改进的弹载SAR脉冲重复频率设计方法_姚顺宇.pdf

第 卷 第 期（总第 期）年 月火控雷达技术 .（）.收稿日期：作者简介：姚顺宇（），男，硕士研究生。研究方向为雷达信号处理技术。改进的弹载 脉冲重复频率设计方法姚顺宇 雷 刚（西安电子工程研究所 西安）摘 要：脉冲重复频率（，）是弹载合成孔径雷达（弹载）的一个重要成像参数。弹载 的 设计需要考虑多种因素，本文考虑了雷达威力、方位向波束宽度对 的约束，提出了基于这两个参数的一种改进的 设计方法。该设计方法在满足系统指标（图幅宽度、分辨率等）的要求的前提下，可根据弹载 的位置信息动态的选择合适的 值。本文通过仿真实验进一步证明了该方法的有效性和可行性。关键词：弹载；合成孔径雷达；脉冲重复频率；雷达威力；方位向波束宽度中图分类号：.文献标志码：文章编号：（）引用格式：姚顺宇，雷刚.改进的弹载 脉冲重复频率设计方法.火控雷达技术，（）：.：.，（，）：（）（）.，.（，.）.：；引言合成孔径雷达（，）具有全天时、全天候的对地、对海观测能力，且不受各种不利气候的影响，并可以获得高精度的图像。基于合成孔径雷达的这些优势，目前基于合成孔径雷达的制导技术已经成为了精确制导领域的一个极为重要的发展方向。弹载合成孔径雷达的一个重要成像参数是脉冲重复频率（，），对于它的设计是在弹载 设计过程中需要考虑的一个重要问题。针对弹载 的脉冲重复频率设计问题，党彦锋等人提出的分高度段动态选取 的方法考虑了距离无模糊、方位无模糊、测绘带无模糊、高度杂波无干扰、运动及系统误差对 选取的限制，但仅考虑了确定脉冲宽度和确定方位向波束宽度时 的选取方法，而并未考虑两者对 选取的影响，这些约束对于 的选取来说还是不够的。郭媛等人提出的 选取方法以图像质量最优为第 期姚顺宇等：改进的弹载 脉冲重复频率设计方法代价函数，考虑斜视角和方位向过采样系数确定时使图像质量达到最优的最优入射角值和占空比的最大值，进而对 的选取进行了优化设计，但并未考虑方位向波束宽度对 选取的影响。针对弹载 时序设计的特点，本文首先建立了弹载 成像模型，在此基础上提出了基于雷达威力和方位向波束宽度的 选取方法，对 的选取进行进一步的约束，并通过仿真实验证明了本文提出的 选取方法的有效性。该方法可以根据雷达威力的大小选择合适的脉冲宽度，并根据方位幅宽的要求选择合适的方位向波束宽度，进而动态地进行 的设计，提高了设计出的 的适用性，以更好地满足弹载 成像的需求。弹载 成像模型弹载 成像模型如图 所示。图 中的曲线轨迹 为导弹的飞行轨迹，以在飞行轨迹的任意一点 的时刻为成像中心时刻，以 点在地平面的投影 点为坐标中心建立图中的空间坐标系。当导弹位于 点时，其速度为（，），加速度为，位置为（，）。波束中心线与地平面 相交于场景中心点。为波束中心斜距，记为。中心空间斜视角为，其余角为。在地平面的投影记为，与 轴正方向的夹角为方位角，记为，波束中心线 与其在地面的投影 的夹角为擦地角，记为，图中阴影区域为导弹位于 点时弹载 的波束照射区域。图 弹载 成像的几何模型雷达威力与脉冲重复频率的关系雷达威力，又称作雷达最大作用距离，是由雷达方程得到的。雷达方程定量地描述了作用距离和雷达参数及目标特性之间的关系。的雷达方程为 （）（）（）其中 为雷达最大作用距离；表示发射信号的平均功率；和 分别表示发射和接收增益。由于弹上环境的限制，弹载 采用单站雷达系统，即采用收发共用的天线，因此 和 是相等的；为雷达工作波长，即载波波长；为地面距离向分辨率；为玻尔兹曼常数（.）