雷達導(dǎo)引頭單脈沖成像研究

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、抗干擾能力和目標識別能力。毫米波雷達制導(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、對目標的快速搜索能力和作用距離遠的特點，但其目標分類識別能力較差。為提高毫米波雷達的目標識別能力，通過毫米波雷達成像技術(shù)提取目標的幾何特征和內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征，以提高對目標的識別能力，同時利用毫米波雷達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?，F(xiàn)有成熟的雷達成像技術(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，因此需開展雷達的前視成像技術(shù)研究。

目前，雷達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)，對目標在靜止和運動時的前視成像情況進行了分析。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、差信號信息對目標的角度進行測量。

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，其和信號振幅表達式為

差信號振幅表達式為

現(xiàn)假定目標的誤差角為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誤差角的大小，其相位則表明了目標偏離天線軸的方向，而與信號的相位和目標偏向無關(guān)［4－5］，所以一般用和信號作為相位基準，并利用差信號與和信號的比值來鑒別目標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。對于遠距離目標，雷達波束寬度通常大于目標形體對雷達的張角，這時要依靠雷達的角分辨率來區(qū)分目標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不同散射點進行分離，然后對各散射點分別測角，從而實現(xiàn)對同一雷達波束內(nèi)不同高分辨距離單元的不同散射點進行分離和定位。同時結(jié)合目標的一維距離像，便可獲取各散射點的坐標信息，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)的目標各組成部分雷達特性圖像。

單脈沖成像技術(shù)可測得目標在實波束中的精確位置。因此，將其應(yīng)用于雷達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，每個目標的后向散射系數(shù)為σn，方位角為θn，目標距雷達的距離為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，目標與天線軸線夾角為θn－α。而當(dāng)接收回波時，目標與天線軸線夾角為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偏離天線軸線的角度。

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

實際應(yīng)用中，目標可能具有一定的速度，彈體也一定是向前運動的。對于運動的目標和彈體，文中可在方位維度上以彈體為原點建立極坐標系，并將目標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)目標只有切向速度時，目標與彈體間距離R保持不變，在目標回波延遲時間Δtn內(nèi)，目標相對天線轉(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)目標只有徑向運動時，彈目距離發(fā)生變化，而目標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式變?yōu)?/p>

由表達式可看出，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

假定目標的分布如圖3所示。

圖3 仿真目標方位分布圖

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

圖4 目標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，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。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，在雷達的實際使用中，單脈沖測角可較精確的得出目標方位角和俯仰角。因此在已知彈目距離的情況下，通過該成像方式，可容易確定目標在空間的確切位置。在實際應(yīng)用中，需同時確定目標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，再進行和差處理，即可同時測量出目標的方位角和俯仰角。

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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