（信号与信息处理专业论文）机载雷达的dbs成像和gmti方法研究.pdf

摘要 扫描模式下的机载多通道s a r g m t i 系统可以实现大场景的实时监视，对场 景中的动目标进行检测、定位和跟踪，是国内外的一个研究热点，在军事和民用 上都有广泛的应用前景。而多普勒波束锐化( d b s ) 成像技术可以在较短时间内 提供大场景的地面图像，为检测出的运动目标提供定位参考，从而有效地实施准 确打击。本文主要研究了扫描模式中的d b s 成像和空时二维自适应信号处理 ( s t a p ) 以及多通道扫描g m t i 模式中的运动目标检测和定位技术。具体如下： l 、论述了d b s 成像原理和结合距离走动校正的d b s 成像方法，并研究了多普勒 中心估计算法及其解模糊方法，介绍了一种基于惯导数据动态补偿载机位置误 差和姿态误差的图像拼接方法，并通过高保真仿真数据对其进行了验证。 2 、讨论了s t a p 基本原理及其降维原理，介绍了空域和时域降维方法。时域降维 讨论了多普勒局域化后的空时联合处理方法( f n d t ) ；空域降维讨论了阵元域 的子阵划分方法。并通过一组仿真数据的处理结果对其杂波抑制性能进行了分 析。 3 、研究了多通道s c a n - g m t i 模式中的运动目标检测和定位方法。本文利用s t a p 技术对杂波进行抑制后，采用二维c f a r 检测器进行旁瓣检测，然后利用干 涉相位对检测到的动目标重新定位，并对定位误差产生原因进行了分析。 关键字：多普勒波束锐化地面动目标指示空时二维自适应处理降维s t a p 杂波抑制 a b s t r a c tl i i a bs t r a c t a i r b o r n em u l t i c h a a n n e ls a r g m t is y s t e mi sa b l et oa c h i e v ew i d ea r e a s u r v e i l l a n c ei nr e a lt i m e ，f o re n a b l i n gt h ed e t e c t i o n , l o c a t i o na n dt r a c k i n gf o rm o v in g t a r g e t su n d e rs c a n n i n gm o d e ，w h i c hi sat o pt o p i ca th o m ea n da b r o a da n de x h i b i t s g r e a tv a l u ei nb o t hc i v i l i a na n dm i l i t a r ya p p l i c a t i o n s l a r g ea r e ai m a g ec a nb eo b t a i n e d i nas h o r tt i m eb yu s i n gt h et e c h n i q u eo fd o p p l e rb e a ms h a r p e n i n g ( d b s ) i m a g i n g , w h i c hc a np r o v i d er e f e r e n c ef o rt h el o c a t i o no fm o v i n gt a r g e t sd e t e c t e dt oa t t a c kr l l o r e a c c u r a t e l ya n de f f e c t i v e l y t h i sp a p e rm a i n l yd e a l sw i t hd b si m a g i n g , s p a c e - t i m e a d a p t i v ep r o c e s s i n g ( s t a p ) a n dm o v i n gt a r g e td e t e c t i o na n dp o s i t i o ni nm u l t i c h a n n e l s c a n - g m t im o d e t h em a i nc o n t e n to f “sd i s s e r t a t i o ni ss u m m a r i z e da sf o l l o w s f i r s t l y , t h et h e o r ya n dam e t h o di n c o r p o r a t i n gt h er a n g em i g r a t i o nc o r r e c t i o no f d b si m a g i n ga r ed e s c r i b e d ，a n daa l g o r i t h ma n da m b i g u i t yr