一种高效实用的宽带速度补偿技术及性能评估

郭永强，刘增文

(1. 北京跟踪与通信技术研究所，　北京 100094;　2. 空间目标测量重点实验室,　北京 100094)(3. 南京电子技术研究所,　南京 210039)



·信号处理·

一种高效实用的宽带速度补偿技术及性能评估

郭永强1,2，刘增文3

(1. 北京跟踪与通信技术研究所，北京 100094;2. 空间目标测量重点实验室,北京 100094)(3. 南京电子技术研究所,南京 210039)

基于高速目标宽带线性调频回波模型，推导了高速目标的去斜回波理论表达式并进行了定性分析；在分析去斜回波表达式中速度项影响的基础上，给出一种工程实用化的速度补偿方法，该方法具有计算量小、稳健有效的特点；利用信息熵和归一化方差评估速度对一维距离像的畸变影响，并给出该速度补偿技术对雷达测速的精度要求；最后，通过仿真验证了结论的正确性和有效性。

高分辨一维距离像；速度补偿；信息熵

0　引　言

随着宽带雷达技术的发展和广泛应用，基于雷达宽带一维距离像的识别方法越来越得到重视。目标的一维距离像是目标在雷达视线上的投影，揭示了目标沿视线方向散射强度的分布和精细的结构特征，在目标识别中具有十分重要的意义[1-4]。然而，对弹道目标和空间高速目标一维距离成像时，速度会对一维距离像造成畸变影响，必须加以补偿[5-7]。所以有不少学者提出了许多速度补偿方法，如基于时频分析估计目标运动速度和加速度，然后对一维距离像进行补偿的方法[8]；文献[9]对宽带信号回波采用基于立方相位函数法的参数估计，并考虑了径向速度的变化对距离像的影响。然而，这些方法比较复杂，计算量大，不适于工程应用。而文献[10]中使用的速度补偿方法主要适用于步进频信号，不适用于本文去斜的宽带线性调频信号。

本文在理论分析速度对目标一维距离像影响的基础上，给出一种工程实用化的速度补偿方法，并基于信息熵和归一化方差评估对雷达测速精度提出要求，最后通过仿真验证了结论的正确性和有效性。

1　高速目标宽带回波模型

(1)

假设点目标到雷达的距离为Ri，则雷达接收到的该目标回波为

(2)

式中:A为回波强度；c为电磁传播速度。

一般情况下，宽带雷达实时一维距离像采用的是解线性调频脉冲压缩方式，该技术是用一个时间固定，频率、调频斜率相同的线性调频信号作为参考信号，用它和宽带线性调频回波作差频处理。设参考距离为Rref，则参考信号为

(3)

式中:Tref为参考信号脉宽，通常它比Tp要大一些。

解线性调频输出为

设RΔ=Ri-Rref即

(4)

其中

(5)

当目标速度不高时，可以假设在脉冲持续时间内目标到雷达的距离不变，即RΔ为常数，式(4)在快时间域里为频率与RΔ成正比的单频脉冲。但当目标高速运动时，假设就不再成立。设目标径向速度为V，则目标与雷达之间的距离Ri=R0+Vt，其中，R0表示该点目标到雷达的初始距离，将Ri=R0+Vt代入式(5)，得

(6)

2　高效实用的速度补偿算法及性能评估

2.1速度对一维距离像的影响

根据式(5)和式(6)可以看出，对于低速目标，线性调频信号对目标运动速度不敏感，对去斜率后的回波数据直接采用FFT进行脉冲压缩就可得到正确的一维距离像。但对高速目标而言，大时宽带宽条件下，如果直接对去斜后的信号进行FFT处理，目标的一维距离像的强散射中心位置、形状和分辨率都会受到较大影响，使得一维距离像产生畸变和模糊。

设雷达参数如下：载频fc=10 GHz，脉冲宽度Tp=50 μs，信号带宽B=1 GHz，调频斜率γ=2×1013，数据采样率fs=30 MHz，目标到雷达距离R=20 km，目标径向速度为V=7 km/s。在此对单散射点时的一维距离像进行仿真，直接对数据进行FFT得到的单个散射点距离像，如图1所示。

图1　补偿前单散射点振幅频谱

在上述雷达和目标参数下，根据式(6)，考虑目标高速运动，得到的回波信号去斜率后的信号调频斜率为

从图1可以看出，目标高速运动使得目标一维距离像被展宽和谱峰分裂。不利于对目标成像和识别，所以必须对目标速度进行有效的补偿。

2.2高效实用的速度补偿算法

(7)

补偿后得

(8)

