雷達導引頭單脈沖前視成像技術研究

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

現有的常規雷達導引頭主要利用合成孔徑雷達(SAR)、多普勒波束銳化(DBS)等技術，利用雷達平臺相對地面目標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等技術容易形成前視成像盲區，大大制約了這類技術在精確制導領域中的應用。未來精確制導導彈朝著高/超聲速方向發展，導彈飛行速度快，不容易大角度變軌飛行，而在末制導階段選擇攻擊點時，導彈主要關心的是航向正前方的目標信息，因此需要制導雷達具備前視成像能力。

目前，我們主要借鑒機載雷達前視成像技術，開展雷達導引頭成像技術研究。實波束成像［1］依賴于雷達波束寬度，能在一定程度上實現角度分辨，波束越窄，角分辨率越高。受限于實孔徑波束寬度，該技術在近距離可獲得較好的成像效果，但是仍不能滿足遠距離導彈制導前視成像分辨率的要求。解卷積方位超分辨技術［2］具有較成熟的理論基礎，根據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散射特征點目標的成像制導應用場合。但由于其較復雜的處理算法以及對目標檢測信噪比的苛刻要求，工程應用適應性較差，需要進一步完善。

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

1 單脈沖測角原理

從原理上講，單脈沖雷達只需要一個回波脈沖，就能提取出目標的方位位置的全部信息［6］。由于其測量精度高，單脈沖技術廣泛應用于對目標的搜索與跟蹤中。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，利用相互交疊的天線波束多路同時接收雷達回波信號并進行比較，就能求得目標在該平面內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。

單脈沖跟蹤雷達的角誤差信號處理經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，當和路信號與差路同相時，判定角誤差的信號為“+”，當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

采用數字信號處理實現和差的數字鑒相，假設和路信號為 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也不是嚴格正交，應當具體情況具體分析，采取相應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，不妨設空間存在N個散射目標，第n個目標Pn的方位角為θn，如圖2所示，單脈沖和差天線以角速度w在一定范圍內轉動，雷達通過天線不斷向探測空間發射寬帶線性調頻(LFM)信號并接收各散射點回波。

設發射LFM信號為s(t)，各散射點的后向散射系數分別為σn，與雷達距離分別為Rn。設雷達天線的收發間隔為Δt，則，在這段時間內天線轉過的角度為Δα=wΔt。

圖2 天線與目標方位示意圖

設天線發射時波束中心偏轉角為α，此時第n個目標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。信號發射是通過和通道發射，接收則是和、差通道同時接收，忽略發射及接收信號時間內天線的轉動角度，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

雷達成像是以散射點模型為依據的［8］，即將目標以散射點模型表示，這些散射點處理后就構成了目標的“雷達像”。單脈沖成像技術［6-8］是將距離高分辨技術與單脈沖測角技術結合，利用脈沖壓縮實現距離維高分辨，將目標各散射點沿徑向距離進行分離，然后通過單脈沖測角技術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各散射點的距離和角度信息，根據這些信息就能獲得雷達圖像。

圖3 波束內目標方位示意圖

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

當同一距離波門內波束范圍中存在兩個或者多個強散射目標時，由于角閃爍效應［9］，在兩目標間形成一個等效目標(如圖3)，角閃爍現象將導致單脈沖成像質量的惡化甚至成像結果的不可靠。針對此種情況，可利用SAR成像、DBS成像技術予以解決，但是在前視條件下，由于存在嚴重距離-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，雖然無法將同一距離單元內的多個目標從方位上分開，但是能改善不同距離單元內目標之間的方位分辨率，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-方位耦合嚴重的問題。在單脈沖成像技術中，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的精確定位性能提高目標的方位向圖像精度［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，雷達信號處理一般以幀(CPI)為單位進行。一個CPI時間內，信號處理器將雷達回波視頻信號經過脈沖壓縮、脈沖積累處理后，得到的數據如圖5所示(設一個CPI周期內收到的回波信號為N個)，橫向表示的是多普勒通道號，縱向為距離單元。

圖5 單脈沖成像數據重排示意圖

S(i，j)，D(i，j)分別表示和、差通道數據經脈沖壓縮、脈沖積累處理后第i個距離單元第j多普勒通道數據。單脈沖測角后得到對應存儲單元的角度信息α(i，j)。設方位向波束劃分單元數為M，當天線半波束寬度為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)，根據測角信息α(i，j)，對和通道數據S(i，j)進行重排，規則如下:

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M確定方位向數據單元號，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，波束照射區域內距離劃分單元越多，這樣同一距離單元內可能出現的強散射點數目將會減少，角閃爍現象將會減少。對于大目標，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也能從一定程度上提高成像質量。距離分辨率與信號的帶寬有關

方位分辨率主要取決于系統天線波束寬度，雷達波束越窄，一個波束內目標散射點個數就會越少，角閃爍現象越弱，成像質量就會越好。但是，在探測遠距離目標時，雷達波束覆蓋范圍依舊很大，因此，通過減小雷達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位于同一距離單元內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的目標從方位上分辨開來，因此，可以認為單脈沖成像對圖像質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。

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

5 仿真驗證

下文將對單脈沖前視成像算法開展相應的仿真，以驗證其正確性，為后期的工程實現提供必要的參考數據。仿真采用的雷達系統參數如下: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，脈沖積累點數為64，方位向波束劃分單元數M設為30。

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

圖6 多目標成像對比

單脈沖成像質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出現角閃爍現象，未能分辨開，而不同距離單元不同方位的目標從距離、方位上得以分辨。

天線工作在掃描狀態，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］(°)，散射點平面內分布如圖7a)所示，單脈沖前視成像結果如圖7b)所示。

圖7 艦船輪廓單脈沖成像仿真

天線靜止單幀數據成像，以及天線掃描多幀數據成像結果與預期結果較為一致，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 結束語

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

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