专利名称：一种调频步进信号合成高分辨像栅瓣抑制方法
技术领域：
本发明涉及一种频率步进信号合成高分辨像栅瓣抑制方法，更具体地说，涉及一种调频步进信号合成高分辨像栅瓣抑制方法。
背景技术：
调频步进信号是一种具有高分辨能力的雷达信号，它发射一组脉间载频线性跳变、脉内线性调频的雷达脉冲，通过对各个子脉冲回波进行脉内脉冲压缩和脉间逆傅立叶变换(IDFT)处理获得目标的距离高分辨像。调频步进信号用线性调频子脉冲代替了频率步进信号中的简单脉冲，因此克服了雷达作用距离和单脉冲距离分辨力之间的矛盾，又能够在保持距离分辨力不变的条件下减少脉冲数，提高数据率，降低对系统处理带宽和采样率的要求。为提高系统分辨率需要增加频率步进信号的合成带宽即增大步进间隔Af0但当子脉冲时宽T与步进间隔乘积大于l(TAf > I)时，等间隔跳频频率步进信号存在严重的时间栅瓣问题。频率步进信号的周期性时间栅瓣会造成测距模糊、目标遮挡并增加系统的虚警概率对成像及检测带来不利影响，因此必须对频率步进信号的时间栅瓣进行有效抑制。目前，频率步进信号的栅瓣抑制方法很多。在2003年IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems 第 39 卷第二期第 694-703 页上的 Nullifying ACF grating lobes in stepped-frequency train of LFM pulses (消除调步页步进脉冲串自相关栅瓣)一文中，介绍了通过调整子脉冲时宽、步进间隔、子脉冲带宽三者关系将栅瓣位置处置零，从而全部或部分消除调频步进信号栅瓣。但当子脉冲时宽带宽积较大时子脉冲之间的频带存在较大交叠，该方法并不实用。在2005年IEEE International Radar Conference 第 371-376 页上的 Suppression of grating lobes in stepped-frequency train (频率步进脉冲串栅瓣抑制)一文中，对上述方法做出了改进，其思想为不使栅瓣位置为0，而是小于一个较小的数值。该方法在一定程度上放宽了对频谱交叠的要求。但上述两种方法均要求保证严格的位置关系，因此在实际应用到成像中时均需要较高的采样率 (通常为子脉冲带宽的10倍以上)以达到期望的栅瓣抑制效果。在2008年Proceedings of SPIE, the International Society for Optical Engineering 第 6947 卷第 1-9 页上的 Low sidelobe nonlinear stepped-freuency waveforms (低副瓣频率步进波形)一文中，提出根据某种非线性法则改变不同脉冲间的频率步进量以打破步进项时间周期性，从而实现频率步进信号的栅瓣抑制，该方法实现过于复杂难以实际应用。本发明将加权失配滤波技术用于调频步进信号合成高分辨像算法中，有效抑制了频率步进信号的时间栅瓣， 提高了频率步进雷达体制的成像及检测性能，尤其适用于调频步进信号的低时间栅瓣一维成像
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种调频步进信号合成高分辨像栅瓣抑制方法，在不对系统参数设计提出苛刻要求情况下，有效抑制调频步进信号合成高分辨像的时间栅瓣，提高频率步进雷达的成像及检测性能。为了达到上述目的，本发明提供一种基于加权失配滤波的调频步进信号合成高分辨像栅瓣抑制方法，所述方法包括I)对采样离散化后的调频步进信号的回波信号在快时间维(采样维)进行加权失配滤波处理；其中，加权失配滤波处理所采用的加权函数需要满足如下条件+1)
aJ βι其中，Af为调频步进信号的步进间隔，B1为调频步进信号的子脉冲带宽，K为加权失配滤波时选取的加权函数相对于矩形窗的主瓣展宽系数；2)对步骤I)处理后的信号在慢时间维(PRT维)进行合成子距离像处理；3)对子距离像进行合成全程一维距离像处理。较佳地，所述步骤2)具体包括步骤S301 :对加权失配滤波后结果在慢时间维进行零插值处理；在参数设计时保证插值后点数Nzp与调频步进信号的步进间隔△ f 二者乘积为系统采样率的整数倍；步骤S302，对零插值后的信号在慢时间维上做IFFT处理，得到不同采样点上的子距离像。优选地，本步骤S302进行IFFT处理后得到M个距离长度为SRe = c/2Af的子距离像，子距离像中心位于Rk ;参数设计时满足δ R。> δ Rg的条件；其中，SRg = cTg/2为进行快时间维处理时的粗分辨单元，Tg为调频步进信号的采样间隔，c为光速;M为调频步进信号的采样点数；Rk = Rm+k · δ Rg为成像距离窗口内第k 个采样点对应的距离，Rffl为成像距离窗口起始位置。所述步骤3)具体包括步骤S401 :舍弃子距离像中距离段[_ δ Rg/2+Rk，δ Rg/2+Rk]以外部分，仅抽取子距离像高分辨谱线中以Rk为中心位置的个点，其中#，=7VvziA/为单采样点所代表距离对应的高分辨谱线个数；步骤S402 :将不同子距离像的抽取结果顺次拼接并进行取模操作，得到全程一维距离像。本发明与现有的合成高分辨像栅瓣抑制方法相比，具有以下有益效果(I)本发明将加权失配滤波技术用于调频步进信号合成高分辨像算法中，并设计
