曹軍亮,牟連云,楊網(wǎng)成,楊 慧

（海軍指揮學(xué)院,南京 211800）

0 引 言

連續(xù)波雷達(dá)具有優(yōu)良的測(cè)速功能,由于其方便實(shí)現(xiàn),結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,在雷達(dá)發(fā)展早期得到了廣泛的應(yīng)用,但由于其不能實(shí)現(xiàn)測(cè)距,因而在脈沖雷達(dá)出現(xiàn)后就逐漸淡出了人們的視野。直到近些年來(lái),戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境日益復(fù)雜,干擾與反干擾愈演愈烈,對(duì)雷達(dá)已經(jīng)提出了更高的需求,連續(xù)波雷達(dá)大的平均功率、高的占空比及用偽碼進(jìn)行調(diào)相實(shí)現(xiàn)測(cè)距使其在抗干擾中獨(dú)勝一籌。

1 偽碼調(diào)相連續(xù)波雷達(dá)原理

偽碼調(diào)相連續(xù)波雷達(dá)是相位編碼連續(xù)波雷達(dá)中的一種,通常其采用相關(guān)性比較好的編碼來(lái)實(shí)現(xiàn)連續(xù)波的調(diào)相,不同的編碼性能決定了該型雷達(dá)的性能和信號(hào)處理方式。各種編碼如:m序列,也稱(chēng)為最大長(zhǎng)度序列；Barker碼,是一種相關(guān)性非常理想的碼型,但到目前只找到最長(zhǎng)為13位的碼字；Taylor四相碼,是由半余弦子脈沖（底寬為2T）經(jīng)抽頭延時(shí)（抽頭間隔T）加權(quán)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生,是由二相編碼經(jīng)二四相轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)換而來(lái),具有二相碼的性質(zhì),又不乏其獨(dú)特之處。

本文的推導(dǎo)和仿真采用了Barker碼和m序列,通過(guò)對(duì)它們的模糊圖、相關(guān)性、零多普勒和零時(shí)延圖的仿真與分析,得出采用序列更長(zhǎng)的碼型是偽碼調(diào)相連續(xù)波雷達(dá)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測(cè)距的必然需要。

偽碼調(diào)相連續(xù)波雷達(dá)的工作原理如圖1所示,偽隨機(jī)碼產(chǎn)生器產(chǎn)生類(lèi)似“白噪聲”的偽隨機(jī)碼對(duì)本振信號(hào)進(jìn)行調(diào)相,形成偽碼擴(kuò)頻信號(hào),偽碼擴(kuò)頻信號(hào)經(jīng)環(huán)流器在發(fā)射階段從天線發(fā)射到空間；回波信號(hào)通過(guò)低噪聲放大器將微弱的高頻信號(hào)功率放大,然后與本振信號(hào)多次混頻,經(jīng)視頻放大器將回波信號(hào)與延時(shí)的偽隨機(jī)碼在匹配濾波器中進(jìn)行匹配濾波（即進(jìn)行相關(guān)）,從各相關(guān)器中出來(lái)的信號(hào)在多普勒濾波放大器組中進(jìn)行多普勒濾波并放大,從多普勒濾波放大器組出來(lái)的信號(hào)再進(jìn)行數(shù)據(jù)分選與分析。

圖1 偽碼調(diào)相連續(xù)波雷達(dá)工作原理圖

偽碼調(diào)相連續(xù)波雷達(dá)工作流程相對(duì)比較簡(jiǎn)單,主要特點(diǎn)是:

（1）隱蔽性。偽碼調(diào)相連續(xù)波雷達(dá)發(fā)射的信號(hào)是偽隨機(jī)碼相位調(diào)制的時(shí)間連續(xù)波形。它是一種非脈沖波形的雷達(dá)信號(hào),其平均功率等于峰值功率,故而具有極好的隱蔽性。

（2）良好的測(cè)距特性。上個(gè)世紀(jì)60年代,美國(guó)已經(jīng)在Goddard測(cè)距和跟蹤系統(tǒng)中采用了偽隨機(jī)碼測(cè)距原理,對(duì)深空目標(biāo)進(jìn)行測(cè)距跟蹤。偽碼調(diào)相連續(xù)波雷達(dá)測(cè)距是通過(guò)偽隨機(jī)碼良好的相關(guān)性來(lái)實(shí)現(xiàn)的。偽隨機(jī)碼具有隨機(jī)特性,特別是它具有類(lèi)似于δ函數(shù)的自相關(guān)函數(shù),使它具備了作為測(cè)距信號(hào)的條件。偽碼調(diào)相連續(xù)波雷達(dá)是用碼字對(duì)載頻信號(hào)調(diào)相后作為發(fā)射波形的雷達(dá),這種具有較大時(shí)寬帶寬積的雷達(dá)波形不僅克服了普通脈沖雷達(dá)的矛盾,而且極大地提高了雷達(dá)的測(cè)速和測(cè)距的精度；特別是當(dāng)目標(biāo)距離很遠(yuǎn)時(shí),用一個(gè)很長(zhǎng)的偽隨機(jī)碼可以同時(shí)達(dá)到精確和無(wú)模糊測(cè)距的雙重目的。因此,偽隨機(jī)碼特別適合用于衛(wèi)星、飛船等的軌道測(cè)量、導(dǎo)航和射電天文領(lǐng)域。

