论文导读：并且计算负荷较低的成像模式——多普勒波束锐化(DBS)被广泛应用于火控雷达中。为了获得高波束锐化比。某型火控雷达是一部多功能、全相参的脉冲多普勒雷达。
关键词：脉冲多普勒雷达，多普勒波束，锐化比
现代战斗机往往担负着多种任务，一般都采用脉冲多普勒火控雷达。为了实现对地面场景的二维高分辨率成像，一种可以在前侧视大范围扫描条件下进行成像，并且计算负荷较低的成像模式——多普勒波束锐化(DBS)被广泛应用于火控雷达中。采用该项技术后，在距离不变的条件下，分辨能力可以得到数十倍的提高。
1多普勒波束锐化技术
1.1基本原理
多普勒波束锐化的基本原理就是将一个天线的真实波束，在方位上分割成若干子波束，由于各子波束与雷达载体速度矢量的夹角不同，因而各子波束照射的目标相对于雷达的径向运动速度亦不同，从而导致了各子波束所照射的目标间的多普勒频率差异。
如图1所示，假定雷达以载机速度ν沿水平方向（X轴）作匀速直线飞行，雷达波束3dB方位宽度Δθ，雷达波束视线指向与地面交点为P，与载机速度矢量ν的夹角（即斜视角）为Ф，方位角为θ，俯仰角为ε。在t=0时刻，雷达位于A点，它与P点之间的斜距为R0，在t时刻雷达运动到B点，到P点的斜距为R（t）。根据余弦定理，可从三角形ABP中求出任意瞬间t时刻雷达到P点的斜距：
图1 波束锐化成像的几何关系
 （1）
将上式在t=0点作泰勒级数展开，可以得到：
 （2）
当R0>>vt时，可略去高次项，仅取前三项得到：
 （3）
由双程波程引起的回波相位变化为：
 （4）
式中，λ为雷达工作波长。对上式求导就可以得到t时刻P点回波的多普勒频率：
 （5）
由图1所示的几何关系可以得到斜视角与方位角和俯仰角的关系为 ，将该式带入（5）式得：
 （6）
上式表明：在雷达波束照射区城内，距离相同但方位θ不同的散射体所产生的回波信号具有不同的多普勒频率fd；距离R0、方位θ一定的散射体，其多普勒频率fd又是时间t的线性函数，随着t的增大，多普勒频率fd线性降低。论文发表。它们之间的关系如图2所示，其中Td为积累时间。
若在频域内设置一个窄带滤波器组，使各个窄带滤波器的中心频率和带宽都与相应各子波束中心方位线的多普勒频率和子波束覆盖的多普勒频率一一对应，就可区分天线真实波束覆盖的（方位）角度内距离相同而方位不同的各子波束照射的目标回波信号，从而达到改善方位分辨率的目的。
图2 fd与θ和t的关系曲线
由以上分析可知，DBS技术正是利用了回波中的多普勒信息，通过频域的高分辨率处理，等效地对真实天线波束进行分割，这正是人们称之为“多普勒波束锐化”的原因。
1.2波束锐化比
对天线真实波束进行锐化，锐化比的大小就是真实的波束宽度与分割后的子波束宽度之比。根据回波积累时间Ta的不同，波束锐化可以分为低锐化比和高锐化比两种情况。当回波积累的时间比较短，不同重复周期回波的多普勒频率fd随t的线性变化没有超出单个多普勒窄带滤波器的带宽范围，可以不进行补偿而直接相加。在这种情况下多普勒窄带滤波器的带宽比较大，于是相应的子波束的宽度也较大，因此锐化比较低。与低锐化比的波束锐化相对应，在对不同重复周期的回波进行积累时，对随时间t作线性变化多普勒频率fd进行补偿，使补偿后频率不随t而变化，这时相应的多普勒窄带滤波器的带宽可以做得很窄，而且积累时间也比较长，此时就可以达到很高的波束锐化比。
1.3频率补偿
为了获得高波束锐化比，必须进行频率补偿。如图3所示，首先采用一个频率可变的本振同接收到的含有多卜勒频率的视频回波进行混频，本振频率随时间变化的斜率应当等于散射体回波中多普勒频率变化的斜率，从而使得混频器输出为对应于不同散射体的一组固定的频率，再通过一个多普勒滤波器组即可以将它们分辨开。
当雷达工作在低锐化比状态时，由于积累和处理时间很短，在整个积累和处理期间内，一个散射体的多普勒频率变化不会超过一个多普勒滤波器的频率范围。论文发表。这样，不必进行频率补偿，采用一般本振和适当设计的多普勒滤波器组即可实现频率分辨。
图3 频率补偿原理框图
2DBS的信号处理过程
