王 磊，胡萬(wàn)坤

(1.海軍駐南京924 廠軍事代表室，211000;2.中國(guó)航船重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京 210003)

0 引言

現(xiàn)代高科技戰(zhàn)爭(zhēng)，對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)性能提出了越來(lái)越高的要求，除了能探測(cè)目標(biāo)并測(cè)量其空間位置參數(shù)外，還要求對(duì)所探測(cè)到的目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別。增加雷達(dá)信號(hào)帶寬，提高距離分辨率，是實(shí)現(xiàn)目標(biāo)識(shí)別的方法之一。

頻率步進(jìn)技術(shù)是利用多個(gè)窄帶信號(hào)來(lái)合成寬帶信號(hào)，在獲得高距離分辨力的同時(shí)降低對(duì)雷達(dá)接收及處理的要求，因此受到了廣泛的關(guān)注。

1 頻率步進(jìn)合成寬帶原理［1-2］

頻率步進(jìn)信號(hào)由一串載頻跳變的雷達(dá)脈沖組成，回波信號(hào)為目標(biāo)的頻域響應(yīng)。只要發(fā)射的信號(hào)波形有足夠的帶寬，通過(guò)IFFT處理就可以孤立目標(biāo)的強(qiáng)散射中心，從而獲得距離高分辨率。

當(dāng)子脈沖采用線性調(diào)頻信號(hào)時(shí)，設(shè)頻率步進(jìn)信號(hào)的總帶寬為B，子脈沖的個(gè)數(shù)為N，脈沖重復(fù)周期為T(mén)r，子脈沖寬度為T(mén)p，相鄰子脈沖間的頻率增量△f=B/N，調(diào)頻斜率K=△f/Tp。設(shè)第一個(gè)子脈沖的中心頻率為f0，則第i+1個(gè)子脈沖的中心頻率為

故線性調(diào)頻子脈沖頻率步進(jìn)雷達(dá)信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式為

設(shè)目標(biāo)延時(shí)為τ，將目標(biāo)回波與發(fā)射脈沖載頻相同的相參本振信號(hào)進(jìn)行混頻，這時(shí)輸出視頻信號(hào)為

視頻回波可以分解為兩部分:一部分是因子

第1個(gè)指數(shù)項(xiàng)是常量，第2個(gè)指數(shù)項(xiàng)可以看成時(shí)間點(diǎn)為τ、頻率成線性變化的頻域信號(hào)。對(duì)該式作IFFT 運(yùn)算并求模，即可得到目標(biāo)距離高分辨率一維像。

線性調(diào)頻-頻率步進(jìn)雷達(dá)回波信號(hào)首先在各個(gè)PRT 內(nèi)進(jìn)行線性調(diào)頻脈沖壓縮，然后在脈沖壓縮后進(jìn)行PRT 之間IFFT處理。信號(hào)處理框圖如圖1所示。

圖1 線性調(diào)頻-頻率步進(jìn)雷達(dá)信號(hào)處理框圖

2 數(shù)字陣列雷達(dá)中頻率步進(jìn)合成寬帶過(guò)程

2.1 頻率變化對(duì)天線波束指向的影響［3］

相控陣天線波束指向取決于“陣內(nèi)相位差”與“空間相位差”的平衡。若陣內(nèi)相位采用移相器技術(shù)，陣內(nèi)移相值不隨頻率變化。當(dāng)信號(hào)頻率由f0變?yōu)閒0+△f時(shí)，波束指向會(huì)發(fā)生偏移。設(shè)相控陣天線波束指向?yàn)棣菳，信號(hào)頻率變化引起波束指向偏移為

式中，f0為中心頻率，△f為偏移頻率，θB為掃描角。

由式(6）可見(jiàn)，信號(hào)頻率變化引起的波束指向偏移△θf(wàn)會(huì)隨掃描角θB和信號(hào)帶寬△f的變化而增加。通常對(duì)△f的限制條件為

式中，△fmax為信號(hào)偏移頻率，△θ1/2為波瓣在陣面法線方向的半功率點(diǎn)寬度。

2.2 天線孔徑渡越時(shí)間的影響［3］

天線孔徑渡越時(shí)間:

當(dāng)孔徑渡越時(shí)間TA0大于信號(hào)帶寬△fmax的倒數(shù)τ時(shí)，對(duì)發(fā)射陣列，陣列兩端天線單元所輻射信號(hào)將不能同時(shí)到達(dá)θB方向上的目標(biāo);對(duì)接收陣列，陣列兩端天線單元所接收到的信號(hào)將不能同時(shí)相加。