（3）偽碼調(diào)相連續(xù)波雷達(dá)的抗截獲特性。偽碼調(diào)相連續(xù)波雷達(dá)是一種理想的低截獲概率雷達(dá)（LPI）,其具有非常理想的時(shí)寬帶寬積。根據(jù)信息理論,大頻帶寬度的偽碼調(diào)相連續(xù)波雷達(dá)具有更大的熵,有“白噪聲”的統(tǒng)計(jì)特性,能實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻的性能。從截獲接收機(jī)的截獲特性看,極強(qiáng)相關(guān)性和更長(zhǎng)的碼字將會(huì)增大截獲接收機(jī)的數(shù)據(jù)處理容量,迫使截獲接收機(jī)數(shù)據(jù)處理能力下降,而且低密度的功率譜使截獲接收機(jī)很難發(fā)現(xiàn)雷達(dá)信號(hào),如果雷達(dá)進(jìn)一步采取功率管理或者參數(shù)捷變等,就會(huì)更加增大被截獲的難度。

（4）抗干擾特性。偽碼調(diào)相連續(xù)波雷達(dá)信號(hào)是一種擴(kuò)頻信號(hào),即把相關(guān)性能好的偽隨機(jī)碼在天線之前發(fā)射鏈路的某處引入,則發(fā)射到空間的雷達(dá)信號(hào)將擴(kuò)散到一個(gè)更寬的頻帶中,降低了單位頻帶上的能量,在接收鏈路中對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行解擴(kuò),解擴(kuò)的結(jié)果是使信噪比提高了N倍,更容易取出有用的回波信息。顯然擴(kuò)頻可使總的輻射信號(hào)功率保持不變,而平均功率密度大大降低,這將減少雷達(dá)信號(hào)被截獲的可能性,即使被敵方截獲了,但由于信號(hào)編碼的作用,會(huì)迫使敵方被動(dòng)采用掃頻式干擾,從而將降低干擾機(jī)的效能。在接收端對(duì)信號(hào)檢測(cè),必須實(shí)現(xiàn)同步解調(diào),進(jìn)行相關(guān)接收。相關(guān)解調(diào)完成由頻譜擴(kuò)展至壓縮的頻帶轉(zhuǎn)換過(guò)程。在相關(guān)恢復(fù)載波后,頻域匹配濾波器可以采用單峰窄帶低副瓣濾波器,有很高的速度分辨率和處理增益,可以濾除不同頻率的有源干擾。對(duì)于在空間撒布的箔條、角反射器等無(wú)源干擾,由于運(yùn)動(dòng)速度不同,多普勒頻率不一樣,可以依靠連續(xù)波雷達(dá)速度分辨力高的特點(diǎn),區(qū)分出真實(shí)目標(biāo)和無(wú)源干擾假目標(biāo)。對(duì)于施放的窄脈沖有源干擾,由于與信號(hào)不相關(guān),通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理過(guò)程的累積作用,使其窄脈沖有源干擾在輸出端消失。

2 偽碼調(diào)相連續(xù)波雷達(dá)模糊函數(shù)

模糊函數(shù)是衡量雷達(dá)發(fā)射波形特性的最好工具,我國(guó)在20世紀(jì)70年代末由張直中等人統(tǒng)一了模糊函數(shù)的定義。模糊函數(shù)主要是為了衡量信號(hào)對(duì)2個(gè)具有不同距離、不同速度的目標(biāo)的分辨能力。

其定義為:

有些參考文獻(xiàn)也將其定義為:

設(shè)偽碼調(diào)相連續(xù)波雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的復(fù)數(shù)形式可表示為:

則其復(fù)包絡(luò)信號(hào)形式可以表示為:

式中:P為m序列的長(zhǎng)度；τ′為m序列的碼子寬度；φ（t）為 0或者π,用二進(jìn)制序列可以表示為:ck=ejφ（t）=+1,-1；v（t）為子脈沖函數(shù),ck為m序列的各個(gè)碼子；a（t）為矩形包絡(luò)。

上式?jīng)_擊函數(shù)形式為:

由于模糊函數(shù)也可以表示為卷積的形式,如:

