高速运动目标ISAR回波的基带模拟
超高分辨ISAR成像技术研究
超高分辨ISAR成像技术研究超高分辨ISAR成像技术研究近年来，随着航天技术、雷达技术和计算机科学的迅猛发展，ISAR（Inverse Synthetic Aperture Radar）成像技术逐渐得到人们的关注和应用。
ISAR成像技术是一种通过目标自身的回波信号构建出高分辨率的目标图像的雷达成像技术。
在军事、民用和科学研究领域，ISAR成像技术都具有广泛的应用价值。
ISAR成像技术主要通过对雷达发射的连续波或调频连续波信号与目标回波信号进行处理，得到高分辨率的目标图像。
ISAR成像技术的核心是对目标回波信号进行信号处理和图像重构，以实现目标的高分辨率成像。
传统的ISAR成像技术主要利用目标在雷达波束方向上的运动来提高分辨率，但是受限于雷达波束的宽度和目标的运动状态等因素，传统的ISAR成像技术的分辨率仍然存在一定的局限性。
为了突破传统ISAR成像技术的局限性，研究人员开始探索并发展超高分辨ISAR成像技术。
超高分辨ISAR成像技术是指通过利用目标本身的非线性回波特性，进一步提高ISAR成像的分辨率。
具体而言，超高分辨ISAR成像技术主要包括以下几个方面的研究内容。
首先，超高分辨ISAR成像技术研究了目标的非线性动态特性。
在目标回波信号中，目标的非线性动态特性可以通过回波信号的频率偏移、多普勒频移、振幅变化等来表示。
通过对目标非线性动态特性的研究，可以进一步提高ISAR成像的分辨率，得到更加精确的目标图像。
其次，超高分辨ISAR成像技术研究了多角度成像技术。
通过在不同的角度上进行ISAR成像，可以获取目标在不同方向上的高分辨率图像。
利用多角度成像技术，可以克服传统ISAR成像技术在方位角分辨率上的局限性，提高成像的精度与可靠性。
另外，超高分辨ISAR成像技术还研究了高速目标的成像问题。
高速目标在雷达观测过程中，存在目标与雷达之间的多普勒频移，这会导致ISAR成像的分辨率下降。
超高分辨ISAR成像技术通过引入多普勒域的特征提取和补偿技术，可以有效解决高速目标的成像问题，提高成像的速度和精度。
散射“重心”跟踪的ISAR运动补偿方法
散射“重心”跟踪的ISAR运动补偿方法
保铮;邓文彪;杨军
【期刊名称】《西安电子科技大学学报》
【年(卷),期】1990(17)3
【摘要】运动目标的适合成孔径雷达(ISAR)成象可以归结为绕固定轴(不动点)旋转的目标成象问题。
但实际中在观测期间这样的不动点是相对雷达移动的,且移动的
规律是未知的,因此,在成象处理前必须进行运动补偿,以得到等效的参考不动点。
以往是在目标上寻求一孤立散射点作为参考点,但这对于连片目标不太适合。
本文将
考虑把散射重心作为参考点,并以此进行运动补偿。
这个方案对于连片目标很有效。
模拟结果也证明了该方案可行。
【总页数】8页(P1-8)
【关键词】ISAR;雷达;跟踪;运动补偿;成像处理
【作者】保铮;邓文彪;杨军
【作者单位】西安电子科技大学电子工程研究所
【正文语种】中文
【中图分类】TN959.6
【相关文献】
1.用改进的多普勒中心跟踪法进行ISAR运动补偿 [J], 朱兆达;邱晓晖
2.散射“重心”跟踪的ISAE运动补偿方法 [J], 保铮;邓文彪
3.以散射质心为基准的ISAR成象的运动补偿 [J], 毛引芳;吴一戌
4.舰载ISAR成像平台运动补偿新方法研究 [J], 王勇;杨佳兴;李亚军;禄晓飞
5.用改进的多普勒中心跟踪法进行ISAR运动补偿 [J], 朱兆达;邱晓晖;佘志舜因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
逆合成孔径激光雷达回波信号特征分析
逆合成孔径激光雷达回波信号特征分析阮航;吴彦鸿;叶伟【摘要】As the transmitting signal of inverse synthetic aperture Ladar(ISAL) has the characteristics of short wave-length and large bandwidth,its echo signal is highly sensitive to the motion of target,which makes its characteristic distinct from the conventional ISAR signal. The precise model of ISAL echo signal is established, the motion-induced effects such as envelope magnification, inner-pulse Doppler and inter-pulse Doppler of the echo signal are analyzed, and the approximation methods as well as the constraint conditions of the three effects are presented. Simulations have been performed to analyze the impacts of envelope magnification and inner-pulse Doppler to ISAL imaging under different motion parameters. Results show that the two effects lead to defocus of the ISAL image, which should be compensated in imaging.