e s o l u t i o nm e t h o do f d o p p l e rc e n t e re s t i m a t i o na r es t u d i e d ，a n daa p p r o a c ho fi m a g ec o m b i n a t i o nb a s e d o n i n e r t i a ln a v i g a t i o nd a t aw h i c hi su s e dt oc o m p e n s a t et h ea i r b o r n ep o s i t i o ne r r o ri s p r e s e n t e d ，o f w h i c ht h ee f f e c t i v e n e s si sv a l i d a t e db yt h er e s u l tf r o ms i m u l a t i o nd a t ao f l l i 曲f i d e l i t y s e c o n d l y , t h et h e o r ya n dr e d u c e d - r a n kp r i n c i p l eo fs t a pa r ed i s c u s s e d ，t h e n r e d u c e d r a n km e t h o d sa r ei n t r o d u c e d ，i n c lu d i n gt e m p o r a lr a n kr e d u c t i o n , w h i c hd e a l s w i t hs p a c e - t i m ej o i n td o m a i np r o c e s s i n ga p p r o a c ha f t e rd o p p l e rl o c a l i z a t i o n , a n d s p a t i a lr a n kr e d u c t i o n , w h i c hp r e s e n t ss u b a r r a yd i v i s i o na p p r o a c hw i t h i ne l e m e n t d o m a i n t h ec l u t t e rs u p p r e s s i o np e r f o r m a n c eo fr e d u c e d - r a n ks t a pi sd e m o n s t r a t e d b ys i m u l a t i o nr e s u l t s a tl a s t , t h ed e t e d t i o na n dp o s i t i o na p p r o a c h e so fm o v i n gt a r g e ti ss t u d i e du n d e r m u l t i - c h a n n e ls c a n - g m t im o d e t h i sd i s s e r t a t i o na p p l y st w o - d i m e n s i o nc f a r d e t e c t o rt oa c h i e v es i d e b o l ed e t e c t i o na l t e rs u p p r e s s i n gc l u t t e rb yu s in gs t a p t e c h n i q u e ，t h e nr e l o c a t i o n st h ed e t e c t e d m o v in gt a r g e t sw i t hi n t e r f e r e n c ep h a s e b e t w e e nc h a n n e l s ，a n da n a l y s e ss e v e r a lf a c t o r st h a ti n f l u e n c et h el o c a t i o na c c u r a c y k e y w o r d s ：d o p p l e rb e a ms h a r p e n i n gg m t l ( g r o u n dm o v i n gt a r g e ti n d i e a t i o n ) s p a c e - t i m ea d a p t i v ep r o c e s s i n g r a n k - r e d u c t i o ns t a pc l u t t e rs u p p r e s s i o n 目录 v 目录 摘要i a b s t r a c t 一i i i 目录v 第一章绪论l 1 1 研究的背景和意义1 1 2 研究的历史和现状。