王德純

(南京電子技術(shù)研究所， 南京210039)

0 引言

在雷達誕生(1935年)初期［1］，系統(tǒng)采用的是最簡單的雷達技術(shù)體制，或者說最經(jīng)典的雷達技術(shù)，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(tǒng)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(guān)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展的帶動下，雷達系統(tǒng)的功能和性能、雷達系統(tǒng)的形態(tài)、雷達系統(tǒng)的技術(shù)體制、雷達裝備的應(yīng)用等方面都發(fā)生了翻天覆地的變化。

雷達在形態(tài)方面發(fā)生了顯著的變化。例如，雷達電路已經(jīng)從模擬式轉(zhuǎn)變到幾乎全數(shù)字式，即已由模擬雷達發(fā)展到現(xiàn)代的數(shù)字雷達，這種進步的基礎(chǔ)主要來源于電路技術(shù)、計算機技術(shù)、微波集成技術(shù)等領(lǐng)域的進步;數(shù)字雷達系統(tǒng)功能也取得了顯著進步，例如，從只能探測中高空目標(biāo)到能探測低空、地面、甚至地下目標(biāo)和深空目標(biāo);從只能探測有形目標(biāo)到能探測無形目標(biāo);從只能(用簡單的幅度門限檢測)判斷目標(biāo)有無到用精細的目標(biāo)識別技術(shù)來判斷復(fù)雜目標(biāo)的型號和性質(zhì);從只能測量簡單目標(biāo)的點跡(距離、方位)航跡(點跡的時間序列)到可以對復(fù)雜目標(biāo)進行高分辨成像;從只能測量目標(biāo)宏動態(tài)特性到可以測量復(fù)雜目標(biāo)的微動態(tài)特性(振動，轉(zhuǎn)動);單臺雷達從只有單一功能到實現(xiàn)多目標(biāo)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(shù)的進步，特別是雷達系統(tǒng)技術(shù)體制的進步。例如，發(fā)展了動目標(biāo)顯示(MTI)技術(shù)體制，才有了雷達的低空探測性能;發(fā)展了脈沖多普勒(PD)技術(shù)體制，才成就了機載雷達的下視功能［2］;開發(fā)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(fā)展了寬帶超寬帶技術(shù)和脈沖壓縮技術(shù)體制，才大大提高了雷達的距離高分辨(一維目標(biāo)成像)功能，使雷達對目標(biāo)的探測從宏觀走向微觀;發(fā)展了合成孔徑(SAR)和逆合成孔徑(ISAR)技術(shù)體制，才有了雷達橫向距離高分辨(可以二維目標(biāo)成像)功能;發(fā)展了相控陣體制，才實現(xiàn)了單部雷達的同時多目標(biāo)和多功能［4］等等。顯然，雷達技術(shù)體制的不斷創(chuàng)新和發(fā)展是雷達系統(tǒng)功能不斷增加和雷達系統(tǒng)性能不斷提高的根本原因。

那么，雷達系統(tǒng)新技術(shù)體制創(chuàng)新發(fā)展的基礎(chǔ)又是什么?本文從雷達系統(tǒng)的基本模型和基本理論出發(fā)，考察和研究了幾十年來雷達系統(tǒng)技術(shù)體制創(chuàng)新發(fā)展的歷史，得出的初步結(jié)論是，每種新技術(shù)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(xiàn)，即產(chǎn)生或選擇一種新的能夠獲得目標(biāo)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(biāo)這種新信息的信號處理方法和信息提取的算法，從而創(chuàng)新了一種新的雷達系統(tǒng)技術(shù)體制。

1 基于電磁信號時頻域波形的雷達系統(tǒng)技術(shù)體制發(fā)展史

如前所述，在雷達發(fā)明的初期，采用的是最經(jīng)典的雷達技術(shù)體制，即發(fā)射簡單的脈沖或連續(xù)波信號，目標(biāo)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(zhàn)之后，基于應(yīng)用需求的不斷推動，雷達工作者在經(jīng)典雷達系統(tǒng)基礎(chǔ)上不斷創(chuàng)新，發(fā)展了一系列雷達系統(tǒng)新技術(shù)體制，在雷達系統(tǒng)(這里不討論雷達分系統(tǒng))新技術(shù)體制方面取得了不斷的進步。

