信息。雷達(dá)目標(biāo)特征信號(hào)隱含于雷達(dá)回波(復(fù)數(shù)值）中。通過對(duì)雷達(dá)回波的幅度和相位的處理、分析和變換，可以得到諸如雷達(dá)散射截面(RCS）及其統(tǒng)計(jì)特征參數(shù)、散射中心分布等參量。

雖然理論上已經(jīng)證實(shí)雷達(dá)回波中確實(shí)包含有目標(biāo)形體的特征信息，說(shuō)明雷達(dá)具有識(shí)別目標(biāo)的能力，但這個(gè)能力目前還沒有完全被開發(fā)出來(lái)。雷達(dá)是通過目標(biāo)的二次散射功率來(lái)發(fā)現(xiàn)和測(cè)定目標(biāo)的。對(duì)于單站雷達(dá)而言，人們關(guān)心的是后向散射功率，即向雷達(dá)接收機(jī)方向的二次散射功率，有時(shí)也稱為反射功率。一個(gè)外形復(fù)雜的目標(biāo)，它的后向散射能量的大小是隨著一些參數(shù)變化的，這些參數(shù)包括雷達(dá)的發(fā)射波長(zhǎng)、目標(biāo)的幾何尺寸和外形、目標(biāo)的姿態(tài)和反射性能等。目標(biāo)的特征數(shù)據(jù)是識(shí)別目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)，通過對(duì)目標(biāo)RCS 值進(jìn)行測(cè)量，可以找出目標(biāo)的關(guān)鍵散射點(diǎn)，用于雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別、艦船隱身和雷達(dá)電子對(duì)抗。

1 全去斜率脈壓基本原理

對(duì)瞬時(shí)寬帶線性調(diào)頻信號(hào)的處理有幾種可選擇的方法，較為典型的有兩種，一種是直接壓縮處理，即按傳統(tǒng)接收處理方式，采用兩路正交(I、Q）的A/D 變換對(duì)寬帶信號(hào)進(jìn)行采樣，并進(jìn)行脈沖壓縮處理;另一種方法是采用全去斜率接收(stretch）處理技術(shù)。第一種方法接收機(jī)視頻帶寬、A/D 采樣率高、數(shù)據(jù)量大;而第二種方法接收機(jī)視頻帶寬窄(帶寬可根據(jù)需要調(diào)整），A/D 采樣率低，工程實(shí)現(xiàn)容易。因此，通常選擇全去斜率接收處理技術(shù)來(lái)處理寬帶信號(hào)。全去斜率脈壓處理體制的原理如圖1所示。

圖1 全去斜率脈壓處理原理圖

圖1中，SR(t）為回波信號(hào)，SL(t）為全去斜率混頻器本振信號(hào)(稱為參考信號(hào)），Sf(t）為全去斜率混頻器輸出的中頻信號(hào)，SN(n）為Sf(t）經(jīng)A/D 變換后的數(shù)字信號(hào)。將SN(n）進(jìn)行FFT處理就得到S(L），S(L）就是SR(t）經(jīng)去斜率脈沖壓縮的輸出表達(dá)式，稱為目標(biāo)的距離像。

設(shè)所測(cè)目標(biāo)具有M個(gè)散射點(diǎn)，若發(fā)射機(jī)發(fā)射的線性調(diào)頻信號(hào)如式(1）所示:

則通過運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償消除fdi對(duì)一維距離成像影響的去斜率中頻信號(hào)如式(2）所示:

式中，f0為起始頻率，τi為第i個(gè)散射點(diǎn)回波距離延時(shí)，τ0=2R0/C為相應(yīng)的距離延時(shí)，fdi為第i個(gè)散射點(diǎn)的多普勒頻率，k為調(diào)頻斜率。

式(2）表明各散射點(diǎn)回波經(jīng)去斜率混頻器輸出后，信號(hào)頻率與該散射點(diǎn)同參考點(diǎn)之間的距離差成正比。因此，對(duì)Sf(t）進(jìn)行A/D 變換后再作FFT 及求模處理，即可得到目標(biāo)的一維距離像。