2 1 3 本文研究内容5 第二章d b s 成像和图像拼接7 2 1 引言7 2 2d b s 基本原理7 2 2 1d b s 的基本原理和几何模型7 2 2 2d b s 相干积累点数的确定1 0 2 3d b s 成像方法1 2 2 3 1 距离走动校正1 2 2 3 2 多普勒中心估计及解模糊12 2 3 3d b s 成像方法1 4 2 4 图像拼接15 2 5 本章小结2 0 第三章s t a p 降维处理的原理和方法研究2 l 3 1 引言2l 3 2 空时自适应处理和降维原理2 2 3 2 1 空时自适应原理2 2 3 2 2 降维处理原理2 5 3 3 时域降维方法2 7 3 3 1 多普勒局域化后的空时联合处理方法( m d t ) 2 7 3 3 2s t a p 时域降维方法的性能分析2 9 3 4 空域降维方法3 2 3 4 1 相控阵天线子阵划分原理3 2 3 4 2 均匀子阵划分方法3 4 3 4 3 重叠子阵划分方法3 6 3 4 4 非均匀子阵划分方法3 8 v i 目录 3 5 本章小结4 0 第四章目标检测和定位方法研究4 l 4 1 引言4l 4 2 目标检测方法4 1 4 3 目标定位方法4 3 4 3 1 目标定位方法4 3 4 3 2 目标定位误差原因分析4 5 4 4 本章小结4 8 第五章工作总结与展望4 9 5 1 工作总结4 9 5 2 工作展望4 9 致谤 5l 参考文献5 3 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究的背景和意义 合成孔径雷达( s a r ：s y n t h e t i ca p e r t u r er a d a r ) 是一种高分辨率的微波成像 系统，不受气候、昼夜因素的影响，具有全天时、全天候、探测距离远、穿透能 力强等显著优点，在军事上和民用上都有广泛的应用前景。 对于军事应用而言，合成孔径雷达运动目标检测与定位具有至关重要的意义。 在未来战争环境中必须对更加广阔的区域进行快速、实时、有效的监视，它不仅 要获得监视区域的雷达图像，从中寻找有价值的固定目标，还要具备运动目标检 测、定位、识别和跟踪的能力。而在民事应用领域，s a r 的运动目标检测也同样 具有重要意义。例如，监视地面上车辆与海面上船只等的运行状况，为交通管制、 海上救援和缉私等提供有效信息。 在未来复杂多变的现代化高科技战争环境中，战场局势瞬息万变，及时、准 确的获取战略和战术两种信息关系到未来战争的成败。军事目标在实战中通常都 处于运动状态，从而要求战场信息感知系统必须具备运动目标指示( m t i ： m o v i n g t a r g e ti n d i c a t i o n ) 能力，包括地面运动目标指示( g m t i ：g r o u n dm o v i n g t a r g e ti n d i c a t i o n ) 和空中运动目标指示( a m t i ：a i rm o v i n gt a r g e ti n d i c a t i o n ) 。 机载雷达在实现g m t i 功能时通常工作在下视状态，由于雷达平台的高速运动( 如 预警机工作速度在9 0m s 2 0 0m s 之间) 使主瓣杂波谱在方位向出现多普勒展宽。 而g m t i 的特点是目标的速度慢、多普勒低，它通常会淹没在被展宽了的主瓣杂 波中，由于主瓣杂波通常远强于副瓣杂波和运动目标的回波，从而使g m t i 的实 现更加困难。有效地抑制杂波提高运动目标检测性能成为机载雷达实现g m t i 功 能的前提条件，也是空间运动平台雷达信号处理的重要研究内容。为了有可能实 现g m t i ，机载雷达一般都采用超低副瓣天线技术、脉冲多普勒( p d ：p u l s e d o p p l e r ) 技术，以减小副瓣杂波对目标信号检测的影响；采用大孔径天线得到窄 波束，使扩展了的杂波谱较窄；也可以采用天线相位中心偏置( d p c a ：d i s p l a c e d p h a s ec e n t e r a n t e n n a ) 技术和空时自适应信号处理( s 吖一) 技术，使g m t i 更有 利于主瓣杂波与低速运动目标的分离。 将s a r 和g m t i 相结合可以更好地监视场景中的静止和运动目标，能够显著 改善对远程低空和地面慢速运动目标的探测性能，以便早期预警和采取相应措施， 是现代战场侦查的需要。 在s a r g m t i 系统以g m t i 模式工作时，为了兼顾各种速度的地面运动目标， 2 机载雷达的d b s 成像和g m t i 方法研究 将分辨率降低一些，速度较高的目标仍能基本满足在相干处理时间内不发生越分 辨单元徙动( m t r c ) 的条件，甚至采用非聚焦s a r ，即多普勒波束锐化( d b s ) 技术。