这里，径向速度可以通过窄带测速系统测量得到，目前普遍采用多普勒测速方法。根据求得的目标速度，利用式(7)进行运动补偿，目标一维距离像进行速度补偿处理的算法流程如图2所示。

图2　目标一维距离像速度补偿处理流程图

2.3速度补偿的性能评估方法

为了评估速度补偿效果，并且对窄带测速系统的速度测量精度提出要求，在此，采用信息熵和归一化均方差方法对补偿后的一维距离像进行性能评估。

设I(n)(n=1,2,…,N)为目标的高分辨一维距离像，令

(9)

则一维距离像的熵定义如下

(10)

设yi表示补偿后的一维距离像的值，xi表示补偿前的一维距离像的值，N表示数据长度，则归一化方差定义为

(11)

熵刻画了一维距离像谱线展宽程度，归一化方差刻画了俩距离像的近似程度。熵越小，归一化均方差越接近于0，则速度补偿效果越好。

3　仿真分析

仿真参数同2.1节，分别对单散射点和多散射点两种情况都进行了仿真。直接对宽带去斜数据进行脉压得到单个散射点的一维距离像如图3所示。图4为利用理想的目标速度进行运动补偿的成像结果。

图3　补偿前单散射点振幅频谱

图4　精确补偿后单散射点振幅频谱

图5给出了目标包含三个散射点时，直接脉压得到的一维距离像，容易发现，三个散射点展宽，散射点个数无法分辨。图6给出了利用理想的目标速度进行运动补偿的成像结果。

图5　补偿前一维像

图6　精确参数补偿后的一维距离像

从以上仿真结果中可以看出，当发射信号的时宽带宽积的值很大时，对高速目标来说，其一维距离像严重变形，甚至产生多个峰值，分辨率降低了很多，必须进行有效的运动补偿才能得到正常的目标一维距离像。

为了验证信息熵对补偿效果的评估，仿真了随着速度误差由小变大时对应的一维距离像的熵的曲线变化，结果如图7所示，图8为速度误差ΔV=100 m/s时的成像结果。从图7可以看出随着速度误差的增大，距离像的熵也越来越大，即谱线展宽程度越来越大，验证了基于熵的评估方法的有效性。

图7　速度误差ΔV和熵的关系曲线

图8　ΔV=100 m/s时的成像结果

表1给出了当目标速度为V=7 km/s，存在不同的速度补偿误差时，对应的熵和归一化方差评估结果。从表中可以看出当速度误差为30 m/s，熵和归一化方差与没有速度补偿误差时，几乎对一维距离像没有影响，所以一般情况下，对速度补偿进行补偿时，速度精度达到30 m/s即可满足一维距离像速度补偿要求。

表1速度误差对一维距离像补偿影响评估m/s

速度误差030505001000熵1.46851.73482.55173.25993.6571归一化方差00.00190.01230.11190.8246

4　结束语

宽带一维距离像在弹道导弹目标识别及空间目标识别中起着越来越重要的作用，然而目标的高速特性使得一维距离像发生严重畸变。本文从高速目标宽带回波模型入手，基于速度对一维距离像影响的理论分析，提出了一种高效实用的速度补偿方法。另外基于信息熵和归一化方差统计量对一维距离像速度补偿效果进行评估，并给出对雷达窄带测速精度的要求，最后的仿真验证了本文方法的前效性。本文的速度补偿方法可在实时雷达成像中应用，而速度补偿评估方法也可应用于其他速度补偿算法的评估。

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郭永强男，1979年生，博士，工程师。研究方向为雷达总体设计及信号处理。

刘增文男，1983年生，硕士，工程师。研究方向为机电设计、市场项目等营销与项目管理。

High Efficiency and Practical Velocity Compensation Technique and Its Performance Evaluation

GUO Yongqiang1,2，LIU Zengwen3

(1. Beijing Institute of Tracking and Telecommunication Technology,Beijing 100094, China)(2. Key Laboratory of Space Object Measurement,Beijing 100094, China)(3. Nanjing Research Institute of Electronics Technology,Nanjing 210039, China)

Based on wideband linear frequency modulation waveforms model for high velocity target, the theoretic expression of high velocity target echo is obtained and the qualitative analysis is given. After analyzing the velocity influence, a high efficiency and practical velocity compensation method is presented. The method is not only valid and robust, but also needs less computing cost. In order to evaluate the compensation effect, information entropy and normalized square deviation are used. The accuracy requirement for compensation is also presented. Finally, the simulated data demonstrate the validity of the proposed method.

high resolution range profiles; velocity compensation; information entropy

10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.08.007

郭永强Email：radar_gyy@126.com

2016-04-20

2016-06-28

TN957

A

1004-7859(2016)08-0030-04