一种改进的谱峰跟踪运动补偿算法

　　摘 要:针对步进频率信号成像过程中存在的多普勒敏感特性,介绍了常用的谱峰跟踪运动补偿法,在分析传统算法局限性的基础上,对其进行改进,将搜索到各距离像的谱峰间的距离与门限进行比较,以判断是否存在搜索有误或距离像折叠的情况。Monte-Carlo仿真实验表明,改进后的算法具有测速精度高,抗噪能力强,受距离像折叠的影响较小等优点。
　　关键词:步进频; 距离像; 谱峰跟踪; 运动补偿
　　中图分类号:TN957 文献标识码:A
　　文章编号:1004-373X(2010)11-0001-03
　　
　　Modified Algorithm for Motion Compensation of Spectrum Peak Tracking
　　YAN Xing-wei, WANG Wei, ZHAN Rong-hui, ZHANG Jun
　　(School of Electronic Science and Engineering, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China)
　　Abstract: Based on the Doppler sensitive character existing in the imaging process of the stepping frequency radar signal, a motion compensation algorithm of spectrum peak tracking is introduced. A new modified algorithm is proposed according to the analysis aiming at the localization of conventional spectrum peak tracking. The threshold is compared to the distance between the spectrum peaks of the the searched range profiles to judge whether there are false peaks or foldings of the range profiles. Monte-Carlo simulation experiments show that the modified algorithm has higher accuracy of velocity measurement and better anti-noise performance, and is effected a little bit by the range profile foldings.
　　Keywords: step frequency; range profile; spectrum peak tracking; motion compensation
　　
　　0 引 言
　　由于高分辨雷达的距离分辨单元远小于目标尺寸,目标将占据连续多个单元,形成一幅在雷达视线距离上投影的具有高低起伏特性的目标幅度图像,称为目标一维距离像[1]。由于距离像提供了目标的结构特征——各散射中心的空间分布及其散射截面大小的相对关系,因此在雷达目标跟踪、识别及抗干扰等领域具有重要地位。近年来得到广泛应用的步进频率信号[2-4]由一组频率线性步进的等宽度脉冲组成,具有瞬时窄带和合成宽带的优点,通过脉冲压缩处理可以得到一维高分辨距离像。然而,由于步进频率信号的数据率较低,成像周期长,使其成为多普勒敏感信号[5-6],因此需要对回波进行运动补偿[7-10]。传统的谱峰跟踪法[9-10]通过对目标距离像的谱峰进行多周期跟踪和曲线拟合,得到目标的运动参数,其原理简单,运算量较小,但由于宽带毫米波所固有的高径向分辨率,目标已不是点目标,而应模化成扩展目标,这意味着不能把目标看作单一散射体,致使谱峰跟踪法在用于运动目标的高分辨检测方面存在局限性。本文对传统的谱峰跟踪法进行改进,通过仿真实验表明,改进后的谱峰跟踪法测速精度高,具有较好的抗噪性能,受距离像折叠[11]的影响较小。
