光柵雷達顯示的余輝衰減方法研究

徐利娟 姚潔

摘? 要：在光柵顯示技術(shù)普及之前，二維的雷達顯示一般采用長余輝CRT顯示屏，雷達圖像靠天線轉(zhuǎn)動直接在屏幕上刷新，幀頻和天線轉(zhuǎn)速相同。由于天線轉(zhuǎn)速很慢，需要借助熒光粉的余輝來保持回波圖像。顯然，天線轉(zhuǎn)速越慢所需的余輝越長。此外，長余輝還是信號積累的一種手段，能有效地實現(xiàn)信號的線間積累和幀間積累，有助于人工目標檢測。文章敘述了雷達顯示中的余輝概念，說明了光柵雷達顯示中余輝衰減的基本原理和控制方法。

關鍵詞：雷達顯示;余輝衰減;方法

中圖分類號：TN957.5? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2021）15-0070-03

Abstract： Before the popularization of raster display technology， long afterglow CRT display is generally used for two-dimensional radar display. The radar image is directly refreshed on the screen by the rotation of the antenna， and the frame rate is the same as the rotation speed of the antenna. Because the rotation speed of the antenna is very slow， it is necessary to maintain the echo image with the help of the afterglow of the phosphor. Obviously， the slower the rotation speed of the antenna， the longer the afterglow is required. In addition， long afterglow is also a means of signal accumulation， which can effectively realize the line to line accumulation and frame to frame accumulation of signals， and is conducive to artificial target detection. This paper describes the concept of afterglow in radar display， and explains the basic principle and control method of afterglow attenuation in raster and radar display.

Keywords： radar display; afterglow attenuation; method

0? 引? 言

在光柵雷達顯示中，圖像在幀存儲器中形成，仍然靠天線轉(zhuǎn)動刷新，但余輝就不能靠顯示屏實現(xiàn)了，也是在幀存儲器中完成。由于幀存儲器中的像素數(shù)據(jù)可以靈活改寫，故產(chǎn)生的余輝衰減效果比長余輝CRT優(yōu)越得多。長余輝CRT的余輝長度是固定的，不同的型號有不同的余輝衰減速度，故CRT一旦選定，余輝衰減速度就不能改變了。同一臺顯示器可以選擇多種方式和多種速度的余輝衰減。

目前常用的余輝衰減方式有4種：（1）隨時間衰減式（當前掃過方位上的回波最亮，此前方位上的回波亮度隨時間的流逝逐漸衰減）;（2）隨方位衰減式（當前掃過方位上的回波最亮，此前方位上的回波亮度隨掃過的方位逐漸衰減）;（3）積累式（歷次天線周期掃過的回波都不衰減）;（4）刷新式（新的一幀回波圖像取代前一幀）。4種衰減方式中，前兩種衰減方式的衰減速度又可以有多種選擇，最常使用，控制也較為復雜，是本文討論的重點。

1? 余輝衰減控制的基本途徑

在光柵雷達顯示技術(shù)中，余輝衰減又稱為視頻衰減，前者沿用了長余輝CRT雷達顯示的傳統(tǒng)概念，后者反映了光柵雷達顯示中余輝衰減的技術(shù)實質(zhì)。不管采用哪一種術(shù)語，視覺效果是一致的——都是指雷達圖像中目標回波在顯示屏上亮度的衰減。本文中也會使用“亮度衰減”一詞，其含義與“余輝衰減”和“視頻衰減”是一致的。

雷達目標回波在顯示屏上的亮度由回波幅度的高低和所占面積的大小決定，如圖1所示。顯然，回波的幅度越高亮度也越高，回波的數(shù)量越多亮度也越高。實際的目標回波在顯示屏上是由多個像素組成的片，一是由于雷達波束有一定寬度，即使一個很小的目標也會多次被波束擊中，在方位上形成多個像素;二是雷達顯示中常用回波展寬技術(shù)，使得小目標回波在距離上也占有多個像素。

