高波束銳化及使用分析范文
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并且計(jì)算負(fù)荷較低的成像模式——多普勒波束銳化(DBS)被廣泛應(yīng)用于火控雷達(dá)中。為了獲得高波束銳化比。某型火控雷達(dá)是一部多功能、全相參的脈沖多普勒雷達(dá)。
關(guān)鍵詞：脈沖多普勒雷達(dá)，多普勒波束，銳化比
現(xiàn)代戰(zhàn)斗機(jī)往往擔(dān)負(fù)著多種任務(wù)，一般都采用脈沖多普勒火控雷達(dá)。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)地面場(chǎng)景的二維高分辨率成像，一種可以在前側(cè)視大范圍掃描條件下進(jìn)行成像，并且計(jì)算負(fù)荷較低的成像模式——多普勒波束銳化(DBS)被廣泛應(yīng)用于火控雷達(dá)中。采用該項(xiàng)技術(shù)后，在距離不變的條件下，分辨能力可以得到數(shù)十倍的提高。
1多普勒波束銳化技術(shù)
1.1基本原理
多普勒波束銳化的基本原理就是將一個(gè)天線的真實(shí)波束，在方位上分割成若干子波束，由于各子波束與雷達(dá)載體速度矢量的夾角不同，因而各子波束照射的目標(biāo)相對(duì)于雷達(dá)的徑向運(yùn)動(dòng)速度亦不同，從而導(dǎo)致了各子波束所照射的目標(biāo)間的多普勒頻率差異。
如所示，假定雷達(dá)以載機(jī)速度ν沿水平方向（X軸）作勻速直線飛行，雷達(dá)波束3dB方位寬度Δθ，雷達(dá)波束視線指向與地面交點(diǎn)為P，與載機(jī)速度矢量ν的夾角（即斜視角）為Ф，方位角為θ，俯仰角為ε。在t=0時(shí)刻，雷達(dá)位于A點(diǎn)，它與P點(diǎn)之間的斜距為R0，在t時(shí)刻雷達(dá)運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)，到P點(diǎn)的斜距為R（t）。根據(jù)余弦定理，可從三角形ABP中求出任意瞬間t時(shí)刻雷達(dá)到P點(diǎn)的斜距：
表明：在雷達(dá)波束照射區(qū)城內(nèi)，距離相同但方位θ不同的散射體所產(chǎn)生的回波信號(hào)具有不同的多普勒頻率fd；距離R0、方位θ一定的散射體，其多普勒頻率fd又是時(shí)間t的線性函數(shù)，隨著t的增大，多普勒頻率fd線性降低。。它們之間的關(guān)系如圖2所示，其中Td為積累時(shí)間。
若在頻域內(nèi)設(shè)置一個(gè)窄帶濾波器組，使各個(gè)窄帶濾波器的中心頻率和帶寬都與相應(yīng)各子波束中心方位線的多普勒頻率和子波束覆蓋的多普勒頻率一一對(duì)應(yīng)，就可區(qū)分天線真實(shí)波束覆蓋的（方位）角度內(nèi)距離相同而方位不同的各子波束照射的目標(biāo)回波信號(hào)，從而達(dá)到改善方位分辨率的目的。
fd與θ和t的關(guān)系曲線
由以上分析可知，DBS技術(shù)正是利用了回波中的多普勒信息，通過(guò)頻域的高分辨率處理，等效地對(duì)真實(shí)天線波束進(jìn)行分割，這正是人們稱(chēng)之為“多普勒波束銳化”的原因。
1.2波束銳化比
