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，河北 秦皇島 066001)

0 引言

通常，雷達所能提供的目標信息絕大多數僅限于目標的距離、方位、仰角(或高度）及徑向速度等。要想根據這些信息來解決目標識別的問題是不夠的，還應當設法知道目標自身的有關特征和信息，諸如形狀、大小以及其他可以應用的特征信息。雷達目標特征信號隱含于雷達回波(復數值）中。通過對雷達回波的幅度和相位的處理、分析和變換，可以得到諸如雷達散射截面(RCS）及其統計特征參數、散射中心分布等參量。

雖然理論上已經證實雷達回波中確實包含有目標形體的特征信息，說明雷達具有識別目標的能力，但這個能力目前還沒有完全被開發出來。雷達是通過目標的二次散射功率來發現和測定目標的。對于單站雷達而言，人們關心的是后向散射功率，即向雷達接收機方向的二次散射功率，有時也稱為反射功率。一個外形復雜的目標，它的后向散射能量的大小是隨著一些參數變化的，這些參數包括雷達的發射波長、目標的幾何尺寸和外形、目標的姿態和反射性能等。目標的特征數據是識別目標的關鍵技術，通過對目標RCS 值進行測量，可以找出目標的關鍵散射點，用于雷達目標識別、艦船隱身和雷達電子對抗。

1 全去斜率脈壓基本原理

對瞬時寬帶線性調頻信號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，即按傳統接收處理方式，采用兩路正交(I、Q）的A/D 變換對寬帶信號進行采樣，并進行脈沖壓縮處理;另一種方法是采用全去斜率接收(stretch）處理技術。第一種方法接收機視頻帶寬、A/D 采樣率高、數據量大;而第二種方法接收機視頻帶寬窄(帶寬可根據需要調整），A/D 采樣率低，工程實現容易。因此，通常選擇全去斜率接收處理技術來處理寬帶信號。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，SL(t）為全去斜率混頻器本振信號(稱為參考信號），Sf(t）為全去斜率混頻器輸出的中頻信號，SN(n）為Sf(t）經A/D 變換后的數字信號。將SN(n）進行FFT處理就得到S(L），S(L）就是SR(t）經去斜率脈沖壓縮的輸出表達式，稱為目標的距離像。

設所測目標具有M個散射點，若發射機發射的線性調頻信號如式(1）所示:

則通過運動補償消除fdi對一維距離成像影響的去斜率中頻信號如式(2）所示:

式中，f0為起始頻率，τi為第i個散射點回波距離延時，τ0=2R0/C為相應的距離延時，fdi為第i個散射點的多普勒頻率，k為調頻斜率。

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

2 雷達外場一維距離成像

理論上來說，只要發射足夠窄的脈沖，通過記錄回波時間軸上的間隔就可以獲知目標散射中心在雷達徑向上的分布狀況。但是，受雷達硬件所限，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，故取得的一維距離像分辨率由發射信號的帶寬決定。

目標的距離高分辨率的實現是通過發射時采用線性調頻信號接收時采用Stretch技術，使回波信號與具有同發射信號完全相同調制規律的本振信號混頻，經信號處理獲得分辨率距離像。射頻信號帶寬與距離分辨率的關系為

式中，c為光速，B為信號帶寬，△R為縱向距離分辨率。

雷達外場一維距離成像測試方法中，對于5 m的縱向距離分辨率要求，其理論射頻信號帶寬將為30 MHz。為了降低副瓣，采用Hamming 加權。Hamming加權的理論旁瓣電平為－42.6 dB，－3 dB的主瓣加寬系數為1.47，信噪比損失1.34 dB。為保證加權后仍滿足分辨率的要求，設計中取射頻帶寬為45 MHz。

高分辨率雷達工作在光學區，發射線性調頻信號。距離像分辨率與雷達信號帶寬成反比。當距離像分辨率單元遠小于目標在雷達徑向上的尺寸時，目標會占據多個距離單元，回波呈現出波峰和波谷的起伏。這種起伏反映出目標散射中心沿雷達徑向上的分布，稱為高分辨率距離像(HRRP，High Resolution Range Profile），它可以看作是目標在特定視角時散射中心的一維分布。

據此在實測中，選擇雷達工作在L波段，射頻帶寬為45 MHz，輪船(如圖2所示）徑向相對RCS雷達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試系統技術，大大減少了運算量;經海明加權對一維距離分辨率影響的量化分析，實現了對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

在結合雷達外場動態測量，經雷達標定后，RCS測量雷達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 結束語

測量雷達系統本身影響HRRP的因素包括:(1）寬帶系統幅、相失真;(2）調頻非線性，時、頻轉換失真;(3）中放系統幅、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。由于對上述船只所選擇的成像帶寬相對比較窄，因此系統的帶內幅相特性較易得到保證，調頻非線性相對于成像帶寬上百兆的系統影響小。這些有利條件確保了外場海面目標一維距離成像的實現。

［1］［美］E.F.克拉特.雷達散射截面［M］.電子工業出版社，1987.10.

［2］黃培康，殷紅成，許小劍.雷達目標特性［M］.電子工業出版社，2005.3.