基于距離間隔像的單脈沖測角技術研究

摘 要： 介紹了頻率步進雷達信號利用回波自相關函數形成高分辨距離間隔像的原理，將單脈沖測角原理與高分辨距離間隔像相結合用于對擴展目標的角度測量。對現有的交叉項選大測角方法進行了改進，通過仿真驗證了改進后的測角方法可以提高測角精度。最后，通過仿真比較高分辨距離間隔像測角方法和高分辨距離像測角方法，證明了高分辨距離間隔像測角方法在目標運動條件下的優越性。

關鍵詞： 頻率步進； 單脈沖； 距離間隔像； 測角

中圖分類號： TN957.51?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）21?0023?04

0 引 言

頻率步進雷達是一種高分辨雷達，它發射一組載頻均勻步進的窄帶脈沖串，在接收時對脈沖串回波信號用相應的本振信號作混頻處理，再對混頻后的信號進行采樣、逆離散傅里葉變換，得到目標的高分辨一維距離像。頻率步進雷達的一維距離像中包含了目標散射點的特征，而單脈沖測角具有測角速度快、精度高的優點，文獻[1]將兩者相結合，提出了一種基于高分辨距離像的單脈沖測角算法。首先對目標回波進行成像處理，從中提取出散射點的幅值信息，再根據單脈沖的測角原理，通過和差比幅方法測得各個散射點的角誤差，最后對所得的角誤差進行加權處理得到目標幾何形心的角度。文獻[2?6]均對寬帶雷達角度測角問題進行了研究。頻率步進波形對目標的徑向運動非常敏感，目標的運動會導致測距不準、能量發散，使得距離像發生畸變，造成測角不準。文獻[7]提出了一種基于高分辨距離間隔像單脈沖測角的算法，文中將距離像的相關函數稱為距離間隔像，文獻[8]將其稱為功率像。文獻[4]闡述了高分辨距離間隔像測角的原理，證明此方法對目標徑向速度補償精度的要求大大降低，并提出3種過采樣條件下的單脈沖雷達距離間隔像測角算法。本文對文獻[9]中提出的交叉項選大測角方法進行了改進，仿真結果證明了方法的有效性。

1 高分辨距離間隔像單脈沖測角算法

1.1 單脈沖測角原理

單脈沖和差通道的方向圖[FΣθ、][FΔθ]如圖1所示。當雷達對準目標時，目標處于等信號軸（即波束交疊的方向）附近，和通道增益可近似為常數，差通道增益可近似為線性函數。假設目標與等信號軸之間的夾角為[θ，]目標回波為[et，]則和通道接收的信號為：

1.2 頻率步進信號距離間隔像成像原理

1.2.1 回波模型

頻率步進信號的時域表達式為：

1.3 距離間隔像測角

1.3.1 距離間隔像測角方法簡介

文獻[9]提出了三種過采樣條件下的間隔像測角方法，本文僅對其中的直流項選大法和交叉項選大法進行簡單的說明。圖2所示為過采樣條件下和通道距離間隔像，這里假設目標由三個散射點組成，且散射點之間兩兩距離間隔不同。

在和通道自間隔像中，直流項選大法[9]選取直流項最大的采樣點，交叉項選大法[9]則是選取各個交叉項峰值對應的采樣點，再根據采樣點的和通道自間隔像及和差通道互間隔像信息進行測角。

相比于直流項選大法，交叉項選大法利用了多個采樣點的信息，但當存在較小的交叉項峰值時，會丟失散射點信息，造成測角誤差。

1.3.2 改進的交叉項選大法算法

改進的交叉項選大法，不再針對交叉項的峰值處進行采樣點的選取，具體做法分為三步：

（1）選取距離間隔單元集合[A]。在和通道自間隔像中，忽略直流項，求出各個距離間隔單元上的最大值[maxIFFTi，]以交叉項峰值的最大幅值[MAX]為基準，設置門限[Ta，]選取出散射點所在的距離間隔單元集合[A]，其元素[K1]滿足條件：[maxIFFTK1≥Ta?MAX]。以圖2為例，圖3為圖2的俯視圖，經過第一步所選取的距離間隔單元集為9，17，25，41， 49，57。

（2）粗選采樣點集合[B。]在和通道自間隔像中，去掉直流項，記錄整幅距離間隔像的最大值MAX。求出每個采樣點處的距離間隔像的最大值[maxIFFT_samplingj，][j=1，2，…，sampling_number，][IFFT_samplingj]表示第[j]個采樣點的距離間隔像，[sampling_number]為采樣點總數。設置門限[Tb，]選出過門限的采樣點集合[B，]其元素[K2]滿足條件：[maxIFFT_samplingK2≥Tb?MAX。]這樣做的目的是去掉采樣幅值較小的采樣點和噪聲采樣點。

（3）細選采樣點集合[C。]通過步驟一和步驟二得到距離間隔單元集合[A、]采樣點集合[B，]選取采樣點集合[B]的子集[C，][K3]為集合[C]中元素，滿足：[IFFT_samplingK3K1>][TK3?maxIFFT_samplingK3]其中，[TK3]表示第[K3]個采樣點的門限，[IFFT_samplingK3K1]表示第[K3]個采樣點的距離間隔像上第[K1]個距離間隔單元處的幅值，[K1∈A。]

經過上述步驟，對所得集合[C]中的每一個采樣點[K3，]求得角度，最后對測角結果取平均。。

改進的交叉項選大法選取的采樣點能夠包含所有交叉項信息，所選采樣點可能存在的范圍如圖4中黑色矩形框所示，圖4為圖2的側視圖。

2 仿真結果分析

2.1 高分辨距離間隔像測角性能分析

根據文獻[4]，距離間隔像的最大不模糊距離為[c4Δf，]目標長度[L>c4Δf]時，距離間隔像會發生折疊，但是對測角沒有影響。在過采樣條件下，脈沖寬度[τ]和頻率步進間隔[Δf]應滿足條件[τ?Δf<1。]根據上述條件，設置仿真參數見表1。

圖5為用直流選大法、交叉項選大法和改進的交叉項選大法測角的結果，由圖可知，直流項選大法和交叉項選大法在信噪比達到20 dB的時候測角結果與目標真實角度值接近，交叉項選大法測角誤差明顯小于直流項選大法。改進的交叉項選大法在信噪比為5 dB的時候，其測角結果與真實值相差無幾，更加適應于低信噪比條件下的測角。

2.2 高分辨距離間隔像測角與距離像測角性能比較

圖6為目標在不同運動速度下，高分辨距離間隔像（HRRSP）測角與高分辨距離像（HRRP）測角結果隨信噪比變換的比較圖。

由圖6可見，距離間隔像測角在目標運動條件下的測角結果要優于距離像測角結果。

3 結 語

頻率步進波形對目標的運動十分敏感，速度補償精度不夠，會造成距離像的失真，使得高分辨距離像測角方法測角不準。通過對目標回波取自相關函數再作IFFT得到距離間隔像的方法，可以有效的減少目標運動的影響。文中介紹了距離間隔像的成像原理以及用于測角的方法，并對交叉項選大法進行了改進，通過仿真分析說明了改進的方法在信噪比較低時測角結果好于直流項選大法和交叉項選大法的原因，與距離像測角方法的比較表明了距離間隔像測角方法的優越性。

參考文獻

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