%逆合成孔径激光雷达(inverse synthetic aperture ladar,ISAL)发射信号具有超短波长、超大带宽的特点,其回波对目标运动具有极强的敏感性,因而ISAL回波信号特征与常规ISAR回波有很大不同.建立了ISAL回波的精确模型,研究了由于目标运动引起的回波包络展缩、脉内多普勒和脉冲间多普勒效应,并给出了它们的近似方法及约束条件,仿真分析了目标在不同运动参数下回波信号的包络展缩、脉内多普勒效应对ISAL成像的影响,结果表明上述效应会造成图像的散焦,需要在成像中进行相应补偿.【期刊名称】《激光与红外》【年(卷),期】2013(043)004【总页数】6页(P385-390)【关键词】逆合成孔径激光雷达;回波特征;包络展缩;脉内多普勒;仿真【作者】阮航;吴彦鸿;叶伟【作者单位】装备学院信息装备系,北京101416【正文语种】中文【中图分类】TN9581 引言相比于传统激光成像雷达，逆合成孔径激光雷达(inverse synthetic aperture LADAR，ISAL)由于结合了相干激光技术和逆合成孔径技术，能够克服衍射极限的限制，具有远距离实现高分辨二维图像的能力［1］，是理论上可以在数千公里距离上实现厘米级分辨率的唯一光学手段［2］。
高速运动目标的宽带回波仿真和成像
０ 引 言
现 代战争 的信 息化 要求 雷 达 系统具 有 很强 的 目标 识别 能力 。在雷 达 目标识别 的诸多途 径 中 ， 高分 辨雷达 因具 有丰富 的多维 目标 高分 辨信 息 而 获得 了广 泛 的重
目标 电磁 散射 特性 时 ， 常不 考 虑 目标运 动对 其 电磁 通 散射 特性 的影 响 ， 这在 目标 静 止 或 目标 速度 较 低 的 条
维普资讯
第２ ９卷
第 ６期
现 代 雷 达
Ｍ ｏ ｅ ｎ Ｒａ ｒ ｄ ｒ ｄａ
Ｖｏ Ｊ Ｎｏ． ｌ２９ ６
２０ ０７年 ６月
Ｊｎ ０７ ｕ ｅ２ ０
４ ３
高 速 运 动 目标 的宽 带 回波 仿 真 和 成 像
杨 正龙 ， 刘爱芳 ， 士国 ， 林 李 金
ｓ ｌ ｉ ｅｕ ｓ ２Ｄ ＩＡ Ｉｖｒ ｙ ｔ ｔ ｐｒ ｒ Ｒ ｄ ｒ ｍ ｇ ｓａｅｏｔ ｎｄｂ ｓ ｇｍ ｔ ｎｃｍ ｅ ｓｔ ｎｍ ｔｏ ｒ ｉ ａ ｏ ｒｓｈ ， － Ｒ（ｎｅｓ Ｓｎｈ ｉ Ａ ｅｔ ｅ ａ ａ）ｉ ａｅ ｒ ｂａ ｅ ｙｕｉ ｏ ｏ ｏ ｐｎａｉ ｅ ｄｆ ｍｕ ｔ ｎ Ｓ ｅ ｅｃ ｕ ｉ ｎ ｉ ｏ ｈ ｏ
件下是正确的。但对于高速运 动 目标 ， 必须在计算 目
标宽 带 电磁 散 射 特 性 时 考 虑 目标 运 动 的影 响 。 本
视。在过去的几十年里 ， 以合成孔径雷达（Ａ ） Ｓ Ｒ 和逆合
成孔 径雷达 （Ｓ Ｒ） ＩＡ 为代表 的高分 辨 雷达 （ Ｒ） 到 了 ＨＲ 得 迅速 的发展 ， 迄今 已有 多部 Ｈ Ｒ进入 现役 。在 Ｈ Ｒ的 Ｒ Ｒ 原理 验证 和 目标识别 中， 对雷达 目标 电磁散射 特性 的研 究居 于非常重要 的地 位 ， 因此研究 雷达 目标 的宽带 电磁 散射 特性 具有非常重 要的理论 和现实意义 。 目标 电磁 散射仿 真 的方法 主 要包括 数值 方法 和 高 频近 似方法 ， 数值 方 法 一 般用 于解 决 电尺 寸 较 小 的 散 射 问题 。高 频 近似方 法用 物 理光 学法 和物 理绕 射理 论 的 高频 近似方 法来 获得 目标 宽带 散射 特性 。 采 用物理 光学 法对 目标进行 电磁散射 特 性静 态仿
SAR目标回波模拟器的设计与实现
通信与信息处理《自动化技术与应用》2020年第39卷第11期Communication and Information ProcessingS A R目标回波模拟器的设计与实现+梁昕\李海林2(1.南京机电职业技术学院，江苏南京210016,2.南京航空航天大学电子信息工程学院，江苏南京211100)摘要：SAR目标回波模拟器可以真实模拟SAR信号及不同环境下的回波数据，对SAR系统的研制和其性能参数的测试起着关键 作用。
通常SAR回波模拟器需要对各像素点进行计算，数据量和计算量都很大。
本系统设计的合成孔径雷达SA R目标回 波模拟器，利用多核DSP和高性能FPGA的信号处理阵列单元，采用等距离算法,将回波位于同一距离单元的像素点信息相 加后再在距离维统.一乘以距离向相位信息,大大减少了回波模拟算法的计算量，最终实现的SAR回波模拟器系统带宽与运 行速度都有显著提高。
