小斜視角單輸入多輸出稀疏線性陣列相參頻率分集成像

梁必帥 張 群 婁 昊③ 羅 迎 孫 莉

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小斜視角單輸入多輸出稀疏線性陣列相參頻率分集成像

梁必帥*①②張 群①婁 昊①③羅 迎①孫 莉①

①(空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院 西安 710077)②(68205部隊(duì)72分隊(duì) 中衛(wèi) 755100)③(武警工程大學(xué)信息工程系 西安 710086)

現(xiàn)代高分辨雷達(dá)通過大帶寬獲得高距離分辨率，通過大孔徑獲得高方位分辨率。該文根據(jù)單輸入多輸出(SIMO)線性陣列天線的基本原理，借鑒了頻率分集相參處理的思路，用兩個陣元實(shí)現(xiàn)了多陣元所形成的波束，并結(jié)合高分辨1維距離像(HRRP)方法，實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)的2維成像。進(jìn)而為了減小頻率分集所需的發(fā)射陣元工作帶寬，該文結(jié)合稀疏天線陣元思想，通過設(shè)計(jì)陣元分布，用較少的頻率分集實(shí)現(xiàn)了大孔徑。仿真驗(yàn)證了所提方法的有效性。

雷達(dá)成像；頻率分集；稀疏成像

1 引言

高分辨雷達(dá)可提供目標(biāo)更豐富的信息，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)成像[1]。高分辨距離像是通過設(shè)計(jì)大的帶寬信號及其相應(yīng)的脈沖壓縮處理來實(shí)現(xiàn)，而高分辨方位像則通過大的孔徑實(shí)現(xiàn)[2]。但是隨著方位向分辨率需求的提高，對天線孔徑的要求越來越大，特別當(dāng)電磁波的工作波長較長時，這種孔徑上的要求更加難以實(shí)現(xiàn)[3]。一種解決方案是采用陣列天線的方式，將許多小天線孔徑的雷達(dá)布成天線陣，而對各陣列接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而實(shí)現(xiàn)長的天線陣列的作用。其缺點(diǎn)在于要使成像達(dá)到較高的方位向分辨率要求(米級)，通常需要幾十甚至上百個雷達(dá)陣元，造價相當(dāng)高昂。20世紀(jì)80年代開始出現(xiàn)的合成孔徑雷達(dá)與逆合成孔徑雷達(dá)[4]，采用小孔徑天線空間積累的方式合成大的孔徑，開辟一條“用數(shù)據(jù)積累換分辨率”的新思路。然而，合成孔徑需要較多的數(shù)據(jù)積累，進(jìn)而要求很長的成像時間，并且對成像角度也有一定要求。尤其逆合成孔徑成像往往又容易受到目標(biāo)非合作運(yùn)動等原因的限制，成像效果不穩(wěn)定[5,6]。總的來說，這兩種解決方案的實(shí)現(xiàn)都受到相當(dāng)?shù)目陀^條件制約。

本文在線性陣列天線高分辨方位成像雷達(dá)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步借鑒合成孔徑的思想，以頻率分集作為關(guān)鍵技術(shù)，提出了一種單輸入多輸出(SIMO)稀疏線性陣列相參頻率分集成像方案。該方案首先利用兩個陣元實(shí)現(xiàn)了線性陣列天線高分辨方位成像，再通過發(fā)射寬帶信號實(shí)現(xiàn)距離向成像和目標(biāo)的2維成像。在此基礎(chǔ)上，通過采用稀疏布陣設(shè)計(jì)，極大地減小了陣元數(shù)目。這一方案相對于合成孔徑雷達(dá)的成像時間大大縮短，綜合成本比傳統(tǒng)的陣列雷達(dá)又大為降低，具備相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢。

2 基本模型

陣列天線通過大的孔徑形成波束，以達(dá)到需要的方位分辨率。如圖1所示，線性等間隔陣列天線遠(yuǎn)場各陣元接收信號可以寫為

如果每個陣元上發(fā)射多個載頻信號，下變頻后再做處理，則可以減少陣元數(shù)量。下面以兩個陣元為例，分析波束形成的表達(dá)式。如圖2所示，以頻率分集的工作方式，通過時分的形式發(fā)射多個頻率點(diǎn)，和兩個陣元的接收信號為

