中國環(huán)境管理干部學院 苗玉杰

試析雷達信號處理系統(tǒng)的關鍵技術

中國環(huán)境管理干部學院 苗玉杰

雷達主要通過發(fā)射電磁波對目標進行照射并接收其回波，由此獲得目標至電磁波發(fā)射點的距離、距離變化率（徑向速度）、方位、高度等信息，雷達的信號處理系統(tǒng)是雷達系統(tǒng)的最重要的組成部分，主要由發(fā)射機、發(fā)射天線、接收機、接收天線幾個部分組成，發(fā)射機的功能是產(chǎn)生某一所需功率電平的射頻波形，天線的基本功能是將射頻能量從雷達傳輸線耦合到傳播介質(zhì)中或由傳播介質(zhì)耦合給傳輸線。接收機的主要功能是接收微弱的目標信號，并將信號放大到可以使用的電平，顯示器的基本功能和用途是將目標信息傳遞給用戶。本文主要對雷達信號處理系統(tǒng)的關鍵技術進行簡要分析，希望能為相關的研究提供部分參考價值。

雷達；信號處理系統(tǒng)；關鍵技術

1.前言

雷達是利用電磁波探測目標的電子設備，主要通過發(fā)射電磁波對目標進行照射并接收其回波，由此獲得目標至電磁波發(fā)射點的距離、距離變化率（徑向速度）、方位、高度等信息。[1]雷達的種類較多，但是具體用途和結構不盡相同，而基本形式是一致的，主要包括：發(fā)射機、發(fā)射天線、接收機、接收天線，處理部分以及顯示器。還有電源設備、數(shù)據(jù)錄取設備、抗干擾設備等輔助設備。其優(yōu)點是白天黑夜均能探測遠距離的目標，且不受霧、云和雨的阻擋，具有全天候、全天時的特點，并有一定的穿透能力。因此，它不僅成為軍事上必不可少的電子裝備，而且廣泛應用于社會經(jīng)濟發(fā)展(如氣象預報、資源探測、環(huán)境監(jiān)測等)和科學研究(天體研究、大氣物理、電離層結構研究等)。雷達信號處理系統(tǒng)是整個雷達系統(tǒng)最關鍵的部分，是雷達實現(xiàn)其功能的最重要的支撐，本文將主要對雷達信號處理系統(tǒng)中的關鍵技術進行分析，希望能夠為相關的研究提供部分參考價值。

2.雷達系統(tǒng)的工作原理

雷達系統(tǒng)的工作原理主要是：由雷達發(fā)射機產(chǎn)生的電磁能，經(jīng)收發(fā)轉換開關之后，便傳輸給天線。收發(fā)轉換開關用來使單個天線既能發(fā)射電磁波又能接收電磁波。天線起著將電磁能輻射至大氣中的轉換作用。電磁能在大氣中以光的速度(約3×108m/s)4專播。雷達天線通常會形成一個集中向某一給定方向傳播電磁能的波束。因此，通過機械和電氣的組合，將天線有效地指向某方向，便使波束指在所需的角坐標上。位于天線波束內(nèi)的物體或目標將會截取一部分傳播的電磁能。目標將被截取的能量向各個方向散射。一般說來，總有些能量會向雷達的方向反射。一部分后向散射的電磁波特被雷達天線獲取，從大氣或其他傳播的介質(zhì)中搜集到的能量，通過傳輸線和收發(fā)轉換開關反饋給雷達接收機。雷達接收機將收到的微弱回波信號予以放大，然后將包含在射頻中的信息轉換為視頻積/或基帶信息。經(jīng)接收機處理的信號再加到雷達顯示器或顯示裝置。此時，在接收機(信號處理機)內(nèi)獲取的數(shù)據(jù)(距離、速度、幅度、方向等)便給雷達操作人員展示出來。一般地說，雷達是在將回波信號跟發(fā)射信號相關聯(lián)之后，方才獲得目標信息的。

3.雷達系統(tǒng)的構成以及主要功能

任何功能的雷達都有4個基本組成部分：發(fā)射機、天線、接收機和顯示器。雖然將收發(fā)轉換開關當成一個組成部分，[2]但是，更確切地說，將它當作射頻傳輸線的一個組成部分要比當作雷達的組成更為恰當。在很多情況下，信號處理可以將接收機和顯示器的某些運用合并起來，這四個組成部分的基本功能主要有：