則根據(jù)式（9）,偽碼調(diào)相連續(xù)波雷達(dá)的模糊函數(shù)可以表示為:

式中 :x1（τ,ξ）、x2（τ,ξ）分別為u1（t）和u2（t）的模糊函數(shù),由于u1（t）為單脈沖函數(shù),則從文獻(xiàn)[10]可知,其模糊函數(shù)為:

式中:|τ|≤τ′,即在一個(gè)脈沖內(nèi),而在脈沖之外則模糊函數(shù)為0。

由于x1（τ,ξ）的推導(dǎo)只限在單脈沖中,將其擴(kuò)展到P-1個(gè)脈沖,則偽碼調(diào)相連續(xù)波雷達(dá)的模糊函數(shù)可以表示為:

3 偽碼調(diào)相連續(xù)波雷達(dá)模糊函數(shù)仿真與分析

下面對(duì)13位Barker碼和63位m序列調(diào)相連續(xù)波雷達(dá)信號(hào)（主頻為10 GHz,碼元寬度為50 ns）進(jìn)行了重點(diǎn)分析。圖2是13位Barker碼的自相關(guān)函數(shù)圖,從圖中可以看出,13位Barker自相關(guān)函數(shù)主瓣比較尖銳,主瓣寬度為2△τ,旁瓣為△τ,主瓣峰值為13,而旁瓣為1,旁瓣衰減為-22.3 dB。雖然Barker旁瓣衰減相對(duì)比較小,但其長(zhǎng)度卻比較短,很容易被敵方偵破,而其-22.3 dB的旁瓣衰減也達(dá)不到雷達(dá)的要求,因此必須在匹配濾波之后對(duì)信號(hào)進(jìn)行旁瓣抑制。

圖2 13位 Barker的自相關(guān)圖

圖3 63位m序列自相關(guān)圖

圖3是63位m序列的自相關(guān)函數(shù)圖,顯然63位m序列的主瓣值更大,但旁瓣值也不小,最好旁瓣衰減為-19.1 dB,高于13位Barker的旁瓣衰減,因而在數(shù)字信號(hào)處理階段必須加入旁瓣抑制電路。

圖4是采用13位Barker碼的模糊函數(shù)圖,從圖中可以看出Barker信號(hào)的模糊函數(shù)由于周期的原因呈“釘齒”狀,雖然主峰很窄,但周期出現(xiàn)會(huì)嚴(yán)重影響雷達(dá)的測(cè)距。從圖5的零多普勒截圖就可以看出采用這種編碼的雷達(dá)周期距離模糊嚴(yán)重影響測(cè)量回波信號(hào)的距離分辨力,從測(cè)速角度和多普勒分辨力角度來(lái)看,連續(xù)波編碼信號(hào)無(wú)疑是一個(gè)更好的選擇,從圖6可以看出,其主峰值較高而旁瓣甚小。

圖4 采用13位Barker的偽隨機(jī)連續(xù)波雷達(dá)模糊函數(shù)圖

圖5 13位Barker碼零多普勒截圖

圖6 13位 Barker碼零時(shí)延截圖

為了更好地反映長(zhǎng)碼對(duì)編碼連續(xù)波雷達(dá)有更好的分辨力,這里對(duì)63位m序列調(diào)相的信號(hào)形式進(jìn)行了仿真。圖7與圖4對(duì)比,很明顯,63位m序列調(diào)相信號(hào)模糊函數(shù)呈“圖釘”型,而且在其1個(gè)周期內(nèi),產(chǎn)生很小的距離旁瓣,如圖8所示。顯然使用63位m序列調(diào)相信號(hào)的測(cè)距精度更高,距離更遠(yuǎn)。而圖9卻反映出其零時(shí)延卻有比較大的旁瓣,影響了雷達(dá)的測(cè)速和多普勒分辨力的性能,必須進(jìn)行多普勒補(bǔ)償。

圖7 63位m序列的偽碼調(diào)相連續(xù)波雷達(dá)模糊函數(shù)圖

圖8 63位m序列零多普勒截圖

圖9 63位m序列零時(shí)延截圖

4 結(jié)束語(yǔ)

偽碼調(diào)相連續(xù)波雷達(dá)具有檢測(cè)靈敏度高、抗人為干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn),但從上面仿真可以明顯看出其距離副瓣的存在嚴(yán)重影響了雷達(dá)測(cè)距和測(cè)速的精度,因而也將會(huì)減小抗分布式雜波干擾能力,所以必須在信號(hào)處理時(shí)加入距離旁瓣抑制電路,或者尋找相關(guān)性更好的碼型,如有些文獻(xiàn)中提到的計(jì)算機(jī)優(yōu)選碼型等。

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