圖2 雙陣元線性天線

柵瓣間隔為

3 2維成像信號模型

為實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的2維成像，可通過發(fā)射大帶寬信號獲得高的距離分辨率。采用線性調(diào)頻信號，以頻率分集方式工作，則遠(yuǎn)場條件下雙陣元天線接收信號為

其中

經(jīng)上述處理，目標(biāo)散射點(diǎn)在距離上已經(jīng)分開。目標(biāo)在某一距離單元上，在方位向上可能存在多個散射中心，這時將兩個陣元信號進(jìn)行共軛相乘得到

將式(10)相加即可在任一距離單元形成波束：

此時其形成波束指向?yàn)?/p>

4 基于稀疏線性陣列的頻率分集2維成像

4.1 等距陣列天線2維成像

此外，為了形成較大的孔徑，目標(biāo)的回波到達(dá)各陣元的傳播線已不能按“平行”處理，各陣元回波不能采用直接相加的方法進(jìn)行處理，需要進(jìn)行相位校正[18]。經(jīng)相位校正得各陣元的1維距離像。

圖3實(shí)陣列天線與目標(biāo)關(guān)系

要改變波束指向，只要將各陣元的接收信號加入線性延時相位即可

4.2 非等距陣列2維成像

借鑒空間譜估計(jì)中非等距陣列的優(yōu)點(diǎn)[19]，采用非等距陣列，減小冗余的陣元。如采用最優(yōu)最小冗余陣，利用4個陣元可以實(shí)現(xiàn)7個等距陣所形成的孔徑[19]。在單個載頻的工作條件下(單個頻率分集點(diǎn))，為了得到與等距線性陣列相一致的波束形成結(jié)果(式(2))，采用非等距陣列時需要精心設(shè)計(jì)各陣元位置，以滿足最小冗余陣的條件。如果在多個載頻工作的條件下，可以進(jìn)一步減少陣元數(shù)量。

其中為陣元發(fā)射的電波經(jīng)散射中心反射后到達(dá)各接收陣元的延時。經(jīng)過去載頻，與目標(biāo)中心參考信號做Dechirp處理、傅里葉變換、去除RVP項(xiàng)等處理得到目標(biāo)的1維距離像，再將距離像包絡(luò)對齊得

將各陣元回波校正到與發(fā)射陣元的來波方向平行的方向上得到

以此類推可得到

4.3稀疏布陣方案

設(shè)陣元帶寬為50 MHz，按帶寬為載頻的10%計(jì)算，天線陣元要在很多頻率分集點(diǎn)上發(fā)射信號，天線工作頻帶很大，很難工程實(shí)現(xiàn)。稀疏陣列天線具有較高的孔徑效率，采用一定數(shù)量的陣元“代替”天線頻率分集點(diǎn)數(shù)，可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)區(qū)域2維成像。實(shí)際上采用增加陣元和頻率分集的方法都可以實(shí)現(xiàn)大的孔徑，且這兩種方法之間是獨(dú)立的。兩種方法的特點(diǎn)各不相同，大孔徑頻率分集，由于受天線工作頻率的影響，需要較大的頻率工作帶寬，實(shí)現(xiàn)困難；增加陣元數(shù)量實(shí)現(xiàn)大孔徑，由于受到陣元成本的限制，陣元數(shù)不可能太多。因此可采用一定數(shù)量的陣元和較低的工作帶寬，實(shí)現(xiàn)方位向的高分辨率。

5 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所提的理論，將實(shí)孔徑天線，雙陣元多載頻及稀布陣多載頻陣列天線3種方法的成像效果進(jìn)行對比，設(shè)計(jì)仿真條件如下。