3.1 發(fā)射機

發(fā)射機的功能是產(chǎn)生某一所需功率電平的射頻波形，所需之射頻功率可直接由功率振蕩器(如磁控管)或長區(qū)振蕩器(EIO)產(chǎn)生，或由射頻放大器或放大器鏈(行波管放大器，交叉場放大器或長區(qū)放大器(EIA)，固態(tài)器件放大器等)提供。波形則由雷達系統(tǒng)的特定要求確定。從簡單的動目標顯示(MTI)雷達用的未經(jīng)調(diào)制的連續(xù)波(CW)到某些先進軍用雷達的復雜的頻率、相位和時間編碼調(diào)制波形都有。

3.2 天線

天線是一種變換器，它主要的作用把傳輸線上傳播的導行波，變換成在無界媒介(通常是自由空間)中傳播的電磁波，或者進行相反的變換。雷達天線的基本功能是將射頻能量從雷達傳輸線耦合到傳播介質(zhì)中或由傳播介質(zhì)耦合給傳輸線。除此之外，天線還為發(fā)射和接收電磁能量提供波束的方向性和增益。

3.3 接收機

雷達接收機的主要功能是接收微弱的目標信號，并將信號放大到可以使用的電平。隨后，再將射頻包含的信息變換到基帶信號?？梢允褂酶魇礁鳂拥慕邮諜C，包括晶體檢波式、射頻放大器、零拍接收機和超外差接收機。其中，超外差接收機在雷達接收機中是應用最廣泛的一種。當設法使接收機的頻譜特性跟發(fā)射波形為最佳匹配時，便可獲得所謂的理想或匹配接收機。此時，就可得到最大的輸出信噪比。在大多數(shù)情況下，雷達設計人員就得謀求折衷的設計，出于其他方面(簡化設計或測距槽度)的考慮，而犧牲一些信噪比。因此，很難實現(xiàn)理想的匹配接收機。不過，理想匹配接收機都普遍用作性能比較的參考基準。

3.4 顯示器

雷達顯示器的基本功能和用途是將目標信息傳遞給用戶。顯示器的結構形式和信息展現(xiàn)的方式取決于雷達的特定用途和用戶的需要。兩種常用的顯示器是：

平面位置顯示器(PPI)，對于監(jiān)視雷達來說，陰極射線管上顯示的是供監(jiān)視雷達用的目標距離和角度數(shù)據(jù)。，聲頻揚聲器或耳機，移動目標的出現(xiàn)用多普勒頻率信號表示，例如，在報警雷達中。

4.雷達信號處理系統(tǒng)的關鍵技術分析

信號處理階段是雷達實現(xiàn)信息輸出的重要階段，本文主要以脈沖壓縮雷達為研究對象，對其信號處理系統(tǒng)中的關鍵技術要點進行總結，其技術要點主要有：

4.1 線性調(diào)頻脈沖壓縮信號

圖1 輸出的波形圖

線性調(diào)頻信號主要是通過非線性相位調(diào)制或線性頻率調(diào)制(LFM)來獲得大的時寬帶寬積。在國外又將這種信號稱為Chirp信號。這是研究得最早而又應用最廣泛的一種脈沖壓縮信號。脈沖壓縮雷達主要就是采用這種壓縮信號，因此它可以同時獲得遠的作用距離和高的距離分辨力。與其他脈沖壓縮信號相比，它還具有以下優(yōu)點：所用匹配濾波器對回波信號的多普勒頻移不敏感，因而可以用一個匹配濾波器來處理具有不同多普勒頻移的信號，這將大大簡化信號處理系統(tǒng)；另外這類信號的產(chǎn)生和處理均較容易，且技術上比較成熟，這也是它獲得廣泛應用的原因。主要缺點是存在距離與多普勒頻移的耦合及匹配濾波器輸出的旁瓣較高。為壓低旁瓣常采用失配處理，這將降低系統(tǒng)的靈敏度。[3]

4.2 波形設計

雷達主要是通過對回波信號作一些相應的處理來識別復雜回波中的有用信息的。因此，波形設計有著相當重要的作用，會直接決定信號的截取速度，信號的處理方式以及信號的處理速度。當前，雷達波形設計的方式主要是采取采用脈沖壓縮處理方式。所謂脈沖壓縮，就是將發(fā)射時的寬脈沖，通過匹配濾波器進行脈沖壓縮，輸出窄脈沖信號，使雷達提高檢測能力的同時又不降低距離分辨力。作為現(xiàn)代雷達的重要技術，脈沖壓縮技術有效地解決了距離分辨力與平均功率之間的矛盾。

