2010年第1期2010,N o. 1
电 子 对 抗
E LECTRONIC W ARFARE 总第130期
Series N o. 130
改进的FMCW SAR 距离-多普勒成像算法
孙寒冰 侯海平 周 强
(海军航空工程学院电子信息工程系, 烟台264001)
3
摘 要 调频连续波合成孔径雷达(FMCW S AR ) 具有体积小、重量轻、的优点而受到越来越广泛的关注。文章介绍了FMCW S 何模型, 重点推导了改进的距离-, 项(RVP ) 对成像的影响, , 最后关键词 调频连续波-多普勒算法
ange 2Doppler Algorithm of FMCW SAR
Sun Hanbing H ou Haiping Zhou Qiang
(Department of E lectronic and Information Engineering , Naval aeronautical and
astronautical university , Y antai 264001, China )
Abstract :FMCW S AR is a light 2weight , cost 2effective , high 2res olution imaging radar , which is be 2ing m ore and m ore concerned. The de 2chirp signal is derived , the geometry m odel is built and the whole process of RDA is explained in details. The influence of the term of ram p and RVP is ana 2lyzed in quantity. In addition , m odification of filter function in azimuth is introduced. At the end , simulation verifies the analysis and validity of the proposed alg orithm. K eyw ords :FMCW ; S AR ; m odified RDA
0 引言
调频连续波技术与合成孔径雷达技术的结合, 促使了体积小、重量轻、成本低的高分辨成像雷达的诞生[1], 使其易于安装在小型无人机, 甚至于航模飞机上。由于接收端采用了去调频接收体制, 产生了较小的差频带宽, 从而降低对视频接收通道、后端A/D 采集设备和信号处理速度的要求。FMCW S AR 在一个脉冲重复间隔内连续的发射信号, 这样就不需要很高的峰值功率, 用固态放
3国家自然科学基金资助项目(编号:60672140) 收稿日期:2009年9月8日
大器就可以满足要求, 较低的发射功率也使其具有隐蔽性好、抗反辐射导弹能力强的特点[2]。
1 基本原理
1. 1 去调频信号模型
FMCW S AR 连续发射线性调频信号, 收发关
系及差频信号如图1所示。
回波信号与发射信号混频后, 得到去调频后的差频信号:
总第130期孙寒冰, 等:改进的FMCW S AR 距离-多普勒成像算法
rect ・T p T p
27
) =rect
s IF (t ′, τ
为:
2
τ2
τ=τ0+
At ′
(1)
222其中, τ+, A =。0=c R 0c R 0c
(4)
f 0τ+ατ-exp -j2t ′
其中, f 0为载波频率, 为调频信号的调制频率,
t ′为快时间变量, T p
为脉冲重复周期, τ为回波延时。由图1可知, 混频后回波信号分成两部分:占回波很小部分能量的高频信号, 及占回波大部分能量的低频信号。高频回波信号持续时间与整个扫频周期相比非常短, 小于1%[3], 通常认为它对距离分辨率的影响可以忽略。因此仅用低频信号部分获得距离信息, 高频部分可以通过雷达接收机的低通滤波器消除[4]。
图2 成像几何模型
应注意到τ0>>A , 在下文推导过程中会用到
该条件从而简化信号形式。由于信号的幅度对成像的影响很小, 为方便起见, 将其均视为1。
将式(4) 代入式(2) 并简化得:
) ≈exp{-j2π[f 0At ′τs IF (t ′, τ-αA +0t ′α(τπf 0(τ′-τexp [-j20-τref ) (τref ) ]}・0-τref ) ]・
图1 F MCW S AR 收发关系及用发射信号
作参考函数的混频过程
2πα(τexp [j0-τref ) ]
(5)
