脈沖雷達(dá)的優(yōu)化設(shè)計

李立仁

(中國船舶重工集團(tuán)公司第723研究所，揚州 225001)

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脈沖雷達(dá)的優(yōu)化設(shè)計

李立仁

(中國船舶重工集團(tuán)公司第723研究所，揚州 225001)

常規(guī)脈沖雷達(dá)基于回波時延-距離變換原理，工作比一般較小，存在許多缺點。提出了一種基于回波時延-頻率-距離變換原理的脈沖雷達(dá)，給出了這種雷達(dá)發(fā)射信號的選擇、雷達(dá)諸參數(shù)優(yōu)化設(shè)計原則及主要分機(jī)技術(shù)。

脈沖雷達(dá)；線性調(diào)頻；低截獲概率；抗干擾；距離像

1 常規(guī)脈沖雷達(dá)的問題

以厘米波段的脈沖(含脈沖壓縮)雷達(dá)為例，其脈寬窄，在ps～上百μs；脈沖功率高，在幾十kW～MW量級；工作比小，在萬分之幾～百分之幾量級。發(fā)射機(jī)因脈沖功率高而造價昂貴、體積重量大，即便采用固態(tài)發(fā)射機(jī)也不能發(fā)揮其潛能，很是浪費，瞬時頻帶有限，這也限制了信號處理技術(shù)能力的發(fā)揮；在電子對抗方面也因信號形式簡單，電子支援措施(ESM)容易精確測得其中心頻率，故低截獲性能和抗干擾性能差；反偵察性能與雷達(dá)威力相矛盾。

2 回波時延-頻率-距離變換體制脈沖雷達(dá)

本文旨在優(yōu)化脈沖雷達(dá)的設(shè)計——在給定雷達(dá)功率-孔徑積條件下，有最低的截獲概率、大的探測距離、高的可以自由設(shè)置的距離分辨率、較好的抗有源無源干擾能力。我們稱它為“優(yōu)化脈沖雷達(dá)”。下面從雷達(dá)信號選擇、工作機(jī)理和主要分機(jī)技術(shù)等方面探討。

2.1 發(fā)射信號

常規(guī)脈沖雷達(dá)缺點的根源在于其發(fā)射信號特性太簡單。故設(shè)計雷達(dá)發(fā)射信號便是“優(yōu)化脈沖雷達(dá)”的首要問題。已知一個脈寬為τ、調(diào)頻斜率為μ的線性調(diào)頻(LFM)脈沖，可分別控制其τ和μ得到較高的一維測距精度和距離分辨力(理論距辨率為c/2B，c為光速，B為調(diào)頻帶寬)，可提高一維測速精度和分辨力。采用這種信號可增大時寬，獲得大的發(fā)射能量以增大雷達(dá)威力；增大調(diào)頻帶寬以獲得高距辨率，從而較好地消除上述一般脈沖雷達(dá)的弊病。

目前，超大規(guī)模集成器件、數(shù)字信號處理技術(shù)、數(shù)字式直接頻綜器(DDS)和固態(tài)發(fā)射機(jī)、雷達(dá)總線控制和光纖傳輸?shù)燃夹g(shù)的成熟運用，使復(fù)雜多變的雷達(dá)信號產(chǎn)生成為可能；超大規(guī)模集成電路組件尤其是超大規(guī)模現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)、數(shù)字快速傅里葉變換(DFFT)器件及其軟件的廣泛成熟應(yīng)用，對它們的處理也變得容易。所以，2個以上LFM脈沖信號的組合，便是“優(yōu)化脈沖雷達(dá)”發(fā)射信號的良好選擇。根據(jù)雷達(dá)最小作用距離要求，最后一個子脈沖也可采用矩形等頻脈沖，不過對它的處理應(yīng)不同。

