調頻步進信號目標抽取快速算法研究

楊 磊 郭鵬程 羅丁利

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

調頻步進信號是一種重要的距離高分辨率雷達信號，它通過發射一串載頻線性跳變的脈沖，再對回波進行IFFT處理來獲得合成距離高分辨的效果。調頻步進信號是合成寬帶信號，它將寬帶信號在頻域分解成多個窄帶信號，通過多個窄帶信號的收發來獲取合成的寬帶信息，可以在獲得高分率的同時降低對數字信號處理機的瞬時帶寬的要求，系統易于工程實現。

在調頻步進雷達體制中，目標冗余是一個特殊的問題。因此需要采用目標抽取算法來消除目標冗余。目標冗余是指IFFT細化后的距離范圍與當前回波采樣值所表示的距離范圍不是簡單的一一對應關系，有一些多余的信息。要得到真實的距離信息,就必須精確地按照一定的順序,從所有采樣點的IFFT結果中選取某些點，去掉冗余信息，組成完備的一維距離像，這就是調頻步進雷達的目標抽取算法。

1 目標抽取算法

冗余分為兩種：距離失配冗余和過采樣冗余[1]，其中距離失配冗余與單個脈沖距離分辨率rT，單點不模糊距離rI有關；而過采樣冗余主要由單個脈沖距離分辨率rT，單個脈沖距離精度rs決定。

1.1 距離失配冗余

單個脈沖的距離分辨率由其信號帶寬B決定，即rτ=C/(2·B)，其中C為光速。步進頻的信號的分辨率由其合成帶寬決定，即rb=C/(2·N·Δf)，N為合成信號的脈沖個數[2]。則一個采樣點的距離范圍為rI=rb·N=C/(2·Δf)。rτ與rl的比值為rτ/rI=Δf/B。通常，步進頻率信號需要滿足條件：Δf/B<1，它表示一個采樣單元中的有效距離小于可表示的距離范圍，所以會有rI-rτ的區域無效(即冗余)，此時的高分辨結果包含了全部目標的信息，但是由于距離失配，會造成目標的距離測不準，必須通過去冗余算法獲得真實的距離。

圖1是上述情況下3組相鄰采樣點IFFT后的結果示意圖。由圖1可以看出，每組采樣點的IFFT結果有rI-rτ的無效區域，需要采用一定的目標抽取算法，提取出每個采樣點中目標所占的有效區域，即將圖1中的1、2、3、4提取出來續接獲得真實的一維距離像。

圖1 相鄰采樣點IFFT后示意圖

1.2 過采樣冗余

理論上，采樣周期Ts只要等于信號發射脈寬τ，就可以獲得完整的一維距離像，但是由于實際中回波的展寬，會使得有一定概率采不到回波的最大值，造成幅度損失。所以通常會使Ts≤τ/3 ，從而降低采樣損失[2]。但提高采樣率會使同一個目標的回波出現在多個相鄰的采樣點，在合成距離像拼接時產生虛假目標的現象，所以需要有效的目標抽取算法來去除虛假目標。

目前，常用的目標抽取算法主要有如下兩種：

1)舍棄法

圖2 舍棄法原理圖

舍棄法原理如圖2所示，設共有M個采樣點，IFFT后可以得到N個數據，從而得到一個大小為N×M的矩陣。對于其中第m個采樣點，取出其中第Pm到第Qm點之間的Wm個數據(圖2中的陰影部分)，作為當前采樣點的提取點跡，再將每個采樣點所取的數據進行拼接，即得到目標的一維距離像。關于Pm和Qm的取值由下式決定：

①對于第0個采樣點，設P0=0，則W0=Trunc(rs/Δr)，Q0=P0+W0-1。

②對于第m個采樣點，有Pm=(Qm-1+1)ModN

(1)

Qm=(Pm+Wm-1)Mod(N)

式(1)中，Trunc表示截斷運算；Mod表示取余運算；Δr=C/(2NΔf)為雷達的最小分辨距離單元。

運算簡單是舍棄法的最大優點。舍棄法是將當前IFFT結果有效區域的起始部分作為距離信息保留下來，但是對于采樣周期小于信號脈寬的情況，此時目標剛剛進入當前采樣點，并未獲得幅度的最大值，所以該方法提取出的目標的信噪比較低，不利于后續的檢測，這是舍棄法最主要的缺點。