为改善距离向分辨率, 降低距离维采样率, 以τref 时间的回波信号作为去调频参考函数, 与回波信号混频, 形成新的中频信号[5]:
) =rect s IF (t ′, τ
τrect ・T p T p
f 0(τ-τ-j2ref ) +
2 改进的距离-多普勒成像算法
2. 1 距离压缩
对式(5) 作关于t ′的傅立叶变换, 得到回波信
号在距离维频域的表达式:
s IF (f r , τ0) =
2
α(t ′(τ-τ-τref ) (τ-τref ) -ref ) 21. 2 成像几何模型
(2)
s
∫
τ0
T p
IF (
πf r t ′) ・) d t ′=t ′, τexp (-j2
π[f 0A -α(T p -ττA 0) exp [-j 0+α(τ0-τref ) +π(ττf r ](T p +τexp [-j20) ]・0-τref ) (f 0-αref ) ]・
2
πα(τexp [j0-τref ) ]・
FMCW S AR 成像几何模型如图2所示。雷达
工作模式是条带式, h 是载机高度, v 是载机速
度, β是天线方位向波束角, R 0是载机平台到目标的垂直距离。
由图2可知
2
R 0+τ=R 2(3) 0+(vt ) ≈2R 0c c
其中, t =t m +t ′, t m 表示方位慢时间,c 为光速。
2
τsin c{(T p -τA 0) [f 0A -α0+α(τ0-τref ) +f r ]}
(6)
式(6) 中, 第一个指数项是斜置项; 第二个指数项
是方位向多普勒信息; 第三个指数项是RVP 项。2. 2 RVP 和斜置对成像影响的定量分析
残留视频相位(RVP ) 是去调频体制所特有的, 其主要影响是对有用回波信号附加了线性误差相位及二次误差相位。RVP 引起的线性失真可以表示为[7]:
对于正侧视FMCW S AR , 距离向t ′的高次向引起的距离向附加相位最大也只有几度, 因此可以忽略, 从而简化对回波的处理[6]。将τ重写
28 电子对抗
2
2010年第1期
(7) l RV P =
2c 2
θ表示波束斜视角, R sw 表示测绘带宽度。RVP 引起的二次相位失真可表示为:
θπα8sin 22
(8) QPE RV P =
2c 2
θaz 为雷达方位向波束角。对于FMCW S AR , 由于成像幅宽通常不大,RVP 的影响通常很小, 因此, 在连续波S AR 成像过程中通常忽略RVP 的影响。
对回波信号进行去调频处理后, 测绘带内各点目标的回波信号的开始时间和结束时间并不相同, 不同距离的目标回波在时间上是错开的, [8]
为“斜置”。, 当高的, , , 权, 从而得到低副瓣的脉压, 因此通常将不同距离目标的回波在距离上取齐, 称之为“去斜”处理。
在FMCW S AR 里, 由于去调频参考函数脉宽与发射信号脉宽相同, 去调频后感兴趣的低频回波信号持续时间随斜距的不同而不同, 不能像传统脉冲S AR 那样, 去RVP 的同时达到了“去斜”的目的。但是, 不同斜距的回波信号持续时间差最大值与信号持续时间的比值k 小于1%, 以条带宽度R =500m 、脉冲重复频率PRF =1kH z 为例, =1167‰, 因此斜置的影响在FMCW
c T p 2
S AR 里也完全可以忽略。
当RVP 和斜置的影响均可忽略时, 式(6) 可
k =
部分, 一部分是由于传感器在扫频周期内连续运动引起的距离走动, 另一部分是由于传感器沿航迹在各个发射脉冲之间到目标的距离发生变化引起距离弯曲。分析可知, 距离走动通常为一个或几个距离单元, 最大距离弯曲通常为几个或十几个距离单元。因此, 在多普勒域插值进行频域距离走动和距离弯曲较正, 从而消除距离向和方位向的耦合, 把二维处理变成两个一维处理的级联[10]。, 完成方位向脉冲压缩。
, s (0) 作关于t m πc R 2s (, exp j 2・
2v (f 0-α)
αατ-α-f 0ref +τc f 0-αc ref
sin T p
αc R 2
f a +22f a +f r
τ4v (f 0-αref )
(11)
对于距离R 0上的点目标, 其在方位多普勒
域中的频率偏移与方位向多普勒频率的关系为:
αc R α2
Δf a +2f =-f 02f a ατf 0-τc 4v (f 0-αref ref )
(12)
以简化为
s IF (f r , τsin c{(T p -τ0) =(T p -τ0) ・0) ・
τ[f 0A -αA 0+α(τ0-τref ) +f r ]}・
τπ(τexp [-j20-τref ) (f 0-αref ) ]