关键词：合成孔径雷达，目标回波模拟器，信号处理阵列单元，等距离算法中图分类号:TP335*. 1, TN957.51 文献标识码:B 文章编号：1003—7241 (2020)011 -0055-05Design and Implementation of SAR Target Echo SimulatorLIANG Xin', LI Hai-lin2(1. Nanjing Institute O f Mechatronic Technology, Nanjing 210016 China;2. Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 211100 China )Abstract: SAR target echo simulator can simulate real SAR signal and echo data in different environments, which plays a key role in the development of SAR system and the test of its performance parameters. Generally, the SAR echo simulator needs to calculate every pixel, and the amount of data and calculation is very large. The SAR target echo simulator designed in this system uses the signal processing array unit of multi-core DSP and high-performance FPGA, adopts the equal distance algorithm, adds the pixel information of echo in the same distance unit, and multiplies the distance dimension by the distance phase information, which greatly reduces the calculation amount of echo simulation algorithm. Finally, the SAR echo simulator system with the width and running speed have been improved significantly.Key words: Synthetic Aperture Radar; target echo simulator; signal processing array unit; equidistance algorithm1引言合成孔径雷达(SAR)是一种具有全天时、全天候的，可远距离实现高分辨率成像的雷达'S A R目标回波模 拟器可以真实模拟SA R信号，可以模拟不同环境下的回 波数据，有助于揭示SAR成像机理，可以测试成像算法，对 SAR系统性能参数的测试起着关键作用。
SAR-ISAR运动目标检测及成像新技术研究
SAR-ISAR运动目标检测及成像新技术研究SAR/ISAR运动目标检测及成像新技术研究摘要：合成孔径雷达（SAR）和逆合成孔径雷达（ISAR）是目前遥感领域中常用的成像技术，广泛应用于军事、航空航天、海洋和地质勘探等领域。
随着科学技术的快速发展，SAR/ISAR技术也在不断地向前演进。
本文主要研究SAR/ISAR运动目标检测及成像的新技术，包括目标检测、成像算法和图像处理等方面。
通过对相关技术的研究，可以提升运动目标检测及成像的效果，为实际应用提供更强大的支持。
一、引言合成孔径雷达（SAR）和逆合成孔径雷达（ISAR）是一种利用雷达技术进行成像的方法，通过收集回波信号来获取目标的信息。
SAR技术主要适用于目标与雷达平台相对静止的情况下，而ISAR技术则适用于目标和雷达平台相对运动的情况下。
由于其能够对地表目标进行高分辨率成像，具有天气无关、全天候、全时段的优势，因此在各个领域得到了广泛应用。
二、SAR/ISAR运动目标检测技术1. 多通道SAR多通道SAR技术是提高成像质量的一种重要手段，通过多个接收通道对目标进行接收信号的融合，从而提高成像的分辨率和抗干扰能力。
这种技术不仅可以提高目标的检测概率，还可以减小虚警率。
2. 成像算法SAR/ISAR成像算法主要有：时域成像算法、频域成像算法、脉冲压缩技术等。
其中，脉冲压缩技术是一种有效的成像技术，通过对回波信号进行压缩，可以提高成像分辨率和目标检测的能力。
3. 运动补偿由于雷达平台与目标之间的相对运动，会导致成像结果中出现模糊和失真现象。
因此，需要对目标的运动进行补偿，以提高成像质量。
运动补偿技术主要有预测滤波、相位校正和运动补偿成像算法等。
三、SAR/ISAR运动目标成像技术1. 目标形状重构通过ISAR技术，可以获得目标的高分辨率二维图像。
利用这些图像，可以对目标的形状进行重构，从而获得目标较为精确的形状信息。