本文給出一種發(fā)射信號——在一個脈沖重復(fù)周期里，采用2個以上、時間非常靠近、不同中心頻率、不同時寬、不同調(diào)頻斜率的LFM脈沖，參見圖1(a)。這種發(fā)射信號的回波仍為幾個相應(yīng)的LFM脈沖，其調(diào)頻帶寬不變。如圖1(b)所示。圖1中點畫線為發(fā)射脈沖τ1的回波；粗實線為發(fā)射脈沖τ2的。目標(biāo)運動產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)一般可不考慮。接收機(jī)采用去調(diào)頻下變頻器，其輸出中頻信號則為等頻中頻脈沖，如圖1(c)和圖1(d)所示。其頻率為Fi，F(xiàn)i=μt2，t2=2R/C,為回波時延，R為目標(biāo)距離。

圖1 正斜率LFM時延-頻率-距離變換體制脈沖雷達(dá)信號圖

用這種信號的雷達(dá)可稱為回波時延-頻率-距離變換體制脈沖雷達(dá)。

這種發(fā)射信號的優(yōu)點是：

(1) 距離測量可通過測量回波頻率實現(xiàn)，可用快速傅里葉變換(FFT)完成。

(2) 處理這種信號的匹配濾波器對目標(biāo)多普勒頻率不敏感，大多數(shù)情況下不需要對目標(biāo)多普勒速度進(jìn)行補(bǔ)償，這將使信號處理系統(tǒng)大大簡化[1]。

(3) 可設(shè)置幾種距離分辨力，除滿足一般的距離分辨要求外，還可以設(shè)計高距離分辨力信號，以獲得目標(biāo)的一維距離像，實現(xiàn)目標(biāo)識別[2]；對于某些慢速運動目標(biāo)，還可以進(jìn)一步獲得目標(biāo)二維像，實現(xiàn)更高級的目標(biāo)識別。

(4) 在信號的后處理中同樣能實現(xiàn)動目標(biāo)顯示，并能充分發(fā)掘信號處理技術(shù)潛力來提高雷達(dá)性能，降低雷達(dá)造價。

(5) 精心設(shè)計重復(fù)頻率,一般可實現(xiàn)40%以上的大工作比，降低發(fā)射脈沖功率要求，最適宜用固態(tài)發(fā)射機(jī)。

(6) 諸子脈沖的發(fā)射脈沖功率低，時間又特靠近，頻率也不同，所以ESM難于測準(zhǔn)它們的中心頻率，更難測準(zhǔn)它們的調(diào)頻斜率，難形成良好匹配的干擾，故使雷達(dá)有較強(qiáng)的反偵察抗干擾性能。這已由雷達(dá)和電子對抗系統(tǒng)的試驗證實。

(7) 能自然地消除雷達(dá)二次回波，無需采取專門措施。

2.2 技術(shù)特點

2.2.1 大工作比設(shè)計

計算波束駐留時間Tz(s)：

(1)

式中：θ0.5為天線水平面波束半功率寬度(°)；Ω為天線方位轉(zhuǎn)速(rad/min)。

諸子脈沖時寬設(shè)計，以一個重復(fù)周期內(nèi)2個子脈沖為例說明。

(1) 第1個子脈沖時寬τ1設(shè)計

初步選取指定波段可能采用的固態(tài)發(fā)射機(jī)脈沖功率、信號處理方案、雷達(dá)重頻及脈寬τ1等參數(shù)，利用EXCEL或MATLB軟件工具，用試探法計算在這些假設(shè)下雷達(dá)的最大探測距離Rmaxτ1，調(diào)整諸參數(shù)和信號處理方案，直到Rmaxτ1滿足雷達(dá)最大探測距離Rmax要求[3]。

(2) 確定雷達(dá)重復(fù)周期Tr

根據(jù)雷達(dá)最大探測距離Rmax上目標(biāo)回波時延tzmax=2Rmax/c，確定Tr：Tr應(yīng)略大于(τ1+2Rmax/c)。 再根據(jù)新確定的Tr復(fù)核Rmaxτ1，到Rmaxτ1滿足雷達(dá)Rmax要求為止。在該重頻下,一個波束駐留時間里便會有最多的回波數(shù)N。計算τ1的探測盲區(qū)Rminτ1：

Rminτ1=cτ1/2

(2)