目標(biāo)距離20 km處3種方法形成的3 dB波束形狀如圖5所示。從圖中可以看出3種方法所形成的波束寬度是幾乎是相同的，其形狀也具有很大的相似性。

圖6為目標(biāo)散射中心坐標(biāo)，圖7為實(shí)孔徑對該目標(biāo)所成的2維像，可以看出成像結(jié)果在形狀上與目標(biāo)形狀大體一致，只是由于2維像分辨率不高，存在一些非對稱旁瓣，但對于長波長小帶寬信號來說，其成像還是比較清晰的。圖8為雙陣元多載頻天線對圖6目標(biāo)模型所成的2維像，可以看出由71個頻率分集點(diǎn)所成2維像結(jié)果也是比較滿意的，但該方法的頻率工作范圍為300 MHz~21.3 GHz (71′300 MHz)，目前的天線系統(tǒng)無法滿足該要求，且在如此大的范圍內(nèi)目標(biāo)散射特性會發(fā)生明顯的改變，因而在這種條件下該成像方法不具備實(shí)用意義。圖9為稀布陣多載頻陣列天線對圖6目標(biāo)模型所成的2維像，可以看出由于距離分辨率及方位分辨率的限制，其旁瓣較高，但成像輪廓較好，基本可以看出目標(biāo)的外形。

圖10為將3種方法取距離0 m處的方位像切片對比圖，可以看出3種方法所成的像大體一致，實(shí)孔徑天線所成的像旁瓣略高，稀布陣多載頻陣列天線的旁瓣最低。

6 結(jié)束語

本文在常規(guī)陣列雷達(dá)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步借鑒合成孔徑的思想，以頻率分集作為關(guān)鍵技術(shù)，提出了SIMO稀疏線性陣列相參頻率分集成像方案。該方案采用陣列技術(shù)，通過頻率分集實(shí)現(xiàn)方位向成像，不需要很長的脈沖積累，對成像角度、時間要求大為降低，非常適合于非合作目標(biāo)成像。另一方面通過采用稀疏布陣設(shè)計(jì)，極大地減小了陣元數(shù)目，有利于實(shí)陣列2維成像。特別是在VHF和UHF波段，頻率分集較易實(shí)現(xiàn)，在方位達(dá)到同樣分辨率的前提下，可大大減少陣元復(fù)雜性，提高該波段雷達(dá)的方位分辨率。該2維成像方法目前還無法做到實(shí)時一次快拍成像，對于高速目標(biāo)2維成像還需要進(jìn)一步研究。

圖5 3種方法在20 km處形成的波束對比

圖6 目標(biāo)模型散射中心坐標(biāo)

圖7實(shí)孔徑對目標(biāo)模型的2維成像

圖8雙陣元多載頻天線成像

圖9稀布陣多載頻陣列天線成像

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梁必帥： 男，1981年生，博士生，研究方向?yàn)槔走_(dá)成像、雷達(dá)信號處理.

張 群： 男，1964年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)槔走_(dá)成像、雷達(dá)目標(biāo)識別、雷達(dá)對抗等.

婁 昊： 男，1984年生，講師，研究方向?yàn)槔走_(dá)信號處理、目標(biāo)識別.

Imaging of Low Squint Angle Single Input Multiple Output Sparse Linear Array with Coherent Frequency Diversity

Liang Bi-shuai①②Zhang Qun①Lou Hao①③Luo Ying①Sun Li①

①(,,’710077,)②(6820572,755100,)③(,,’710086,

Modern high-resolution radar obtains high resolution in down-range dimension from wideband waveform and high resolution in cross-range dimension from large aperture. In this paper, a beam is formed using Frequency Diversity (FD) coherent processing between two array elements, according to the principle of Single Input Multiple Output (SIMO) linear array antennas beam forming. Then two-dimension image of targets is achieved by using the High Resolution Range Profiles (HRRP). Further to reduce the bandwidth of the FD coherent processing utilizing sparse array, and large aperture is resolved through array design. Finally, simulation verifies the effectiveness of the proposed method.

Radar imaging; Frequency diversity; Sparse imaging

TN957.52

A

1009-5896(2014)11-2652-07

10.3724/SP.J.1146.2013.01875

梁必帥 liang1323957@126.com

2013-12-02收到，2014-04-09改回

國家自然科學(xué)基金(61172169,61102109)，中國博士后基金 (2012M521897)和陜西省自然科學(xué)基金(2012JQ8036)資助課題