这对于目标识别和目标定位非常重要。
SAR原理及回波模拟
合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar , SAR)原理SAR 是通过采用合成孔径原理来提高其方位向的空间分辨率。
有关SAR 原理的解释包括：孔径合成、匹配滤波、相关接收、多普勒波束锐化、合成天线阵列和微波全息技术等。
这些解释尽管形式上有所变化，但其实质并没有太多的变化，其数学模型都可以归纳为两维傅立叶变换。
总的来说，SAR 原理的基础是合成孔径。
合成孔径包含两个过程:第一，回波多普勒信号的形成和记录过程，即由被测地域的微波散射场到形成与之对应的被雷达接收到的电信号的过程;第二，成像过程，由电信号重建被测地域的散射场或得到被测地域图像的过程。
SAR 是利用雷达平台和被观测目标间的相对运动，在一定积累时间内，将雷达在不同空间位置上接收的回波信号进行相干处理，获得目标的方位向高分辨率，结合距离向高分辨技术，获得目标的二维雷达图像。
由于SAR 具有对目标进行成像和识别能力，其在微波遥感领域得到了广泛的应用和发展。
真实孔径雷达的角度分辨率由雷达主波束宽度决定，天线越长，雷达波束越窄，角度分辨率越高。
但对于机载或星载雷达而言天线尺寸不可能很大，因此利用实孔径雷达进行成像，难以获得高的分辨率。
SAR 的距离向高分辨特性通过发射大的时间-带宽积信号，利用脉冲压缩技术实现；方位向高分辨特性则利用多普勒效应，通过匹配滤波或频率分析实现。
图1(a)所示为真实孔径雷达波束示意图，长度为a D 的真实天线，其角度分辨率为a D /dB 3λθ= (1)式中，λ为雷达发射信号波长。
在斜距为R 处的方位分辨率为a real D R R /dB 3λθρ== (2)可见，真实孔径雷达的方位分辨率与发射信号波长、斜距、天线长度有关。
长度为a D 的天线随载体平台以速度V 运动，天线以等时间间隔PRT T 发射并接收相干脉冲，相干积累时间为a T 。
由此，在空间中形成了长度为a VT L =的合成孔径，孔径内阵元间隔为PRT VT L =∆。
任意复包络信号的匀速运动目标回波脉间补偿及相干积累
任意复包络信号的匀速运动目标回波脉间补偿及相干积累冯西安;张杨梅【摘要】现代声呐、水下制导等水声探测系统常常使用窄带脉冲、调制、编码、伪随机等种类繁多的发射信号波形来满足低信噪比检测、高分辨估计、抗干扰、主动隐蔽探测的应用需求.针对这一情况,本文研究了任意信号的长时间积累问题,给出了一种任意复包络信号的匀速运动目标回波脉间补偿及相干积累检测方法.通过构建任意发射信号波形的广义模糊函数,将匹配滤波器输出表示为所构造的广义模糊函数,使得任意复包络信号的脉压波形不仅能够用统一的数学模型来表述和计算,而且能够提供多脉冲回波的距离走动信息和多普勒频移信息,为多脉冲距离位置对齐和Fourier变换(FFT)积累提供了依据.对于用广义模糊函数表示的匹配滤波器输出,采用Keystone变换将复包络对齐,消除了距离走动,采用FFT补偿多普勒频移项,实现了任意复包络信号的长时间相干积累.对于水下探测中使用的连续波信号、线性调频信号以及复杂的m序列编码信号、Costas跳频编码信号波形进行了信号积累及检测的计算机仿真,验证了任意复包络信号的匀速运动目标回波脉间补偿及相干积累的正确性.消声水池实验验证了该方法的有效性.【期刊名称】《物理学报》【年(卷),期】2018(067)011【总页数】11页(P44-54)【关键词】任意复包络信号;相干积累;运动补偿;广义模糊函数【作者】冯西安;张杨梅【作者单位】西北工业大学航海学院,西安710072;西北工业大学航海学院,西安710072;西安航空学院电子工程学院,西安710077【正文语种】中文1 引言微弱信号检测可使用多脉冲积累.North[1]曾指出:从理论上讲,信号积累是一种最有效的微弱目标检测方式.但实际中,信号积累检测仍存在一定的难度,尤其是运动目标的积累检测.迄今为止,国内外的专家和学者们针对低可观测性运动目标的长时间相干积累问题展开了广泛研究,并取得了丰硕的成果.长时间相干积累主要包括精确匹配滤波、运动补偿及Fourier变换(FFT)积累3个重要环节,其中的关键问题是运动补偿,将回波包络对齐.目前,常用的运动补偿方法有最大相关法[2]、最小熵法[3,4]、Hough变换[5−7]、Radon-Fourier变换[8−11]、Keystone变换[12−16]等.这些积累方法多使用脉压性能好、多普勒容限大的线性调频(LFM)信号进行建模、公式推导,得出相应结论.然而,在现代声呐、水下制导领域,除了LFM信号以外,人们还使用复杂多样的波形形式来满足不同的应用目的和环境需求.当考虑波形稳健传输、精准测速时,多选择较简单的连续波(CW)信号;考虑低截获主动隐蔽探测时,则使用复杂的大时间带宽积编码信号[17];现代波形设计还使用最优化算法和计算机迭代程序生成发射序列用于抗干扰、信道匹配、目标识别等目的[18].随着复杂波形在实际探测系统中的广泛应用,在长时间信号积累中,任意信号波形的运动目标回波补偿及相干积累是需要研究解决的问题.