寬帶相控陣?yán)走_(dá)中合成寬帶技術(shù)的研究?

孫志山 林 明

（江蘇科技大學(xué)電子信息學(xué)院 鎮(zhèn)江 212000）

1 引言

相控陣?yán)走_(dá)應(yīng)用之初，皆是在窄帶信號(hào)條件下工作，用以搜索、探測(cè)與跟蹤目標(biāo)。出于節(jié)約成本與技術(shù)實(shí)現(xiàn)的考量，初期的相控陣?yán)走_(dá)進(jìn)行了一種簡(jiǎn)化，即采用移相器，而不是時(shí)間延遲線，來(lái)實(shí)現(xiàn)波束的快速掃描以及對(duì)目標(biāo)進(jìn)行瞄準(zhǔn)。這一簡(jiǎn)化，使得相控陣?yán)走_(dá)得到了廣泛的應(yīng)用與快速的發(fā)展［1］。但也帶來(lái)了一個(gè)顯著的問(wèn)題，即令陣列的方向圖峰值位置與信號(hào)的頻率相關(guān)，使得雷達(dá)系統(tǒng)的工作帶寬受到了限制，但基于早期雷達(dá)工作于窄帶條件下的這一情況，并未給雷達(dá)的應(yīng)用帶來(lái)明顯的問(wèn)題。不過(guò)隨著近年來(lái)，于民用雷達(dá)，其所應(yīng)對(duì)的探測(cè)對(duì)象幾乎囊括了我們?nèi)粘Ｉ畹闹T多方面；于軍用雷達(dá)，其要面對(duì)的探測(cè)對(duì)象擁有了足以達(dá)到“隱身”的技術(shù)手段，顯然這些現(xiàn)實(shí)的發(fā)展無(wú)一不對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)提出了更高的甚至苛刻的要求。如此，為了滿足這些日益發(fā)展的需求，寬帶相控陣?yán)走_(dá)便應(yīng)運(yùn)而生，因其兼具寬帶雷達(dá)的成像能力與相控陣?yán)走_(dá)所固有的技術(shù)優(yōu)勢(shì)這一特點(diǎn)，也已成為當(dāng)今雷達(dá)技術(shù)重要的研究方向與熱點(diǎn)。為了大大擴(kuò)展相控陣天線系統(tǒng)的瞬時(shí)帶寬，可以使用延時(shí)器代替移相器來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是與移相器相比，延時(shí)器的損耗、誤差、體積、重量都比較大，且成本高［2］。與之相比，合成寬帶技術(shù)中的分時(shí)合成技術(shù)實(shí)現(xiàn)了用窄帶系統(tǒng)代替寬帶系統(tǒng)，降低了對(duì)雷達(dá)瞬時(shí)帶寬的要求［3～5］。

我們可以從以下的簡(jiǎn)單場(chǎng)景的應(yīng)用體會(huì)到二者結(jié)合所帶來(lái)的對(duì)技術(shù)的經(jīng)濟(jì)使用。寬帶相控陣?yán)走_(dá)在目標(biāo)識(shí)別方面有著重要的作用，當(dāng)雷達(dá)僅要發(fā)現(xiàn)目標(biāo)時(shí)，此時(shí)只需讓雷達(dá)工作在窄帶條件下，即只當(dāng)做相控陣?yán)走_(dá)使用，目標(biāo)作為點(diǎn)目標(biāo)被探測(cè)與跟蹤；而當(dāng)要對(duì)所探測(cè)到的點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行更進(jìn)一步的識(shí)別（分類、辨認(rèn)等），此時(shí)便讓雷達(dá)工作在寬帶條件下，選取寬帶信號(hào)作為發(fā)射信號(hào)，利用合成寬帶技術(shù)等效合成大帶寬雷達(dá)回波信號(hào)，從而獲得探測(cè)目標(biāo)的一維距離像，當(dāng)獲得目標(biāo)所屬類別之后，這一目標(biāo)便可作為已知目標(biāo)，雷達(dá)便旋即重新工作于窄帶條件下，用作相控陣?yán)走_(dá)使用。這樣便充分結(jié)合了相控陣?yán)走_(dá)與寬帶雷達(dá)的各自優(yōu)勢(shì)。

本文選取步進(jìn)調(diào)頻信號(hào)作為雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)射信號(hào)，首先給出了這一發(fā)射信號(hào)的回波模型，然后基于這一模型的特點(diǎn)，提出了合成距離包絡(luò)法和頻域帶寬合成法，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)仿真，驗(yàn)證了頻域帶寬合成法的有效性。

2 合成寬帶技術(shù)

所謂合成寬帶距離像，是指將覆蓋了所期望帶寬的各個(gè)子帶回波進(jìn)行相干合成而得到的一維距離像。一般來(lái)說(shuō)，合成距離像的處理結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，而更重要的是，通過(guò)窄帶處理技術(shù)，它可以完成一些寬帶波形無(wú)法直接實(shí)現(xiàn)的功能。最基本的要求是，所合成寬帶距離像必須要與目標(biāo)的真實(shí)距離像吻合［6］。

在不同時(shí)刻發(fā)射和接收不同中心頻率的窄波波形，最典型的代表就是步進(jìn)頻率波形。為了解決步進(jìn)雷達(dá)數(shù)據(jù)率與作用距離的矛盾，由此提出了調(diào)頻步進(jìn)子脈沖和調(diào)相步進(jìn)子脈沖波形。廣義言之，在滿足某些條件下，若干個(gè)不同載頻的子脈沖回波都可構(gòu)成或外推出寬帶目標(biāo)的距離信息［7～10］。

