雷達(dá)測量與信號分析基礎(chǔ)——第一部分

雷達(dá)技術(shù)在軍事領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。地面雷達(dá)用于遠(yuǎn)程威脅探測和空中交通管制。艦載雷達(dá)提供地對地和地對空觀測。機(jī)載雷達(dá)用于威脅探測、監(jiān)視、測繪和高度測定。最后，導(dǎo)彈雷達(dá)用于跟蹤和制導(dǎo)。

當(dāng)然，雷達(dá)在商業(yè)航空領(lǐng)域也有許多應(yīng)用，例如空中交通管制（ATC）遠(yuǎn)程監(jiān)視、終端區(qū)空中交通監(jiān)控、地面運(yùn)動跟蹤和氣象監(jiān)測。此外，短程雷達(dá)在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用也日益廣泛，用于防碰撞、駕駛輔助和自動駕駛。一些專用雷達(dá)還可以穿透霧氣、墻壁甚至地下進(jìn)行成像。

現(xiàn)代雷達(dá)產(chǎn)生的復(fù)雜脈沖給測量帶來了巨大挑戰(zhàn)。為了提高探測距離、分辨率和抗干擾能力，人們開發(fā)了多種編碼方案，包括頻率和相位調(diào)制脈沖、頻率啁啾脈沖以及具有高帶寬的窄脈沖。

連續(xù)波雷達(dá)

雷達(dá)系統(tǒng)可以使用連續(xù)波(CW) 信號，或者更常見的是使用低占空比脈沖信號。CW 雷達(dá)的應(yīng)用可以是簡單的非調(diào)制多普勒測速系統(tǒng)（例如警用和體育相關(guān)雷達(dá)），也可以使用調(diào)制技術(shù)來同時探測距離和速度。調(diào)制 CW 雷達(dá)有許多專業(yè)和軍事應(yīng)用，例如海事/海軍應(yīng)用、導(dǎo)彈制導(dǎo)和雷達(dá)高度計(jì)。由于連續(xù)射頻功率的限制，CW 雷達(dá)系統(tǒng)的探測距離相對較短。然而，它沒有最小探測距離，這使得 CW 雷達(dá)特別適用于近距離應(yīng)用。

脈沖雷達(dá)

盡管雷達(dá)有多種連續(xù)傳輸類型，主要包括多普勒雷達(dá)，但絕大多數(shù)雷達(dá)都是脈沖雷達(dá)。脈沖雷達(dá)又分為兩大類：動目標(biāo)指示器（MTI）雷達(dá)和脈沖多普勒雷達(dá)。MTI雷達(dá)是一種遠(yuǎn)程、低脈沖重復(fù)頻率（PRF）雷達(dá)，用于探測和跟蹤遠(yuǎn)距離（最遠(yuǎn)可達(dá)約30公里）的小型（約2平方米）移動目標(biāo)，其原理是消除地面雜波（也稱箔條）。MTI雷達(dá)適用于速度要求不高的情況（例如，“只需告訴我目標(biāo)是否在移動”）。相比之下，脈沖多普勒雷達(dá)采用高PRF以避免“盲測速度”，其有效探測距離較短（約15公里），分辨率更高，并能提供詳細(xì)的速度數(shù)據(jù)。它常用于機(jī)載導(dǎo)彈進(jìn)近跟蹤、空中交通管制和醫(yī)療應(yīng)用（例如血流監(jiān)測）。

射頻脈沖特性（例如下圖所示）能夠揭示雷達(dá)性能的諸多信息。電子戰(zhàn)(EW) 和電子情報 (ELINT) 專家專門研究這些脈沖信號。脈沖特性提供了關(guān)于產(chǎn)生信號的雷達(dá)類型以及信號來源（例如帆船、戰(zhàn)艦、客機(jī)、轟炸機(jī)、導(dǎo)彈等）的重要信息。