本文针对水声探测系统使用的信号形式种类繁多这种实际情况,研究给出了任意复包络信号的匀速运动目标回波脉间补偿及相干积累检测方法,并进行了必要的仿真和水池实验验证.2 信号积累中的多脉冲回波模型将水声探测系统的发射信号表示为复包络和载波形式u c(t)exp(j2πf 0t),则当目标匀速运动时,使用脉内快时间t k和脉间慢时间t m表示的多脉冲回波为式中κ=(c−v0)/(c+v0)是展缩系数,c是声速,v0是目标速度;K是反射系数;τ表示回波时延,τ(t m)=2R(t m)/(c−v0)是第m个回波的时延,其中R(t m)=R0+v0t m,R0是第一个回波对应的目标距离.慢时间t m=(m−1)T r,T r为脉冲重复周期(pulse repetition time,PRT),其倒数为脉冲重复频率f r(pulse repetition frequency,PRF).f d=(κ−1)f 0是多普勒频率.降频处理后,得到多脉冲回波复包络为v c(t k,t m)是二维函数,一维是距离维,另一维是脉冲维.回波复包络的频谱为式中U c(f)是复包络u c(t)的频谱.将τ(t m)代入(2)式,整理后得可见回波复包络除了是发射信号复包络的时延及压缩形式以外,还增加了3个指数项:第一个是固定相位项;第二个是脉间慢时间多普勒频移项;第三个是脉内快时间多普勒频移项.从距离维看,目标运动使得回波包络不能对齐,出现距离走动.长时间积累或运动速度较高时,还会出现跨距离单元走动.对于距离走动,需要进行运动补偿将包络对齐.从脉冲维看,脉冲幅度按照多普勒频率的复正弦规律变化,因此,脉冲维也叫多普勒维.相干积累时需要在脉冲维做FFT以补偿脉间慢时间多普勒频移项.3 脉冲压缩信号的广义模糊函数表示对回波复包络进行精确匹配滤波,即让匹配滤波器的脉冲响应取为或者在频域将其传输函数取为则在时域,匹配滤波器输出的脉压信号可一般地表示为可以看到,对于不同形式的发射波形,将其复包络代入该式的积分,得到的y c(t k,t m)形式不尽相同.另外,这个表示式没有给出脉压信号的距离走动和多普勒维的脉冲幅度变化信息.这些信息隐藏在积分式中,给距离走动分析、运动补偿及多普勒维的相干积累带来困难.以往的文献采用LFM信号的压缩形式来分析这些问题,得出的结论不具有一般性.本文通过构建一种时延τ和展缩系数κ的函数来表示脉压信号,使得任意复包络信号的脉压波形不仅能够用统一的数学模型来表述,而且提供了多脉冲回波的距离走动信息和多普勒频移信息.对于发射信号s(t),所构造的函数为它与窄带模糊函数相似,被称为广义模糊函数(generalized ambiguity function,GAF).特别地,κ=1即目标静止时,GAF退化为自相关函数.GAF是信号的脉冲压缩形式,具有显著的主瓣和较低的旁瓣,主瓣峰值位于时延τ=0、压缩κ=1处,峰值位置与波形形式无关.利用f d=(κ−1)f 0,(7)式中的积分可表示为它是GAF的压缩和延时,表示了回波复包络的压缩形式.将其代入(7)式,可得该式是任意复包络信号回波的脉压信号模型.不难看出,χ{κ[t k−τ(t m)],κ}具有窄的主瓣,其峰值位置τ(t m)给出了脉压信号的距离走动.同时,相位项exp(j2πf d/κt m)给出了脉冲维的多普勒信息.本文作者在文献[19]中采用所构建的GAF给出了CW信号、LFM信号、m序列编码信号、Costas跳频编码信号的基带脉压信号具体表达式,其中对LFM信号推导得到的脉压信号表示形式与文献[12,13,15]中由回波复包络精确匹配得到的结果完全相同.4 脉压信号的距离走动及运动补偿4.1 脉压信号的距离走动(4)式和(10)式从时域上清楚表明了距离走动的现象.运动产生距离走动,在每次发射探测脉冲时,目标距离不同,回波复包络的时延发生了变化.回波复包络经距离向脉压后,匹配滤波器输出的脉压信号峰值位置也各不相同.距离走动的本质需要在频域进行分析.为此,给出(10)式的频域形式.由(3)式和(6)式可得脉压信号的距离频域表示式为式中指数项表明,距离频率f与脉间慢时间t m之间存在耦合.当转换到时域时,这种耦合将直接导致(10)式中各压缩脉冲的峰值位置彼此不同,出现距离走动.所以,从频域上看,距离频率与脉间慢时间之间的耦合是导致脉压信号距离走动的根本原因. 校正距离走动就是解除f与t m间的耦合.使用Keystone变换对脉间慢时间t m 做变量代换就可消除频率与时间耦合,使得距离频率不再受脉间慢时间的影响.但是注意到(10)式,匹配滤波器输出存在一个exp[j2πf d/(κt m)]项,它是t m的复正弦函数,频率是多普勒频率.因此,经Keystone变换后,变换到时域的脉压信号还需要对脉冲维做FFT,将多普勒频移进行补偿,得到相干积累的结果.相干积累的峰值位置对应目标距离和多普勒频率.4.2 运动目标回波补偿Keystone变换最初是应用于SAR/ISAR(synthetic aperture radar/inverse synthetic aperture radar)成像中的一种距离走动校正技术,它利用时间尺度变换消除目标速度与距离频域之间的耦合,从而实现运动目标的跨距离单元走动校正.