4.3 線性調(diào)頻脈沖壓縮信號的匹配濾波

線性調(diào)頻信號具有大的時寬帶寬積，為具有好的探測能力和好的距離分辨力提供了一定的條件，但要實現(xiàn)好的探測能力和距離分辨力，還必須對回波信號在接收機中加以專門的處理，這種處理過程稱為匹配濾波。根據(jù)匹配濾波原理，接收機對輸入信號匹配濾波的頻率特性應該為：H(W)=kS*(w)·exp(-jwto)，式中：S*(w)為輸入信號頻譜的共軛值；k為濾波器的增益常數(shù)；t0是使濾波器所必需的延遲時間，在t0時刻將有信號的最大輸出。其輸出的波形圖如圖1所示。

當前線性調(diào)頻信號所用的匹配濾波器有多種形式，模擬式脈沖壓縮器件主要有：具有大帶寬、小時寬的聲表面波(SAW)器件；中等時寬和中等帶寬的體聲波反射陣列壓縮器(BRAC)等。在脈沖壓縮雷達中主要采用的是聲表面波(SAW)器件。

4.4 恒虛警處理

恒虛警是雷達信號處理的重要組成部分，雷達信號的檢測總是在干擾背景下進行的，這些干擾來自各個方面，主要包括接收機內(nèi)部噪聲，以及地物、雨雪、海浪等雜波干擾。在進行恒虛警處理時，根據(jù)處理對象的不同分為慢門限恒虛警和快門限恒虛警。慢門限恒虛警主要針對接收機內(nèi)部噪聲，快門限恒虛警主要針對雜波環(huán)境下的雷達自動檢測。慢門限恒虛警處理主要是針對接收機內(nèi)部噪聲電平的恒虛警處理電路，因為內(nèi)部噪聲由于溫度、電源等因素而改變，這種變化是比較緩慢?？扉T限恒虛警處理主要應用于鄰近單元平均選大的恒虛警電路。

4.5 積累處理

現(xiàn)在的雷達都是在多脈沖觀測的基礎上進行檢測的，對于多脈沖觀測的結果就是一個積累過程。積累可以簡單地理解為多個脈沖疊加起來的作用。多個脈沖積累后可以有效的提高信噪比，從而改善雷達的檢測能力。因此積累處理對于提高雷達信號輸出的效果具有重要的意義。積累處理可以在包絡波前完成，成為檢波前積累或者中頻積累。一般信號的積累處理主要可以包括兩種：相參積累和非相參積累。信號在中頻積累時要求信號間有嚴格的相位關系，稱為相參積累。積累過程在包絡檢波后完成，稱為檢波后積累或者視頻積累。由于信號在包絡檢波后失去了相位信息而只保留了幅度信息，所以檢波后積累處理就不需要信號間有嚴格的相位關系，這種積累稱為非相參積累。采用相參職累可以使信噪比(SNR)提高M倍，因為相鄰周期中的中頻回波信號按照嚴格的相位關系進行疊加，因此積累疊加的結果為：信號的幅度可以提高M倍，相應的信號功率提高砰倍，而噪聲是隨機的，對每一個距離單元來說，相鄰重復周期的噪聲滿足統(tǒng)計獨立條件，積累的效果使平均功率疊加，從而使噪聲的總功率提高M倍，因此，在雷達信號系統(tǒng)中進行積累處理將大大提高雷達的信息輸出能力。

5.結語

綜上所述，我們可以知道，雷達的優(yōu)點是白天黑夜均能探測遠距離的目標，且不受霧、云和雨的阻擋，具有全天候、全天時的特點，并有一定的穿透能力，其應用的范圍較為廣泛，種類也較為繁多，其信號處理系統(tǒng)的技術較為復雜，是一個值得深入研究的重要課題。本文主要對雷達系統(tǒng)的工作原理進行了闡述，對其構成進行了簡要的介紹，并對雷達信號處理系統(tǒng)的關鍵技術進行了歸納，希望能為相關的研究提供部分參考價值。

[1]吳福富,王志云,韓壯志,何強.雷達信號處理系統(tǒng)建模方法研究[J].信息技術,2011,2:96-101.

[2]寧麗鵬.雷達信號處理系統(tǒng)關鍵技術研究[J].科技信息,2012,24:479-480.

[3]鄧鳳軍,張昌安,羌琦.基于多DSP的雷達信號處理系統(tǒng)的設計[J].科學技術與工程,2012(18):4401-4405.

苗玉杰（1972—），中國環(huán)境管理干部學院信息工程系講師，研究方向：信號處理、電路與系統(tǒng)。