脈沖雷達(dá)通常使用占空比極低的射頻脈沖（<10%）。其探測距離和分辨率取決于脈沖重復(fù)頻率（PRF）、脈沖寬度（PW）和發(fā)射功率。通常，較寬的脈沖寬度能提供更遠(yuǎn)的探測距離，但分辨率較差。相反，較窄的脈沖寬度雖然探測距離較短，但分辨率更高。這種關(guān)系是雷達(dá)工程中一個基本的權(quán)衡問題。脈沖壓縮結(jié)合調(diào)制載波常用于提高分辨率，同時保持較窄的脈沖寬度，從而實(shí)現(xiàn)更高的功率和更遠(yuǎn)的探測距離。

脈沖重復(fù)間隔(PRI) 是指脈沖周期重復(fù)前所花費(fèi)的時間。它等于脈沖重復(fù)頻率 (PRR) 或脈沖重復(fù)頻率 (PRF) 的倒數(shù)，即每秒發(fā)射的脈沖數(shù)。PRI 非常重要，因?yàn)樗鼪Q定了雷達(dá)的最大無歧義探測距離。事實(shí)上，脈沖關(guān)閉時間可能更能準(zhǔn)確地反映雷達(dá)系統(tǒng)的最大設(shè)計(jì)探測距離。

傳統(tǒng)雷達(dá)系統(tǒng)采用收發(fā)（T/R）開關(guān)，使發(fā)射機(jī)和接收機(jī)共用一根天線。發(fā)射機(jī)和接收機(jī)輪流使用該天線。發(fā)射機(jī)發(fā)出脈沖，在脈沖關(guān)閉期間，接收機(jī)監(jiān)聽返回的回波。脈沖關(guān)閉時間是指接收機(jī)可以監(jiān)聽反射回波的時間段。關(guān)閉時間越長，目標(biāo)距離可以越遠(yuǎn)，而不會因?yàn)榛夭ㄑ舆t而導(dǎo)致接收到的脈沖滯后于下一個發(fā)射脈沖。這會導(dǎo)致目標(biāo)信號被錯誤地顯示為來自附近物體的反射信號。為了避免這種歧義，大多數(shù)雷達(dá)采用的脈沖關(guān)閉時間足夠長，使得來自非常遠(yuǎn)物體的回波能量非常弱，不太可能在下一個脈沖的關(guān)閉時間內(nèi)被錯誤地檢測到。

下圖說明了脈沖壓縮對于獲得良好距離和分辨率的必要性。較寬的脈沖寬度（PW）具有更高的平均功率，從而提高了探測距離。然而，較寬的脈沖寬度可能會導(dǎo)致來自近距離目標(biāo)的反射回波在接收機(jī)中重疊或混雜在一起，從而被識別為單個目標(biāo)。調(diào)制脈沖可以緩解這些問題，提供更高的功率和更精細(xì)的分辨率，從而區(qū)分近距離目標(biāo)。

脈沖功率

影響雷達(dá)最大探測距離的另一個因素是發(fā)射功率。峰值功率是指脈沖中瞬時最大功率水平。功率下降、脈沖峰值幅度和過沖也是需要考慮的因素。

脈沖峰值幅度（功率）和脈沖寬度（PW）對于計(jì)算給定脈沖的總能量（功率×?xí)r間）至關(guān)重要。已知給定脈沖的占空比和功率，即可計(jì)算出發(fā)射的平均射頻功率（脈沖功率×占空比）。

雷達(dá)方程

雷達(dá)方程定義了雷達(dá)設(shè)計(jì)人員遇到的許多工程權(quán)衡。

雷達(dá)方程將預(yù)期接收功率(P r) 與發(fā)射脈沖功率 (P t) 聯(lián)系起來；基于發(fā)射天線增益 (G t)、接收天線面積 (A r)、目標(biāo)橫截面（又稱反射率）σ、發(fā)射天線到目標(biāo)的距離 (R t) 以及目標(biāo)到接收天線的距離 (R r)。