式(9）表明，天線孔徑增大與波束掃描角增加均會(huì)限制信號(hào)帶寬。

2.3 數(shù)字陣列雷達(dá)中頻率步進(jìn)合成寬帶過(guò)程

發(fā)射時(shí)，基于DDS技術(shù)所產(chǎn)生的信號(hào)，與子脈沖本振混頻、放大后經(jīng)天線陣元輻射到空中;在信號(hào)產(chǎn)生時(shí)，需對(duì)子脈沖信號(hào)進(jìn)行時(shí)間延遲、相位控制，實(shí)現(xiàn)發(fā)射通道的幅相修正、陣面天線孔徑渡越時(shí)間補(bǔ)償，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)分布式發(fā)射的空間能量合成。

接收時(shí)，天線陣元接收目標(biāo)回波，經(jīng)低噪聲放大、與子脈沖本振相參混頻、A/D 變換、數(shù)字下變頻后獲得基帶I、Q信號(hào)。每個(gè)接收通道對(duì)應(yīng)的基帶I、Q信號(hào)要進(jìn)行接收通道的幅相修正、陣面天線孔徑渡越時(shí)間補(bǔ)償、DBF、數(shù)字脈沖壓縮、目標(biāo)速度補(bǔ)償，再通過(guò)IFFT計(jì)算，獲得目標(biāo)高距離分辨的一維距離像。頻率步進(jìn)技術(shù)在數(shù)字陣列雷達(dá)中應(yīng)用的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖見(jiàn)圖2。

圖2 頻率步進(jìn)技術(shù)在數(shù)字陣列雷達(dá)中應(yīng)用的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖

2.4 頻率步進(jìn)工作參數(shù)的設(shè)計(jì)依據(jù)

當(dāng)雷達(dá)選擇頻率步進(jìn)工作方式時(shí)，目標(biāo)相對(duì)雷達(dá)距離R、方位θ、仰角ψ、速度ν、目標(biāo)可能的最大長(zhǎng)度E、雷達(dá)最小距離分辨力要求 必須是明確的。

2.4.1 △f、N、Tr的選取

(1）為了避免在合成距離輪廓中出現(xiàn)重疊，IFFT細(xì)化后的單點(diǎn)不模糊距離Ru大于等于目標(biāo)可能的最大長(zhǎng)度E，即

(2）根據(jù)雷達(dá)最小距離分辨率△r 確定N

(3）根據(jù)目標(biāo)距離R 確定Tr

2.4.2 子脈沖寬度τ的選擇

為保證回波脈沖內(nèi)包含目標(biāo)的全部信息，必須保證脈沖寬度大于目標(biāo)的徑向最大長(zhǎng)度τ≥2E/c;對(duì)于窄帶雷達(dá)，存在距離測(cè)量精度，在選擇脈寬時(shí)要加大。

同時(shí)，要求IFFT后的單點(diǎn)不模糊距離Ru必須大于等于單脈沖距離分辨力，即τ≥1/△f，才能保證多散射點(diǎn)目標(biāo)成像后處于一個(gè)不模糊距離單元內(nèi)，避免該距離范圍外的其他目標(biāo)折疊進(jìn)來(lái)，造成距離像的失真。

脈寬τ的選擇還要考慮發(fā)射信號(hào)的平均功率，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)結(jié)合發(fā)射機(jī)功率和目標(biāo)距離綜合考慮;為了提高發(fā)射信號(hào)的平均功率，采用脈內(nèi)調(diào)頻信號(hào)增加發(fā)射脈寬，要求τ'≤1/△f。

2.4.3 采集、處理波門(mén)

由目標(biāo)所在的距離R、方位θ信息決定了頻率步進(jìn)所分析數(shù)據(jù)的距離、方位波門(mén)中心位置。

2.4.4 子脈沖的布相參數(shù)

由陣面口徑、陣元分布及目標(biāo)所在仰角ψ，決定了各個(gè)子脈沖下的天線孔徑渡越時(shí)間補(bǔ)償參數(shù)及DBF系數(shù)。

2.4.5 目標(biāo)速度補(bǔ)償

依據(jù)所測(cè)目標(biāo)速度ν，進(jìn)行子脈沖的多普勒速度補(bǔ)償，克服目標(biāo)速度對(duì)頻率步進(jìn)合成時(shí)回波峰值時(shí)移、回波能量發(fā)散的影響。

2.5 波束駐留時(shí)間需求

采用頻率步進(jìn)工作時(shí)，雷達(dá)在目標(biāo)上需要足夠的駐留時(shí)間。駐留時(shí)間與目標(biāo)的距離、目標(biāo)的尺寸以及距離分辨力的要求等都有關(guān)系。

考慮雷達(dá)測(cè)距精度、目標(biāo)尺寸估值精度以及單點(diǎn)不模糊距離窗的要求，實(shí)際頻率步進(jìn)量△f 通常要小于目標(biāo)尺寸E所決定的頻率步進(jìn)量?？紤]目標(biāo)測(cè)距模糊，重復(fù)周期Tr通常要大于目標(biāo)距離R所決定的重復(fù)周期。

