光栅雷达显示的余辉衰减方法研究

徐利娟 姚洁

摘  要：在光栅显示技术普及之前，二维的雷达显示一般采用长余辉CRT显示屏，雷达图像靠天线转动直接在屏幕上刷新，帧频和天线转速相同。由于天线转速很慢，需要借助荧光粉的余辉来保持回波图像。显然，天线转速越慢所需的余辉越长。此外，长余辉还是信号积累的一种手段，能有效地实现信号的线间积累和帧间积累，有助于人工目标检测。文章叙述了雷达显示中的余辉概念，说明了光栅雷达显示中余辉衰减的基本原理和控制方法。

关键词：雷达显示;余辉衰减;方法

中图分类号：TN957.5                  文献标识码：A文章编号：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

在光栅雷达显示中，图像在帧存储器中形成，仍然靠天线转动刷新，但余辉就不能靠显示屏实现了，也是在帧存储器中完成。由于帧存储器中的像素数据可以灵活改写，故产生的余辉衰减效果比长余辉CRT优越得多。长余辉CRT的余辉长度是固定的，不同的型号有不同的余辉衰减速度，故CRT一旦选定，余辉衰减速度就不能改变了。同一台显示器可以选择多种方式和多种速度的余辉衰减。

目前常用的余辉衰减方式有4种：（1）随时间衰减式（当前扫过方位上的回波最亮，此前方位上的回波亮度随时间的流逝逐渐衰减）;（2）随方位衰减式（当前扫过方位上的回波最亮，此前方位上的回波亮度随扫过的方位逐渐衰减）;（3）积累式（历次天线周期扫过的回波都不衰减）;（4）刷新式（新的一帧回波图像取代前一帧）。4种衰减方式中，前两种衰减方式的衰减速度又可以有多种选择，最常使用，控制也较为复杂，是本文讨论的重点。

1  余辉衰减控制的基本途径

在光栅雷达显示技术中，余辉衰减又称为视频衰减，前者沿用了长余辉CRT雷达显示的传统概念，后者反映了光栅雷达显示中余辉衰减的技术实质。不管采用哪一种术语，视觉效果是一致的——都是指雷达图像中目标回波在显示屏上亮度的衰减。本文中也会使用“亮度衰减”一词，其含义与“余辉衰减”和“视频衰减”是一致的。

雷达目标回波在显示屏上的亮度由回波幅度的高低和所占面积的大小决定，如图1所示。显然，回波的幅度越高亮度也越高，回波的数量越多亮度也越高。实际的目标回波在显示屏上是由多个像素组成的片，一是由于雷达波束有一定宽度，即使一个很小的目标也会多次被波束击中，在方位上形成多个像素;二是雷达显示中常用回波展宽技术，使得小目标回波在距离上也占有多个像素。

一幅雷达图像是由许多回波信号形成的。如前所述，要想使雷达图像的亮度按一定规律衰减，可以通过逐渐递减回波幅度或逐渐递减回波面积这两个基本途径实现，可分别称为幅度衰减法和空间衰减法。这两种方法都可以是随时间衰减或随方位衰减。

2  幅度衰减法

2.1  实现方法

雷达图像帧存储器中每一个像素数据决定着屏幕上一个像素的亮度，例如一个8位的像素数据，最大值255表示最亮，最小值0表示不亮，中间的亮度和数值大小成比例。幅度衰减的方法是，在屏刷新过程中像素数据逐个移向LUT的同时，将它们逐个减去一个衰减等级，然后回写到帧存储器原来的地址。这样，每一个屏刷新周期过后，必定將全屏的像素数据递减一级。待下一帧屏刷新时重复此操作，但显示的亮度比前一帧弱了一个等级。如此循环，直到像素数据值递减到0，亮度也就衰减到了0。在亮度衰减过程中，天线新扫过方位上的数据是刚写入的，还未经衰减，所以在显示屏上应该是最亮的，而经过衰减的像素是较暗的，且经过衰减次数越多的像素越暗。在余辉衰减过程中的某一瞬间，屏幕上某方位的亮度与写入帧存储器数值的大小和该方位衰减过的次数有关。假定写入帧存储器的回波幅度都相同，从图2中可以查到某一时刻不同方位上回波的相对亮度。