與許多通信系統(tǒng)不同，雷達(dá)系統(tǒng)會遭受極大的信號路徑損耗。其往返距離是典型通信鏈路的兩倍，并且目標(biāo)的雷達(dá)截面和反射率也會造成損耗。正如雷達(dá)方程所示，分母中的距離項(xiàng)被提升到四次方，這凸顯了雷達(dá)信號所經(jīng)歷的巨大信號功率損耗。

利用雷達(dá)方程，可以計(jì)算接收信號強(qiáng)度，從而判斷是否存在足夠的功率來探測反射的雷達(dá)脈沖。將多個脈沖組合起來以累積更大的信號功率并平均噪聲，也有助于提高探測范圍。

脈沖寬度

脈沖寬度是雷達(dá)信號的一個重要特性。脈沖越寬，在給定振幅下，脈沖所包含的能量就越大。發(fā)射脈沖功率越大，雷達(dá)的接收距離就越遠(yuǎn)。

脈沖寬度越大，平均發(fā)射功率也越高，這會使雷達(dá)發(fā)射機(jī)的工作負(fù)荷更大。脈沖功率與平均功率之間的分貝差值可以通過脈沖寬度的對數(shù)除以脈沖重復(fù)間隔，再乘以十來輕松計(jì)算得出。

因此，傳輸距離受限于脈沖特性和傳播損耗。脈沖重復(fù)頻率（PRI）和占空比決定了返回回波的最大允許時間，而發(fā)射的功率或能量必須克服背景噪聲才能被接收器檢測到。

脈沖寬度也會影響雷達(dá)的最小分辨率。長脈沖產(chǎn)生的回波會在時間上重疊，導(dǎo)致無法確定目標(biāo)的性質(zhì)。長脈沖回波可能由單個大型目標(biāo)（例如客機(jī)）或多個間距較小的目標(biāo)（例如戰(zhàn)斗機(jī)緊密編隊(duì)）引起。如果分辨率不足，就無法確定回波中實(shí)際包含的物體數(shù)量。窄脈沖寬度可以減少回波重疊，提高分辨率，但會犧牲發(fā)射功率。

因此，脈沖寬度會影響雷達(dá)系統(tǒng)的兩項(xiàng)非常重要的性能——分辨率和探測距離。這兩項(xiàng)性能相互制約。脈沖寬度較大的遠(yuǎn)距離雷達(dá)分辨率較低，而脈沖寬度較小的近距離雷達(dá)分辨率較高。

窄脈沖需要更大的帶寬才能正確傳輸和接收。因此，脈沖的頻譜特性也值得關(guān)注，必須在整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)中加以考慮，如下圖所示。

雖然非調(diào)制脈沖雷達(dá)實(shí)現(xiàn)起來相對簡單，但它們也存在一些缺點(diǎn)，例如距離分辨率相對較差。為了更有效地利用發(fā)射功率并優(yōu)化距離分辨率，雷達(dá)采用以下調(diào)制技術(shù)對脈沖進(jìn)行調(diào)制：

· 線性調(diào)頻啁啾信號——最簡單、最常用的脈沖調(diào)制方案是線性調(diào)頻（LFM）啁啾信號。通過掃描脈沖內(nèi)的載波頻率，可以使脈沖的每個部分都清晰可辨。這使得接收機(jī)能夠采用脈沖壓縮技術(shù)來提高距離分辨率和發(fā)射功率效率。

· 相位調(diào)制——相位調(diào)制也可用于區(qū)分脈沖的不同段，通常以二進(jìn)制相移鍵控(BPSK) 的形式實(shí)現(xiàn)。存在一些特定的相位編碼方案，例如巴克碼，以確保編碼的正交性和距離分辨率。

