雷达目标一维全极化特征提取方法

作者:刘勇;梁伟;周宏潮;王同权;齐照辉 刊名:信号处理 上传者:邓建军

【摘要】雷达目标的高分辨和全极化信息在微波遥感、目标分类、识别等领域具有重要应用。为准确提取运动目标一维全极化高分辨散射特征,基于同时极化测量体制原理,设计了全极化正交频分复用(OFDM)波形,并给出了对应的信号处理算法。首先,建立了全极化OFDM雷达的发射信号和接收信号模型,利用子载波正交性消除不同极化通道间的互扰;然后,利用全极化MUSIC(P-MUSIC)算法得到一维距离像,提取出散射中心的全极化信息,并分析了目标运动对波形正交性能的影响;最后,利用某目标模型的暗室测量数据进行仿真实验,验证了相关处理算法的有效性,分析了测量性能。该研究对于设计新体制极化成像雷达具有参考意义。

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1引言雷达目标的高分辨和全极化信息在微波遥感、目标识别等领域具有重要应用[1-5]。一方面,目标高分辨信息反映出长度、尺寸及外形等几何特征[1];另一方面,目标极化信息描述了表面粗糙度、对称度及空间指向等特征[2-5]。目前,主要有两种极化测量体制分时极化体制和同时极化体制[6]。分时极化测量体制通过“交替发射、同时接收”水平(H)和垂直(V)极化信号,在连续两个脉冲重复周期内获得目标的全极化特征。然而,对于运动目标而言,雷达视线在两次观测期间可能发生了变化,从而使目标极化散射矩阵(Polariza-tionScatteringMatrix,PSM)的两列元素测量值之间引入去相关效应[7]。为此,D.Giuli、S.D.Howard、L.P.Ligthart及王雪松等人研究了同时极化测量体制[6-11]。这种体制通过在H、V极化通道“同时发射、同时接收”两路正交(准正交)编码信号,仅在一个脉冲重复周期内即可测量目标的瞬时极化散射矩阵。文献[6-10]分析了频移脉冲矢量波形、正负斜率LFM波形及双二相编码波形的测量性能;文献[11]设计正交相位编码波形用于测量目标的极化散射矩阵,着重分析了该波形的检测性能;法国ONERA设计的MERIC雷达采用该种体制来获取飞机目标的全极化图像[12]。然而,同时极化测量体制当前还主要限于窄带应用,远不能满足防空监视、战场侦查等的迫切需求。尽管宽带正负斜率LFM矢量波形可用于获取目标全极化雷达图像[7,12],但该波形并不能完全消除波形互扰,且对于运动目标会引入“多普勒-延时”耦合误差。因此,基于正交频分复用(OrthogonalFrequencyDiversionMultiplex,OFDM)的基本原理,设计了全极化OFDM波形,用于获取目标一维全极化信息。全文结构安排如下:第1部分是引言;第2部分建立了全极化OFDM波形的发射信号和接收信号模型;第3部分给出了P-MUSIC算法处理流程,分析了目标运动对子载波正交性的影响;第4部分利用某目标模型的暗室测量数据进行仿真实验,验证了该波形及信号处理算法的有效性;第5部分是结论。2信号模型OFDM波形作为一种新的多载波波形,近年来在雷达目标检测、目标成像领域引起广泛关注[13-16]。当极化雷达同时发射两路具有不同调制特性的OFDM波形时,构成了全极化OFDM波形。2.1发射信号模型极化基记作(H,V),H、V极化通道的两路OFDM波形均由K个不同加权的子载波构成。在H极化通道,第k个子载波的频率为kf,加权系数为ak,ak=1;在V极化通道,第k个子载波的频率为kf+f,加权系数为bk,bk=1,k=0,…,K-1。这样,两路基带OFDM波形表示成eH(t)=1"pK-1k=0akexp(j2!kft)rectt"?p?eV(t)=1"pK-1k=0bkexp[j2!(kf+f)t]rectt"?p(1)其中f是测量频率间隔,信号带宽B=Kf,f是H、V极化通道的子载波频率间隔,rect(t/"p)是脉宽为"p的矩形脉冲包络,即rect(t/"p)=1,t"p/20,{else。为降低OFDM波形的峰值平均功率比(PAPR),H、V极化通道的第k个子载波的复加权系数分别取[14]ak=expj!k2?Kbk=a*k=exp-j!k2?K(2)对式(1)中的基带信号作傅里叶变换,得到两路信号频谱为EH(f)=K-1k=0aksinc[!(f-kf)"p]EV(f)=K-1k=0bksinc[!(f-kf-f)"p{](3)其中sinc(x)=sin(x)/x。为满足子

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