　　1 频率步进信号的多普勒效应
　　一帧具有N个线性步进频率的脉冲串可表示为:
　　s(t)=A∑N-1i=0Ui(t-iTp)exp(-j2πfit+θi)
　　(1)
　　式中:U(t)=1,0≤t≤T1
　　0,t<0,t>T1;
　　fi=f0+(i-1)Δf;
　　T1为子脉冲宽度;Tp为子脉冲周期;T1　　r(i)=exp[j2π(f0+iΔf)2RC-iTp2vC-2vC2RC]
　　(2)
　　展开其相位部分,并忽略常数项得:
　　φi=2π[(iΔf)-2RC+(Tpf0+Δf2RC+Δfτr)•
　　2vCi+ΔfTp2vCi2]
　　(3)
　　式(3)中,除第一项用于相干合成的有效相位变化外,其他项都是由目标运动产生的。第二项线性变化量将使目标距离像产生“距离走动”,导致距离像平移一个固定的距离;第三项相位的二次变化量有可能导致距离像失真——幅度下降和展宽。进行多周期成像时,目标在各周期间的相对运动,也会造成距离像的主瓣加宽、峰值幅度降低、副瓣抬高等现象,并且使距离像的各帧间存在距离走动(ΔR=vmNTp,m为两脉冲串相隔的周期数)。
　　以上讨论的因目标运动而导致距离像的走动和变形,称为运动目标一维距离像的多普勒效应[4-5]。该效应会影响成像的正确性和测距的精确性,给目标识别增加了难度,因此需要对其进行运动补偿。
　　2 谱峰跟踪法及其改进
　　谱峰跟踪法[6-7]通过寻找每帧距离像的最大谱峰,在目标匀速运动的假设下,通过多帧距离像最大谱峰之间相对位置的关系,得到一合理的目标速度估计值。它在用于运动目标的高分辨检测时至少在以下几个方面存在局限性:
　　(1) 当检测时的信杂比降低到一定程度时,某些周期内一维距离像的最高谱峰可能不是目标而是杂波,对其进行曲线拟合显然得不到真实的目标运动参数;
　　(2) 在检测过程中散射截面积的闪烁,最高谱峰在目标所占的径向距离分辨单元内随机滑动,影响目标运动参数估计的精度;
　　(3) 目标运动造成距离像折叠,造成谱峰位置的模糊,影响对运动参数的估计;
　　(4) 目标多个散射点强度相同时,给最高谱峰的搜索带来困难。
　　本文对谱峰跟踪法进行了如下改进:
　　(1) 若目标散射点强度相同,在搜索最高谱峰时,令第一个散射点出现的位置作为最高谱峰的位置。考虑到目标运动造成距离像能量发散,因此在判断两散射点强度是否相同时,应赋予一定的误差范围。
　　(2) 每幅距离像搜索到最高谱峰后,将其位置与上幅距离像的最高谱峰位置进行比较,判断是否出现距离像折叠。若两幅距离像的最高谱峰位置差大于门限,说明出现了距离像折叠,需要进行一定操作,去除折叠的影响。
　　
　　具体算法步骤如下:
　　Step 1:对每幅距离像的最高谱峰进行搜索,记录其位置信息{s1,s2,…,sm},由于要求的速度只是位置向量与时间向量一次曲线拟合的斜率,因此这里si代表在一幅距离像中的相对位置,不考虑距离模糊。
　　Step 2:得到各距离像的位置后,将每个与其前后的元素进行比较,判断该值是否合理,避免搜索错误。给定一门限Δd,若|si-si-1|>Δd或|si-si+1|>Δd,则认为该数值搜索错误。为了避免该值影响Step 4中曲线拟合的准确性,可直接去掉该错误值或根据前后元素人为赋予其一个新值,如si=(si-1+si+1)/2(1　　Step 3:由脉冲串重复周期和先验信息预测出的目标最大速度,给定一门限值ΔD, 对每个si( i>1),若|si-si-1|>ΔD,则认为距离像产生折叠,对数据si及其后面的数据进行如下操作:若si-si-1<0,距离像产生右循环折叠,目标远离雷达,则sn=sn+Δr;若si-si-1>0,距离像产生左循环折叠,目标靠近雷达,则sn=sn-Δr。
　　Step 4:对调整后的每幅距离像最高谱峰位置和时间进行一次曲线拟合,斜率即为目标的速度信息。