2 雷達(dá)外場(chǎng)一維距離成像

理論上來(lái)說(shuō)，只要發(fā)射足夠窄的脈沖，通過記錄回波時(shí)間軸上的間隔就可以獲知目標(biāo)散射中心在雷達(dá)徑向上的分布狀況。但是，受雷達(dá)硬件所限，用這種方法往往不能獲得高分辨率。解決的辦法是用脈沖壓縮技術(shù)，故取得的一維距離像分辨率由發(fā)射信號(hào)的帶寬決定。

目標(biāo)的距離高分辨率的實(shí)現(xiàn)是通過發(fā)射時(shí)采用線性調(diào)頻信號(hào)接收時(shí)采用Stretch技術(shù)，使回波信號(hào)與具有同發(fā)射信號(hào)完全相同調(diào)制規(guī)律的本振信號(hào)混頻，經(jīng)信號(hào)處理獲得分辨率距離像。射頻信號(hào)帶寬與距離分辨率的關(guān)系為

式中，c為光速，B為信號(hào)帶寬，△R為縱向距離分辨率。

雷達(dá)外場(chǎng)一維距離成像測(cè)試方法中，對(duì)于5 m的縱向距離分辨率要求，其理論射頻信號(hào)帶寬將為30 MHz。為了降低副瓣，采用Hamming 加權(quán)。Hamming加權(quán)的理論旁瓣電平為－42.6 dB，－3 dB的主瓣加寬系數(shù)為1.47，信噪比損失1.34 dB。為保證加權(quán)后仍滿足分辨率的要求，設(shè)計(jì)中取射頻帶寬為45 MHz。

高分辨率雷達(dá)工作在光學(xué)區(qū)，發(fā)射線性調(diào)頻信號(hào)。距離像分辨率與雷達(dá)信號(hào)帶寬成反比。當(dāng)距離像分辨率單元遠(yuǎn)小于目標(biāo)在雷達(dá)徑向上的尺寸時(shí)，目標(biāo)會(huì)占據(jù)多個(gè)距離單元，回波呈現(xiàn)出波峰和波谷的起伏。這種起伏反映出目標(biāo)散射中心沿雷達(dá)徑向上的分布，稱為高分辨率距離像(HRRP，High Resolution Range Profile），它可以看作是目標(biāo)在特定視角時(shí)散射中心的一維分布。

據(jù)此在實(shí)測(cè)中，選擇雷達(dá)工作在L波段，射頻帶寬為45 MHz，輪船(如圖2所示）徑向相對(duì)RCS雷達(dá)7 km，通過采用基于全去斜率脈壓方法的全去斜率接收處理測(cè)試系統(tǒng)技術(shù)，大大減少了運(yùn)算量;經(jīng)海明加權(quán)對(duì)一維距離分辨率影響的量化分析，實(shí)現(xiàn)了對(duì)海上船只的一維有效成像。

圖2 海上典型散射特征的油輪圖

在結(jié)合雷達(dá)外場(chǎng)動(dòng)態(tài)測(cè)量，經(jīng)雷達(dá)標(biāo)定后，RCS測(cè)量雷達(dá)一維距離成像散射分布圖如圖3所示。

圖3 油輪一維像散射分布圖

3 結(jié)束語(yǔ)

測(cè)量雷達(dá)系統(tǒng)本身影響HRRP的因素包括:(1）寬帶系統(tǒng)幅、相失真;(2）調(diào)頻非線性，時(shí)、頻轉(zhuǎn)換失真;(3）中放系統(tǒng)幅、相失真;(4）(I、Q）正交不一致性;(5）兩路視頻放大器幅相特性不一致性、直流漂移等。由于對(duì)上述船只所選擇的成像帶寬相對(duì)比較窄，因此系統(tǒng)的帶內(nèi)幅相特性較易得到保證，調(diào)頻非線性相對(duì)于成像帶寬上百兆的系統(tǒng)影響小。這些有利條件確保了外場(chǎng)海面目標(biāo)一維距離成像的實(shí)現(xiàn)。

［1］［美］E.F.克拉特.雷達(dá)散射截面［M］.電子工業(yè)出版社，1987.10.

［2］黃培康，殷紅成，許小劍.雷達(dá)目標(biāo)特性［M］.電子工業(yè)出版社，2005.3.