宽带信号一维成像技术研究

摘要：文章通过计算电磁学算法得到了目标模型的宽带电磁散射特性数据，在此基础上开展宽带信号一维目标成像算法研究，通过仿真得到了参考模型的一维距离像，仿真结果能够正确反映模型源强散射特征点的位置关系。

关键词：宽带信号；强散射特征点；一维成像

中图分类号：TN957 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）19-0025-02

1 概述

雷达系统从最初出现至今，已取得了巨大的发展，其种类之多、用途之广，已成为现代军事领域和许多民用用途中非常重要的获取目标信息的手段。雷达的基本任务是探测、发现和识别目标。在这些应用当中，宽带雷达无论在目标检测，还是在目标识别等领域，都具有传统窄带雷达无可比拟的优势。由于宽带雷达目标的一维距离像中包含了目标散射点的个数、分布和径向长度等特征，而这些特征在工程实际中具有极高的应用价值。因此，宽带信号一维成像技术已成为高性能宽带雷达实现目标识别和探测的关键技术之一。同时，随着计算电磁学应用水平的不断提高，目标特性仿真计算已能够为雷达的设计、研制提供具有较高参考价值的基础数据，尤其在无法获得真实目标的电磁散射信号特征时，计算电磁学可以通过图片、结构、电特性分析相结合的方法，在较短的时间内完成对目标的精确建模与仿真计算。将以上两种技术结合起来，能够有效避免外场试验、暗室测试所带来的巨额研试费用，具有模型丰富、周期短、可重复性高等优势。

2 一维成像处理算法

雷达目标，特别是人造目标，可以被认为是点散射体集合，这些散射体有多种反射或后向散射形式。散射体可以是表面、边缘、角、二面体和空腔等类型，每种类型的散射体都有不同的后向散射形式。雷达距离像可以提供目标长度信息、强散射体和其他散射中心的位置信息。雷达视线的切向维称为横向距离。

雷达回波的性质可以用线性系统来描述，输入是发射宽带信号，通过系统（目标）的作用，输出雷达回波。系统的特性通常用冲激响应（或称分布函数）表示，从发射波形与冲激响应的卷积可得到雷达回波的波形。严格分析和计算目标的冲激响应是比较复杂的，要用到较深的电磁场理论，简单地说，雷达电波作用的目标的一些部件对波前会有后向散射，当一些平板部分面向雷达时还会有后向镜面反射，这些是雷达回波的主要部分，此外还有谐振波和爬行波等。因此，目标的冲激响应（分布函数）可以用散射点模型近似，即目标可用一系列面向雷达的散射点表示，这些散射点位于后向散射较强的部位。由于谐振波和爬行波的滞后效应，有时也会有少数散射点在目标本体之外。当目标的尺寸远大于雷达的波长，即雷达工作在光学区时，目标可用分布在目标表面的一系列散射点表示各处对电波后向散射的强度。宽带目标回波的分布相当于三维分布的目标散射点子回波之和，在平面波的条件下，为沿波束射线的相同距离单元里的子回波做向量相加。通常将该回波的幅度分布称为一维实距离像，简称一维距离像。雷达采用冲激信号这一具有宽频带特征的信号方式后，距离分辨率可大大提高。其距离分辨单元长度可达到亚米量级，以400MHz带宽为例，根据距离分辨率计算公式：（其中C是光速，B是信号带宽）。计算可知，距离

分辨率可达0.3750m，这时从目标接收到的已不再是“点”回波，而是沿距离分布开的一维距离像。

在常规雷达中，目标散射的雷达回波频率等于雷达发射频率。可是在宽带高分辨雷达中，目标照射波不是单色波，而且频谱很宽，由于目标对照射频谱内各频率分量的响应不同，其散射回波的谱分布特性与发射谱分布有较大差别，因此为了研究并表征在任意照射谱下目标散射特性，需要引入时域的目标冲激响应概念，并通过它来定义宽带RCS。由雷达理论可知，雷达信号传输过程：雷达→空间→目标→空间→雷达，其中雷达处理以及信号的空间传播均是线性过程，而目标的散射是由入射电磁波激励目标上的每一个点所产生的二次辐射在接收方向远场所产生叠加，满足线性叠加原理，因而目标的散射过程也可考虑为线性过程。