实际上g m t i 主要用于军事目的，在飞行过程中要求对更广阔的区域中的 动目标分布以及运动状况分区域作多次观测，在一次飞行过程中，对所需区域进 行多次观测，对地面动目标形成轨迹，为此必须减少相干处理时间，低分辨率s a r 是最常用的。 一般的s a r 图像只是产生动目标的横向偏移，而难以将动目标从固定场景中 分离出来。为了更好地从固定杂波中检测动目标，还要进行空域处理，因为雷达 平台以一定速度直线飞行时，对雷达回波作多普勒分析时，其多普勒输出对应一 定的指向。而对动目标则不然，它是通过多普勒耦合将其他指向处的目标呈现在 该多普勒输出中。因此，如果用两个或多个天线，对同一多普勒输出作阵列信号 处理，使波束在地杂波对应方向形成零点，这时该多普勒输出的地杂波会受到很 大抑制，而同一多普勒输出的动目标则由于实际指向不同而保留下来。另一方面， 在战场监视雷达中，不仅要检测地面动目标，还要对目标进行精确定位，并将目 标真实位置标注在雷达图像上，判断目标的运动方向、速度和轨迹，以便对战场 态势进行评估。 由于s 删g m t i 可以获得观测场景静态和动态两种信息，实现广域监视，在 军事和民用上都有广泛应用前景，使其成为了当前国内外机载和星载对地观测雷 达研究的一个热点。国内外对s a 刚g m t i 的关注与研究也愈来愈多。美国启动了 多项与s a r g m t i 有关的研究计划，德国f g a n 已成功研制出能够实现广域 g m t i 功能的p a m i r 系统【1 ，2 ，3 l ( p h a s e da r r a ym u l t i f u n c t i o n a li m a g i n gr a d a r ) 。国 内也了对s a r g m t i 雷达系统的需求，最近几年进行了机载多通道s a r g m t i 系统挂飞实验，录取了一批数据以供研究。因此研究s a r g m t i 模式下的杂波抑 制、运动目标检澳, j j 定位以及运动目标参数估计就显得十分迫切。本文就是在上述 背景下开展的工作，研究了利用机载雷达实现对地面运动目标检测、定位与成像 的方法。 鉴于国际上s a 刚m t i 雷达的迅速发展和国内对s a 刚m t i 雷达的迫切的军事 需求。国内从“八五”开始，针对地面慢速运动目标检测及定位这一关键技术， 开展了s a r m t i 雷达的预先研究。“八五”“十五”期间，多家科研单位对地 面静止目标的s a r 成像、s a r 模式下的地面运动目标检测以及扫描模式下的地 面运动目标检测等方面的研究取得了丰硕的的成果。 1 2 研究的历史和现状 在现代战争中，掌握制空权是赢得战争胜利的重要保证，预警飞机在其中起 第一章绪论 着举足轻重的作用。在最近几次局部战争中，预警飞机显示了强大的威力，其核 心就是机载预警( a e w ：a i r b o r n ee a r l yw a r n i n g ) 雷达。机载预警雷达的研究早在 1 9 4 3 年就已经开始了，最初通过将地基雷达安置在飞机上以实现防御低空或超低 空飞行目标为目的。 由于机载雷达架设在高空飞行的飞机上，可谓“高瞻远瞩”，因而其优越性 是地基雷达所无法比拟的，但是它也面临着一些问题。由于雷达处于下视工作， 其杂波分布范围广、强度大，尤其在丘陵和山区地带，杂波强度可达6 0 d b 9 0 d b ： 同时由于载机运动，导致主瓣杂波( 包括地杂波、海杂波) 谱展宽，从而淹没了 主瓣区慢速运动目标的回波信号，雷达的目标检测性能受到严重影响。针对主瓣 杂波的多普勒效应，早期机载预警雷达所采用杂波抑制方法有时间平均杂波相干 机载雷达( t a c c a r ：t i m ea v e r a g ec l u t t e rc o h e r e n ta i r b o r n er a d a r ) 及其有关方 法【4 】，有a n d r e w s 及b r e n n a n 等的自适应运动补偿技术1 5 , 6 和相位中心偏置天线 ( d p c a ) 【7 8 l 技术等。t a c c a r 技术是由m i t 林肯实验室首创，用于修正与天 线波束方向轴平行的平台速度分量。该方法能够在时域去除窄带主瓣杂波，但是 不能够改善旁瓣区微弱目标和主瓣区慢速运动目标检测性能。d p c a 通过对天线 相位中心相对于沿航迹方向作偏置调整使天线等效相位中心与观察场景保持相对 静止，从而能够有效抑制场景杂波。d p c a 的典型实现方式包括早期的物理位置 d p c a 、电子d p c a 以及现代的多相位中心d p c a 、多相位中心多延迟d p c a 和 频域d p c a 等。 辄一 虽然早期d p c a 对慢速目标检测性能改善不明显且易受通道误差等非理想因 素影响，但是由它所引发的机载雷达阵列天线开始受到关注。