将Keystone变换用于匀速运动目标长时间相干积累,可消除脉压信号中的距离频率f 与脉间慢时间t m的耦合,实现距离走动校正.Keystone变换定义为这个线性尺度变换将f-t m平面上的矩形支撑域变为f-˜t m平面上一个倒梯形或楔石形,因此命名Keystone变换.若t m是脉间慢时间,那么Keystone变换就是对脉间慢时间进行的尺度变换,将t m变换为˜t m.通过这种尺度变换改变脉冲位置,校正运动引起的线性距离走动.将(12)式代入脉压信号的频域表示式(11)式,整理后可得对齐峰值位置后的脉压信号频域表达式为可见Keystone变换解除了f与˜t m间的耦合,消除了脉间慢时间对距离频率的影响.将(13)式变换到时域,整理后得其时域表达式式中χ的峰值位置只与初始时刻的目标位置R0有关,而与t m无关.这表明Keystone变换将运动引起的回波跨距离单元走动校正到同一距离单元,使回波复包络的压缩形式对齐.再注意到,(14)式中的第一个指数项是˜t m的正弦函数,它使得脉压信号的相位不同,采用FFT进行该项补偿,可得到相干积累的结果.另外,(14)式中的第一个指数项是对频率为f d/κ的正弦信号在脉冲维采样,采样频率即脉冲重复频率f r,数字谱分析范围为(−f r/2,f r/2).当f r>f d时,频率f d/κ落在谱分析范围内,可从频谱上观测到.但是,当目标速度较快,多普勒频率较高,而脉冲重复频率较低,即f r<f d时,虽然实际频率f d/κ位于谱分析范围之外,但由FFT的周期性可知,在(−f r/2,f r/2)内仍然存在着对应f d/κ的谱线,这种现象称为多普勒模糊.发生多普勒模糊时,从频谱上观测到的谱线频率点不再是真实的多普勒,而是一个模糊了的多普勒频率.多普勒频率与模糊频率之间相差几个脉冲重复频率,表示为式中f d 0是频谱上观察到的模糊多普勒频率,n k是模糊数.将(15)式代入(14)式得式中的第三个指数项为模糊项,必须加以补偿.当速度已知时,根据模糊数估计n k,使用对模糊项进行补偿,补偿后多普勒模糊后的压缩回波为再对慢时间维做FFT,可得到考虑了多普勒模糊的相干积累结果为式中M是脉冲个数,M T r是脉冲维正弦信号的持续时间.以上推导均假设目标速度v0已知.当目标速度未知时,则需要设计匹配滤波器组对回波包络进行精确匹配滤波,并使用匹配滤波器组对应的多普勒频率或速度估计模糊数n k,以便补偿模糊项,但这会增加信号积累的计算量.当目标做匀加速运动时,加速度与慢时间将发生二次耦合,二次耦合将导致积累时间内目标回波的距离弯曲,距离弯曲需要使用二阶广义Keystone变换进行补偿[20].5 实验验证5.1 相干积累的计算机仿真信号积累过程的仿真实验:设声呐分别发射CW信号、LFM信号、m序列编码信号和Costas跳频编码信号来探测目标;信号参数设置为中心频率f 0=15 kHz,带宽B=10 kHz,采样频率f s=100 kHz,脉冲宽度T=30 ms,脉冲重复周期T r=0.2 s,脉冲个数M=10;目标距离R0=75 m,速度v0=−30 kn(1 kn≈0.5117 m/s,目标向观测点匀速运动),对应的多普勒频率f d=310.2 Hz;信噪比SNR=5 d B,信噪比取值较高,以便能够在时域上看到回波位置.采用本文的方法对4种信号波形积累的过程及结果如图1—图4所示.其中图1(a),图2(a),图3(a)和图4(a)是噪声中的10个回波;图1(b),图2(b),图3(b)和图4(b)是精确匹配滤波后的脉压信号;图1(c),图2(c),图3(c)和图4(c)是用Keystone变换补偿运动以后对齐了的脉压信号;这12幅图均对波形取了绝对值,并用最大值归一化;图1(d),图2(d),图3(d)和图4(d)是补偿距离走动、去除多普勒模糊后,沿慢时间维做FFT积累的结果,图中用峰值进行了归一化,其中补偿的多普勒模糊数由多普勒频率f d与脉冲重复频率f r之比得到,为62个.从图1—图4的(a),(b)图可以看到,由于目标运动,各周期的回波、脉压信号均有距离走动,脉冲距离位置不齐.目标匀速运动时,脉冲位置在距离-慢时间平面上是一条倾斜直线.从图1—图4的(c)图可见,在利用Keystone变换对脉压信号进行距离走动校正以后,脉压信号对齐到同一距离位置,分布在一条与距离轴垂直的直线上.从图1—图4的(d)图可以看出,沿慢时间维做FFT,在距离-多普勒平面上出现了相干积累的峰值,峰值位置对应着目标距离和多普勒频率,分别约为75 m,310.2 Hz,与仿真设置的参数相符合.还可看到,CW信号的脉冲压缩比小,脉压信号及积累结果在时间或距离维较宽,其余三种信号脉冲压缩能力强,脉压信号及积累后的结果都是尖锐的峰值.图1 CW信号的积累结果 (a)距离走动的回波;(b)随距离走动的脉压信号;(c)运动补偿的脉压信号;(d)积累结果的三维图Fig.1.Accumulating result of CW signal:(a)Echo signal of moving target;(b)pulse compressed signal moving along with distance;(c)pulse compressed signal after motion compensation;(d)three-dimensional graph of accumulating results.