线性系统的分析方法主要有时域分析法以及频域分析法，其中时域分析法是知道系统的冲激响应，利用卷积求得系统任何输入条件下的响应，下面公式给出了系统的时域响应计算方法。根据散射点模型，设散射点为理想的几何点，若发射信号为f（t），对不同距离多个散射点目标，其回波s（t）可写成：

（1）

式中，Ai和Ri分别为第i个散射点回波的幅度与雷达天线之间的距离；c为光速。对其进行傅立叶变换后，频域表达（ω角频率）：

（2）

对于连续波雷达目标回波，它是目标各散射点回波的矢量迭加：

（3）

式中，f为频率；其中ω=2πf，在频域，目标宽带回波信号的频域为：

s（ω）=h（ω）=f（ω） （4）

考虑雷达发射的信号f（ω）是一有限带宽的信号，设带宽为W，最低频率为fl，矩形函数，则雷达发射信号也可表示为：

（5）

那么目标宽带回波信号的频域可以为：

（6）

通过频率域计算可以获得h（ω）rect（ω）的值。具体频率计算范围为W，频率间隔根据采样定理设定，常规目标尺寸有限，若目标的长度为L，则理论上频率间隔。通过

测试获得h（fi），fi=fl+i×∆f（i=0，1，2，……，W∆f/），再通过时频转换IFFT计算，获取目标宽带电磁散射特性。

3 仿真验证

为了能够检验算法的正确性，本文采用了2组可以直观反映目标强散射回波位置关系的仿真试验。

第一组设计了边长分别为1m、2m、3m的平板，水平放置于以坐标原点为起始的直线上，如图1所示，其中心分别布置于三维空间X轴0m、-8m、-13m处，电磁波由X轴正方向向原点入射，仿真频率范围选择16.5～18.1GHz，带宽1.6GHz，200个步进频率。

成像处理结果如图2所示，成像结果中可以清楚地看到3个回波点分别位于0m、8m、13m处，信号强度逐渐增大，这与3个平板模型在坐标轴上的分布吻合，初步验证了宽带信号一维成像技术对分离物体的有效性。

在分离的三个平板模型成像处理的基础上，为了进一步验证成像算法对复杂实体模型目标的成像能力，第二组采用真实尺寸的A-10攻击机模型进行仿真。其尺寸与模型关系如图3上图所示，仿真频率范围分别选择2.8～3.2GHz，带宽400MHz，400个步进频率，信号由沿机头方向入射。成像处理结果如图3下图所示，可以清楚地看到主要回波特征点机头（0m）、驾驶舱（2.7m）、机翼根部与发动机舱（9.6m）、尾翼（14.3m）分别与A-10攻击机三维模型在坐标轴上的分布吻合，这进一步验证了宽带信号一维成像技术对复杂大型目标成像的有效性。

4 结语

本文介绍了一种宽带信号一维成像方法，并结合目标回波计算数据，完成了对分离目标、大型复杂体目标的一维距离成像仿真验证。仿真结果表明，根据宽带信号目标回波计算数据解算出的一维距离像，并能够在一定程度上正确反映目标不同强散射特征点的位置与强度关系，可以作为分析源为进一步开展目标识别技术研究提供支撑。

参考文献

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[3] 沈姗姗，陆锦辉，顾苏.单目标一维成像及特征提取方法性能分析[J].雷达科学与技术，2011，（5）.

作者简介：王学良（1984—），男，吉林梅河口人，江南机电设计研究所助理工程师，研究方向：雷达成像技术。