1.1 非相參波形雷達技術(shù)體制

20世紀60年代以前，主要雷達裝備基本上都是經(jīng)典的雷達技術(shù)，即所謂的非相參技術(shù)體制。例如，當(dāng)時研制生產(chǎn)的兩坐標(biāo)雷達、三坐標(biāo)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(chǎn)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(guī)目標(biāo)尺寸，分辨能力差，目標(biāo)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(biāo)測量的參數(shù)和精度也都受限。

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

1.2 相參波形雷達技術(shù)體制

20世紀60年代以后，由于速調(diào)管等功率放大器件的出現(xiàn)，雷達發(fā)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(xù)相關(guān))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(biāo)速度，另一方面可用于運動目標(biāo)檢測和雜波抑制;(3)依然是窄帶，目標(biāo)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(shù)同前。

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

在這種相參技術(shù)體制雷達中，信號可以實現(xiàn)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(tǒng)增加了多普勒頻移信息，即增加了測量目標(biāo)速度的能力和在強雜波背景中發(fā)現(xiàn)小目標(biāo)的能力，以及測量目標(biāo)微動態(tài)(旋轉(zhuǎn)、震動)的能力。

相參窄帶電磁信號波形相關(guān)技術(shù)體制的雷達系統(tǒng)構(gòu)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(shù)體制

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

寬帶雷達脈沖信號可表示為

式中:a(t)為包絡(luò)(矩形脈沖);θ(t)為頻率調(diào)制或相位調(diào)制。

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

寬帶雷達所看到的目標(biāo)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(biāo)的一個“物理圖像”，即目標(biāo)沿徑向方向反射強度(RCS)的分布圖。寬帶信號使雷達對目標(biāo)的探測從宏觀走向微觀。再與合成孔徑(或逆合成孔徑)技術(shù)結(jié)合，可以實現(xiàn)目標(biāo)微觀結(jié)構(gòu)的二維成像(反射強度的二維分布圖)，即目標(biāo)視在形狀的測量。大大提高了雷達的目標(biāo)識別能力。

與寬帶電磁信號相關(guān)的雷達技術(shù)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(dǎo)彈防御雷達等。

寬帶電磁信號雷達技術(shù)體制是現(xiàn)在和未來雷達發(fā)展的必然方向。

1.4 微多普勒信號雷達技術(shù)體制

微多普勒雷達技術(shù)建立了相參信號回波的微多普勒頻率與目標(biāo)微運動參數(shù)(轉(zhuǎn)動、振動)之間的對應(yīng)關(guān)系，例如，一個徑向表面振動偏離為x(t)目標(biāo)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(biāo)主多普勒譜線的邊帶。

人們還開發(fā)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(biāo)或其構(gòu)件的微動(振動和轉(zhuǎn)動)特性，或者說目標(biāo)的微觀動態(tài)特性。

微多普勒技術(shù)體制的雷達增加了測量目標(biāo)微動態(tài)參數(shù)功能。

2 基于電磁信號空間域波形(波束形狀)創(chuàng)新的技術(shù)體制發(fā)展史

2.1 空域調(diào)制的電磁信號波形

以相參信號為例，雷達發(fā)射機產(chǎn)生信號S2(t)如式(2)所示。經(jīng)發(fā)射天線波束調(diào)制的電磁輻射信號可以寫為

式中:Ft(θ，φ)為發(fā)射天線的波束形狀。

暫不考慮目標(biāo)調(diào)制，經(jīng)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(shù)體制

以單脈沖技術(shù)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(diào)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(shù)字形成多波束(DBF)技術(shù)體制也類似。若先考慮一個角平面的接收波束，則回波調(diào)制形成的通道信號如下

式中:Fr(θi)為第 i個數(shù)字波束，i=1，2，…，N。

2.3 基于多站及組網(wǎng)波束的技術(shù)體制

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

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

2.4 基于移動波束的技術(shù)體制

合成與逆合成孔徑雷達技術(shù)體制是通過雷達輻射電磁波束和目標(biāo)之間的相對移動實現(xiàn)的。這種相對運動(轉(zhuǎn)動)使剛體目標(biāo)各個部分的回波產(chǎn)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(yīng)處理(STAP)雷達技術(shù)體制