(1）假設(shè)目標(biāo)為艦船，目標(biāo)尺寸為150 m，單點(diǎn)不模糊距離窗選擇200 m，波束駐留時(shí)間如表1所示。

(2）假設(shè)目標(biāo)為戰(zhàn)斗機(jī)，目標(biāo)尺寸30 m，單點(diǎn)不模糊距離窗選擇75 m，波束駐留時(shí)間如表2所示。

表1 艦船目標(biāo)的波束駐留時(shí)間計(jì)算

表2 飛機(jī)目標(biāo)的波束駐留時(shí)間計(jì)算

3 仿真分析

由于雷達(dá)系統(tǒng)多頻點(diǎn)間的差異、雷達(dá)天線方向圖的調(diào)制、目標(biāo)姿態(tài)角的變化、旋翼及發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的微多普勒調(diào)制會(huì)帶來(lái)回波幅度、相位起伏，子脈沖間的幅相偏差對(duì)頻率步進(jìn)合成效果會(huì)帶來(lái)影響。

由文獻(xiàn)［4-7］可知，頻率步進(jìn)信號(hào)是一種多普勒敏感信號(hào)，目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度會(huì)帶來(lái)回波峰值的時(shí)移、回波能量的發(fā)散，時(shí)移和發(fā)散的程度與目標(biāo)速度成正比，因此需要對(duì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行補(bǔ)償，而速度補(bǔ)償?shù)木葲Q定頻率步進(jìn)的合成效果。

3.1 艦船目標(biāo)仿真分析

假設(shè)目標(biāo)距離45 km，目標(biāo)尺寸150 m;在45.003、45.025、30.060、30.100和30.140 km處有5個(gè)強(qiáng)散射點(diǎn)，RCS分別2、5、20、10和1 m2，回波信噪比大于17 dB;頻率步進(jìn)參數(shù)Tr=400 μs，△f=0.75 MHz，波束駐留時(shí)間為80 ms。

當(dāng)不存在幅相偏差、速度補(bǔ)償偏差時(shí)，仿真波形如圖3所示。

當(dāng)幅度起伏為1 dB、相位起伏為2°、不存在速度補(bǔ)償偏差時(shí)，仿真波形如圖4所示?？梢钥闯?，幅相誤差會(huì)使合成處理后的輸出副瓣抬高，同時(shí)產(chǎn)生虛假目標(biāo)。

圖3

圖4

3.2 飛機(jī)目標(biāo)仿真分析

假設(shè)目標(biāo)距離為30 km，目標(biāo)速度為300 m/s，目標(biāo)尺寸為30 m，在30.003、30.015和30.024 km處有3個(gè)強(qiáng)散射點(diǎn)，RCS分別為5、10和5 m2，回波信噪比大于17 dB;頻率步進(jìn)參數(shù)Tr=250 μs，△f=2.0 MHz，波束駐留時(shí)間為18.75 ms。

當(dāng)不存在幅相偏差、不存在速度補(bǔ)償偏差時(shí)，仿真波形如圖5所示。

當(dāng)幅度起伏為1 dB、相位起伏為2°且不存在速度補(bǔ)償偏差時(shí)，仿真波形如圖6所示?？梢钥闯?，幅相誤差會(huì)使合成處理后的輸出副瓣抬高，同時(shí)產(chǎn)生虛假目標(biāo)。

當(dāng)不存在幅相偏差、速度補(bǔ)償偏差為50 m/s時(shí)，仿真波形如圖7所示?？梢钥闯?，經(jīng)過(guò)速度補(bǔ)償，目標(biāo)距離像不存在發(fā)散現(xiàn)象，但存在距離走動(dòng)，引起目標(biāo)像的測(cè)距誤差。

當(dāng)幅度起伏為1 dB、相位起伏為2°且速度補(bǔ)償偏差為50 m/s時(shí)，仿真波形如圖8所示。可以看出，合成距離輪廓存在距離移動(dòng)和虛假目標(biāo)產(chǎn)生。

圖5

圖6

圖7

圖8

4 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)被測(cè)目標(biāo)的距離、方位、仰角、速度、目標(biāo)尺寸等已知信息精度不高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致距離模糊、合成距離輪廓中出現(xiàn)重疊、虛警增大。當(dāng)速度補(bǔ)償存在偏差時(shí)，目標(biāo)距離像會(huì)存在大的“距離走動(dòng)”。雷達(dá)工作帶寬內(nèi)子脈沖之間的幅相起伏會(huì)引起副瓣抬高、虛假目標(biāo)產(chǎn)生。當(dāng)波束駐留時(shí)間不足，合成帶寬不能滿足高距離分辨的要求。

由于以上因素的制約，在以警戒、搜索為主要作戰(zhàn)使命的數(shù)字陣列雷達(dá)中，不適合選擇頻率步進(jìn)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)高距離分辨。

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