通过式(9) 可得距离向分辨率:
(9)
对应的距离迁移量为:
ΔR =(13) f
2a
回波信号在距离向和方位向上都是离散采样的, 迁移轨迹并不准确分布在采样点上。可以用插值的方法来进行距离徙动校正[10]。校正后, 所有位置上的目标的徙动轨迹都平行于多普勒频率轴, 此时有:
πc R 2s IF -1(f r , f a ) =exp j 2・
τv (f 0-αref )
αR sin τ-αref +f r T p
c
方位向匹配滤波函数为:
(14)
ρ(10) ≈r =2B (T p -τ2B c T r -2R 00) 可以看出ρr 与斜距R 0有关, 斜距越大分辨率越
差, 因此FMCW S AR 更适合近距离成像, 如海洋内波成像、地下隐藏物探测[9]等。2. 3 方位压缩
FMCW S AR 中, 回波信号的距离迁移分成两
πc R 2(15) H (f a ) =exp -j 2
τ2v (f 0-αref )
在场景条带宽度很窄时, 方位匹配滤波函数的选择通常以场景中心为参考, 对整个场景只用同一个匹配滤波函数, 即式(15) 。但是当场景宽度增加时, 若仍以此函数进行处理, 只有靠近场景
总第130期孙寒冰, 等:改进的FMCW S AR 距离-多普勒成像算法29
中心的目标能够精确成像, 离场景中心较远的目
标, 成像结果变差。为了弥补此匹配函数的不足, 可采用对每个距离单元用不同的方位匹配滤波函数, 这样可以实现很精确的成像。
由此, 改进的方位向匹配滤波函数为:πc R 2(16) H (f a ) =exp -j 2
τ2v (f 0-αref )
其中, R i 为载机雷达到场景每个距离单元的距离。
然后进行方位压缩:
s IF -2(f r , f a ) =s IF -1(f r , f a ) H (f a ) =
R α
(τ-αref +f r T p
c
对式(17) 进行逆傅立叶变换, 变量条带宽度天线尺寸目标距离维坐标目标方位维坐标
参数值
200m 0. 2m 340m 300m 260m 15m 0m -15m
图4为3点目标经过RD 算法处理后的成像结果, 成像效果良好。图5为距离压缩后的平面图; 图6为经过sinc 插值校正距离徙动后的平面图, 与图5。
sin 图像的信号形式:
S (f r , t m ) =B d sin B d /2
πf a t m ) d f a =-2(r a exp (j2
(18)
图4 RD 算法处理后的成像结果
ατ-αref +f r T p sin c{B d t m }c
其中, B d 为方位向多普勒带宽。该算法的具体流
程如图3所示, 虚线框代表可以忽略的部分, 灰色框代表改进的部分。
图3 距离-多普勒成像算法流程
图5 距离压缩后的平面图
3 仿真结果
FMCW S AR 采用正侧视模式成像, 具体仿真
参数如表1所示。
表1 RD 算法仿真参数设置
变量参数值扫频带宽载频飞行高度载机速度场景中心距离
500MH z 35G H z 300m
25m/
s 300m
图6 距离徙动校正后的平面图
图7为位于(340m ,5m ) 处点目标经过RD 算
30 电子对抗2010年第1期
法处理后的成像结果。图7(a ) 为经过去斜、去RVP 后的结果; 图7(b ) 为未经去斜、去RVP 处理的成像结果, 与图7(a ) 比较成像精度并未降低。该仿真结果也验证了2. 2节中做出的在成像过程中可以忽略斜置项和RVP 项影响的结论
。
(b ) 图8
)
后
(a )
改进前
(b ) 未去斜、去RVP
图7 点目标成像结果
图8为方位向匹配滤波函数改进前后, 点目
标方位向剖面图; 图9为算法改进前后, 点目标距离向剖面图
。
(b ) 改进后
图9 点目标后距离向剖面图
根据图8、图9, 表2给出了算法改进前后点
目标仿真的性能分析结果。可以看出, 算法改进后距离向PS LR 和IS LR 性能并没有太大的变化, 但改进后较改进前更好地抑制副瓣, 方位向聚焦性能也得到一定的改善。
表2 算法改进前后性能分析
(a )
改进前
总第130期孙寒冰, 等:改进的FMCW S AR 距离-多普勒成像算法31
防科学技术大学,2008.
4 结束语
FMCW S AR 目前主要应用于近距离、小测绘
4 耿淑敏, 皇甫堪. F MCW S AR 系统及其发展概况[J].电
子对抗, 2007, 3(3) :39-44.
5 耿淑敏, 皇甫堪. 去调频F M -CW S AR 距离维成像研
究[J].国防科技大学学报,2007,29(1) :49-53.