步進(jìn)調(diào)頻信號(hào)是一種實(shí)用的高分辨率信號(hào)體制。

設(shè)步進(jìn)調(diào)頻的總帶寬為B，窄帶線性調(diào)頻子脈沖的個(gè)數(shù)為N，帶寬BN=B/N，寬度為TP，調(diào)頻斜率K=BN/TP。為了避免合成的寬帶頻譜出現(xiàn)空隙或重疊，相鄰子脈沖間的載頻增量?f一般取為BN。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

其中，i=0,…,(N-1)。步進(jìn)調(diào)頻的時(shí)域表達(dá)式為

圖1 Chirp-SF的頻率變化規(guī)律

步進(jìn)調(diào)頻的回波為

Ai是第i個(gè)回波的幅度，τ=2R/c是靜止目標(biāo)回波的時(shí)間延遲，R是目標(biāo)距離，c是光速。

回波信號(hào)與如下相參本振信號(hào)進(jìn)行混頻：

可得混頻后視頻回波：

可以看出，調(diào)頻步進(jìn)雷達(dá)信號(hào)的視頻回波可以分解為兩個(gè)部分，一是因子rect( )t-iTr-τTp?Tp2,iTr+τ+Tp2)之內(nèi)的Chirp信號(hào)，二是因子exp(- j2πfciτ)，這是由于信號(hào)載頻的跳變而形成的相位變化。因此可以將信號(hào)處理分解為兩個(gè)步驟。首先在各個(gè)脈沖重復(fù)周期內(nèi)進(jìn)行Chirp脈沖壓縮；其次在脈沖壓縮后進(jìn)行脈沖重復(fù)周期之間的IDFT數(shù)字壓縮處理，如圖2。

圖2 調(diào)頻步進(jìn)雷達(dá)信號(hào)處理

可以看出，IDFT處理的輸出是一離散sinc函數(shù)，時(shí)間分辨力為1/N?f，速度分辨力1/NTr，距離分辨也增加了N倍。

合成距離包絡(luò)法在脈間IDFT變換后，需要進(jìn)行距離像的提取、拼接和重現(xiàn)［11］，而此過(guò)程較為繁復(fù)，且容易出現(xiàn)假目標(biāo)，針對(duì)這一問(wèn)題，首先對(duì)子脈沖進(jìn)行脈沖壓縮，再將脈組內(nèi)子脈沖的脈壓結(jié)果進(jìn)行頻移，求和累加實(shí)現(xiàn)頻譜拼接；或者先拼接后脈壓，最后對(duì)頻譜作IFFT就可以獲得合成后的一維距離像［12～13］。

頻域帶寬合成方法的主要步驟為

Step 1：載頻增量?f滿足略小于雷達(dá)的瞬時(shí)帶寬Bn，選擇m個(gè)雷達(dá)中心頻率 f1,f2,…,fm；

Step 2：從t=t0時(shí)刻采樣，選取采樣率為Fs≥Bn，則對(duì)應(yīng)的雷達(dá)子帶信號(hào)為sf1(t),sf2(t),…,sfm(t)；

Step 3：進(jìn)行FFT，得到對(duì)應(yīng)的頻域數(shù)據(jù) sf1(t),sf2(t),…,sfm(t)；

Step 5：子帶拼接，得到合成后的頻譜Scom(f)；

Step 6：脈沖壓縮。將合適的壓縮濾波器與Scom(f)相乘；

Step 7：最后，進(jìn)行IFFT，得到時(shí)域信號(hào)。

3 仿真結(jié)果與分析

在同一寬帶相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)下，通過(guò)以下仿真，比較了直接發(fā)射大時(shí)寬帶寬積信號(hào)，即線性調(diào)頻信號(hào)與采用頻域帶寬合成法，即發(fā)送總帶寬相同的步進(jìn)調(diào)頻信號(hào)這兩者之間所成的一維距離像。圖3為子帶拼接的頻譜，通過(guò)圖4（a）可以明顯看出，兩者距離像大體上吻合，通過(guò)圖4（b）可以看出，帶寬合成后，主副瓣比約為-20dB，距離分辨力也明顯大于直接發(fā)射大時(shí)寬帶寬積信號(hào)時(shí)的距離分辨力；直接發(fā)射未合成，主副瓣比約為-45dB。

圖3 子帶拼接的頻譜

圖4 直接發(fā)射線性調(diào)頻信號(hào)與采用頻域合成法所成一維距離像的對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)采用步進(jìn)調(diào)頻信號(hào)的寬帶相控陣?yán)走_(dá)，首先分析了回波信號(hào)的模型，針對(duì)其特點(diǎn)，分別進(jìn)行了合成距離包絡(luò)法和頻域帶寬合成法的處理，并通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)比了頻域合成法和直接發(fā)射線性調(diào)頻信號(hào)這兩種方法下的一維距離像。結(jié)果表明，采用頻域帶寬合成法時(shí)雷達(dá)具有更強(qiáng)的距離分辨力，但同時(shí)也使得副瓣電平升高，接下來(lái)的工作將致力于降低采用這一方法時(shí)的副瓣電平。