1973年，Brennandeng等人提出了空時二維自適應(yīng)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(shù)據(jù)中，證明了二維聯(lián)合處理要比常規(guī)空時級聯(lián)處理的性能好得多?？沼蚝蜁r域的二維濾波成為提高雷達探測性能的重要技術(shù)體制。

當(dāng)然，全空時STAP系統(tǒng)自由度過大，但目前的降維研究已經(jīng)開辟了實際應(yīng)用的前景［11］。

4 基于電磁波極化域特性相關(guān)的雷達技術(shù)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(tài)及其變化與目標(biāo)的對稱性相聯(lián)系［12］。因而采用極化技術(shù)體制的雷達可以測量目標(biāo)的對稱性參數(shù)，可以抗干擾，可以目標(biāo)識別。

通過回波測量目標(biāo)的“極化散射矩陣”是雷達極化技術(shù)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(xiàn)對目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)識別和各種參數(shù)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(jié)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(lián)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(tǒng)技術(shù)體制發(fā)展創(chuàng)新的基礎(chǔ)。前述幾十年來雷達技術(shù)體制的發(fā)展創(chuàng)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(biāo)特性信息探測提取關(guān)系的基本模型(如圖2所示)。

圖2 雷達信號與信息系統(tǒng)的基本模型

雷達波形產(chǎn)生器產(chǎn)生并經(jīng)發(fā)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(fā)射天線，經(jīng)天線發(fā)射波(束)形(狀)調(diào)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(biāo)，與目標(biāo)的各種特性響應(yīng)T(X)相互作用后散射回雷達(例如S5(t));

這種經(jīng)目標(biāo)調(diào)制的空時域回波信號攜帶著目標(biāo)的全部信息，送至接收機和信號處理器處理后提取目標(biāo)各種信息X。

6 雷達系統(tǒng)技術(shù)體制創(chuàng)新發(fā)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(biāo)(或某種特定目標(biāo))新信息(原有雷達技術(shù)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(lián)合域)。

例如，寬帶雷達技術(shù)體制的誕生出于人們需要提高雷達對目標(biāo)的距離分辨率，從而了解目標(biāo)細微結(jié)構(gòu)的愿望，提出了一種寬帶線性調(diào)頻(LFM)信號。

然后，研究該信號波形產(chǎn)生的實現(xiàn)方法。例如，為產(chǎn)生LFM信號，當(dāng)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(shù)量、配置、DBF、置零、多站等)，空時二維自適應(yīng)處理，極化處理，或者其他處理及聯(lián)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(xiàn)。早期人們就用與信號產(chǎn)生同樣的色散延遲線，將輸入輸出端倒過來即可。

6.3 目標(biāo)新信息提取方法

研究新電磁波形回波所攜帶目標(biāo)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(biāo)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(jié)合，提取目標(biāo)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(lián)合域特性以外，還有無其他的特征域。

7 結(jié)束語

(1)創(chuàng)新動力

雷達系統(tǒng)運行的兩個主體，雷達和目標(biāo)(含環(huán)境)之間矛盾的發(fā)展帶動著雷達技術(shù)體制的不斷創(chuàng)新。

雷達目標(biāo)，主要是武器系統(tǒng)(例如飛機、導(dǎo)彈、衛(wèi)星、艦船、坦克等)技術(shù)的進步在很大程度上推動了雷達技術(shù)的創(chuàng)新，例如隱身技術(shù)、低空入侵技術(shù)、小型化技術(shù)、假目標(biāo)技術(shù)、干擾技術(shù)、隱蔽技術(shù)等。正是這些目標(biāo)技術(shù)的進步推動著雷達技術(shù)體制的創(chuàng)新。

(2)創(chuàng)新起點

獲取更多更精細的目標(biāo)和環(huán)境信息，以增加雷達功能和提高雷達性能，是雷達技術(shù)體制創(chuàng)新的起點和歸宿。而目標(biāo)與環(huán)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(chuàng)新途徑

選擇或?qū)ふ夷懿杉喔?或特定)目標(biāo)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(lián)合域)，及其產(chǎn)生和處理方法，以及目標(biāo)信息提取方法，是雷達技術(shù)體制創(chuàng)新的主要途徑。

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