雷達技術體制發展創新的理論基礎探討

王德純

(南京電子技術研究所， 南京210039)

0 引言

在雷達誕生(1935年)初期［1］，系統采用的是最簡單的雷達技術體制，或者說最經典的雷達技術，采用最簡單的信號形式和雷達天線波束。由于只利用了信號的幅度信息和簡單的信號處理，因而雷達系統的功能和性能十分有限。幾十年來，在眾多雷達工作者的推動和相關科學技術領域發展的帶動下，雷達系統的功能和性能、雷達系統的形態、雷達系統的技術體制、雷達裝備的應用等方面都發生了翻天覆地的變化。

雷達在形態方面發生了顯著的變化。例如，雷達電路已經從模擬式轉變到幾乎全數字式，即已由模擬雷達發展到現代的數字雷達，這種進步的基礎主要來源于電路技術、計算機技術、微波集成技術等領域的進步;數字雷達系統功能也取得了顯著進步，例如，從只能探測中高空目標到能探測低空、地面、甚至地下目標和深空目標;從只能探測有形目標到能探測無形目標;從只能(用簡單的幅度門限檢測)判斷目標有無到用精細的目標識別技術來判斷復雜目標的型號和性質;從只能測量簡單目標的點跡(距離、方位)航跡(點跡的時間序列)到可以對復雜目標進行高分辨成像;從只能測量目標宏動態特性到可以測量復雜目標的微動態特性(振動，轉動);單臺雷達從只有單一功能到實現多目標多功能(搜索、跟蹤、成像等)等等。

毫無疑問，雷達功能性能的提高主要是靠雷達技術的進步，特別是雷達系統技術體制的進步。例如，發展了動目標顯示(MTI)技術體制，才有了雷達的低空探測性能;發展了脈沖多普勒(PD)技術體制，才成就了機載雷達的下視功能［2］;開發了單脈沖體制，才使雷達的測角精度提高了一個量級，從而控制武器的射擊效率提高了幾乎兩個量級［3］;發展了寬帶超寬帶技術和脈沖壓縮技術體制，才大大提高了雷達的距離高分辨(一維目標成像)功能，使雷達對目標的探測從宏觀走向微觀;發展了合成孔徑(SAR)和逆合成孔徑(ISAR)技術體制，才有了雷達橫向距離高分辨(可以二維目標成像)功能;發展了相控陣體制，才實現了單部雷達的同時多目標和多功能［4］等等。顯然，雷達技術體制的不斷創新和發展是雷達系統功能不斷增加和雷達系統性能不斷提高的根本原因。

那么，雷達系統新技術體制創新發展的基礎又是什么?本文從雷達系統的基本模型和基本理論出發，考察和研究了幾十年來雷達系統技術體制創新發展的歷史，得出的初步結論是，每種新技術體制的誕生均來源于一種新的雷達電磁波信號形式(新的時頻域波形或新的空間域波形)的出現，即產生或選擇一種新的能夠獲得目標新信息的電磁信號波形(或波束形式)，并找到一種能從該波形中提取出目標這種新信息的信號處理方法和信息提取的算法，從而創新了一種新的雷達系統技術體制。

1 基于電磁信號時頻域波形的雷達系統技術體制發展史

如前所述，在雷達發明的初期，采用的是最經典的雷達技術體制，即發射簡單的脈沖或連續波信號，目標反射的回波由幅度檢波器檢波后，送顯示器顯示。后來，主要是二次大戰之后，基于應用需求的不斷推動，雷達工作者在經典雷達系統基礎上不斷創新，發展了一系列雷達系統新技術體制，在雷達系統(這里不討論雷達分系統)新技術體制方面取得了不斷的進步。

1.1 非相參波形雷達技術體制

20世紀60年代以前，主要雷達裝備基本上都是經典的雷達技術，即所謂的非相參技術體制。例如，當時研制生產的兩坐標雷達、三坐標雷達、測高雷達、炮瞄雷達等。

這一時期，雷達的微波功率器件主要是磁控管(自激震蕩式)，因而產生的雷達電磁信號是窄帶非相參信號。其主要特征是相鄰脈沖的載波相位是隨機的，即所謂的非相參信號。這種信號的另一特征是窄帶(按美國的定義，信號相對帶寬小于百分之一)。

這種非相參脈沖信號的表達式可以寫為(以N個矩形脈沖為例)

在這種電磁信號波形條件下，首先是在信號處理中不能進行相參積累，只能在單個脈沖的幅度檢波后進行非相參積累，因而雷達的距離探測性能和抗干擾性能有限;二是由于是窄帶信號，距離分辨率遠大于常規目標尺寸，分辨能力差，目標對雷達來說只是一個“點”。因而雷達抗干擾抗雜波能力也差，目標測量的參數和精度也都受限。

