頻率步進技術在數字陣列雷達中的應用分析

王 磊，胡萬坤

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

0 引言

現代高科技戰爭，對雷達系統性能提出了越來越高的要求，除了能探測目標并測量其空間位置參數外，還要求對所探測到的目標進行識別。增加雷達信號帶寬，提高距離分辨率，是實現目標識別的方法之一。

頻率步進技術是利用多個窄帶信號來合成寬帶信號，在獲得高距離分辨力的同時降低對雷達接收及處理的要求，因此受到了廣泛的關注。

1 頻率步進合成寬帶原理［1-2］

頻率步進信號由一串載頻跳變的雷達脈沖組成，回波信號為目標的頻域響應。只要發射的信號波形有足夠的帶寬，通過IFFT處理就可以孤立目標的強散射中心，從而獲得距離高分辨率。

當子脈沖采用線性調頻信號時，設頻率步進信號的總帶寬為B，子脈沖的個數為N，脈沖重復周期為Tr，子脈沖寬度為Tp，相鄰子脈沖間的頻率增量△f=B/N，調頻斜率K=△f/Tp。設第一個子脈沖的中心頻率為f0，則第i+1個子脈沖的中心頻率為

故線性調頻子脈沖頻率步進雷達信號的時域表達式為

設目標延時為τ，將目標回波與發射脈沖載頻相同的相參本振信號進行混頻，這時輸出視頻信號為

視頻回波可以分解為兩部分:一部分是因子

第1個指數項是常量，第2個指數項可以看成時間點為τ、頻率成線性變化的頻域信號。對該式作IFFT 運算并求模，即可得到目標距離高分辨率一維像。

線性調頻-頻率步進雷達回波信號首先在各個PRT 內進行線性調頻脈沖壓縮，然后在脈沖壓縮后進行PRT 之間IFFT處理。信號處理框圖如圖1所示。

圖1 線性調頻-頻率步進雷達信號處理框圖

2 數字陣列雷達中頻率步進合成寬帶過程

2.1 頻率變化對天線波束指向的影響［3］

相控陣天線波束指向取決于“陣內相位差”與“空間相位差”的平衡。若陣內相位采用移相器技術，陣內移相值不隨頻率變化。當信號頻率由f0變為f0+△f時，波束指向會發生偏移。設相控陣天線波束指向為θB，信號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，信號頻率變化引起的波束指向偏移△θf會隨掃描角θB和信號帶寬△f的變化而增加。通常對△f的限制條件為

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

2.2 天線孔徑渡越時間的影響［3］

天線孔徑渡越時間:

當孔徑渡越時間TA0大于信號帶寬△fmax的倒數τ時，對發射陣列，陣列兩端天線單元所輻射信號將不能同時到達θB方向上的目標;對接收陣列，陣列兩端天線單元所接收到的信號將不能同時相加。

式(9）表明，天線孔徑增大與波束掃描角增加均會限制信號帶寬。

2.3 數字陣列雷達中頻率步進合成寬帶過程

發射時，基于DDS技術所產生的信號，與子脈沖本振混頻、放大后經天線陣元輻射到空中;在信號產生時，需對子脈沖信號進行時間延遲、相位控制，實現發射通道的幅相修正、陣面天線孔徑渡越時間補償，進而實現分布式發射的空間能量合成。

接收時，天線陣元接收目標回波，經低噪聲放大、與子脈沖本振相參混頻、A/D 變換、數字下變頻后獲得基帶I、Q信號。每個接收通道對應的基帶I、Q信號要進行接收通道的幅相修正、陣面天線孔徑渡越時間補償、DBF、數字脈沖壓縮、目標速度補償，再通過IFFT計算，獲得目標高距離分辨的一維距離像。頻率步進技術在數字陣列雷達中應用的系統實現框圖見圖2。

圖2 頻率步進技術在數字陣列雷達中應用的系統實現框圖

2.4 頻率步進工作參數的設計依據

當雷達選擇頻率步進工作方式時，目標相對雷達距離R、方位θ、仰角ψ、速度ν、目標可能的最大長度E、雷達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重疊，IFFT細化后的單點不模糊距離Ru大于等于目標可能的最大長度E，即

