基于去卷积的目标角度超分辨方法*

曾令旗 袁伟明 宋青鹏

(南京电子技术研究所 南京 210039)



基于去卷积的目标角度超分辨方法*

曾令旗 袁伟明 宋青鹏

(南京电子技术研究所 南京 210039)

介绍了一种提高雷达角度分辨率的方法。为分辨同一波束内多个目标,通过同时接收多波束覆盖发射波束,再对接收回波进行去卷积滤波,实现了单脉冲角度超分辨。还分析了角度分辨能力与信噪比的关系,仿真表明,角度分辨力的提高与信噪比紧密相关,在信噪比为20dB时,角度分辨力提高系数为3。

角度超分辨; 去卷积; 接收多波束; 相控阵雷达

Class Number TP206

1 引言

随着空间技术的发展,作战环境对雷达角度分辨能力的要求越来越高。角度分辨力是雷达从角度维对目标进行分辨的能力。常规情形下,雷达的角度分辨力与雷达接收波束宽度相当。若想要获取波束内多目标的角度分布,则需要进一步提高雷达角度分辨力。

提高雷达角分辨力可通过发射更窄的波束来实现,比如增大天线孔径尺寸或采用发射高频段,但这种方法不适合雷达规模已定的情况。传统的去卷积方法在不改变雷达硬件系统的前提下,通过波束扫描,对扫描方向上的多个回波进行去卷积滤波处理,提高雷达角度分辨能力[1～2]。实际上,这种去卷积方法的本质就是对波束宽度进行压缩[3～4]。不过,由于在扫描期间,高速目标位置及相对分布会发生变化,会影响角度分辨力的提高,此外多脉冲发射扫描会占用雷达的时间资源[5～6]。本文提出一种基于相控阵雷达的去卷积滤波的目标角度超分辨方法,该方法利用相控阵同时接收多波束的优点,发射单脉冲时,采用接收多波束覆盖发射脉冲角度范围,提高去卷积方法的实用性,节省了雷达系统资源。

2 方法原理

为提高角度分辨力,抛物面天线雷达采用发射波束扫描的方式,结合雷达方向图,对扫描的目标回波信号进行去卷积滤波处理,压缩雷达波束宽度,实现目标的角度分辨[7～8]。当天线扫描过一个理想的点目标时,在不考虑噪声的情况下,接收机得到的是一个准确的双程天线方向图函数。当天线扫描过距离相等角度相距很近的两个理想点目标时,则得到是两个双程天线方向图函数叠加形成的一个大脉冲。如图1所示。

图1 接收回波与目标分布、雷达方向图关系

波束扫描过程就是雷达方向图与目标空间分布函数的卷积过程[4,9],接收回波就是卷积输出结果。假设x(θ)是多目标空间角度分布,g(θ)是雷达双程方向图,波束扫描时引入加性高斯白噪声n(θ),那么有:

y(θ)=x(θ)⊗g(θ)+n(θ)

其中,y(θ)为接收回波,⊗为卷积运算。

去卷积法实质上是设计一个适合的去卷积滤波器,将目标空间信息从接收回波中提取出来[10～11]。假设Y(ω)、X(ω)、G(ω)、H(ω)分别为接收回波y(θ)、目标空间角度分布x(θ)、雷达双程方向图g(θ)的频域表达式。

据维纳滤波准则,最佳去卷积滤波器H(ω)为

其中,G*(ω)为G(ω)的复共轭,Pn(ω)为噪声功率谱密度,Ps(ω)为信号功率谱密度。

那么目标空间角度分布可得:

X(ω)=Y(ω)·H(ω)

对于高速目标而言,在发射多脉冲扫描的期间,目标位置及分布可能发生变化,角度分辨时会引起模糊,影响分辨效果,而且多脉冲扫描挤占了雷达系统资源。

随着相控阵雷达技术的发展,自适应相控阵雷达可同时形成多达几十个接收波束。在运用上述去卷积法时,可充分利用雷达同时形成多接收波束的能力,覆盖发射波束宽度范围(如图2所示),然后对各接收波束回波进行去卷积滤波。

与传统去卷积法不同,构造去卷积滤波器采用单程接收方向图,由于发射波束增益的变化,去卷积后得到的目标幅度受到发射波束增益的调制,可根据目标相对角度分布,扣除波束增益的影响。图3给出了本方法的处理流程。

图2 同时接收多波束实现方位超分辨

图3 方位超分辨方法处理流程

3 仿真分析

依据超分辨方法原理,对方法进行了仿真验证。假设空间存在距离处于同一个距离单元内、角度分开但在同一个波束宽度之内的多个目标,如图4(a)所示,在方位2.0°、2.8°、3.2°方向上分布相对幅度不等的三个目标。雷达接收波束增益如图4(b)所示,波束宽度约为3.0°,三个目标处于一个波束宽度范围内。

各角度接收波束回波信号如图4(c)所示。在接收信噪比为30dB的情况,经过去卷积后得到目标角度分布(图4(d))。结果表明,经去卷积后,可以清晰分辨出同一波束内三个目标。

图4 仿真结果

由于各接收波束角度发射波束增益的分布差异,滤波后得到的目标幅度实际上不能反映目标真实幅度,而是受到发射波束增益调制。

4 角度分辨力与信噪比

去卷积方法的角度分辨力与信噪比强烈相关。通过仿真,分析了角度分辨力与信噪比的关系,如图5所示。仿真条件:发射、接收波束宽度3°,同时接收波束个数30个。可以看出,随着信噪比增大,能分辨的相邻目标的角度间隔越小。在信噪比为20dB时,分辨角度约为1.0°,角度分辨力提高系数为3。

图5 角度分辨力与信噪比

5 结语

本文介绍了一种基于相控阵雷达的目标方位超分辨方法。该方法充分利用自适应相控阵雷达同时接收多波束的优点,发射单个脉冲即可实现雷达对目标的角度超分辨,节省了雷达时间资源。仿真分析表明,角度分辨力提高程度主要与回波信噪比有关,信噪比越高,分辨力提高越大。信噪比为20dB时,角度分辨力提高系数为3。该方法的主要计算量在于同时接收多波束的形成,而多波束形成是自适应相控阵的基本功能,所以方法的应用无需额外增加系统硬件设备和软件改动。

下一步工作将在自适应数字相控阵雷达上对该方法进行试验验证,并根据试验结果对方法进行改进。

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A Method of Angular Super-resolution Based on Deconvolution

ZENG Lingqi YUAN Weiming SONG Qingpeng

(Nanjing Institute of Electronic Technology, Nanjing 210039)

A method is introduced to improve the angular resolution of radar. To distinguish targets within the same beam, multiple simultaneously receiving beams are used to cover the transmitting beam, and angular super-resolution in single pulse is attained after the received echoes are filtered by deconvolution. The relationship between angle resolution and SNR is also analyzed. Simulation results show that the improved angular resolution and SNR are closely related. An improved coefficient 3 is obtained when SNR is 20dB.

angular super-resolution, deconvolution, multiple receiving beams, phased array radar

2014年9月3日,

2014年10月25日

曾令旗,男,博士,工程师,研究方向:有源相控阵雷达系统研究和高速目标探测。袁伟明,男,博士,高级工程师,研究方向:雷达总体研究和空间目标监视系统。宋青鹏,男,工程师,研究方向:精密测量雷达系统。

TP206

10.3969/j.issn1672-9730.2015.03.019