為解決盲速問題，可采取脈組變重頻或天線過零方位2種變重頻方案。

(3) 確定第2個子脈沖時寬τ2

根據(jù)公式(2)所得Rminτ1,用同樣方法確定τ2，以保證Rmaxτ2不小于Rminτ1，并計算τ2的探測盲區(qū)Rmin2，Rmin2=cτ2/2，應(yīng)滿足雷達(dá)最小探測距離要求。若不滿足，則應(yīng)采取3個子脈沖方案，依此類推。

(4)Δt選取

Δt根據(jù)有關(guān)諸信號轉(zhuǎn)換所需時間選取，原則是應(yīng)盡量小。

2.2.2 主振放大固態(tài)發(fā)射機(jī)

根據(jù)2.2.1確定的功率設(shè)計固態(tài)發(fā)射機(jī)。最好采取串饋方案。

可設(shè)計發(fā)射機(jī)功率管理，以進(jìn)一步提高雷達(dá)的低截獲性能。

2.2.3 雙(多)通道接收系統(tǒng)

接收系統(tǒng)組成及其功能如下：

(1) 前端。接收系統(tǒng)前端包括寬帶接收機(jī)保護(hù)開關(guān)、寬帶低噪聲大動態(tài)高放和對應(yīng)工作頻帶的并聯(lián)分路濾波器。其功能是防止接收機(jī)被外輻射燒毀、完成射頻回波低噪聲放大和頻率分路。分路濾波器應(yīng)有好的矩形系數(shù)避免產(chǎn)生三階交調(diào)。

(2) 雙(多)通道混頻放大級。一般來說，應(yīng)有與工作頻率相對應(yīng)的2個(或2個以上)頻率通道。每個通道組成相同，包括去調(diào)頻混頻器、高中頻放大器、第二混頻器、低中頻放大器和限幅輸出級。

去調(diào)頻混頻器。第一本振信號應(yīng)具有與發(fā)射信號相同的調(diào)頻斜率，其時寬τli應(yīng)與其發(fā)射子脈沖時寬和本子脈沖最大探測距離上的目標(biāo)回波時延之和，即：

τli=τi+2Rmaxi/c

(3)

回波信號混頻后，其輸出便去掉了射頻回波的LFM特性，變?yōu)榇砘夭ň嚯x的不同頻率的高中頻脈沖，時寬與子發(fā)射脈沖時寬相同。

高中放完成高中頻回波放大。

第二混頻器實現(xiàn)由高中頻回波到低中頻回波的變換，其輸出便是代表回波距離的等頻的低中頻脈沖回波，其脈寬與子發(fā)射脈沖相同。

低中放完成中頻放大和限幅輸出。低中放中心頻率F02的選取應(yīng)與中頻采樣頻率fc以及目標(biāo)回波的頻率范圍(0～2Rmax/c)一起考慮，應(yīng)滿足：

(4)

式中：n=1,2,3，……。

低中放的-4dB帶寬應(yīng)按信號帶寬的1.45倍設(shè)計。

這種接收機(jī)的優(yōu)點是能抗鏡像干擾、高增益、高穩(wěn)定，還可在低中放中設(shè)計特定的中頻響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，必要時實現(xiàn)雷達(dá)的靈敏度頻率增益控制(SFC)，解決回波信號的大動態(tài)范圍問題。這也是采用2次混頻的目的之一。

當(dāng)然也可以進(jìn)一步混頻到基帶再進(jìn)行采樣。

2.2.4 頻率源

根據(jù)發(fā)射信號和雙(多)通道接收機(jī)的本振需要，須采用3個以上的DDS捷變頻頻綜器，產(chǎn)生所需的諸低相噪信號及高穩(wěn)定時鐘等。

2.2.5 信號處理分系統(tǒng)

2.2.5.1 信號處理通道的功能

一般來說，對應(yīng)于每個接收通道應(yīng)各有一個信號處理通道。

在雷達(dá)本重復(fù)周期內(nèi)，每個處理通道的任務(wù)是：對本頻道中的中頻回波采樣并模/數(shù)(A/D)變換。每個目標(biāo)回波的有效積累時間等于諸發(fā)射脈沖時寬，考慮保護(hù)放電管的作用，采樣在雷達(dá)的全正程進(jìn)行。