雷達能獲得的目標信息只有回波強度(目標整體反射面積大小)和目標的位置(點跡)，這就是第一代的所謂非相參技術體制。我們稱之為經典雷達技術體制。

1.2 相參波形雷達技術體制

20世紀60年代以后，由于速調管等功率放大器件的出現，雷達發射機可以采用主振放大模式，因而可以輻射一種所謂相參窄帶電磁波信號。對雷達來說，這種信號主要有3個特征:(1)脈沖之間的相位是相參(連續相關)的，因而回波信號可以在檢波前進行相干積累，大大提高了雷達距離探測性能;(2)可以檢測回波信號中的多普勒頻移，因而一方面可用來測量目標速度，另一方面可用于運動目標檢測和雜波抑制;(3)依然是窄帶，目標仍然是一個“點”。

這種相參脈沖信號可表示為(以N個矩形脈沖為例)

式中:f0為信號中心載頻頻率;φ0為初始相位;其他參數同前。

在相參電磁信號形式條件下，加上開發了相應的信號處理技術和信息提取方法，雷達系統創新發展了諸如動目標顯示(MTI)雷達技術體制;動目標檢測(MTD)雷達技術體制;脈沖壓縮(PC)雷達技術體制;脈沖多普勒(PD)雷達技術體制;相控陣雷達技術體制等一系列相參雷達新技術體制，有時又稱現代雷達技術體制。

在這種相參技術體制雷達中，信號可以實現檢波前的相參積累，大大提高了距離探測性能和抗雜波抗干擾能力;由于相參，雷達系統增加了多普勒頻移信息，即增加了測量目標速度的能力和在強雜波背景中發現小目標的能力，以及測量目標微動態(旋轉、震動)的能力。

相參窄帶電磁信號波形相關技術體制的雷達系統構成了2000年前后世界軍事的主體雷達裝備。

1.3 寬帶電磁信號雷達技術體制

20世紀80年代開始，由于寬帶相參信號的產生和處理方面的進步，出于雷達目標識別的需求，開發了寬帶電磁信號雷達技術體制。

寬帶雷達脈沖信號可表示為

式中:a(t)為包絡(矩形脈沖);θ(t)為頻率調制或相位調制。

寬帶信號波形的主要特征是對目標有精細的距離分辨率。因而這種技術體制可以高分辨地展示目標的徑向物理結構，可以測量目標的長度L。

寬帶雷達所看到的目標不再僅僅是A/R顯示器上的一個尖頭脈沖或PPI顯示器上的一個亮點，而可以是目標的一個“物理圖像”，即目標沿徑向方向反射強度(RCS)的分布圖。寬帶信號使雷達對目標的探測從宏觀走向微觀。再與合成孔徑(或逆合成孔徑)技術結合，可以實現目標微觀結構的二維成像(反射強度的二維分布圖)，即目標視在形狀的測量。大大提高了雷達的目標識別能力。

與寬帶電磁信號相關的雷達技術體制有:高距離分辨(HRR)雷達、合成孔徑與逆合成孔徑成像雷達、脈沖壓縮雷達、彈道導彈防御雷達等。

寬帶電磁信號雷達技術體制是現在和未來雷達發展的必然方向。

1.4 微多普勒信號雷達技術體制

微多普勒雷達技術建立了相參信號回波的微多普勒頻率與目標微運動參數(轉動、振動)之間的對應關系，例如，一個徑向表面振動偏離為x(t)目標回波中的微多普 fm為［6］

式中:λ為工作波長，微多普勒實際上是目標主多普勒譜線的邊帶。

人們還開發了提取回波微多普勒信號(回波多普勒邊帶)的方法和算法，從而反演出目標或其構件的微動(振動和轉動)特性，或者說目標的微觀動態特性。

微多普勒技術體制的雷達增加了測量目標微動態參數功能。

2 基于電磁信號空間域波形(波束形狀)創新的技術體制發展史

2.1 空域調制的電磁信號波形

以相參信號為例，雷達發射機產生信號S2(t)如式(2)所示。經發射天線波束調制的電磁輻射信號可以寫為

式中:Ft(θ，φ)為發射天線的波束形狀。

暫不考慮目標調制，經接收天線波束后的信號則為［9］

式中:Fr(θ，φ)為接收天線的波束形狀。

2.2 單站多波束技術體制

以單脈沖技術體制為例。為簡便，這里先只考慮在一個角平面的接收波束，則回波受和波束及差波束形狀(如圖1所示)調制后，形成和信號及差信號如下

式中:FΔ(θ)為在 θ角平面上的差波束圖形狀;FΣ(θ)為在θ角平面上的和波束圖形狀。

圖1 單脈沖和差波束圖形狀

同樣，數字形成多波束(DBF)技術體制也類似。若先考慮一個角平面的接收波束，則回波調制形成的通道信號如下

式中:Fr(θi)為第 i個數字波束，i=1，2，…，N。

2.3 基于多站及組網波束的技術體制

以雙/多基地雷達技術體制為例，這種基于不同基地波束照射和接收，可獲得目標在不同側面的散射特性，從而提高雷達系統的反隱身性能等。

MIMO技術也是通過多個發射波束和多個接收波束的巧妙組合提高雷達系統的功能和性能。

2.4 基于移動波束的技術體制

合成與逆合成孔徑雷達技術體制是通過雷達輻射電磁波束和目標之間的相對移動實現的。這種相對運動(轉動)使剛體目標各個部分的回波產生不同的多普勒頻移，大大提高了雷達探測的角度(橫向距離)分辨率，誕生了所謂的合成孔徑和逆合成孔徑成像雷達。

