基于栅瓣修正窗的调频步进信号时域合成算法

洪香茹

(西安电子工程研究所 西安 710100)

信号/数据处理

基于栅瓣修正窗的调频步进信号时域合成算法

洪香茹

(西安电子工程研究所 西安 710100)

文章针对调频步进信号存在频域冗余时，“去斜”接收距离像时域合成算法出现的栅瓣现象，提出基于栅瓣修正窗的时域拼接算法。根据本雷达收发分置的特点，提出利用发射信号直接衰减回环到接收端的信号形成理想栅瓣修正窗的方法；给出基于栅瓣修正窗的时域拼接算法流程及仿真验证；利用某近场成像雷达的实测数据验证了本方法的有效性。对调频步进信号的实际工程应用具有一定的参考价值。

调频步进 高分辨距离像 栅瓣 “去斜”接收 近场成像

Abstract: Aiming at phenomenon of grating lobe occurred in de-chirp reception range profile synthesis algorithm in time-domain when stepped-frequency chirp signal has redundancy in frequency-domain, stitching algorithm in time-domain based-on grating lobe correction window is presented. According to bistatic features of radar, method of forming ideal grating lobe correction window by using signal which is attenuated and looped to receiving terminal directly from transmitting signal is presented; flow and simulation demonstration of stitching algorithm in time-domain based-on grating lobe correction window is presented; effectiveness of this method is verified by using measured data of a near-field imaging radar. The method can be used as reference for actual engineering application of stepped frequency-modulated signal.

Keywords：frequency-modulated step; high resolution range profile; grating lobe; de-chirp reception; near-field imaging

0 引言

调频步进信号，作为一种实用的高分辨率信号体制，它的主要特点，就是在每一个PRT中采用宽脉冲，在一组相参的PRT中采用载频离散跳变方式，实现离散化的LFM信号，可以在降低信号产生、回波接收及A/D采样率和信号处理瞬时带宽要求的条件下得到距离高分辨率。

调频步进信号在降低前端带宽的情况下，得到高分辨距离像的代价是增加了后续距离像合成的难度及计算量。对单点目标而言，调频步进信号处理只需把一组脉冲压缩后的子脉冲信号进行IFFT即可。对延展目标，需要将多个高分辨的一维距离像进行拼接，即高分辨距离像合成。

常用的高分辨距离合成算法有：目标抽取算法、时域合成法、频域合成法、基于系统传递函数的滤波法。在雷达目标之间具有相对运动时，目标抽取算法存在伪峰；基于系统传递函数的滤波法针对不同的系统，需要设计不同的系统传递函数且计算量大；时域合成法及频域合成法在原则上都是将离散化的LFM信号先合成大带宽的LFM信号，再做匹配滤波，只是频域合成算法计算量小。

由于某项目近距要求到3m，采用连续波体制；又考虑到距离高分辨率的要求，采用脉内LFM的调频步进信号，为此接收采用“去斜接收”，这样“去斜”之后的回波信号为单频信号，步进频距离像合成时，只需要把各个子脉冲时移，再叠加即可。又由于考虑到频域冗余，时移叠加后合成的距离像存在栅瓣，为此采用点目标回波形成修正窗，消除合成后的栅瓣。

1 算法流程

1.1 调频步进信号的频域冗余、采样冗余分析

图1 调频步进信号的时域波形

文献中给出由ΔR,Ru决定的Ba，Δf设计关系，即由

(1)

推导出

(2)

根据奈奎斯特定理，采样频率fs只要等于发射信号的带宽Ba，就可以通过IFFT合成全程的一维距离像，但考虑到在实际系统中，由于回波展宽、发散，就有可能造成采样点没有采到回波的最大值，造成幅度损失。所以为了减小损失，通常增加采样率，一般取

fs=1.5～2Ba

(3)

每个采样点对应的脉宽内最大不模糊距离窗如下图2所示：

图2 采样点对应的脉宽内最大不模糊距离窗

1.2 算法流程

针对某项目的“去斜”接收体制，采用时域合成算法拼接一维距离像解决过采样引起的高分辨距离像合成问题。

去斜处理，对于不同载频的子脉冲，所对应的单点散射体的接收信号是同一载频的单频信号，所以合成时只需要对单频信号做时移、叠加形成大时宽带宽的LFM信号去斜接收信号，再做去斜后脉压即可。其流程示意如下图3所示：

图3 去斜接收调频步进信号距离像合成流程

本“去斜”接收调频步进信号距离像合成流程中关键的步骤是：时移与加窗修正。时移的目的是：将子脉冲信号能够按照发射顺序在时间上相衔接。即将子脉冲信号中心移到与合成信号中心相对应的位置上，时移的时间间隔Δt(n)由子脉冲信号载频与合成信号载频的频率间隔Δf(n)=fc-fc(n)决定的，即：

(4)

设子脉冲带宽Ba=200MHz，调频步进量Δf=100MHz，以两个步进调频子脉冲信号的“去斜”接收为例，图4给出子脉冲“去斜”接收距离像合成的过程。图4a为子脉冲1、2“去斜”接收的示意，图4b为子脉冲1、2接收后补0的示意，图4c为子脉冲1、2时移的示意；图4d为两个子脉冲叠加合成的示意；图4e为合成信号加窗修正的结果。从图4d，图4e可知叠加之后去斜接收信号的时宽变为子脉冲时宽的1.5倍，对应的带宽加宽到原来的1.5倍，对此合成信号做距离脉压分辨率也将比子脉冲对应的分辨率提高1.5倍。