加权函数的主瓣展宽系数K满足条件I 2 +1)使得步进项栅瓣不落入调频项主瓣中，
有效抑制了频率步进信号的时间栅瓣，提高了频率步进雷达体制的成像及检测性能，尤其适用于调频步进信号的低时间栅瓣一维成像。本发明不需要精密设计子脉冲时宽、步进间隔、子脉冲带宽之间的关系，当调频步进信号的子脉冲时宽带宽积较大时，仍可以有效降低子脉冲间的频谱重叠和系统采样率从而放宽对参数设计的限制；(2)本发明在合成子距离像的插值过程中，设计插值后点数Nzp与调频步进信号的步进间隔△ f 二者乘积为系统采样率的整数倍，从而保证最终抽取结果的正确性(3)本发明在合成子距离像时，通过参数的设计(δ R。> δ Rg)保证相邻子距离像间不出现距离空隙；在抽取时以目标实际位置作为中心进行设定点数的抽取，在保证不同子距离像的抽取结果不会重叠的基础上，使得合成高分辨像时不破坏调频步进信号模糊函数所限定的信号内部结构关系，从而保证最终合成结果的正确性，可以有效降低调频步进信号一维成像结果的时间栅瓣；(4)实现简单、具有较强的实用性。
图I调频步进信号模糊函数主峰零多普勒切面图。
图2通过参数设计抑制调频步进信号模糊栅瓣示例图。
图3加权失配滤波抑制调频步进信号模糊栅瓣示例图。
图4基于加权失配滤波的合成高分辨处理原理框图。
图5快时间维加权失配滤波处理框图。
图6慢时间维合成子距离像处理框图。
图7合成全程一维距离像处理框图。
图8实施例中系统参数下实测数据合成高分辨像栅瓣抑制结果(左侧为常规合成
高分辨像算法结果，右侧为本发明栅瓣抑制后合成高分辨像结果)
具体实施例方式首先，结合附图I至附图3阐明本发明的基本思路。附图I、附图2、附图3均是调频步进信号模糊函数主峰零多普勒切面图，附图I是一般参数设计下的调频步进信号模糊函数主峰零多普勒切面图，附图2是通过参数设计方法抑制调频步进信号模糊栅瓣示例图，附图3是加权失配滤波抑制调频步进信号模糊栅瓣示例图。下面结合附图I、附图2、附图3对本发明的基本思路进行描述。假定频率步进信号起始载频为&，步进阶梯为△ f，步进点数为N，脉冲重复周期为 Te,脉冲重复频率为PRF，子脉冲脉宽为T，子脉冲带宽为B1,子脉冲调频斜率为k = B1A,第 η个子脉冲的载频为fn = fο+η Δ f, η = O, I, . . . , N-I ；目标初始距离为Rtl,目标径向速度 Ve ;采样间隔Tg，采样点数为Μ，成像窗口起点Tm，插值后的步进点数为Nzp，每组IFFT结果的抽取点数为。调频步进发射信号模型
其中，
⑶
调频步进信号模糊函数主峰零多普勒切面的表达式如下
其中，τ为两目标间的相对时延。式(4)中第一项由矩形包络产生，第二项由线性调频项产生，而第三项由频率步进项产生。前两项对最终模糊函数结果产生包络调制，而第三项引起栅瓣，栅瓣位置出现在Γ” = 士’ w = 士2,K ’int \-T ^I(5)—般参数设计下的调频步进信号模糊函数主峰零多普勒切面图如附图I所示，其左图为公式(4)中三项的分解图(即分别将三项画于图中)，右图实线给出了最终模糊图结果O已有方法抑制调频步进信号模糊栅瓣的一种基本思路为通过调整子脉冲时宽 T、步进间隔Af、子脉冲带宽B1三者关系将栅瓣位置处置零或使其小于一个较小的数值，如附图2所示。但这要求式(4)中的三项保证严格的位置关系，因此在实际应用到成像中时需要较高的采样率(通常为子脉冲带宽的10倍以上)以达到期望的栅瓣抑制效果，这使得工程实现代价太大，并不实用。另一种已有方法提出根据某种非线性法则改变不同脉冲间的频率步进量以打破式(4)中步进项时间周期性,从而实现频率步进信号的栅瓣抑制,但该方法实现过于复杂难以实际应用。由附图I可以很直观的看出，在保证式(4)中的步进项栅瓣不落入调频项主瓣中 (即B1 > Af)的前提下，只要能够压低调频项的旁瓣便可以有效的抑制一维成像结果的栅瓣，并且不需要保证严格的位置关系(不需要高采样率)。