6 耿淑敏, 江志红, 程翥, 皇甫堪. F M -CW S AR 距离-多
带成像。与脉冲S AR 系统设计相比, 其相位噪声与收发隔离的相互影响导致灵敏度的降低。在成
像处理上, 由于天线持续运动导致的距离向与方位向耦合不能忽略, 而且实时性要求更高。在下一步的发展中, 如果能更好地解决小型平台的运动补偿问题,FMCW S AR 必将在小型无人机和弹载平台上获得更广泛的应用。参考文献
1 Adriano Meta , Peter H Processing for F MCW S T G and Rem ote , , 45) -2 梁毅, , 保铮. 调频连续波S AR 信号分析
普勒成像算法研究[J].电子与信息学报,2007, 29(10) :
2346-2349.
7 G. Carrara , R. S. G oodman , R. M. Majewski. S potlight Syn 2thetic Aperture Radar[M].N orw ood ,M H ouse ,1995. 8 保铮, , 王彤. [M].北京:电子工
:62-9 , , , . 调频连续波S AR
[J,2008,30(2) :20-24.
. 距离-多普勒方法中的几种插值算法比较[J].电子与信息学报,2001,23(3) :208-312.
作者简介
) , 山东烟台人, 硕士研究生, 主要研究方孙寒冰 (1985—
与成像研究[J].电子与信息学报,2008,30(5) :1017-1021.
3 耿淑敏. F M -CW S AR 信号处理关键技术研究[D].国
向:信号处理,S AR 成像。
世界各国在役战斗机自卫系统现状
在过去的十年间, 战斗机市场发生了很大的变化。世界上许多国家空军的战斗机都已经或即将获得更强的自卫能力, 它们用到的关乎生存能力的技术有:电子战(EW ) 、隐身技术、远距离目标瞄准、防区外弹药、先进雷达、前视红外(F LIR ) 传感器, 以及能够融合飞机自身携带的传感器和其他传感器提供的态势感知信息的航空电子系统。这些技术使战斗机获得了更好的生存能力, 能够攻击更多的目标, 作战效能得到空前提高。这些成就的取得, 不断进步的电子战技术功不可没, 而且在今后几十年内, 电子战技术仍将是战斗机自卫能力中最基本的组成部分。
美国空军近几年一直把经费集中于研制和部署隐身的第五代战斗机———目前已具备作战能力的F
(JSF ) , 而且已经不再为其庞大的非隐身系列机队(如F -22“猛禽”和计划中的F -35“联合攻击战斗机”
-16机队、F -15机队和A -10机队等) 的电子战自卫设备的现代化改进注入资金, 这些情况在美国早已不是什么秘密。例如,F -16和A -10飞机现在装备的仍然是模拟式的A LR -69或A LR -56M 雷达告警接收机(RWR ) 和A LQ -131或A LQ -184外挂式干扰吊舱, 所有这些设备都是1970或1980年代研制的。类似的, 空军F -15战斗机的综合战术电子战系统(TEWS ) , 其模拟式的A LR -56C RWR 和A LQ -135干扰机自从十年前引入F -15战斗机以来, 一直没有获得过大的性能提升。美国海军的F/A -18C/D 机队的情况也与此类似, 主要依赖A LR -67(V ) 2、A LQ -126B 、A LQ -165和老式的A LQ -162。在这些传统飞机电子战设备的改进问题上缺乏美国政府资金支持的情况下, 波音公司和洛克希德公司都与电子战系统生产商紧密合作, 满足海外客户在生存力方面的需求。
随着JSF 飞机未来的确定, 有迹象表明, 美国空军领导层正慢慢把注意力转移到替换其传统的F -16和A -10飞机的模拟式电子战系统的问题上, 这在空军2010财年预算请求中有所反映。而且, 空军对F -22的采购已由最初计划的381架削减至187架, 这样一来, 空军就有条件考虑改进其F -15飞机上的TEWS 系统了, 从而保持其在空战能力上的领先地位。美国空军和海军将在今后10年重视对他们传统飞机电子战能力的改进, 或许会借鉴F -35的AS Q -239“梭鱼”电子战系统的技术。具体某项电子战项目如何利用空海军的这一政策还有待决定, 但这个政策无疑将成为今后20年战斗机电子战市场上重要的影响因素之一。(肖霞提供)
2010年第1期2010,N o. 1
电 子 对 抗
E LECTRONIC W ARFARE 总第130期
Series N o. 130
改进的FMCW SAR 距离-多普勒成像算法
孙寒冰 侯海平 周 强