一幅雷達圖像是由許多回波信號形成的。如前所述，要想使雷達圖像的亮度按一定規(guī)律衰減，可以通過逐漸遞減回波幅度或逐漸遞減回波面積這兩個基本途徑實現(xiàn)，可分別稱為幅度衰減法和空間衰減法。這兩種方法都可以是隨時間衰減或隨方位衰減。

2? 幅度衰減法

2.1? 實現(xiàn)方法

雷達圖像幀存儲器中每一個像素數(shù)據(jù)決定著屏幕上一個像素的亮度，例如一個8位的像素數(shù)據(jù)，最大值255表示最亮，最小值0表示不亮，中間的亮度和數(shù)值大小成比例。幅度衰減的方法是，在屏刷新過程中像素數(shù)據(jù)逐個移向LUT的同時，將它們逐個減去一個衰減等級，然后回寫到幀存儲器原來的地址。這樣，每一個屏刷新周期過后，必定將全屏的像素數(shù)據(jù)遞減一級。待下一幀屏刷新時重復此操作，但顯示的亮度比前一幀弱了一個等級。如此循環(huán)，直到像素數(shù)據(jù)值遞減到0，亮度也就衰減到了0。在亮度衰減過程中，天線新掃過方位上的數(shù)據(jù)是剛寫入的，還未經(jīng)衰減，所以在顯示屏上應該是最亮的，而經(jīng)過衰減的像素是較暗的，且經(jīng)過衰減次數(shù)越多的像素越暗。在余輝衰減過程中的某一瞬間，屏幕上某方位的亮度與寫入幀存儲器數(shù)值的大小和該方位衰減過的次數(shù)有關。假定寫入幀存儲器的回波幅度都相同，從圖2中可以查到某一時刻不同方位上回波的相對亮度。

余輝衰減級數(shù)實際是像素數(shù)據(jù)遞減的級數(shù)，系統(tǒng)能夠達到的余輝衰減級數(shù)取決于幀存儲器的位數(shù)，而且系統(tǒng)的余輝衰減級數(shù)是可以設定的。例如幀存儲器為8位時，系統(tǒng)可達到的最大衰減級數(shù)為256級，也可以設為128級或64級。衰減級數(shù)越多，余輝效果越好，衰減周期也越長。若衰減級數(shù)減少則情況相反。

2.2? 衰減速度控制

2.2.1? 隨時間衰減的速度控制

幅度衰減法中，隨時間變化的余輝衰減速度用像素數(shù)據(jù)從最大值遞減到0所需的時間T表示，T實際是衰減周期。設余輝衰減級數(shù)為n，屏刷新周期為τ，按前邊所述的衰減過程，每一次屏刷新衰減一級時，可以得到幅度衰減法的基本余輝衰減速度T0，如式（1）：

實際應用中，余輝衰減速度并不是固定的，而是可以選擇的一組值，它們會比T0更快（小）或更慢（大）一些。為了滿足這種要求，當幀存儲器位數(shù)一定時，常用減少衰減級數(shù)n的辦法加快余輝衰減速度;用每隔若干幀才使像素衰減一級的辦法減慢衰減速度。于是，可得到以下余輝衰減速度公式：

其中，T為余輝衰減速度（周期），n為余輝衰減級數(shù)（n=p/q，p為由位數(shù)決定的幀存儲器最大值，q=1、2、3、4 ……），m為衰減隔幀數(shù)（m=1、2、3、4……），τ為屏刷新周期。