對(duì)天線真實(shí)波束進(jìn)行銳化，銳化比的大小就是真實(shí)的波束寬度與分割后的子波束寬度之比。根據(jù)回波積累時(shí)間Ta的不同，波束銳化可以分為低銳化比和高銳化比兩種情況。當(dāng)回波積累的時(shí)間比較短，不同重復(fù)周期回波的多普勒頻率fd隨t的線性變化沒(méi)有超出單個(gè)多普勒窄帶濾波器的帶寬范圍，可以不進(jìn)行補(bǔ)償而直接相加。在這種情況下多普勒窄帶濾波器的帶寬比較大，于是相應(yīng)的子波束的寬度也較大，因此銳化比較低。與低銳化比的波束銳化相對(duì)應(yīng)，在對(duì)不同重復(fù)周期的回波進(jìn)行積累時(shí)，對(duì)隨時(shí)間t作線性變化多普勒頻率fd進(jìn)行補(bǔ)償，使補(bǔ)償后頻率不隨t而變化，這時(shí)相應(yīng)的多普勒窄帶濾波器的帶寬可以做得很窄，而且積累時(shí)間也比較長(zhǎng)，此時(shí)就可以達(dá)到很高的波束銳化比。
1.3頻率補(bǔ)償
為了獲得高波束銳化比，必須進(jìn)行頻率補(bǔ)償。如圖3所示，首先采用一個(gè)頻率可變的本振同接收到的含有多卜勒頻率的視頻回波進(jìn)行混頻，本振頻率隨時(shí)間變化的斜率應(yīng)當(dāng)?shù)扔谏⑸潴w回波中多普勒頻率變化的斜率，從而使得混頻器輸出為對(duì)應(yīng)于不同散射體的一組固定的頻率，再通過(guò)一個(gè)多普勒濾波器組即可以將它們分辨開(kāi)。
當(dāng)雷達(dá)工作在低銳化比狀態(tài)時(shí)，由于積累和處理時(shí)間很短，在整個(gè)積累和處理期間內(nèi)，一個(gè)散射體的多普勒頻率變化不會(huì)超過(guò)一個(gè)多普勒濾波器的頻率范圍。。這樣，不必進(jìn)行頻率補(bǔ)償，采用一般本振和適當(dāng)設(shè)計(jì)的多普勒濾波器組即可實(shí)現(xiàn)頻率分辨。
頻率補(bǔ)償原理框圖
2DBS的信號(hào)處理過(guò)程
所示，經(jīng)過(guò)正交相位檢波后的中頻回波信號(hào)由A／D變換成數(shù)字信號(hào)進(jìn)入輸入緩存。由于采用波束銳化技術(shù)，沿方位方向的分辨率是通過(guò)對(duì)每一距離上的回波信號(hào)進(jìn)行多普勒分割而獲得的，因此，從輸入緩存區(qū)取出的信號(hào)是落入同一距離門(mén)內(nèi)且間隔為脈沖重復(fù)周期的回波信號(hào)。輸入緩存區(qū)的設(shè)計(jì)主要為保證具有不同速度的存入和取出應(yīng)保持正確的相對(duì)關(guān)系。
預(yù)濾波的目的在于降低對(duì)數(shù)字處理器的要求。由此可以采用緩沖電路，讓回波數(shù)據(jù)高速存儲(chǔ)進(jìn)入，低速取出，只要取出周期不大于脈沖重復(fù)周期即可，這樣對(duì)存儲(chǔ)量和運(yùn)算速率的要求可以降低。
波束銳化濾波器事實(shí)上就是由FFT所等效的一個(gè)多普勒濾波器組，它可以根據(jù)各子波束回波的多普勒頻率的不同來(lái)區(qū)分開(kāi)各子波束所對(duì)應(yīng)的回波，從而實(shí)現(xiàn)波束的分割，達(dá)到提高雷達(dá)方位分辨能力的目的。為了提高成像質(zhì)量，在波束銳化濾波器中應(yīng)采用加權(quán)和運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)却胧越档投嗥绽张园甑南嗷ビ绊懸约俺上衿陂g由于載機(jī)的運(yùn)動(dòng)或天線的掃描運(yùn)動(dòng)所引起的圖像的退化。
輸出端處理主要完成坐標(biāo)變換和圖像連接，以便不損失前面處理過(guò)程中所獲得的高分辨率和視覺(jué)效果，并且保證相繼處理的圖像在積累關(guān)系上和幾何關(guān)系上都能正確連接起來(lái)，以構(gòu)成一幅完整的圖像。
波束銳化的信號(hào)處理過(guò)程
