吳一龍，劉 輝，磨國瑞

(西安電子工程研究所總體3部，陜西西安 710100)

本世紀(jì)的幾次局部戰(zhàn)爭經(jīng)驗表明，與常規(guī)武器相比，精確制導(dǎo)武器的作戰(zhàn)效能大幅提高，精確制導(dǎo)武器將成為未來的主要作戰(zhàn)武器。伴隨著隱身技術(shù)、電子對抗技術(shù)的迅速發(fā)展，未來戰(zhàn)場環(huán)境更加復(fù)雜多變，要求精確制導(dǎo)技術(shù)具備更強的反隱身能力、抗干擾能力和目標(biāo)識別能力。毫米波雷達(dá)制導(dǎo)技術(shù)是一種全天候、全天時的主動式制導(dǎo)技術(shù)，其具有較好的全天候性能、對目標(biāo)的快速搜索能力和作用距離遠(yuǎn)的特點，但其目標(biāo)分類識別能力較差。為提高毫米波雷達(dá)的目標(biāo)識別能力，通過毫米波雷達(dá)成像技術(shù)提取目標(biāo)的幾何特征和內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征，以提高對目標(biāo)的識別能力，同時利用毫米波雷達(dá)二維成像獲得幾何特征和空間分布實現(xiàn)提高對抗角反射體或箔條等無源干擾和有源干擾能力。現(xiàn)有成熟的雷達(dá)成像技術(shù)主要有采用側(cè)視、斜視等成像方式的SAR、DBS等技術(shù)，但此類技術(shù)存在前視成像盲區(qū)，大幅制約了其在精確末制導(dǎo)中的應(yīng)用，因此需開展雷達(dá)的前視成像技術(shù)研究。

目前，雷達(dá)前視高分辨成像技術(shù)主要有解卷積方位超分辨技術(shù)［1］和單脈沖前視成像技術(shù)。但由于解卷積方位超分辨技術(shù)的處理算法較復(fù)雜以及對目標(biāo)檢測信噪比的苛刻要求，其工程應(yīng)用適應(yīng)性較差，仍需進(jìn)一步完善。相比之下，單脈沖成像技術(shù)原理清晰，算法簡單，且易于工程實現(xiàn)。

本文根據(jù)單脈沖技術(shù)［2］的測角原理，結(jié)合距離高分辨技術(shù)，對目標(biāo)在靜止和運動時的前視成像情況進(jìn)行了分析。驗證了在不同情況下，單脈沖前視成像的可行性。

1 單脈沖測角

單脈沖技術(shù)通過比較一次脈沖回波的和、差信號信息對目標(biāo)的角度進(jìn)行測量。

圖1 振幅法單脈沖測角原理圖

如圖1所示，每個脈沖均采用兩個相同且彼此部分重疊的波束，若目標(biāo)處在等信號軸線的方向上，則由兩波束收到的信號強度相等，否則一個波束的回波信號強度將高于另一個。因此，只需要比較兩個波束回波的強弱便可判斷目標(biāo)偏離等信號軸的方向及大?。?］。假定兩個波束的方向性函數(shù)均為F(θ)，接收到兩波束的信號電壓振幅為E1、E2，設(shè)兩波束相對天線軸線的偏角為δ，則對于偏離天線軸線θ角方向的目標(biāo)，其和信號振幅表達(dá)式為

差信號振幅表達(dá)式為

現(xiàn)假定目標(biāo)的誤差角為ε，由于在跟蹤狀態(tài)下，ε較小，故將FΔ(ε)在0處展開成泰勒級數(shù)并忽略高次項，可得

可看出，在一定誤差范圍內(nèi)，差信號的振幅大小表明了目標(biāo)誤差角的大小，其相位則表明了目標(biāo)偏離天線軸的方向，而與信號的相位和目標(biāo)偏向無關(guān)［4－5］，所以一般用和信號作為相位基準(zhǔn)，并利用差信號與和信號的比值來鑒別目標(biāo)偏離天線軸線的方向。典型的和差信號方向圖如圖2所示，其中，兩波束方向軸夾角為0.2 rad。

圖2 典型單脈沖和差波束方向圖

單脈沖體制雷達(dá)中，系統(tǒng)的方位分辨率主要取決于接收天線的波束寬度。對于遠(yuǎn)距離目標(biāo)，雷達(dá)波束寬度通常大于目標(biāo)形體對雷達(dá)的張角，這時要依靠雷達(dá)的角分辨率來區(qū)分目標(biāo)的各組成部分是很困難的。單脈沖成像主要依靠距離高分辨性將目標(biāo)不同散射點進(jìn)行分離，然后對各散射點分別測角，從而實現(xiàn)對同一雷達(dá)波束內(nèi)不同高分辨距離單元的不同散射點進(jìn)行分離和定位。同時結(jié)合目標(biāo)的一維距離像，便可獲取各散射點的坐標(biāo)信息，并根據(jù)和通道信號的幅度獲得相應(yīng)像素點的灰度值描點成像，從而獲得單一波束照射區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)各組成部分雷達(dá)特性圖像。