在下一個雷達(dá)重復(fù)周期內(nèi)，每個信號處理通道完成以下任務(wù)：

(1) 正交雙通道變換。

(2) 對正交2路信號分別做相應(yīng)的頻域離散傅里葉變換(DFFT)處理，完成目標(biāo)回波的頻率測量，即頻譜分析，也可以理解為脈沖壓縮。

(3) 對脈壓后的信號做時域DFFT處理，當(dāng)波束駐留時間內(nèi)脈沖數(shù)N足夠多時，可先做M個脈沖的單脈沖滑動DFFT處理，完成信號的相參積累，再做N/M個脈沖的非相參積累[3]。本優(yōu)化設(shè)計目的之一也在于爭取有最大的N。如此，便最大限度地挖掘了信號處理潛力，便能最大可能地改善目標(biāo)信噪比。在做時域DFFT處理時，便可以按目標(biāo)的多普勒頻率分出固定目標(biāo)。

(4) 求模，恒虛警處理，目標(biāo)提取。

(5) 計算目標(biāo)距離。

(6) 目標(biāo)建航，求得目標(biāo)徑向速度；對因目標(biāo)速度-距離耦合引起的距離誤差進(jìn)行補(bǔ)償。

2.2.5.2 視頻信號的距離編輯輸出

先根據(jù)諸子脈沖所探測的距離范圍由小到大排列，再對各通道檢出的目標(biāo)輸出進(jìn)行融合——對不同子脈沖所獲得的同距離目標(biāo)的完全回波與不完全回波進(jìn)行視頻相加，最終形成全距離量程的固定目標(biāo)和運動目標(biāo)2路，輸出恒定數(shù)位的目標(biāo)點跡。

2.2.6 結(jié)構(gòu)布局

可將除信號處理機(jī)和雷達(dá)終端外的設(shè)備均置于天線座上；采用光電組合旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)保證供電和信號傳輸，以降低發(fā)射功率和接收信號損耗。

3 2種脈沖雷達(dá)體制對比

下面給出S波段1部回波時延-距離變換體制脈沖壓縮雷達(dá)A，和1部回波時延-頻率-距離變換體制雷達(dá)B的主要性能參數(shù)，詳見表1。

表1 兩型脈沖搜索雷達(dá)主要性能參數(shù)

一般將雷達(dá)的功率孔徑積當(dāng)做雷達(dá)的主要硬件投入。表1中雷達(dá)A對2m2飛機(jī)的探測距離是雷達(dá)B的1.25倍。假定這1.25倍的探測距離只靠提高雷達(dá)的功率孔徑積來實現(xiàn)，則需要功率孔徑積提高1.254=2.44倍。

然而，現(xiàn)在雷達(dá)A的功率孔徑積卻是雷達(dá)B的301倍之多！而且，在電子對抗性能和可實現(xiàn)目標(biāo)識別等方面，雷達(dá)B還有明顯獲益。由此可見，本文提出的這種雷達(dá)體制及其優(yōu)化設(shè)計的優(yōu)點——可使雷達(dá)在滿足威力的前提下，實現(xiàn)功能更多、性能更全更好、低截獲性能良好、抗干擾能力強(qiáng)、體積和重量小、性價比更高。

故各種搜索雷達(dá)最適宜采用回波時延-頻率-距離變換體制。

[1] 丁鷺飛，張平.雷達(dá)系統(tǒng)[M].西安：西北電訊工程學(xué)院出版社，1984.

[2] 楊建寧.線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)理論及實踐[D].成都：電子科技大學(xué)，1991.

[3]SKOLNIKMI.RadarHandbook[M].NewYork,US:McGram-HillPublishingCompany,1990.

Optimization Design for Pulse Radar

LI Li-ren

(The 723 Institute of CSIC,Yangzhou 225001,China)

The conventional pulse radar is based on echo time delay-range conversion theory,the duty cycle is generally small,so it has many disadvantages.This paper puts forward a kind of pulse radar based on echo time delay-frequency-range conversion theory,presents the choice principle of this radar transmitting signals,optimization design principle of all radar parameters and main subsystem techniques.

pulse radar;linear frequency modulation;low interception probability;anti-jamming; range imaging

2016-03-02

TN958

A

CN32-1413(2016)03-0029-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.03.008