2.2.2? 隨方位衰減的速度控制

幅度衰減法中，余輝隨方位衰減的速度用像素數(shù)據(jù)從最大值遞減到0所經(jīng)過的方位角寬度（Wθ）來表示，公式為：

其中，Wθ為要求的余輝衰減速度（范圍是0～360°或大于360°），ω為雷達天線轉(zhuǎn)速，T為天線轉(zhuǎn)過Wθ所需的時間。

當已知系統(tǒng)的ω和Wθ時，可用式（3）算出T值，再將T值代入式（2），求出n和m值。以后的控制過程就與2.2.1所述相同了。

例如，雷達天線轉(zhuǎn)速為ω=120°/s，n=256，m=1τ=16 mS，下面計算Wθ的值：將n=256，m=1，τ=16 ms代入式（2），可得到系統(tǒng)的余輝衰減周期T=4.096 s。再將T值代入式（3）可算出像素數(shù)據(jù)從最大值遞減到0（共衰減256級）所經(jīng)過最窄的方位角寬度Wθ=492°。顯然，要使余輝衰減方位范圍變小，只能選用較小的n值（減少余輝衰減級數(shù)）來實現(xiàn);要使余輝衰減方位范圍變大，就要選用較大的m值（隔幀衰減）來實現(xiàn)。

3? 空間衰減法

3.1? 實現(xiàn)方法

在第1節(jié)中講過，目標回波在幀存儲器中是一片一片的像素數(shù)據(jù)，若隨時間或方位的變化使全屏像素逐個地熄滅，則整幅圖像就會由亮到暗地逐漸衰減掉。具體方法是，在雷達圖像加工過程中，按一定速度插入余輝衰減控制周期，在一個衰減插入周期中，使一個像素改寫為0?？臻g衰減法的關鍵是要求衰減插入周期的幀存儲器地址順序不能是規(guī)則的，應該是均勻分布的偽隨機數(shù)序列，其周期長度應該等于幀存儲器的容量。例如，圖像的幀存儲器容量為1 024×1 024，即像素地址為220個，為了在一個灰度衰減周期內(nèi)能使全部像素改寫一遍，要求在一個偽隨機數(shù)序列周期內(nèi)正好產(chǎn)生220個整數(shù)，取值范圍為0～220-1，而且出現(xiàn)的次序是隨機的、均勻分布的。

與幅度衰減過程一樣，天線新掃過方位上的數(shù)據(jù)是剛寫入的，還未經(jīng)衰減，目標的像素最密，所以圖像應該是最亮的;而經(jīng)過衰減方位上的目標像素減少了，圖像應該較暗，且像素熄滅越多的方位上的目標亮度越暗。

3.2? 均勻隨機數(shù)生成

為了形成衰減插入地址，需要一種便于用數(shù)字電路產(chǎn)生的均勻分布隨機數(shù)序列算法。下面介紹的同余法能滿足這種要求，其公式為：

其中，mod M表示λXn+C的運算結(jié)果對M取模后的余數(shù)作為Xn+1的值。在二進制系統(tǒng)中取M=2L則式（4）產(chǎn)生偽隨機數(shù)的最大可能周期為T=2L。為了使序列Xn能取到這樣大的周期，應按以下方法取參數(shù)：λ=4q+1，C=2a+1，X0為任意非負整數(shù)。其中，L、q、a均取正整數(shù)。

理論分析和統(tǒng)計檢驗表明，λ取值過小或它的二進制形式中0、1呈規(guī)則性排列時，都不能產(chǎn)生統(tǒng)計性質(zhì)理想的數(shù)值系列。反之，一般是可取的。在產(chǎn)品中，可以用改變λ和C的值來觀察余輝衰減效果的方法確定它們的最佳值。

圖3給出了使用式（4）生成余輝衰減插入周期地址的邏輯框圖。圖3中，取M=220。輸出Xn為20位，可作為衰減插入周期的幀存儲器地址，能滿足1 024×1 024幀存儲器的需要。由于X0為任意非負整數(shù)，所以上電時不用加載X，使用R中的隨機數(shù)即可。圖中的虛線框表示乘法器或加法器的溢出位，不必設置。時鐘脈沖CP使隨機數(shù)序列步進，一個衰減插入周期前進一步，它的快慢取決于設定的余輝衰減速度。