余辉衰减级数实际是像素数据递减的级数，系统能够达到的余辉衰减级数取决于帧存储器的位数，而且系统的余辉衰减级数是可以设定的。例如帧存储器为8位时，系统可达到的最大衰减级数为256级，也可以设为128级或64级。衰减级数越多，余辉效果越好，衰减周期也越长。若衰减级数减少则情况相反。

2.2  衰减速度控制

2.2.1  随时间衰减的速度控制

幅度衰减法中，随时间变化的余辉衰减速度用像素数据从最大值递减到0所需的时间T表示，T实际是衰减周期。设余辉衰减级数为n，屏刷新周期为τ，按前边所述的衰减过程，每一次屏刷新衰减一级时，可以得到幅度衰减法的基本余辉衰减速度T0，如式（1）：

实际应用中，余辉衰减速度并不是固定的，而是可以选择的一组值，它们会比T0更快（小）或更慢（大）一些。为了满足这种要求，当帧存储器位数一定时，常用减少衰减级数n的办法加快余辉衰减速度;用每隔若干帧才使像素衰减一级的办法减慢衰减速度。于是，可得到以下余辉衰减速度公式：

其中，T为余辉衰减速度（周期），n为余辉衰减级数（n=p/q，p为由位数决定的帧存储器最大值，q=1、2、3、4 ……），m为衰减隔帧数（m=1、2、3、4……），τ为屏刷新周期。

2.2.2  随方位衰减的速度控制

幅度衰减法中，余辉随方位衰减的速度用像素数据从最大值递减到0所经过的方位角宽度（Wθ）来表示，公式为：

其中，Wθ为要求的余辉衰减速度（范围是0～360°或大于360°），ω为雷达天线转速，T为天线转过Wθ所需的时间。

当已知系统的ω和Wθ时，可用式（3）算出T值，再将T值代入式（2），求出n和m值。以后的控制过程就与2.2.1所述相同了。

例如，雷达天线转速为ω=120°/s，n=256，m=1τ=16 mS，下面计算Wθ的值：将n=256，m=1，τ=16 ms代入式（2），可得到系统的余辉衰减周期T=4.096 s。再将T值代入式（3）可算出像素数据从最大值递减到0（共衰减256级）所经过最窄的方位角宽度Wθ=492°。显然，要使余辉衰减方位范围变小，只能选用较小的n值（减少余辉衰减级数）来实现;要使余辉衰减方位范围变大，就要选用较大的m值（隔帧衰减）来实现。

3  空间衰减法

3.1  实现方法

在第1节中讲过，目标回波在帧存储器中是一片一片的像素数据，若随时间或方位的变化使全屏像素逐个地熄灭，则整幅图像就会由亮到暗地逐渐衰减掉。具体方法是，在雷达图像加工过程中，按一定速度插入余辉衰减控制周期，在一个衰减插入周期中，使一个像素改写为0。空间衰减法的关键是要求衰减插入周期的帧存储器地址顺序不能是规则的，应该是均匀分布的伪随机数序列，其周期长度应该等于帧存储器的容量。例如，图像的帧存储器容量为1 024×1 024，即像素地址为220个，为了在一个灰度衰减周期内能使全部像素改写一遍，要求在一个伪随机数序列周期内正好产生220个整数，取值范围为0～220-1，而且出现的次序是随机的、均匀分布的。

与幅度衰减过程一样，天线新扫过方位上的数据是刚写入的，还未经衰减，目标的像素最密，所以图像应該是最亮的;而经过衰减方位上的目标像素减少了，图像应该较暗，且像素熄灭越多的方位上的目标亮度越暗。

3.2  均匀随机数生成

为了形成衰减插入地址，需要一种便于用数字电路产生的均匀分布随机数序列算法。下面介绍的同余法能满足这种要求，其公式为：

其中，mod M表示λXn+C的运算结果对M取模后的余数作为Xn+1的值。在二进制系统中取M=2L则式（4）产生伪随机数的最大可能周期为T=2L。为了使序列Xn能取到这样大的周期，应按以下方法取参数：λ=4q+1，C=2a+1，X0为任意非负整数。其中，L、q、a均取正整数。