單脈沖成像技術(shù)可測得目標(biāo)在實波束中的精確位置。因此，將其應(yīng)用于雷達(dá)對地面的成像處理中可顯著改善圖像質(zhì)量。即運用該種技術(shù)，不僅能夠顯著提高實波束成像圖中較多特征目標(biāo)的清晰度，且能夠提高其方位位置的精確度。同時這種改善不依賴于目標(biāo)的多普勒頻率，故可實現(xiàn)SAR、DBS等技術(shù)難以實現(xiàn)的前視圖像效果的改善，且具有算法簡單、成像時間短的特點。

2 成像分析

設(shè)雷達(dá)發(fā)射的脈沖壓縮信號為s(t)，在探測區(qū)域存在N個目標(biāo)，每個目標(biāo)的后向散射系數(shù)為σn，方位角為θn，目標(biāo)距雷達(dá)的距離為Rn，天線的轉(zhuǎn)速為ω，軸線方向為α。

根據(jù)給出的條件可知，目標(biāo)回波延遲時間Δtn=，這段時間內(nèi)，天線轉(zhuǎn)過的角度為Δα=ωΔt，當(dāng)天nn線發(fā)射波束時，目標(biāo)與天線軸線夾角為θn－α。而當(dāng)接收回波時，目標(biāo)與天線軸線夾角為θn－α+Δαn，此時接收到的和差信號為

根據(jù)前面的推導(dǎo)，可較容易求出每個目標(biāo)偏離天線軸線的角度。

當(dāng)測量目標(biāo)的俯仰角時，由于同一天線的方向圖是固定的，因此測量目標(biāo)俯仰角的方式和測量目標(biāo)方位角的方式并無區(qū)別。

實際應(yīng)用中，目標(biāo)可能具有一定的速度，彈體也一定是向前運動的。對于運動的目標(biāo)和彈體，文中可在方位維度上以彈體為原點建立極坐標(biāo)系，并將目標(biāo)相對于彈體的運動速度v分解為切向速度vt和徑向速度vr。

當(dāng)目標(biāo)只有切向速度時，目標(biāo)與彈體間距離R保持不變，在目標(biāo)回波延遲時間Δtn內(nèi)，目標(biāo)相對天線轉(zhuǎn)過的角度為 Δα'=，這等效于改變了天線的旋轉(zhuǎn)n速度，因此天線接收到的和差波束變?yōu)?/p>

當(dāng)目標(biāo)只有徑向運動時，彈目距離發(fā)生變化，而目標(biāo)和天線軸線夾角不發(fā)生變化。此時接收到的和差信號表達(dá)式變?yōu)?/p>

由表達(dá)式可看出，這種運動狀態(tài)下，回波的和差信號幅度發(fā)生變化，而誤差角與差波束間的線性關(guān)系并未發(fā)生變化，而若以SΔ/S∑測量誤差角時，和差信號幅度的變化并不會影響該方法的測角精度。

3 測角仿真

假定目標(biāo)的分布如圖3所示。

圖3 仿真目標(biāo)方位分布圖

天線波束寬度為3°，天線掃描時轉(zhuǎn)速為30°/s，此時靜止目標(biāo)所成的距離－方位像如圖4所示。

圖4 目標(biāo)靜止時單脈沖與實波束方位角成像圖

圖4(a)為單脈沖成像圖，圖4(b)為實波束成像圖。由此可看出，在多個目標(biāo)間距離小到一定程度時，實波束成像已無法完全區(qū)分多個目標(biāo)，而此時單脈沖成像仍能較好地區(qū)分距離近處的多個目標(biāo)。即與傳統(tǒng)的實波束成像相比，單脈沖成像方式實現(xiàn)了波束銳化，同時角分辨率也得到了一定程度的提高。

當(dāng)目標(biāo)以30 m/s的速度作切向運動時，成像仿真如圖5所示。

圖5 目標(biāo)具有30 m/s的切向速度時單脈沖與實波束方位角成像比較

通過對比圖4和圖5可知，目標(biāo)的切向運動對成像的影響并不明顯。這也印證了前面的分析。

4 結(jié)束語

通過仿真可看出，在雷達(dá)的實際使用中，單脈沖測角可較精確的得出目標(biāo)方位角和俯仰角。因此在已知彈目距離的情況下，通過該成像方式，可容易確定目標(biāo)在空間的確切位置。在實際應(yīng)用中，需同時確定目標(biāo)方位角和俯仰角的大小，因此實際天線發(fā)射的脈沖是由4個對稱且相互部分重疊的波束構(gòu)成。其4個波束分別占據(jù)4個象限［6］，接收回波后，再進(jìn)行和差處理，即可同時測量出目標(biāo)的方位角和俯仰角。

由于單脈沖成像方式與視角無關(guān)，能夠?qū)θ我庖暯沁M(jìn)行成像，彌補了SAR和DBS成像的前視盲區(qū)。同時，和實波束成像方式相比，其角分辨率也有一定的提高，且成像算法的運算量較小，工程實用性高。

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