由于机载雷达的场 景杂波谱具有空时耦合特性，这就决定了机载雷达杂波抑制基本属于空时二维滤 波问题，而且，其二维处理需实时自适应实现，即杂波抑制需采用空时自适应处 理( s t a p ) 。s t a p 技术是空域自适应技术的延伸和发展，它是机载雷达抑制杂 波的有效方法。2 0 世纪6 0 年代末，l c v a n ，a t t a ，s p a p p l e b a u m 及b w i d r o w 等人了阵列自适应处理的基本思想，其初衷是用来抑制空域干扰，由此产生了阵 列信号处理这一新的领域。1 9 7 3 年le b r e n n a n ，j d m a i l e r 和i s r e e d 首次了 空时二维自适应处理的概念和理论【1 2 l ，将阵列信号自适应处理的基本原理由阵元 信号推广到脉冲和阵元采样的二维数据域中。1 9 7 4 年它们发表的文章中又对 s t a p 在高斯独立同分布( d ) 环境下的收敛性能进行了研究，指出要使s t a p 输出的信干噪比下降小于3 d b ，用来估计协方差矩阵的距离门样本数l 应该大于 等于2 m 3 ，m 是处理器的维数。1 9 7 6 年它们了与最大似然比( m l ) 检测等效的 基于最大信干噪比准则的最优s t a p 处理器。但是，b r e n n a n 等人的全空时s t a p 系统，其设备数和运算量是十分惊人的，目前只有理论意义，在工程上无法实现， 因此寻找能够实现的准最优的部分自适应处理方法成了当务之急。 4 机载雷达的d b s 成像和g m t i 方法研究 从8 0 年代起，德国的i lk l e m m 博士对s t a p 进行了开拓性的理论研究1 9 - 1 4 l ， 通过对杂波特性进行深入分析，发现空时协方差矩阵的大特征值的个数不超过 n + k - 1 个，其中n 为阵元数，k 为时域脉冲数。这说明用于抑制场景杂波的全空 时s t a p 的确存在降维的可能，在此基础上辅助通道法( a u x i l i a r yc h a n n e l r e c e i v e r - a c r ) 1 3 1 ，将处理器的维数由n k 降到n + k 1 。研究表明在无误差情况 下，这种降维处理在性能上接近最优的全空时处理。如果考虑空域误差，杂波谱 会沿空域扩展，使杂波维数明显增大，处理性能明显下降，从而限制了a c r 的 实际应用。即便如此，k l e m m 的研究还是具有很强的理论意义，对后来的降维处 理研究具有启发作用。 j w a r d 了s t a p 的统一理论和实现模型【1 5 1 ，并进一步给出了基于降维变换的 空时自适应权值计算的统一数学表达式，将s t a p 根据处理域的不同分为四类， 即阵元脉冲域、波束脉冲域、阵元多普勒域和波束多普勒域处理系统，使得 s t a p 理论更加系统完善，且s t a p 已经开始投入实际应用。 2 0 世纪8 0 年代后期开始，s t a p 在国内外引起了越来越多的关注，且在这方 面做了大量的研究工作。为了能对s t a p 及其相关技术进行更深入的研究，从9 0 年代开始美国相继实施了m o u b t a i nt o p 和m c a r m ( m u l t i c h a n n e la i r b o r n er a d a r m e a s u r e m e n t s ) 【1 6 1 7 1 ，获得了大量的实测数据。这两项实验工程使很多算法得到 了验证，也了新的方法，s t a p 的研究得到了极大的推动和广泛的关注。 利用s t a p 技术进行杂波抑制后就可以进行运动目标检测、定位处理，而动 目标检测技术的研究按通道数分为两类，一类是单通道处理，它对硬件要求少， 数据处理量也相对较少，但其主要缺点是慢速目标淹没在场景杂波中难以检测； 另一类是本文所研究的多通道处理，它利用多个天线来接收回波信号，再对回波 数据进行多普勒波束锐化处理，然后对各锐化波束信号的相位进行干涉或者利用 s t a p 技术来抑制场景杂波以检测运动目标。采用多通道处理可以获得更好的动 目标检测性能，且能够对目标进行精确定位，但其设备量和运算量也较大。同时 为了实现广域监视，将扫描模式与g m t i 相结合，即采用s c a n - g m t i 模式对广阔 场景进行快速、实时观测。由于动目标的相干积累时间较短，再访时间也较短， 可在一定时间内对目标进行多次观测，从而减小了动目标的虚警概率，并可以形 成动目标轨迹以实现目标跟踪。 s a r g m t i 的难点包括杂波抑制、运动目标检测、定位和跟踪以及运动参数 估计等。载机运动会使杂波谱展宽，导致慢速目标淹没在杂波谱内，必须进行杂 波抑制才能实现运动目标检测以及后续处理。相干积累时间较长时，运动目标回 波信号可近似为线性调频信号，要实现对运动目标的成像，提高目标的信杂噪比， 需要对运动参数进行估计。