1.3 栅瓣修正窗

(5)

式中Wideal(f)为期望的窗函数，Wreal(f)为实际的窗函数。

实际窗函数获取时，为避免实测点目标回波数据中的非理想因素及近场环境的干扰，利用某雷达收发分置的特点，实测修正窗利用把发射信号衰减之后直接馈到接收机输入端的方式形成。

根据以上调频步进信号的处理流程，下面给出其仿真及SAR近场成像雷达的实测数据处理结果。

1.4 算法仿真

仿真数据波形参数如表1所示，对应的处理结果如图5～图6所示。

表1 仿真数据波形相关参数

图4 去斜接收调频步进信号距离像合成原理示意图

图5给出子脉冲间0.79dB、子脉冲内1.14dB幅度起伏的回波修正窗。

图6 调频步进信号修正后的合成结果

图6给出用该修正窗修正后调频步进信号合的结果。从图6可知，调频步进信号直接合成之后，由于频域冗余及子脉冲的幅度起伏，栅瓣及旁瓣很大，且栅瓣不能通过普通的距离加窗消除，加上对应的修正窗之后，栅瓣基本完全消除。

2 实测数据验证

利用以上调频步进信号距离像合成算法，对某雷达的实测回波进行处理，其中雷达实测数据的波形参数如表1所示，只是步进调频点数变成20。处理结果如图7-图10所示。

图7中为接收20点调频步进信号合成的栅瓣修正窗。

图7 雷达实测回波形成的修正窗

图8给出用该修正窗修正后调频步进信号合成的结果。图8a为在室内实验室(普通实验室)摆放两个边长4cm的角散射体、两散射体在距离像上相距0.1m的20点调频步进信号回波的距离像合成的结果。图中黑色曲线为调频步进信号子脉冲脉压结果，对应的距离分辨率0.75m，图中蓝色、红色曲线分别对应调频步进信号回波不加栅瓣修正窗、加栅瓣修正窗合成的结果。本实验中发射20点调频步进信号对应的合成带宽为2000MHz，对应的理论分辨率为0.075m，考虑两目标主瓣的重叠，实际可分辨出下凹口的分辨率可达0.1m。

从图8中可以看出调频步进信号合成后的距离像能够区分出相距0.1m的目标；同时加栅瓣修正窗修正后的结果比不加修正时的旁瓣、栅瓣幅度要低一些，与算法仿真结果相符。

图9给出用该修正窗修正并加汉明窗后调频步进信号合成的距离像。考虑到加窗展宽，为验证0.15m距离分辨率，在距离像上摆放间隔0.25m的两个散射球，为减少遮挡影响后边目标比目标高一些。处理结果中黑色为粗分辨脉压结果(分辨率为0.75m)，蓝色为调频步进信号合成的结果，红色为调频步进信号距离向合成之后再加窗的结果。从图中可以看出，步进频合成之后再加窗的结果能完全区分开0.25m的目标。

图8 雷达实测调频步进回波距离像合成结果

图9 距离像分辨率验证结果

图10给出某雷达对4个直径5cm的散射球用上述距离像拼接的算法再做近场SAR成像的结果。图中4个散射球摆成一个四边形，边长0.25m，且为保障前面目标不遮挡后目标，后目标比前目标高0.26m。前面两个目标距离地面高度1.21m，后面两个目标距离地面高度1.47m。图中成像的结果表明此距离像拼接算法满足实际工程的需求。

3 结论

文章结合实际工程应用，给出“去斜”接收时调频步进信号距离像的时域合成算法。针对信号的频域冗余引起的距离像合成的栅瓣现象，采用加栅瓣修正窗的方法来降低栅瓣；考虑到某项目收发分置的特点，利用直接把发射信号衰减回环到接收端的方法形成栅瓣修正窗。某近场成像雷达实测数据处理结果验证了方法的有效性。为调频步进信号的实际工程应用提供有力支持。

图10 SAR近场成像结果与实物摆放对比

[1] Hong Xiangru, Zhang Tao, Du Zicheng. helicopter-borne SAR imaging processing of chirp-stepped signal. International Conference on Radar, 2006.

[2] Donald R. Wehner. High-Resolution Radar[M].Artech House, Second Edition.

[3] 保 铮, 刑孟道, 王 彤. 雷达成像技术[M].电子工业出版社, 2005.

[4] 白 霞, 毛士艺, 袁运能. 时域合成带宽方法:一种0.1米分辨率SAR技术[J], 电子学报, 2006.3.

[5] 高昭昭, 邢孟道, 张守宏, 张焕颖. 基于线性调频步进信号的高速目标ISAR成像[J], 电子与信息学报，2008.12.

SteppedFrequency-modulatedSignalSynthesisAlgorithminTime-DomainBased-onGratingLobeCorrectionWindow

Hong Xiangru

(Xi’an Electronic Engineering Research Institute, Xi’an 710100)

TN95

A

1008-8652(2017)02-036-06

2017-04-12

洪香茹(1984-)，女，高级工程师。研究方向为信号处理技术。