3.3? 余輝衰減速度控制

空間衰減法隨時間的余輝衰減速度仍用衰減周期T表示，它是一幀圖像的像素逐個熄滅一次的時間，也就是圖像幀存儲器單元逐個改寫一次的時間。設余輝衰減插入周期為τ（即熄滅一個像素的時間間隔），幀存儲器的容量為N，則：

與幅度衰減法一樣，T是根據(jù)使用要求提出的。在一個系統(tǒng)中N是固定的，所以要滿足對T的要求，只能通過改變τ的大小來實現(xiàn)。

余輝衰減插入需要占用掃描變換像素加工的時間，τ越短衰減速度越快，占用的掃描變換像素加工的時間也越多。將讀改寫一個像素所需的時間記為τ0，并認為熄滅一個像素和加工一個像素所需時間相同（都是τ0），則系統(tǒng)的余輝衰減周期公式可改寫為：

其中，（m+1）τ0=τ，其含義是在一個余輝衰減插入周期內(nèi)，要完成一個像素衰減操作和m個掃描變換像素加工。這里忽略掉了其他操作所需的時間，這些時間相對來說是很少的，在選取m值時適當考慮余量即可。

系統(tǒng)的余輝衰減插入周期最小能到多少，與雷達工作的重復頻率、顯示的距離分辨率和幀存儲器的讀改寫速度有關。例如，一個系統(tǒng)的N=1 024×1 024，像素的讀改寫時間τ0=333 ns，雷達重復頻率為F=2 kHz。下面計算m和T的值：

從系統(tǒng)的N值可知顯示的最高距離分辨率為512（中心顯示）和1 024（偏心顯示），又知雷達重復周期為1/F=500 μs，現(xiàn)以偏心顯示為例來計算。無衰減插入時完成一次距離掃描像素加工所需的時間為1 024τ0=340 μs;顯然，340 μS<500 μs是合理的。由式（6）可導出有衰減插入時每加工一個掃描變換像素的時間可折算為（1+1/m）τ0。假如m取1，則完成一次距離掃描像素加工所需的時間為1 024×2τ0=680 μs，而680 μs>500 μs顯然是不合理的。改m取2，則完成一次距離掃描像素加工所需的時間為1 024（1+1/2）τ0=511 μs，而511 μs>500 μs也是不合理的。再改m取3，則完成一次距離掃描像素加工所需的時間為1 024（1+1/3）τ0=455 μs，而455 μs<500 μs顯然是合理。因此m的最小值可取為3，代入式（6）可得到系統(tǒng)余輝衰減的最小周期（最快衰減速度）T0=1 024× 1 024×4×333 nS=1.4 s。適當選取大于3的m值，可以得到其他所需的T值。

如果按中心顯示計算，m的最小值可取為1，則系統(tǒng)余輝衰減最小周期（最快衰減速度）T0=1 024×1 024×2×333 ns = 0.7 s。其他T值可用同樣的方法選取大于1的m值得到。

4? 結(jié)? 論

幅度衰減法的優(yōu)點是：余輝有灰度層次;衰減速度變化范圍不受顯示分辨率和雷達重復頻率等因素影響;同一幅圖像可以實現(xiàn)多種速度衰減。缺點是：在空間分布上有余輝的灰度階梯;使用硬件較多。

空間衰減法的優(yōu)點是：在空間分布上余輝衰減是均勻的，無灰度階梯;使用硬件較少。不足之處是：余輝衰減速度受多種因素影響;不能同時使用多種衰減速度工作;在回波像素稀少時余輝衰減有閃爍的感覺。復合衰減法綜合了上述兩種方法的優(yōu)點，但代價是衰減周期大大地加長。所以復合衰減法的衰減級數(shù)不能太大，適合在遠程雷達顯示中使用。

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作者簡介：徐利娟（1983—），女，漢族，江蘇沭陽人，工程師，本科，研究方向：綜合顯示與控制技術(shù)。

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