　　3 计算机仿真与结果分析
　　仿真实验:采用步进跳频雷达,其脉冲重复频率PRI=10 kHz,脉冲宽度T1=50 ns,载频f0=35 GHz,跳频间隔Δf=4 MHz,合成带宽B=256 MHz,采样频率fs=100 MHz,目标长度l=13 m,6个散射点与雷达的相对初始位置分别为7.5 m,10.5 m,12 m,14.5 m,16.5 m及20.5 m,目标以v=150 m/s的速度远离雷达。为检验算法的性能,令目标强散射中心处于不同的位置,在不同信噪比环境(本文中的信噪比为IFFT后的单元信噪比)下分别用改进前后的谱峰跟踪法各进行500次仿真实验,对其结果统计分析如表1所示。
　　图1、图2为一组仿真结果图。图1为补偿前目标运动时的距离像,它表明运动造成目标距离像的平移与能量发散;图2为补偿后的距离像,它表明精确补偿后的距离像平移与能力发散现象消失。
　　图1 运动补偿前的距离像
　　图2 谱峰跟踪法运动补偿后的距离像
　　通过对表1的分析,得到以下结论:
　　(1) 改进前后的谱峰跟踪法测速精度均随信噪比的降低而减小,但相同信噪比环境下,改进后的谱峰跟踪法测速精度高于传统的谱峰跟踪法。
　　(2) 改进前的谱峰跟踪法测速精度与散射点位置有密切关系,确切地说,它与目标最强散射点位置有关。目标运动有可能造成距离像的折叠,若不进行对折叠距离像的判断和处理,只是一味地舍弃,则曲线拟合时只能
　　利用未折叠距离像中谱峰的位置,而参与曲线拟合的数据量直接影响测速精度,因此若能对折叠后距离像中谱峰的位置予以利用,测速精度将会得到极大提高。该仿真分析中的第3种情况,即最强散射点位于16.5 m的情况,就很好地解释了这一现象。改进前的谱峰跟踪法在曲线拟合时只能利用前2帧距离像谱峰位置,而改进后的谱峰跟踪法则可利用多幅,因此表1中谱峰跟踪法经改进后的测速精度要高于改进之前。
　　4 结 语
　　分析了步进频率工作模式下,目标运动对一维距离像的影响。为了克服传统谱峰跟踪运动补偿算法的局限性,提高测速精度及抗噪性能,对其进行改进,即将搜索到各距离像的谱峰间距离与门限进行比较,以判断是否存在搜索有误或距离像折叠的情况。本文对该方法的有效性进行了理论分析和实验验证。
　　
　　参考文献
　　[1]苗雨,姜文利,周一宇.基于高分辨距离象的雷达目标识别特征分析[J].国防科技大学学报,2001,23(5):93-97.
　　[2]刘铮,刘宏伟,张守宏.步进频率信号分析[J].西安电子科技大学学报,1999,26(1):71-74.
　　[3]毛二可,龙腾,韩月秋.频率步进雷达信号处理[J].航空学报,2001,26(Z1):16-24.
　　[4]李强,张焕颖,张守宏.高分辨雷达信号分析与比较[J].火控雷达技术,2005,34(2):67-72.
　　[5]龙腾.频率步进雷达信号的多普勒性能分析[J].现代雷达,1996,18(2):31-37
　　[6]郭鹏程,蔡兴雨,陈矛.步进频率雷达中多普勒效应的影响及其补偿[J].火控雷达技术,2008,37(3):56-58.
　　[7]蒋楠稚,王毛路,李少洪,等.频率步进脉冲距离高分辨一维成像速度补偿分析[J].电子科学学刊,1999,21(5):665-670.
　　[8]包云霞,毛二可,何佩琨.基于一维高分辨距离像的相关测速补偿算法[J].北京理工大学学报,2008,28(2):160-163.
　　[9]FLORES B C, MARTIEZ A, CHEN C J. Radial motion compensation based on adaptive profile estimation[J].SPIE,1995,2562:9-20.
　　[10]孙文峰.宽带毫米波雷达精确制导信息处理方法研究[D].长沙:国防科技大学,1998.
　　[11]周剑雄,赵宏忠,付强.频率步进雷达距离像解模糊算法\.系统工程与电子技术,2003,25(9):1061-1064.