图2 LFM信号的积累结果 (a)距离走动的回波;(b)随距离走动的脉压信号;(c)运动补偿的脉压信号;(d)积累结果的三维图Fig.2.Accumulating result of LFM signal:(a)Echo signal of moving target;(b)pulse compressed signal movingalong with distance;(c)pulse compressed signal after motion compensation;(d)three-dimensional graph of accumulating results.图3 m序列编码信号的积累结果 (a)距离走动的回波;(b)随距离走动的脉压信号;(c)运动补偿的脉压信号;(d)积累结果的三维图Fig.3.Accumulating result of m sequence coded signal:(a)Echo signal of moving target;(b)pulse compressed signal moving along with distance;(c)pulse compressed signal after motion compensation;(d)three-dimensional graph of accumulating results.图4 Costas跳频编码信号的积累结果 (a)距离走动的回波;(b)随距离走动的脉压信号;(c)运动补偿的脉压信号;(d)积累结果的三维图Fig.4.Accumulating result of Costas frequency hop coded signal:(a)Echo signal of movingtarget;(b)pulse compressed signal moving along with distance;(c)pulse compressed signal after motion compensation;(d)three-dimensional graph of accumulating results.信号检测性能的Monte Carlo仿真实验:仍然取上述仿真参数,在不同信噪比下,求恒虚警概率条件下的检测概率曲线.理论上,对于这里给定的脉宽、带宽和脉冲个数参数,高斯噪声中匹配滤波器的增益为10log(2BT)=27.78 d B,多脉冲积累的增益为10log(M)=10 d B,即可检测到约−37.78 d B的信号,其检测性能与波形无关.实验时,采用在距离-多普勒平面上的相干积累峰值作为检测统计量,无信号时,统计干扰峰值求虚警概率及对应的门限;有信号时,统计计算检测概率.得到的检测概率曲线如图5所示.可以看出,在约−35 d B时,对4种信号的检测概率均达到80%以上.仿真结果接近理论值,与理论相符.图5 4种信号的检测概率曲线Fig.5.Probability of detection for four kinds of signal in noise as a function of the signal-to-noise ratio.5.2 目标距离、速度估计的消声水池实验在尺寸为20 m×8 m×7 m的消声水池设计实验方案,进行实验研究.分别发射仿真实验的4种信号波形.波形参数为:载频15 kHz,带宽10 kHz,采样频率100 kHz,脉宽20 ms;脉冲重复周期0.05 s,SNR测量值11.8 dB;进行相干积累,并估计目标的距离、速度参数.实验系统组成: NI公司的数据采集仪(使用24 bit的PXIe-4496 AD卡和16 bit的PXI-6733 DA卡),VBF40型放大滤波器,L2线性功放(200 W),宽带发射换能器,标准水听器;发射换能器、接收水听器深度3 m,相距12 m.实验系统组成如图6所示.运动目标回波模拟:采用两次发射、接收的方法模拟运动目标回波.即对第一次发射、接收的多脉冲数据,人工加入波形压缩和回波位置走动信息,再进行第二次发射、接收即可.运动信息加入方法:取目标速度v0=−12 kn,由此计算的压缩因子为1.01,并按照R m=R0+v0×(m−1)×T r,计算走动参数,其中R0=12 m,以此对第一次接收的数据重采样压缩和循环移位,即可得到包含波形压缩和距离走动的目标回波.目标参数估计:对第二次发射、接收的运动目标回波数据进行相干积累,由距离-多普勒平面上积累的峰值位置估计目标距离和速度.图6 水池实验系统组成Fig.6.Experimental arrangement for anechoic water tank.在消声水池,所模拟的4种信号的运动目标回波如图7所示,每种信号的10个回波包含着波形压缩和距离走动信息.