高分辨成像算法的响应耗时和误差分析

成像过程必须在满足预设探测精度的同时尽可能简化算法处理流程，使得整体响应能够满足弹载平台实时性要求。针对书中所涉及的相关信号处理算法的实际耗时与效率优化方案进行详细研究，得到影响实时性的主要因素。在信号处理环节中输入目标区域回波信号数据，根据回波数据从方位向与距离向两方面对区域中的高分辨目标进行定位与定距。从构建前视探测信号时域波形方面以及方位向高分辨测角算法迭代优化方面，分析整体响应耗时并制订相应的优化方案。

1.随机相位调制范围对整体响应耗时的影响

在构建探测器高分辨探测信号时，采用随机相位调制的方法提升瞬时探测信号的复杂程度，从而使探测器能够在单一探测过程中获取更多目标区域内的有效信息。但在增加发射信号复杂程度的同时，在截获目标回波时也同样会增加信号处理模块的“负担”，表现为信号处理耗时的增加，同样不利于实现弹载平台的实时性要求。

当弹载探测器前视探测信号相位调制范围越大时，最终求解得到的目标分辨率越高。相位调制范围由［-π／3，π／3］增大至［-π，π］时，相比于未调制探测信号，目标区域强散射点探测分辨率提升巨大；但是与已经进行相位调制的探测结果相比，增大调制范围的确能够提升探测分辨率，都能够达到预设探测分辨率，因此在探测天线阵元前端输出发射信号时，随机相位调制范围应与能够达到探测器预设分辨率相匹配。随机相位调制范围与重构数据量都会影响探测器整体响应耗时，为提升探测器整体响应速率，随机相位调制范围保持在［-π／3，π／3］。

2.方位向高分辨测角算法迭代次数对整体响应耗时的影响

为实现方位向高分辨测角必须增加迭代次数用于解算获得距离维内最优MRC，从而提升距离维内高分辨角度分辨能力。结合单脉冲测角技术提出的基于自适应最优MRC的高分辨测角算法中，并没有包含较多的复杂计算模式，因此影响算法响应耗时的主要因素就是在求解OMRC时的迭代造成的重复计算耗时。判定是否达到OMRC步骤同样也是判定是否停止迭代算法的重要环节，在设定判定条件时应考虑测角算法的整体响应耗时。

现针对高分辨成像算法的整体响应耗时，对比传统前视高分辨探测模式以及相对应的信号处理算法，探究本章提出算法的实时性。首先将高分辨成像算法进行分解，利用相同的仿真条件对测角与定距算法的耗时与传统算法进行比较；然后将整体算法与实波束扫描成像算法响应耗时进行比较，以说明算法在实时性方面的优势。仿真结果如图6-11所示。

图6-11　不同相位调制范围对于响应的影响

（a）相位调制前后响应耗时；（b）不同调制范围信干比；（c）不同调制范围分辨误差(www.xing528.com)

为探究随机相位调制范围对算法响应耗时的影响，针对随机调制信号以及非随机调制信号的响应耗时进行了研究，在不同的SNR条件下进行蒙特卡洛仿真，验证不同调制信号的响应耗时、信干比（Signal to Interference Ratio，SIR）、探测误差之间的关系。待测目标区域内有2个强散射点，方位向存在5°的间隔，处于同一距离维。如图6-11（a）所示，非随机调制信号的响应耗时总体较小；其中，经过相位调制的探测信号响应耗时稳定在1 ms，而非调制信号稳定在0.2 ms，这是由于在信号产生与发射的过程中产生的时间延迟。随后又针对不同调制范围的相位调制信号的SIR（信干比）与RMSE（均方根误差）进行了研究。如图6-11（b）、（c）所示，相比于较大的［-π／2，π／2］相位调制范围，［-π／3，π／3］调制范围的探测信号并未体现出较大的劣势，在定距RMSE结果中最大误差出现在SNR为0 dB处，误差约为0.75 m，仍处于弹载探测器预设分辨率误差范围之内。

方位向的高分辨测角算法迭代次数对于整体响应耗时的影响更加直接，实现方位向的聚焦主要通过回波信号处理过程中的迭代算法，通过迭代不断修正同一距离维内的MRC。在不同的迭代次数条件下进行蒙特卡洛分析，探究迭代次数与响应耗时的关系，仿真结果如图6-12所示。

图6-12　不同迭代次数方位向测角耗时与误差

（a）不同迭代次数测角耗时

图6-12　不同迭代次数方位向测角耗时与误差（续）

（b）不同迭代次数方位向误差

利用不同迭代次数（3次、5次与8次）的方位向高分辨测角算法进行仿真实验。首先在不同的SNR条件下探究迭代次数与测角算法响应耗时的影响，与理论推导相符，当迭代次数增加时不同SNR下的测角算法响应耗时增加，如图6-12（a）所示，迭代次数达到8次时，算法的平均响应耗时最大，当SNR逐渐增大时，算法响应耗时稳定在1.5 ms。如图6-12（b）所示，当迭代次数增加时，方位向误差逐渐降低，经过8次迭代，方位向误差稳定在0.6 m。