2)同距離選大法

圖3 選大法原理

同距離選大法從每個采樣點中取出與脈寬τ相對應的距離范圍，由于采樣率大于信號的脈寬τ，所以相鄰采樣點會有部分重疊區域。同距離選大法將相鄰的采樣點提取的結果進行同距離比較，取出幅度較大的點作為提取結果。依照式(1)確定第m個采樣點IFFT結果的提取起始點Pm，但是提取的數據個數不為Wm，而是由式(2)確定

(2)

如圖3所示，陰影部分為每個采樣點選取的數據，可見相鄰的兩個采樣點之間有重合部分，重合的點數為Xm-Wm。對于重合部分的數據，取出幅度較大的作為輸出。同距離選大法在靜目標條件下，可以很好地得到目標抽取結果，能獲得目標幅度的最大值。但是計算量較大，且在有距離走動時會出現偽峰[4]。

2 改進的抽取算法

傳統的目標抽取算法首先需要對起始采樣點(即第0個采樣點)的位置做出標定，然后從起始位置順次拼接各個采樣點中的有效信息[5]，這種處理方法在工程中需要消耗較多的時間資源，而實際上我們僅僅關心波門內目標的回波信息，并不需要做全程拼像，基于以上問題，本文提出一種局部快速目標抽取算法，如圖4所示，在一幀數據中，先確定目標的大概位置，再在目標所在大概位置的前后劃定一個搜索區域，在該區域內選取最大值作為目標所在的細距離點。根據目標所在的位置以及距離細化程度確定該粗距離采樣點上抽取范圍的起始點以及終點，再向前和向后進行抽取，將抽取后的距離范圍進行拼接，從而得到一維距離像。

圖4 改進算法的原理圖

關于目標支撐區的起始點和終止點的選取，可以根據不同的任務需求來進行設置。首先，在對目標距離像進行抽取之前，一般需要對IFFT后的二維平面做恒虛警處理，去除干擾的噪聲和雜波分量，僅保留目標的散射點回波。針對地面感興趣的車輛目標，其回波距離像的支撐區長度一般不超過10m，且相鄰散射點的間隔不超過5m，所以，根據一些先驗知識，可以將拼像的長度設置為77個多普勒單元，距離維聚類的門限設置為15個多普勒單元。

抽取算法的流程如圖5所示，具體步驟為：

圖5 抽取算法的流程圖

1)在波門內搜索回波幅度最大的散射點所在的位置，確定最大值所在的采樣點R和多普勒C，記該點為A(R,C)，以A為中心，向兩側搜素，當出現新的幅度大于0的點Q時，判斷該點的多普勒和A點的多普勒差D，若差小于設定的聚類門限T，則認為該點與A同屬同一個目標，然后以該點為起點在向前搜索，直到當連續T個點都沒有回波出現或長度超出了拼像的距離窗長度L時，停止向前搜索；

2)后向的搜索處理流程與前向相同；

3)拼像結束后，將找到的點及其對應的過采樣點從原始的IFFT二維平面中刪除，然后開始拼下一個目標的距離像。

該方法避免了尋找拼像起點的步驟，且不需要對全距離段的距離像進行處理，同時，算法采用聚類的方式確定目標距離像的起始和終止位置，可以保證拼到目標完整的距離像，又可以將兩個距離像進行區分。

3 仿真與分析

如圖6(a)為某調頻步進體制雷達單幀回波的IFFT二維平面，波門寬度為60個采樣點，數據經過恒虛警檢測處理后，僅剩余兩個目標的回波，圖6(b)為目標回波區域的局部放大。兩個目標的徑向距離相差6m，即20個多普勒單元，拼像的距離窗長選擇77個多普勒單元，聚類的門限設置為15個多普勒單元。

圖6 雷達單幀回波的IFFT二維平面

如圖7所示，如果不采用聚類的拼像算法，會將兩個目標拼到同一幅距離像中，用本文所提算法，則可以將兩個目標的距離像分別提取出來，拼像的結果分別如圖8(a)和圖8(b)所示。

圖7 不采用聚類的拼像結果

圖8 采用聚類的拼像結果

同時，由于采用了去除過采樣點的處理，避免了再次搜索最大值時，目標一的過采樣點對目標二的影響。

4 結束語

傳統的目標抽取算法首先需要對起始采樣點的位置做出標定，然后從起始位置順次拼接各個采樣點中的有效信息，這種處理方法在工程中需要消耗較多的時間資源，利用本文所提出的目標抽取算法則不需要尋找起始采樣點，同時，由于聚類的算法可以自動地確定目標支撐區的起點和終點，并將徑向上存在一定距離的兩個目標區分開來。仿真實驗驗證了算法的有效性。