对4种信号的10个回波分别进行相干积累,结果如图8所示.由积累的峰值位置对目标距离R0、速度v0进行估计,结果如表1所列,这是10次实验得到的均值和标准差.可以看出,对4种信号进行相干积累,在距离-多普勒平面上均出现了显著的峰值,峰值位置出现在目标的初始距离和速度附近.比较4种信号的估计结果可见,CW信号的距离估计误差大,速度估计精度高,而其余3种信号的距离估计精度高,速度估计误差大.这是因为CW信号多普勒容限小,脉冲压缩比大,而其余信号的脉冲压缩能力强,距离估计精度高.图7 4种信号的运动目标回波 (a)CW信号;(b)LFM信号;(c)m序列编码信号;(d)Costas编码信号Fig.7.Moving target echo of four kinds ofsignals:(a)CW signal;(b)LFM signal;(c)m-sequence phasecodedsignal;(d)Costas frequency hop coded signal.图8 4种信号的积累结果 (a)CW信号;(b)LFM信号;(c)m序列编码信号;(d)Costas 编码信号Fig.8.Accumulating results of four kinds of signals:(a)CWsignal;(b)LFM signal;(c)m-sequence phase-coded signal;(d)Costas frequency hop coded signal.表1 目标初始距离和速度估计结果Table 1.Estimation of initial distance and target velocity.信号波形 R 0均值/m R0标准差 v0均值/m·s−1 v0标准差CW 11.173 1.321 6.008 0.004 LFM 12.179 0.679 6.220 0.052 m序列 11.7630.871 5.832 0.046 Costas 12.207 0.539 6.120 0.033另外,有必要指出,湖海实验验证至关重要,是理论走向实际应用的必要环节.湖海实验的水声环境十分复杂,混响、有限带宽信道及目标运动的不确定性等都会给包络对齐和多普勒补偿带来困难,从而降低相干积累效果.通过湖海实验发现问题,克服误差、干扰影响,优化方法是一项更具挑战性的研究工作.6 结论通过构建任意发射信号波形的广义模糊函数来表示多脉冲积累中的匹配滤波器输出,不仅给出了任意复包络信号的脉压信号的一般表达式,而且清楚地表示了多脉冲积累中距离维的距离走动信息和脉冲维的多普勒频移信息,为距离走动补偿、多普勒频移补偿、多普勒模糊补偿等相干积累问题分析提供了依据.对于脉压信号的一般表示式,采用Keystone变换消除距离走动,采用FFT补偿多普勒频移项,实现了任意复包络信号匀速运动目标回波的长时间相干积累.采用4种不同形式的声呐波形进行了仿真,得到距离走动补偿、多普勒频移补偿、多普勒模糊补偿及相干积累的正确计算结果,验证了对任意复包络信号进行距离走动补偿及相干积累的正确性.信号检测的Monte Carlo实验表明相干积累方法的检测性能与理论分析相符.采用消声水池实验进行信号积累,并估计模拟运动目标的距离、速度参数,验证了方法的有效性.参考文献[1]North D O 1963 Proc.IEEE 51 1016[2]Liu Z L,Liao G S,Yang Z W 2012 Acta Electron.Sin.40 799(in Chinese)[刘志凌,廖桂生,杨志伟 2012电子学报40 799][3]Zhang L,Sheng J L,Duan J,Xing M D,Qiao Z J,Bao Z 2013 EURASIPJ.Adv.Signal Process.2013 33[4]Dong Q,Zhang L,Xu G,Xing M D 2014 J.Xi’an Jiaotong Univ.48 107(in Chinese)[董祺,张磊,徐刚,邢孟道2014西安交通大学学报48 107][5]Carlson B D,Evans E D,Wilson S L 1994 IEEE 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高速运动目标ISAR回波的基带模拟
陈秀伟;张云华;张祥坤;谢晓春
【期刊名称】《系统仿真学报》
【年(卷),期】2012(24)2
【摘要】分析了高速运动目标对采用大时带积信号的ISAR雷达回波的影响,然后建立回波信号模型,产生仿真试验结果;最后,基于散射中心模型构造动目标,产生给定动态参数下的动目标ISAR回波信号数据,并结合带有D/A的FPGA开发板产生动目标的ISAR回波信号,为ISAR的研究和数据处理提供了信号源。
【总页数】5页(P409-413)
【作者】陈秀伟;张云华;张祥坤;谢晓春
【作者单位】中国科学院空间科学与应用研究中心;赣南师范学院物理与电子信息学院
【正文语种】中文
【中图分类】TP391.9
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