基于上述思想，本发明抑制调频步进信号模糊栅瓣的基本思路为通过加权失配滤波压低式(4)中调频子脉冲脉压结果旁瓣，进而最终抑制频率步进信号合成高分辨成像结果栅瓣。为更直观理解上述思想，附图3 给出一组参数下的仿真结果。其次，结合附图4至附图8阐明本发明的具体实施步骤。附图4是本发明在工程上实际实施的信号处理总框图，附图5、附图6、附图7为附图4的具体实现细化框图，附图8为本实施例中系统参数下的实测数据高分辨像栅瓣抑制结果图。参照附图，对本发明进行详细的描述。如图4所示，本发明算法以调频步进信号视频回波为输入，先后经过快时间维加权失配滤波处理、慢时间维合成子距离像处理、合成全程一维距离像处理3个大步骤，最终获得低栅瓣全程一维距离像。下面分步骤将本发明的原理和实现方法描述如下步骤SlOl，慢时间维对视频回波进行加权失配滤波处理。雷达发射机发射一组调频步进脉冲串信号，该信号经目标反射后，得到相对发射信号延迟为τ (t)的回波信号，将该回波信号与相参本振信号进行下变频处理，获得视频回波。假定成像距离窗口为[Rm，Rm+AR]，与其对应的成像时间窗口为[Tm，τ m+ Δ τ ], 其中Rm为起始距离，AR为成像窗口大小，Tm = 2Rm/c, Δ τ = 2 Δ R/c ;粗分辨单元为SRg =cTg/2。每个PRT在成像窗口内以采样间隔Tg对回波信号进行采样，距离窗口内的不同采样点对应的距离为 Rk = Rm+k δ Rg，其中，k = 0，1，. . .，M_1 并且 M = int ( Λ R/ δ Rg)，int ( ·) 代表取整操作。采样后每帧频率步进信号形成NXM维回波矩阵。分别对N个不同PRT的回波信号在快时间维上(采样维上)做加权失配滤波处理。下面结合图5对该步骤的具体实现流程进行描述。步骤S201，由式(I)经下变频处理后可得调频步进信号的视频回波表达式如下
权利要求
1.一种调频步进信号合成高分辨像栅瓣抑制方法，其特征在于，其具体包括如下步骤1)对采样离散化后的调频步进信号的回波信号在快时间维进行加权失配滤波处理； 所述加权失配滤波处理所采用的加权函数满足如下条件 其中，Af为调频步进信号的步进间隔，B1为调频步进信号的子脉冲带宽，K为所述加权函数相对于矩形窗的主瓣展宽系数；2)对加权失配滤波处理后结果在慢时间维进行合成子距离像处理；3)对子距离像进行合成全程一维距离像处理。
2.如权利要求I所述的方法，其特征在于，所述步骤2)具体包括步骤S301 :对加权失配滤波后结果在慢时间维进行零插值处理；在参数设计时保证插值后点数Nzp与调频步进信号的步进间隔△ f 二者乘积为系统采样率的整数倍；步骤S302，对零插值后的信号在慢时间维上做IFFT处理，得到不同采样点上的子距离像。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤S302进行IFFT处理后得到M个距离长度为SR。= c/2 Af的子距离像，子距离像中心位于Rk;参数设计时满足SR。〉SRg的条件；其中，δ Rg = cTg/2为进行快时间维处理时的粗分辨单元，Tg为调频步进信号的采样间隔，c为光速；M为调频步进信号的采样点数；Rk = Rm+k · δ Rg为成像距离窗口内第k个采样点对应的距离，Rffl为成像距离窗口起始位置。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤3)具体包括步骤S401 :舍弃子距离像中距离段[_ δ Rg/2+Rk，δ Rg/2+Rk]以外部分，仅抽取子距离像高分辨谱线中以Rk为中心位置的个点，其中#，=7VvziA/为单采样点所代表距离对应的高分辨谱线个数；步骤S402 :将不同子距离像的抽取结果顺次拼接并进行取模操作，得到全程一维距离像。
全文摘要
本发明公开了一种调频步进信号合成高分辨像栅瓣抑制方法，首先对采样离散化后的调频步进信号的回波信号在快时间维进行加权失配滤波处理，加权函数满足的条件，Δf为调频步进信号的步进间隔，B1为调频步进信号的子脉冲带宽，K为加权函数相对于矩形窗的主瓣展宽系数；对加权失配滤波处理后结果在慢时间维进行合成子距离像处理，对子距离像进行合成全程一维距离像处理。使用本发明能够在不对系统参数设计提出苛刻要求情况下，有效抑制调频步进信号合成高分辨像的时间栅瓣，提高频率步进雷达的成像及检测性能。
文档编号G01S13/00GK102608594SQ20121007452
公开日2012年7月25日 申请日期2012年3月20日 优先权日2012年3月20日
发明者刘泉华, 刘海波, 曾大治, 曾涛, 李玉东, 毛二可, 龙腾 申请人:北京理工大学