(海军航空工程学院电子信息工程系, 烟台264001)
3
摘 要 调频连续波合成孔径雷达(FMCW S AR ) 具有体积小、重量轻、的优点而受到越来越广泛的关注。文章介绍了FMCW S 何模型, 重点推导了改进的距离-, 项(RVP ) 对成像的影响, , 最后关键词 调频连续波-多普勒算法
ange 2Doppler Algorithm of FMCW SAR
Sun Hanbing H ou Haiping Zhou Qiang
(Department of E lectronic and Information Engineering , Naval aeronautical and
astronautical university , Y antai 264001, China )
Abstract :FMCW S AR is a light 2weight , cost 2effective , high 2res olution imaging radar , which is be 2ing m ore and m ore concerned. The de 2chirp signal is derived , the geometry m odel is built and the whole process of RDA is explained in details. The influence of the term of ram p and RVP is ana 2lyzed in quantity. In addition , m odification of filter function in azimuth is introduced. At the end , simulation verifies the analysis and validity of the proposed alg orithm. K eyw ords :FMCW ; S AR ; m odified RDA
0 引言
调频连续波技术与合成孔径雷达技术的结合, 促使了体积小、重量轻、成本低的高分辨成像雷达的诞生[1], 使其易于安装在小型无人机, 甚至于航模飞机上。由于接收端采用了去调频接收体制, 产生了较小的差频带宽, 从而降低对视频接收通道、后端A/D 采集设备和信号处理速度的要求。FMCW S AR 在一个脉冲重复间隔内连续的发射信号, 这样就不需要很高的峰值功率, 用固态放
3国家自然科学基金资助项目(编号:60672140) 收稿日期:2009年9月8日
大器就可以满足要求, 较低的发射功率也使其具有隐蔽性好、抗反辐射导弹能力强的特点[2]。
1 基本原理
1. 1 去调频信号模型
FMCW S AR 连续发射线性调频信号, 收发关
系及差频信号如图1所示。
回波信号与发射信号混频后, 得到去调频后的差频信号:
总第130期孙寒冰, 等:改进的FMCW S AR 距离-多普勒成像算法
rect ・T p T p
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) =rect
s IF (t ′, τ
为:
2
τ2
τ=τ0+
At ′
(1)
222其中, τ+, A =。0=c R 0c R 0c
(4)
f 0τ+ατ-exp -j2t ′
其中, f 0为载波频率, 为调频信号的调制频率,
t ′为快时间变量, T p
为脉冲重复周期, τ为回波延时。由图1可知, 混频后回波信号分成两部分:占回波很小部分能量的高频信号, 及占回波大部分能量的低频信号。高频回波信号持续时间与整个扫频周期相比非常短, 小于1%[3], 通常认为它对距离分辨率的影响可以忽略。因此仅用低频信号部分获得距离信息, 高频部分可以通过雷达接收机的低通滤波器消除[4]。
图2 成像几何模型
应注意到τ0>>A , 在下文推导过程中会用到
该条件从而简化信号形式。由于信号的幅度对成像的影响很小, 为方便起见, 将其均视为1。
将式(4) 代入式(2) 并简化得:
) ≈exp{-j2π[f 0At ′τs IF (t ′, τ-αA +0t ′α(τπf 0(τ′-τexp [-j20-τref ) (τref ) ]}・0-τref ) ]・
图1 F MCW S AR 收发关系及用发射信号
作参考函数的混频过程
2πα(τexp [j0-τref ) ]
(5)
为改善距离向分辨率, 降低距离维采样率, 以τref 时间的回波信号作为去调频参考函数, 与回波信号混频, 形成新的中频信号[5]:
) =rect s IF (t ′, τ
τrect ・T p T p
f 0(τ-τ-j2ref ) +
2 改进的距离-多普勒成像算法
2. 1 距离压缩
对式(5) 作关于t ′的傅立叶变换, 得到回波信
号在距离维频域的表达式:
s IF (f r , τ0) =
2
α(t ′(τ-τ-τref ) (τ-τref ) -ref ) 21. 2 成像几何模型
(2)
s
∫
τ0
T p
IF (
πf r t ′) ・) d t ′=t ′, τexp (-j2
π[f 0A -α(T p -ττA 0) exp [-j 0+α(τ0-τref ) +π(ττf r ](T p +τexp [-j20) ]・0-τref ) (f 0-αref ) ]・
2
πα(τexp [j0-τref ) ]・
FMCW S AR 成像几何模型如图2所示。雷达
工作模式是条带式, h 是载机高度, v 是载机速
度, β是天线方位向波束角, R 0是载机平台到目标的垂直距离。
由图2可知
2
R 0+τ=R 2(3) 0+(vt ) ≈2R 0c c
其中, t =t m +t ′, t m 表示方位慢时间,c 为光速。
2
τsin c{(T p -τA 0) [f 0A -α0+α(τ0-τref ) +f r ]}
(6)
式(6) 中, 第一个指数项是斜置项; 第二个指数项
是方位向多普勒信息; 第三个指数项是RVP 项。2. 2 RVP 和斜置对成像影响的定量分析
残留视频相位(RVP ) 是去调频体制所特有的, 其主要影响是对有用回波信号附加了线性误差相位及二次误差相位。RVP 引起的线性失真可以表示为[7]:
对于正侧视FMCW S AR , 距离向t ′的高次向引起的距离向附加相位最大也只有几度, 因此可以忽略, 从而简化对回波的处理[6]。将τ重写
28 电子对抗
2
2010年第1期
(7) l RV P =
2c 2
θ表示波束斜视角, R sw 表示测绘带宽度。RVP 引起的二次相位失真可表示为:
θπα8sin 22
(8) QPE RV P =
2c 2
θaz 为雷达方位向波束角。对于FMCW S AR , 由于成像幅宽通常不大,RVP 的影响通常很小, 因此, 在连续波S AR 成像过程中通常忽略RVP 的影响。
对回波信号进行去调频处理后, 测绘带内各点目标的回波信号的开始时间和结束时间并不相同, 不同距离的目标回波在时间上是错开的, [8]
为“斜置”。, 当高的, , , 权, 从而得到低副瓣的脉压, 因此通常将不同距离目标的回波在距离上取齐, 称之为“去斜”处理。
在FMCW S AR 里, 由于去调频参考函数脉宽与发射信号脉宽相同, 去调频后感兴趣的低频回波信号持续时间随斜距的不同而不同, 不能像传统脉冲S AR 那样, 去RVP 的同时达到了“去斜”的目的。但是, 不同斜距的回波信号持续时间差最大值与信号持续时间的比值k 小于1%, 以条带宽度R =500m 、脉冲重复频率PRF =1kH z 为例, =1167‰, 因此斜置的影响在FMCW
c T p 2
S AR 里也完全可以忽略。
当RVP 和斜置的影响均可忽略时, 式(6) 可
k =
部分, 一部分是由于传感器在扫频周期内连续运动引起的距离走动, 另一部分是由于传感器沿航迹在各个发射脉冲之间到目标的距离发生变化引起距离弯曲。分析可知, 距离走动通常为一个或几个距离单元, 最大距离弯曲通常为几个或十几个距离单元。因此, 在多普勒域插值进行频域距离走动和距离弯曲较正, 从而消除距离向和方位向的耦合, 把二维处理变成两个一维处理的级联[10]。, 完成方位向脉冲压缩。
, s (0) 作关于t m πc R 2s (, exp j 2・
2v (f 0-α)
αατ-α-f 0ref +τc f 0-αc ref
sin T p
αc R 2
f a +22f a +f r
τ4v (f 0-αref )
(11)
对于距离R 0上的点目标, 其在方位多普勒
域中的频率偏移与方位向多普勒频率的关系为:
αc R α2
Δf a +2f =-f 02f a ατf 0-τc 4v (f 0-αref ref )
(12)
以简化为
s IF (f r , τsin c{(T p -τ0) =(T p -τ0) ・0) ・
τ[f 0A -αA 0+α(τ0-τref ) +f r ]}・
τπ(τexp [-j20-τref ) (f 0-αref ) ]
通过式(9) 可得距离向分辨率:
(9)
对应的距离迁移量为:
ΔR =(13) f
2a
回波信号在距离向和方位向上都是离散采样的, 迁移轨迹并不准确分布在采样点上。可以用插值的方法来进行距离徙动校正[10]。校正后, 所有位置上的目标的徙动轨迹都平行于多普勒频率轴, 此时有:
πc R 2s IF -1(f r , f a ) =exp j 2・
τv (f 0-αref )
αR sin τ-αref +f r T p
c
方位向匹配滤波函数为:
(14)
ρ(10) ≈r =2B (T p -τ2B c T r -2R 00) 可以看出ρr 与斜距R 0有关, 斜距越大分辨率越
差, 因此FMCW S AR 更适合近距离成像, 如海洋内波成像、地下隐藏物探测[9]等。2. 3 方位压缩
FMCW S AR 中, 回波信号的距离迁移分成两
πc R 2(15) H (f a ) =exp -j 2
τ2v (f 0-αref )
在场景条带宽度很窄时, 方位匹配滤波函数的选择通常以场景中心为参考, 对整个场景只用同一个匹配滤波函数, 即式(15) 。但是当场景宽度增加时, 若仍以此函数进行处理, 只有靠近场景
总第130期孙寒冰, 等:改进的FMCW S AR 距离-多普勒成像算法29
中心的目标能够精确成像, 离场景中心较远的目
标, 成像结果变差。为了弥补此匹配函数的不足, 可采用对每个距离单元用不同的方位匹配滤波函数, 这样可以实现很精确的成像。
由此, 改进的方位向匹配滤波函数为:πc R 2(16) H (f a ) =exp -j 2
τ2v (f 0-αref )
其中, R i 为载机雷达到场景每个距离单元的距离。
然后进行方位压缩:
s IF -2(f r , f a ) =s IF -1(f r , f a ) H (f a ) =
R α
(τ-αref +f r T p
c
对式(17) 进行逆傅立叶变换, 变量条带宽度天线尺寸目标距离维坐标目标方位维坐标
参数值
200m 0. 2m 340m 300m 260m 15m 0m -15m
图4为3点目标经过RD 算法处理后的成像结果, 成像效果良好。图5为距离压缩后的平面图; 图6为经过sinc 插值校正距离徙动后的平面图, 与图5。
sin 图像的信号形式:
S (f r , t m ) =B d sin B d /2
πf a t m ) d f a =-2(r a exp (j2
(18)
图4 RD 算法处理后的成像结果
ατ-αref +f r T p sin c{B d t m }c
其中, B d 为方位向多普勒带宽。该算法的具体流
程如图3所示, 虚线框代表可以忽略的部分, 灰色框代表改进的部分。
图3 距离-多普勒成像算法流程
图5 距离压缩后的平面图
3 仿真结果
FMCW S AR 采用正侧视模式成像, 具体仿真
参数如表1所示。
表1 RD 算法仿真参数设置
变量参数值扫频带宽载频飞行高度载机速度场景中心距离
500MH z 35G H z 300m
25m/
s 300m
图6 距离徙动校正后的平面图
图7为位于(340m ,5m ) 处点目标经过RD 算
30 电子对抗2010年第1期
法处理后的成像结果。图7(a ) 为经过去斜、去RVP 后的结果; 图7(b ) 为未经去斜、去RVP 处理的成像结果, 与图7(a ) 比较成像精度并未降低。该仿真结果也验证了2. 2节中做出的在成像过程中可以忽略斜置项和RVP 项影响的结论
。
(b ) 图8
)
后
(a )
改进前
(b ) 未去斜、去RVP
图7 点目标成像结果
图8为方位向匹配滤波函数改进前后, 点目
标方位向剖面图; 图9为算法改进前后, 点目标距离向剖面图
。
(b ) 改进后
图9 点目标后距离向剖面图
根据图8、图9, 表2给出了算法改进前后点
目标仿真的性能分析结果。可以看出, 算法改进后距离向PS LR 和IS LR 性能并没有太大的变化, 但改进后较改进前更好地抑制副瓣, 方位向聚焦性能也得到一定的改善。
表2 算法改进前后性能分析
(a )
改进前
总第130期孙寒冰, 等:改进的FMCW S AR 距离-多普勒成像算法31
防科学技术大学,2008.
4 结束语
FMCW S AR 目前主要应用于近距离、小测绘
4 耿淑敏, 皇甫堪. F MCW S AR 系统及其发展概况[J].电
子对抗, 2007, 3(3) :39-44.
5 耿淑敏, 皇甫堪. 去调频F M -CW S AR 距离维成像研
究[J].国防科技大学学报,2007,29(1) :49-53.