在以上介紹波束銳化信號(hào)處理的過(guò)程中，僅討論了如何在同一距離環(huán)帶區(qū)域內(nèi)提高方位分辨率的問(wèn)題。當(dāng)采用鄰接的距離門(mén)進(jìn)行分割之后，按以上方法對(duì)每個(gè)距離門(mén)的信號(hào)依次進(jìn)行處理，即可得到二維地圖。
3DBS在某型火控雷達(dá)的應(yīng)用
某型火控雷達(dá)是一部多功能、全相參的脈沖多普勒雷達(dá)，具有空空和空面兩種工作方式。在對(duì)地面和海面進(jìn)行地圖測(cè)繪時(shí)，為了獲得高分辨率的圖像，采用了多普勒波束銳化技術(shù)。其部分技術(shù)指標(biāo)如表1所示。
某型雷達(dá)地圖測(cè)繪部分技術(shù)指標(biāo)
搜索區(qū)域極限方位方位分辨率
真實(shí)波束測(cè)繪±45°（方位角范圍±60°）2.4°
低銳化比狀態(tài)30°（方位角范圍±(10-60)°）6ˊ
高銳化比狀態(tài)8°（方位角范圍±(30-60)°）1.5ˊ
由前面的分析可以看出，一方面，隨著載機(jī)不斷向前運(yùn)動(dòng)，對(duì)于載機(jī)前側(cè)方的同一個(gè)目標(biāo)來(lái)講，方位角θ在不斷增大；另一方面，通過(guò)對(duì)公式（6）進(jìn)行求導(dǎo)得到：隨著方位角θ的增大，多普勒頻率fd變化越明顯，在較短的時(shí)間內(nèi)就會(huì)超出單個(gè)多普勒窄帶濾波器的帶寬范圍，如果需要對(duì)局部地區(qū)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的精確測(cè)繪，必須對(duì)其進(jìn)行頻率補(bǔ)償。
因此，該火控雷達(dá)在地圖測(cè)繪的過(guò)程中，首先使用真實(shí)波束測(cè)繪來(lái)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。真實(shí)波束地圖測(cè)繪方式用于粗略識(shí)別大型地面目標(biāo)，它的范圍為機(jī)頭兩側(cè)±60的區(qū)域，角度分辨率基本上與天線波束寬度一致。接下來(lái)對(duì)感興趣的區(qū)域（機(jī)頭兩側(cè)±(10-60)°范圍內(nèi)選擇30°）使用低銳化比的多普勒波束銳化，為飛行員提供較為細(xì)致的目標(biāo)顯示，分辨率改進(jìn)數(shù)倍，即波束銳化大約為24：1，但不進(jìn)行頻率補(bǔ)償，掃描時(shí)間較短。。如果此時(shí)發(fā)現(xiàn)了目標(biāo)，由于載機(jī)的向前運(yùn)動(dòng)使得目標(biāo)方位角θ增大，于是可以對(duì)目標(biāo)區(qū)域（機(jī)頭兩側(cè)±(30-60)°范圍內(nèi)選擇8°），采用高銳化比的工作方式，對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間的掃描，為飛行員提供局部地區(qū)更為細(xì)致的、接近空中攝影的地貌、地物圖形，波束銳化比可以達(dá)到96：1，從而保證有效可靠地辨識(shí)目標(biāo)。
4結(jié)束語(yǔ)
通過(guò)對(duì)該雷達(dá)設(shè)備的分析可知，實(shí)現(xiàn)DBS的信號(hào)處理機(jī)僅比距離門(mén)PD雷達(dá)的數(shù)字信號(hào)處理機(jī)復(fù)雜一些，它是由采用一系列的微處理機(jī)芯片和一些其它的輔助器件組成的位片式微計(jì)算機(jī)。在飛行過(guò)程中，可以在不到2秒的時(shí)間內(nèi)提供一幅高分辨率的雷達(dá)地圖，從而滿足了戰(zhàn)術(shù)使用的要求。