而s c a n - g m t i 工作模式可以对目标实施跟踪，有助于 我们分析目标的运动状况及运动目的，及时了解战场的动态变化。利用多通道方 第一章绪论 法来检测和成像运动目标将成为今后的一个研究热点，尤其以s t a p 在s a r 中的 应用为代表，它能较好的解决杂波相消问题，但需要进一步减少其运算量以便实 时处理。 1 3 本文研究内容 本文基于高保真仿真软件得到的仿真数据研究了多通道扫描模式中的d b s 成像和运动目标检测及定位，并对数据中存在的问题进行了分析，介绍了一种基 于惯导数据的图像拼接方法。并利用仿真数据对降维s t a p 的原理和方法进行了 研究。本文分为五章，具体内容安排如下： 第一章为绪论，概述了s a r g m t i 的背景和意义，综述了国内外s t a p 技术 以及动目标检测的发展概况，指出了s a r g m t i 处理的关键技术。 第二章研究了扫描模式下结合距离走动校正的d b s 成像方法，讨论了基于惯 导数据的图像拼接方法。首先，从扫描模式的几何模型出发分析了d b s 成像的基 本原理。其次，分析了相干积累点数的选取原则，介绍了结合距离走动校正的d b s 成像方法，并对多普勒中心估计算法以及结合惯导数据对其解模糊进行了介绍。 最后研究了一种基于惯导数据的图像拼接方法，并通过高保真仿真数据对其进行 了验证。 第三章研究了s t a p 的基本原理和方法。首先对空时自适应原理和降维原理 进行了讨论，从中我们发现全空时自适应处理虽然效果最优，但目前只有理论意 义，要在实际工程中实现，就必须进行降维处理。其次，介绍了空域和时域降维 方法，时域降维讨论了多普勒局域化后的空时联合处理方法( m d t ) ；空域降维 讨论了子阵划分的一些方法。最后通过一组仿真数据的处理，对降维方法的性能 进行了分析。 第四章研究了多通道g m t i 模式中的运动目标检测和定位方法。首先利用 s t a p 技术抑制杂波，然后采用二维c f a r 检测器来检测目标，最后利用干涉相 位对动目标重新定位，并对定位误差产生的原因进行了分析。 第五章对全文进行了总结和展望。 第二章d b s 成像和图像拼接 7 第二章d b s 成像和图像拼接 2 1 引言 多普勒波束锐化( d o p p l e rb e a ms h a r p e n i n g , d b s ) 技术是目前机载火控雷达 和导引头雷达实现对地面场景二维高分辨率成像的重要技术之一，在战场侦察、 地形匹配导航、目标识别等方面有着广泛的应用。如在合成孔径雷达地面动目标 指示( s y n t h e t i ca p e r t u r er a d a r g r o u n dm o v i n gt a r g e ti n d i c a t i o n , s a r g m t i ) 模式 下应用，可对运动目标定位，从而为实现准确打击提供参考。d b s 是利用运动平 台上的雷达波束照射区内不同方向目标的回波具有不同的多普勒信息而达到波束 锐化的目的，从本质上来说扫描模式的d b s 成像属于非聚焦成像，因而其分辨率 较条带模式和聚束模式低。但它具有在侧视、大范围扫描条件下计算负荷低，易 于实时实现，且可在较短的时间内获得较大覆盖场景图像的优势，因此在战场监 视等领域有着广泛的应用。 近几十年来，我国也开展了该项技术的研究，文献【1 8 】对d b s 技术中的若干 问题进行了探讨，文献【1 9 贝j j 对d b s 技术的实时性作了详尽研究，文献【2 0 】对d b s 运动补偿问题进行了分析，文献【2 l 】对d b s 技术的工程实现及图像拼接做了研究， 文献 2 2 1 对机械扫描雷达的d b s 成像和动目标检测进行了相关研究，文献【2 3 】对 s a r g m t i 模式下的d b s 成像以及运动目标轨迹形成进行了研究。本章主要讨论 扫描模式下的d b s 成像和图像拼接问题。 2 2d b s 基本原理 2 2 1d b s 的基本原理和几何模型 d b s 技术是一种有效的雷达成像技术，由于雷达波束照射下的地面场景与机 载雷达存在相对速度，使回波产生类似线性调频信号，依据多普勒分辨理论，得 到d b s 图像。其工作方式与合成孔径雷达( s a r ) 类似，不同之处在于天线处于 扫描模式。d b s 成像1 2 4 , 2 5 1 实质是将一个实际天线的真实波束分裂成若干窄的子波 束，各子波束中心处目标相对雷达的径向运动速度不同，从而造成了各子波束回 波间的多普勒频差，若在频域设置一组窄带滤波器，且该滤波器的中心和带宽都 对应子波束的中心方位线和宽度，就可以实现多普勒分割，从而有效改善了方位 分辨率。通常用f f t 实现窄带多普勒滤波器组，即用f f t 对横向不同角度进行分 辨。d b s 的工作原理如图2 1 所示。 