· 跳頻——這種方法在一個脈沖內(nèi)進(jìn)行多次跳頻。當(dāng)每個頻率在接收機(jī)中都對應(yīng)一個具有適當(dāng)延遲的濾波器時，所有信號段都可以在接收機(jī)中壓縮在一起。如果所有脈沖的跳頻序列保持不變，那么接收機(jī)的壓縮甚至可以使用簡單的表面聲波（SAW）濾波器來實(shí)現(xiàn)。跳頻脈沖使用的可變頻率模式可以降低對欺騙和干擾的敏感性，并有助于解決干擾問題。

· 數(shù)字調(diào)制——數(shù)字信號處理能夠?qū)崿F(xiàn)更復(fù)雜的脈沖調(diào)制。例如，使用類似于噪聲而非相干頻率的M進(jìn)制PSK或QAM調(diào)制可以實(shí)現(xiàn)更有效的抗欺騙，從而增加檢測難度。其他信息也可以編碼到數(shù)字調(diào)制中。

脈沖壓縮

利用飛行時間測量目標(biāo)距離的基本脈沖雷達(dá)存在局限性。對于給定的脈沖寬度，距離分辨率僅限于脈沖傳播的距離。當(dāng)多個目標(biāo)與雷達(dá)的距離幾乎相等時，最遠(yuǎn)目標(biāo)的反射波會與第一個目標(biāo)的反射波重疊。在這種情況下，僅使用簡單的脈沖雷達(dá)無法區(qū)分這兩個目標(biāo)。

使用較短的脈沖寬度是提高距離分辨率的一種方法。然而，較短的脈沖包含的能量相對較低，由于傳播損耗，會導(dǎo)致接收距離縮短。增加發(fā)射功率通常不切實(shí)際，例如對于飛機(jī)雷達(dá)而言，由于功率限制，就難以實(shí)現(xiàn)。

應(yīng)對這些挑戰(zhàn)的方法是脈沖壓縮。如果脈沖能夠被有效地壓縮時間，那么回波就不會再重疊。脈沖壓縮可以將低幅度的回波從噪聲基底中“提取”出來。它是通過調(diào)制發(fā)射機(jī)中的脈沖來實(shí)現(xiàn)的，從而使脈沖的不同部分更容易被分辨。實(shí)際的時間壓縮是由雷達(dá)接收機(jī)完成的。

最常用的脈沖壓縮技術(shù)是線性調(diào)頻(LFM)。LFM 脈沖或啁啾信號是指脈沖起始于一個載波頻率，然后線性上升或下降至終止頻率。在接收機(jī)中，通過將信號通過匹配濾波器來實(shí)現(xiàn)壓縮，如下圖所示。該濾波器的延遲特性與 LFM 頻率范圍相匹配，并按載波頻率的比例延遲調(diào)制信號的各個部分。

當(dāng)進(jìn)入接收器的脈沖是目標(biāo)回波時，由于目標(biāo)表面各異，很可能出現(xiàn)多次近距離反射。如果壓縮信號處理器具有足夠的分辨率，它可以將每次反射分離成離散的窄脈沖。

另一種常見的脈沖壓縮技術(shù)是采用二進(jìn)制相移鍵控（BPSK）調(diào)制，使用如下所示的巴克編碼序列。巴克編碼是一種獨(dú)特的二進(jìn)制模式，它僅在某一時刻具有自相關(guān)性。巴克編碼的長度可以從 2 到 13 位不等，相應(yīng)的壓縮比為 2 到 13。接收端通過檢測脈沖中巴克序列的自相關(guān)來實(shí)現(xiàn)壓縮。

現(xiàn)在您已經(jīng)對雷達(dá)信號有了基本的了解，接下來我們將學(xué)習(xí)如何測量它們。在下一期中，我們將探討雷達(dá)測量任務(wù)的生命周期，該生命周期會根據(jù)具體任務(wù)和所測量的雷達(dá)類型而有顯著差異。