；为噪声温度（为标准温度（），为系统噪声系数）；为系统损耗；，为平台速度，为等效斜视角，即斜视角的余角；表示归一化雷达散射截面积；表示回波的信噪比。式（）中的第二个等式对第一个等式进行了简化，其中的新出现的参数有：，为峰值功率，为占空比，表示发射脉冲宽度，表示脉冲重复周期，表示雷达噪声等效后向散射系数。由上述分析可见，在其他参数固定的情况下，雷达威力与发射脉冲宽度和 有关。基于此关系，本文设置了可变的弹载 的发射脉冲宽度，以满足弹载 在俯冲段飞行过程不同高度段的不同的雷达威力需求，以改进后续的 选取方法。图 距离幅宽示意图由图 可知，弹载 的最长斜距为图中的（即图 中的）。图中的 表示距离向波束宽火 控 雷 达 技 术第 卷度；表示最短斜距（即图 中的）；表示距离幅宽（即图 中的）。因此，在 确定的情况下，只要我们通过设置弹载 的发射脉冲宽度，使得雷达威力 大于，就可以满足弹载 的成像需求。根据图 的几何关系，我们可以很容易得到 的值为（）（）方位向波束宽度与脉冲重复频率的关系 图 中给出了方位向波束宽度与方位幅宽的示意图。其中 表示方位向波束宽度，表示方位幅宽（即图 中的）。根据图 中的几何关系，我们可以推导出方位向波束宽度和方位幅宽的关系为（）（）式（）中，表示 图像的方位向点数，表示图像的方位向地距分辨率，它们与的关系如图 所示。一般的，对于弹载 成像得到的 图像，有方位向点数的要求。根据式（），当斜距 变小时，必要时进行方位波束展宽，即增加 的值，以满足方位幅宽的要求。图 方位幅宽示意图方位向波束宽度影响着回波信号的方位带宽。在弹载 成像中，为了避免由方位频谱混叠导致的方位模糊，需要大于回波信号的方位带宽。由此可见，方位向波束宽度与 的下限值有关。在 设计的过程中，需要选取不同的方位向波束宽度，以得到合适的 下限值。在本文的仿真实验中，我们首先将弹载 的方位向波束宽度设置为与其距离向波束宽度相等，即 ，然后根据斜距的变化，对方位波束宽度进行.倍或倍的方位波束展宽，以满足方位幅宽的要求。改进的脉冲重复频率设计方法在弹载 的工作过程中，弹体高度随时间是不断变化的，的选取也应随着高度变化而变化。为了更加全面地考虑各种因素对 的影响，我们引入了雷达威力和方位波束宽度，通过动态的改变发射脉冲宽度和方位波束宽度，并基于文献中提到的脉冲重复频率设计原则，提出了改进的脉冲重复频率选取方法。这种方法可以根据导弹的位置信息、速度信息与基准图上导弹的位置，动态地选取合适的脉冲重复频率。下面对这种方法进行说明，步骤如下：）步骤：根据导弹的位置信息计算得到导弹当前所处的高度。本文使用的导弹位置信息是导弹的北天东坐标，通过使用 中的 函数将北天东坐标转换为大地坐标（经度、纬度、高度），得到导弹当前所处的高度。）步骤：确定导弹在不同位置对应的中心斜距。基准图是指事先存储在导弹上的图像，在景象匹配环节用来与弹载 在飞行过程中获取的实时图进行匹配。本文基于同一时刻已知的基准图成像中心位置与已知的导弹位置，通过两点距离公式计算得到导弹在不同位置时的中心斜距。）步骤：方位向波束宽度的选择。由步骤 计算得到的中心斜距，首先按照弹载 方位幅宽的要求，利用上文中提到的方位幅宽与方位向波束宽度的关系，根据中心斜距的大小，选择合适的方位向波束宽度以满足方位幅宽的要求。）步骤：子孔径合成孔径时间的计算。子孔径合成孔径时间是弹载 的一个重要参数。由子孔径合成孔径时间可以得到方位多普勒带宽，两者之间的关系为 （）其中，表示子孔径合成孔径时间；为方位多普勒带宽；为导弹的速度，即 。