6 耿淑敏, 江志红, 程翥, 皇甫堪. F M -CW S AR 距离-多
带成像。与脉冲S AR 系统设计相比, 其相位噪声与收发隔离的相互影响导致灵敏度的降低。在成
像处理上, 由于天线持续运动导致的距离向与方位向耦合不能忽略, 而且实时性要求更高。在下一步的发展中, 如果能更好地解决小型平台的运动补偿问题,FMCW S AR 必将在小型无人机和弹载平台上获得更广泛的应用。参考文献
1 Adriano Meta , Peter H Processing for F MCW S T G and Rem ote , , 45) -2 梁毅, , 保铮. 调频连续波S AR 信号分析
普勒成像算法研究[J].电子与信息学报,2007, 29(10) :
2346-2349.
7 G. Carrara , R. S. G oodman , R. M. Majewski. S potlight Syn 2thetic Aperture Radar[M].N orw ood ,M H ouse ,1995. 8 保铮, , 王彤. [M].北京:电子工
:62-9 , , , . 调频连续波S AR
[J,2008,30(2) :20-24.
. 距离-多普勒方法中的几种插值算法比较[J].电子与信息学报,2001,23(3) :208-312.
作者简介
) , 山东烟台人, 硕士研究生, 主要研究方孙寒冰 (1985—
与成像研究[J].电子与信息学报,2008,30(5) :1017-1021.
3 耿淑敏. F M -CW S AR 信号处理关键技术研究[D].国
向:信号处理,S AR 成像。
世界各国在役战斗机自卫系统现状
在过去的十年间, 战斗机市场发生了很大的变化。世界上许多国家空军的战斗机都已经或即将获得更强的自卫能力, 它们用到的关乎生存能力的技术有:电子战(EW ) 、隐身技术、远距离目标瞄准、防区外弹药、先进雷达、前视红外(F LIR ) 传感器, 以及能够融合飞机自身携带的传感器和其他传感器提供的态势感知信息的航空电子系统。这些技术使战斗机获得了更好的生存能力, 能够攻击更多的目标, 作战效能得到空前提高。这些成就的取得, 不断进步的电子战技术功不可没, 而且在今后几十年内, 电子战技术仍将是战斗机自卫能力中最基本的组成部分。
美国空军近几年一直把经费集中于研制和部署隐身的第五代战斗机———目前已具备作战能力的F
(JSF ) , 而且已经不再为其庞大的非隐身系列机队(如F -22“猛禽”和计划中的F -35“联合攻击战斗机”
-16机队、F -15机队和A -10机队等) 的电子战自卫设备的现代化改进注入资金, 这些情况在美国早已不是什么秘密。例如,F -16和A -10飞机现在装备的仍然是模拟式的A LR -69或A LR -56M 雷达告警接收机(RWR ) 和A LQ -131或A LQ -184外挂式干扰吊舱, 所有这些设备都是1970或1980年代研制的。类似的, 空军F -15战斗机的综合战术电子战系统(TEWS ) , 其模拟式的A LR -56C RWR 和A LQ -135干扰机自从十年前引入F -15战斗机以来, 一直没有获得过大的性能提升。美国海军的F/A -18C/D 机队的情况也与此类似, 主要依赖A LR -67(V ) 2、A LQ -126B 、A LQ -165和老式的A LQ -162。在这些传统飞机电子战设备的改进问题上缺乏美国政府资金支持的情况下, 波音公司和洛克希德公司都与电子战系统生产商紧密合作, 满足海外客户在生存力方面的需求。
随着JSF 飞机未来的确定, 有迹象表明, 美国空军领导层正慢慢把注意力转移到替换其传统的F -16和A -10飞机的模拟式电子战系统的问题上, 这在空军2010财年预算请求中有所反映。而且, 空军对F -22的采购已由最初计划的381架削减至187架, 这样一来, 空军就有条件考虑改进其F -15飞机上的TEWS 系统了, 从而保持其在空战能力上的领先地位。美国空军和海军将在今后10年重视对他们传统飞机电子战能力的改进, 或许会借鉴F -35的AS Q -239“梭鱼”电子战系统的技术。具体某项电子战项目如何利用空海军的这一政策还有待决定, 但这个政策无疑将成为今后20年战斗机电子战市场上重要的影响因素之一。(肖霞提供)