8 机载雷达的d b s 成像和g m t i 方法研究 第二章d b s 成像和图像拼接 9 奶= 百2 vs i n ( 口+ j 1 0 ) c o s 缈一竽s i n ( 口一三啦。s 伊 = 2 v 了c o s 一( p 2c o s 口s i n 0 口) (23)2 名 、7 _ 2 v c 。s 秒c o s 缈a o 以 由公式( 2 - 2 ) 可知：天线波束指向的多普勒频率厶o cs i n o ；多普勒频率随扫描 角0 的变化率警芘c o s l 9 。d b s 技术等效于对多普勒带宽疋进行分割，假设k 个 d 。 接收脉冲序列s ( n ) ，( n = o ，l ，2 ，k 1 ) ，天线扫描角为0 ，波束宽度为a o ， 则各个子波束的方位角为： 幺：o + k 6 0 ( 七：一i k ，i k 1 ) ( 2 4 ) 对应的多普勒频率为： 厶2 ；量蝣n b c 。s 缈2 弓 s i n ( 口+ 后韶) c 。s 缈 。2 5 ， = 署s i n 秒c 。s ( k 6 0 ) c 。s 伊+ 百2 1 j c 。s 秒s i n ( 七阳) c 。s 妒 卜叫 由于天线的半功率角一般都很小，因此( 2 5 ) 式可化简为： 厶：竽s i n o c o s 缈+ 竽c 。s o c o s q ，- k j 0 ：厶+ 七畅 以以 一 其中 = _ 2 1 p c o s o c o s 缈8 0 则对应于厶，k 个脉冲的相干积累为： x ( k ) = s ( n ) e x p ( - j 2 ，r f d k n r , ) = s ( n ) e x p ( - j 2 7 r f d 。n t ，) e x p ( j 2 z c s f a n i t , ) = s o ( n ) e x p ( j 2 7 r s f a n k t , ) ( 2 6 ) ( 2 - 7 ) ( 2 8 ) 其中 s o ( n ) = s ( n ) e x p ( - j 2 z r f a 。 z ) ( 2 9 ) 式中z 表示脉冲重复周期，由式( 2 - 8 ) 可以看出，k 个脉冲的相干积累可以通过f f t 来实现。 1 0 机载雷达的d b s 成像和g m t i 方法研究 2 2 2d b s 相干积累点数的确定 若将实波束锐化倍，则相当于应用个互相邻接的多晋勒滤波器组分割买 波束，可知每个多普勒滤波器的分辨率= 等。而f f t 的频率分辨率取决于 相干积累时间z ，故有： 税= 等= 1 z ( 2 - l o ) 式中，蜕为多普勒带宽，z 为相干积累时间，n 为多普勒波束锐化比。由 互= k i = 参( 其中k 为相干积累脉冲数，z 为脉冲重复频率) ，得盟n = 毒，则 角度分辨率为： 阳2 磊意爱面( 2 - 1 1 )2 勋c o s 臼c o s 口 由( 2 i i ) 式可以看出，要提高角分辨率必须提高相干积累脉冲数，但是由于 d b s 属于非聚焦成像技术，因此相干积累脉冲数不能无限增加，必须满足非聚焦 条件1 2 6 】，才能通过f f t 实现相干积累，否则分辨率降低。在讨论d b s 相干积累 脉冲数选取原则前，先分析扫描中目标的波束驻留时间。 实现波束扫描的基本方法有机械扫描和电扫描两种 2 7 1 。实际情况中，大型相 控阵雷达一般都采用电扫描方式，其扫描过程是阶跃的，即在某一角度( 或波位) 持续发射一定数量的脉冲后再切换至另一角度。由于电扫描时某个波位发射的脉 冲数是确定的，且目标的波束驻留时间也与发射的脉冲数对应，因此在电扫描的 d b s 成像中采用该波位发射的脉冲数进行相干积累。 假设在相干积累时间内波束始终能够照射到点目标p ，由( 2 1 ) 式可得点目标 回波信号为： 帆) 叫，一争) c x p 【_ ，2 哪一争) 】 彳( 卜堡) j 2 y r f , 一_ 4 7 【r 一( 2 - 1 2 ) e x p j 2 t 彳o 一k ) 一_ - 【r v t s i n o c o s t p + v z t 2 m ( 1 - - 面s i n 2 _ o c o s 2q q 】) 其中，z 为载频，彳( f ) 为信号的复包络。乙= m t ，( m = 一等，了k 1 ) 为慢时间， k 为相干积累脉冲数，r e 为脉冲重复周期，则相干积累时间为z = 觚。 第二章d b s 成像和图像拼接 要进行相干积累必须保证s ( f ) 中的二次相位项不超过詈，即要保证下式成立： 等生塑2 r o 型( 互2 ) 2 互2 ( 2 - 1 3 ) 力 、7、7 即要求 髯l 跞 p 若相干积累脉冲数为k ，脉冲重复频率为z ，则有： k掣v一匝-sinjo-cos2 ( 2 1 5 ) 因此相干积累脉冲数的选取应满足( 2 1 5 ) 式的条件。