如图4所示，经过正交相位检波后的中频回波信号由A／D变换成数字信号进入输入缓存。由于采用波束锐化技术，沿方位方向的分辨率是通过对每一距离上的回波信号进行多普勒分割而获得的，因此，从输入缓存区取出的信号是落入同一距离门内且间隔为脉冲重复周期的回波信号。输入缓存区的设计主要为保证具有不同速度的存入和取出应保持正确的相对关系。
预滤波的目的在于降低对数字处理器的要求。由此可以采用缓冲电路，让回波数据高速存储进入，低速取出，只要取出周期不大于脉冲重复周期即可，这样对存储量和运算速率的要求可以降低。
波束锐化滤波器事实上就是由FFT所等效的一个多普勒滤波器组，它可以根据各子波束回波的多普勒频率的不同来区分开各子波束所对应的回波，从而实现波束的分割，达到提高雷达方位分辨能力的目的。为了提高成像质量，在波束锐化滤波器中应采用加权和运动补偿等措施，以降低多普勒旁瓣的相互影响以及成像期间由于载机的运动或天线的扫描运动所引起的图像的退化。
输出端处理主要完成坐标变换和图像连接，以便不损失前面处理过程中所获得的高分辨率和视觉效果，并且保证相继处理的图像在积累关系上和几何关系上都能正确连接起来，以构成一幅完整的图像。
图4 波束锐化的信号处理过程
在以上介绍波束锐化信号处理的过程中，仅讨论了如何在同一距离环带区域内提高方位分辨率的问题。当采用邻接的距离门进行分割之后，按以上方法对每个距离门的信号依次进行处理，即可得到二维地图。
3DBS在某型火控雷达的应用
某型火控雷达是一部多功能、全相参的脉冲多普勒雷达，具有空空和空面两种工作方式。在对地面和海面进行地图测绘时，为了获得高分辨率的图像，采用了多普勒波束锐化技术。其部分技术指标如表1所示。
表1 某型雷达地图测绘部分技术指标
| |
搜索区域极限方位 |
方位分辨率 |
| 真实波束测绘 |
±45°（方位角范围±60°） |
2.4° |
| 低锐化比状态 |
30°（方位角范围±(10-60)°） |
6ˊ |
| 高锐化比状态 |
8°（方位角范围±(30-60)°） |
1.5ˊ |
由前面的分析可以看出，一方面，随着载机不断向前运动，对于载机前侧方的同一个目标来讲，方位角θ在不断增大；另一方面，通过对公式（6）进行求导得到：随着方位角θ的增大，多普勒频率fd变化越明显，在较短的时间内就会超出单个多普勒窄带滤波器的带宽范围，如果需要对局部地区进行长时间的精确测绘，必须对其进行频率补偿。
因此，该火控雷达在地图测绘的过程中，首先使用真实波束测绘来发现目标。真实波束地图测绘方式用于粗略识别大型地面目标，它的范围为机头两侧±60的区域，角度分辨率基本上与天线波束宽度一致。接下来对感兴趣的区域（机头两侧±(10-60)°范围内选择30°）使用低锐化比的多普勒波束锐化，为飞行员提供较为细致的目标显示，分辨率改进数倍，即波束锐化大约为24：1，但不进行频率补偿，扫描时间较短。论文发表。如果此时发现了目标，由于载机的向前运动使得目标方位角θ增大，于是可以对目标区域（机头两侧±(30-60)°范围内选择8°），采用高锐化比的工作方式，对目标区域进行较长时间的扫描，为飞行员提供局部地区更为细致的、接近空中摄影的地貌、地物图形，波束锐化比可以达到96：1，从而保证有效可靠地辨识目标。
4结束语
通过对该雷达设备的分析可知，实现DBS的信号处理机仅比距离门PD雷达的数字信号处理机复杂一些，它是由采用一系列的微处理机芯片和一些其它的辅助器件组成的位片式微计算机。在飞行过程中，可以在不到2秒的时间内提供一幅高分辨率的雷达地图，从而满足了战术使用的要求。
参考文献
1 张直中 多普勒波束锐化理论和实践中若干问题的探讨．现代雷达，1991(2)
2 毛士艺 脉冲多普勒雷达．国防工业出版社 1984
3 柯有安 雷达信号理论．国防工业出版社 1984
4 朱万清 机载雷达脉冲多普勒波束锐化技术探讨 电讯技术 1997（4）
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