(2）根據雷達最小距離分辨率△r 確定N

(3）根據目標距離R 確定Tr

2.4.2 子脈沖寬度τ的選擇

為保證回波脈沖內包含目標的全部信息，必須保證脈沖寬度大于目標的徑向最大長度τ≥2E/c;對于窄帶雷達，存在距離測量精度，在選擇脈寬時要加大。

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

脈寬τ的選擇還要考慮發射信號的平均功率，設計時應結合發射機功率和目標距離綜合考慮;為了提高發射信號的平均功率，采用脈內調頻信號增加發射脈寬，要求τ'≤1/△f。

2.4.3 采集、處理波門

由目標所在的距離R、方位θ信息決定了頻率步進所分析數據的距離、方位波門中心位置。

2.4.4 子脈沖的布相參數

由陣面口徑、陣元分布及目標所在仰角ψ，決定了各個子脈沖下的天線孔徑渡越時間補償參數及DBF系數。

2.4.5 目標速度補償

依據所測目標速度ν，進行子脈沖的多普勒速度補償，克服目標速度對頻率步進合成時回波峰值時移、回波能量發散的影響。

2.5 波束駐留時間需求

采用頻率步進工作時，雷達在目標上需要足夠的駐留時間。駐留時間與目標的距離、目標的尺寸以及距離分辨力的要求等都有關系。

考慮雷達測距精度、目標尺寸估值精度以及單點不模糊距離窗的要求，實際頻率步進量△f 通常要小于目標尺寸E所決定的頻率步進量。考慮目標測距模糊，重復周期Tr通常要大于目標距離R所決定的重復周期。

(1）假設目標為艦船，目標尺寸為150 m，單點不模糊距離窗選擇200 m，波束駐留時間如表1所示。

(2）假設目標為戰斗機，目標尺寸30 m，單點不模糊距離窗選擇75 m，波束駐留時間如表2所示。

表1 艦船目標的波束駐留時間計算

表2 飛機目標的波束駐留時間計算

3 仿真分析

由于雷達系統多頻點間的差異、雷達天線方向圖的調制、目標姿態角的變化、旋翼及發動機葉片的微多普勒調制會帶來回波幅度、相位起伏，子脈沖間的幅相偏差對頻率步進合成效果會帶來影響。

由文獻［4-7］可知，頻率步進信號是一種多普勒敏感信號，目標的運動速度會帶來回波峰值的時移、回波能量的發散，時移和發散的程度與目標速度成正比，因此需要對目標運動速度進行補償，而速度補償的精度決定頻率步進的合成效果。

3.1 艦船目標仿真分析

假設目標距離45 km，目標尺寸150 m;在45.003、45.025、30.060、30.100和30.140 km處有5個強散射點，RCS分別2、5、20、10和1 m2，回波信噪比大于17 dB;頻率步進參數Tr=400 μs，△f=0.75 MHz，波束駐留時間為80 ms。

當不存在幅相偏差、速度補償偏差時，仿真波形如圖3所示。

當幅度起伏為1 dB、相位起伏為2°、不存在速度補償偏差時，仿真波形如圖4所示。可以看出，幅相誤差會使合成處理后的輸出副瓣抬高，同時產生虛假目標。

圖3

圖4

3.2 飛機目標仿真分析

假設目標距離為30 km，目標速度為300 m/s，目標尺寸為30 m，在30.003、30.015和30.024 km處有3個強散射點，RCS分別為5、10和5 m2，回波信噪比大于17 dB;頻率步進參數Tr=250 μs，△f=2.0 MHz，波束駐留時間為18.75 ms。

當不存在幅相偏差、不存在速度補償偏差時，仿真波形如圖5所示。

當幅度起伏為1 dB、相位起伏為2°且不存在速度補償偏差時，仿真波形如圖6所示。可以看出，幅相誤差會使合成處理后的輸出副瓣抬高，同時產生虛假目標。

當不存在幅相偏差、速度補償偏差為50 m/s時，仿真波形如圖7所示。可以看出，經過速度補償，目標距離像不存在發散現象，但存在距離走動，引起目標像的測距誤差。

當幅度起伏為1 dB、相位起伏為2°且速度補償偏差為50 m/s時，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和虛假目標產生。

圖5

圖6

圖7

圖8

4 結束語

當被測目標的距離、方位、仰角、速度、目標尺寸等已知信息精度不高時，會導致距離模糊、合成距離輪廓中出現重疊、虛警增大。當速度補償存在偏差時，目標距離像會存在大的“距離走動”。雷達工作帶寬內子脈沖之間的幅相起伏會引起副瓣抬高、虛假目標產生。當波束駐留時間不足，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、搜索為主要作戰使命的數字陣列雷達中，不適合選擇頻率步進技術來實現高距離分辨。

［1］龍騰，毛二可，何佩琨.調頻步進雷達信號分析與處理［J］.電子學報，1998(12）.

［2］遠海鵬，曾大治，龍騰.頻率步進相控陣雷達原理與實現方案的研究［J］.現代雷達，2008(7）.

［3］張光義，趙玉潔.相控陣雷達技術［M］.北京:電子工業出版社，2006.

［4］毛二可，龍騰，韓月秋.頻率步進雷達數字信號處理［J］.航空學報，2001(6）.

［5］羅鵬，潘健，劉政華.調頻頻率步進雷達信號處理的關鍵問題分析［J］.現代雷達，2006(8）.

［6］郭鵬程，蔡興雨，陳矛.頻率步進率雷達中多普勒效應的影響及其補償［J］.火控雷達技術，2008(9）.

［7］Bassem R Mahafza.雷達系統分析與設計(MATLAB 版第2 版）.北京:電子工業出版社，2008.