假设弹载图像的方位向地距分辨率为，则方位向斜距分辨率为（）其中 表示方位向斜距分辨率；表示斜地分辨率转换的系数；由弹载 的俯冲角、擦地角、方位角第 期姚顺宇等：改进的弹载 脉冲重复频率设计方法计算得到。由式（）和式（）可推导出 的计算公式为（）由式（）可知，根据不同方位向地距分辨率的需求，可求得子孔径合成孔径时间，进而代入式（）求出方位多普勒带宽。）步骤：脉冲宽度的选择。首先根据方位无模糊的约束条件，得到 的下限值，即回波信号的方位带宽。方位无模糊的约束条件就是使得 大于回波信号的方位带宽，以避免方位频谱混叠。弹载 回波信号的方位带宽由两部分组成，分别是方位多普勒带宽 和由波束中心指向偏移带来的多普勒中心频率偏移，即 （）其中在一个波束照射范围内多普勒中心频率偏移的计算采用了与文献 中相同的方法。随后将代入到雷达方程式（）中，计算雷达威力的大小，选择出合适的脉冲宽度，使得雷达威力大于最长斜距。）步骤：最后利用文献中提出的距离无模糊限制、测绘带无模糊限制、高度杂波无干扰这些脉冲重复频率设计原则选择出 的范围，进而选择出合适的 值。在实际工程中，最终所用的 值的选取可以由第一个 可选值加 可选取范围的 经四舍五入来确定。仿真实验为了证明本文所提出的改进脉冲重复频率设计方法的有效性，本文设计了仿真实验，仿真参数如表 所示。仿真实验基于一组弹体位置、弹体速度和基准图位置数据，先计算得到相应位置的弹体高度、斜距，再利用本文提出的改进的脉冲重复频率选取方法选取出合适的 值。图 为其中一组数据得到的 的斑马图。图 中的左边浅灰色区域表示方位模糊区，右边深灰色区域表示高度杂波遮挡区，白色区域表示 的可选区，带虚线表示 最小值，带虚线表示 最大值，带虚线表示中心下视角的大小。由该组 数 据 得 到 的 弹 体 高 度 为，斜 距 为，中心下视角为.，方位向波束宽度为，脉冲宽度为，合成孔径时间为.。此时的 可选取范围是 。根据此时的 可选取范围，将 设计为 便可满足实际工程的需要。表 仿真参数参数数值参数数值（）方位向地距分辨率 （）或 或 收发保护时间 方位向点数 距离向地距分辨率 载频 脉冲宽度 或 图 基于一组仿真数据的 斑马图 结束语针对弹载 的脉冲重复频率设计问题，本文提出了改进的脉冲重复频率设计方法。本文首先建立了弹载 成像模型，然后分别分析了雷达威力、方位波束宽度与脉冲重复频率的关系，进而提出了一种改进的脉冲重复频率设计方法，该方法可以通过可变的方位波束宽度和脉冲宽度满足更为复杂的弹载 系统的脉冲重复频率设计需求。本文最后通过仿真实验证明了所提出方法的有效性和可行性。参考文献：祝明波，杨立波，杨汝良 弹载合成孔径雷达制导及其关键技术 北京：国防工业出版社，（下转第 页）火 控 雷 达 技 术第 卷图 目标点凝聚前后距离多普勒平面对比聚可以避免目标分裂现象。该方法已在现实产品中得到了应用，证明了其在工程上的实用性。参考文献：马晓晨 基于 的雷达点迹凝聚方法研究 西安：西安电子科技大学，孙晓龙，韩俊峰 一种基于三坐标相控阵雷达的点迹凝聚方法 现代导航，（）：王建声 目标积累检测与点迹凝聚技术研究 西安：西安电子科技大学，杨刚，杜力，袁小乔，等 一种基于父子结点遍历的距离多普勒平面点迹凝聚方法：中国，陈光，任志良，孙海柱 最小二乘曲线拟合及 实现 兵工自动化软件技术，（）：（上接第 页）党彦锋，梁毅，张罡，等 机动平台俯冲大斜视 脉冲重复频率设计 系统工程与电子技术，（）：郭媛，索志勇，王婷婷，等 弹载 系统参数优化设计方法 系统工程与电子技术，（）：陈伯孝，等 现代雷达系统分析与设计西安：西安电子科技大学出版社，郝祖全 弹载星载应用雷达有效载荷 北京：航空工业出版社，（）：，：，（）：