理论分析和统计检验表明，λ取值过小或它的二进制形式中0、1呈规则性排列时，都不能产生统计性质理想的数值系列。反之，一般是可取的。在产品中，可以用改变λ和C的值来观察余辉衰减效果的方法确定它们的最佳值。

图3给出了使用式（4）生成余辉衰减插入周期地址的逻辑框图。图3中，取M=220。输出Xn为20位，可作为衰减插入周期的帧存储器地址，能满足1 024×1 024帧存储器的需要。由于X0为任意非负整数，所以上电时不用加载X，使用R中的随机数即可。图中的虚线框表示乘法器或加法器的溢出位，不必设置。时钟脉冲CP使随机数序列步进，一个衰减插入周期前进一步，它的快慢取决于设定的余辉衰减速度。

3.3  余辉衰减速度控制

空间衰减法随时间的余辉衰减速度仍用衰减周期T表示，它是一帧图像的像素逐个熄灭一次的时间，也就是图像帧存储器单元逐个改写一次的时间。设余辉衰减插入周期为τ（即熄灭一个像素的时间间隔），帧存储器的容量为N，则：

与幅度衰减法一样，T是根据使用要求提出的。在一个系统中N是固定的，所以要满足对T的要求，只能通过改变τ的大小来实现。

余辉衰减插入需要占用扫描变换像素加工的时间，τ越短衰减速度越快，占用的扫描变换像素加工的时间也越多。将读改写一个像素所需的时间记为τ0，并认为熄灭一个像素和加工一个像素所需时间相同（都是τ0），则系统的余辉衰减周期公式可改写为：

其中，（m+1）τ0=τ，其含义是在一个余辉衰减插入周期内，要完成一个像素衰减操作和m个扫描变换像素加工。这里忽略掉了其他操作所需的时间，这些时间相对来说是很少的，在选取m值时适当考虑余量即可。

系统的余辉衰减插入周期最小能到多少，与雷达工作的重复频率、显示的距离分辨率和帧存储器的读改写速度有关。例如，一个系统的N=1 024×1 024，像素的读改写时间τ0=333 ns，雷达重复频率为F=2 kHz。下面计算m和T的值：

從系统的N值可知显示的最高距离分辨率为512（中心显示）和1 024（偏心显示），又知雷达重复周期为1/F=500 μs，现以偏心显示为例来计算。无衰减插入时完成一次距离扫描像素加工所需的时间为1 024τ0=340 μs;显然，340 μS<500 μs是合理的。由式（6）可导出有衰减插入时每加工一个扫描变换像素的时间可折算为（1+1/m）τ0。假如m取1，则完成一次距离扫描像素加工所需的时间为1 024×2τ0=680 μs，而680 μs>500 μs显然是不合理的。改m取2，则完成一次距离扫描像素加工所需的时间为1 024（1+1/2）τ0=511 μs，而511 μs>500 μs也是不合理的。再改m取3，则完成一次距离扫描像素加工所需的时间为1 024（1+1/3）τ0=455 μs，而455 μs<500 μs显然是合理。因此m的最小值可取为3，代入式（6）可得到系统余辉衰减的最小周期（最快衰减速度）T0=1 024× 1 024×4×333 nS=1.4 s。适当选取大于3的m值，可以得到其他所需的T值。

如果按中心显示计算，m的最小值可取为1，则系统余辉衰减最小周期（最快衰减速度）T0=1 024×1 024×2×333 ns = 0.7 s。其他T值可用同样的方法选取大于1的m值得到。

4  结  论

幅度衰减法的优点是：余辉有灰度层次;衰减速度变化范围不受显示分辨率和雷达重复频率等因素影响;同一幅图像可以实现多种速度衰减。缺点是：在空间分布上有余辉的灰度阶梯;使用硬件较多。

空间衰减法的优点是：在空间分布上余辉衰减是均匀的，无灰度阶梯;使用硬件较少。不足之处是：余辉衰减速度受多种因素影响;不能同时使用多种衰减速度工作;在回波像素稀少时余辉衰减有闪烁的感觉。复合衰减法综合了上述两种方法的优点，但代价是衰减周期大大地加长。所以复合衰减法的衰减级数不能太大，适合在远程雷达显示中使用。

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作者简介：徐利娟（1983—），女，汉族，江苏沭阳人，工程师，本科，研究方向：综合显示与控制技术。

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