当k 取最大值时，可得 角分辨率为： 甜： 篮 ： 1 2 k v c o s o c o s ( p 2 c o s 8 c o s 则在斜距为r 处的横向分辨率为： 万尼：r占目：互x：42ro孽(1-sin28cos2 c o ) 多普勒锐化比为： = 筹= 等= 2 以v a o c o s o c o s c , o c = 2 以v a 0 c o s 8 c o s t , 万k 6f 。6 e九 2 a f = 2 a 8 c o s o c o s ( 2 1 6 ) ( 2 - 1 8 ) 由( 2 1 6 ) 式可以看出，提高相干积累脉冲数可以提高角分辨率，但是不能超出 ( 2 1 5 ) 式条件的限制，否则分辨率下降。因此式( 2 1 5 ) 至l j 式( 2 - 1 8 ) 就决定了一定系统 参数条件下相干积累脉冲数的选取原则。 从( 2 1 7 ) 式可以发现，由于d b s 属于非聚焦成像技术，所以不同距离的方位 分辨率是不同的，距离越远，方位分辨率越差。锐化比是衡量d b s 性能的重要指 标，由( 2 一1 8 ) 式可以看出，锐化比随扫描角p 的变化而变化，而为保证分辨率恒 定，锐化比通常应保持不变，因此要求频率分辨率配应随伊成正弦关系变化， 实际处理是要么相干积累脉冲数k 恒定，随扫描角变化；要么f 恒定，k 随扫 描角变化。此外为了保证采样信号不发生混叠，重频f 应大于多普勒带宽， 通常取多普勒带宽的3 4 倍。 1 2 机载雷达的d b s 成像和g m t i 方法研究 2 3d b s 成像方法 国内外在d b s 成像算法方面的研究非常活跃。文献【2 8 】讨论了d b s 成像的 基本原理和相应的成像算法。文献【2 9 】 3 0 】详细的介绍了s p e c a n ( s p e c t r a l a n a l y s i s ) 成像算法并通过实测数据得到了显著的处理效果。在成像过程中，我们 需要考虑影响成像效果的一系列因素，如载机运动补偿、距离走动校正、多普勒 中心估计及解模糊等问题。 2 3 1 距离走动校正 在成像过程中，由于波束以一定倾斜角度照射场景目标，从而产生了距离走 动，即在每一个波位，载机同目标之间的距离是变化的，这种变化造成了在不同 波位，同一点目标的回波信号在距离上的位置不同。 设在相干积累时间z 内，点目标总的距离走动量为欲【2 3 2 引，则 欲：一吾左z ：一v s i n 口c 。s 妒7 k ( 2 - 1 9 ) 若万尺= 三2 b 为距离分辨单元，则基本上不发生距离走动的条件为： 1 ，s i n 口c 。s 伊。7 9 8 r 时，即在一个处理周期中，目标的斜 距变化超过一个距离分辨单元，即出现越距离单元走动，则需要进行距离走动校 正处理。设距离向压缩后，每个点目标回波信号为x ( m ， ) ( m 、以分别为距离 向、方位向采样点位置) ，此时只需对x ( m ，n ) 乘一个距离走动校正因子日，就可 去掉距离走动效应【3 1 】： 日一c 印【- 胁硒m n a 面rj ( 2 - 2 ) 其中，和口分别为距离向和方位向采样点数。 2 3 2 多普勒中心估计及解模糊 多普勒频率中心是子图像中心，是子图像拼接的参考点。理论上，在d b s 成像中，如果载机飞行平稳且天线波束锥角和载机速度等参数都确知的情况下， 多普勒中心频率可以根据式( 2 2 ) 计算求得，无需估计多普勒中心频率。而工程上 由于实际提供的飞机惯导数据存在较大误差，不能满足精度要求，因此必须通过 第二章d b s 成像和图像拼接 1 3 实测数据实时地估计多普勒中心频率。多普勒中心估计的目的是将子图像的中心 校正到波束指向的中心，其估计的准确性直接影响扫描角的准确性、距离走动校 正以及图像拼接的精确度，因此是很关键的一步。 目前，d b s 多普勒中心频率估计方法主要包括时域法和频域法 3 2 - 3 5 l 。时域法 主要是指相关函数估计法；频域法主要是指能量均衡法和方位谱峰值估计法。一 般来说，相关函数法和能量均衡法要优于方位谱峰值法，主要是因为方位谱的峰 值区域比较平坦，因此估计其准确峰值位置就变得比较困难。从一般对实测数据 的处理经验得出，利用相关函数法来估计多普勒中心频率是可以满足要求的，而 且运算量不大，稳健性也较高。本文选用相关函数多普勒中心频率估计方法。 假设，= n f , 为快时间，z 为采样频率，乙= m t , 为慢时间，z 为载频，则可 将接收回波信号表示为： s ( ) 彳。一争) c x 山2 毗卜孕+ 半删( 2 - 2 2 ) 根据式( 2 2 ) ，上式可简化为： ( 研) = ( 刀，m ) e x p ( j 2 # f , m t ) ( 2 2 3 ) 式( 2 - 2 3 ) 的相关函数为： & ( 刀，七) = e ( 门，扰) s ；( 门，m 一七) ) = e ( 栉，m ) 4 ( 刀，m - k ) e x p ( j 2 7 r f d c k t ) (