3 基于電磁信號時空二維波形的自適應處理(STAP)雷達技術體制

1973年，Brennandeng等人提出了空時二維自適應處理的概念［10］，將陣列信號處理的基本原理推廣到脈沖和天線陣元的二維數據中，證明了二維聯合處理要比常規空時級聯處理的性能好得多。空域和時域的二維濾波成為提高雷達探測性能的重要技術體制。

當然，全空時STAP系統自由度過大，但目前的降維研究已經開辟了實際應用的前景［11］。

4 基于電磁波極化域特性相關的雷達技術體制

極化是電磁波信號的另一個特征域，雷達電磁波回波信號的極化(偏振)狀態及其變化與目標的對稱性相聯系［12］。因而采用極化技術體制的雷達可以測量目標的對稱性參數，可以抗干擾，可以目標識別。

通過回波測量目標的“極化散射矩陣”是雷達極化技術體制的最嚴格要求。極化散射矩陣S為

5 雷達信號與信息基本模型

眾所周知，雷達是靠電磁波來實現對目標的發現識別和各種參數及特征測量的。因此，理論上，提高雷達(探測和測量)功能和性能的根本問題歸結為如何改進或更新這個“電磁波”波形特性(時頻域、空間域、極化域及其聯合域)的問題。不難理解，這種“雷達電磁波”的波形選擇和處理便是雷達系統技術體制發展創新的基礎。前述幾十年來雷達技術體制的發展創新過程證明了這一點。

下面我們來解析一下雷達電磁信號波形與目標特性信息探測提取關系的基本模型(如圖2所示)。

圖2 雷達信號與信息系統的基本模型

雷達波形產生器產生并經發射機(TX)放大輸出合適的時頻域信號波形S(t)(例如，S1(t)，S2(t)，或S3(t));

時頻域波形送至發射天線，經天線發射波(束)形(狀)調制后的電磁信號(例如，S4(t)=Ft(θ，φ)S2(t))輻射到空間;

該輻射電磁信號波形碰到目標，與目標的各種特性響應T(X)相互作用后散射回雷達(例如S5(t));

這種經目標調制的空時域回波信號攜帶著目標的全部信息，送至接收機和信號處理器處理后提取目標各種信息X。

6 雷達系統技術體制創新發展途徑

6.1 電磁波信號波形(束)選擇研究

尋找一種能獲得目標(或某種特定目標)新信息(原有雷達技術體制還不能獲取)的電磁波信號波形(時頻域、空間域、極化域、其他域率或其中某兩種或多種的聯合域)。

例如，寬帶雷達技術體制的誕生出于人們需要提高雷達對目標的距離分辨率，從而了解目標細微結構的愿望，提出了一種寬帶線性調頻(LFM)信號。

然后，研究該信號波形產生的實現方法。例如，為產生LFM信號，當時研制了專門的色散延遲線(鋁帶、鋼帶等)，將一個窄脈沖信號成LFM信號。

6.2 電磁波信號波形(束)處理方法研究

研究新電磁波形回波合適的信號處理方法。包括時域處理，頻域處理，空域處理(波束形狀、數量、配置、DBF、置零、多站等)，空時二維自適應處理，極化處理，或者其他處理及聯合處理等。

以前述寬帶LFM信號的例子，要研究LFM回波信號的匹配濾波器的實現。早期人們就用與信號產生同樣的色散延遲線，將輸入輸出端倒過來即可。

6.3 目標新信息提取方法

研究新電磁波形回波所攜帶目標信息的提取方法。以上述寬帶LFM信號的例子，研究提取高距離分辨條件下目標反射強度(RCS)沿徑向的分布(一維距離像)的算法，或者與合成孔徑逆合成孔徑結合，提取目標二維像的算法。

6.4 雷達電磁信號其他特征的研究

雷達電磁信號除了時頻域特性，空間域特性，極化域特性，或其聯合域特性以外，還有無其他的特征域。

7 結束語

(1)創新動力

雷達系統運行的兩個主體，雷達和目標(含環境)之間矛盾的發展帶動著雷達技術體制的不斷創新。

雷達目標，主要是武器系統(例如飛機、導彈、衛星、艦船、坦克等)技術的進步在很大程度上推動了雷達技術的創新，例如隱身技術、低空入侵技術、小型化技術、假目標技術、干擾技術、隱蔽技術等。正是這些目標技術的進步推動著雷達技術體制的創新。

(2)創新起點

獲取更多更精細的目標和環境信息，以增加雷達功能和提高雷達性能，是雷達技術體制創新的起點和歸宿。而目標與環境的各種信息均包含在一定的雷達電磁信號回波的波(束)形之中。

(3)創新途徑

選擇或尋找能采集更多更精細(或特定)目標信息的雷達電磁信號波形(包括電磁波信號的時頻域、空間域、極化域或他們的聯合域)，及其產生和處理方法，以及目標信息提取方法，是雷達技術體制創新的主要途徑。

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