丁友峰，黃孝鵬，陸小虎，邢永昌

(中國船舶集團公司第七二四研究所，江蘇 南京 211153)

0 引 言

船用導(dǎo)航雷達是船舶安全航行不可或缺的重要保障設(shè)備。由于成本及技術(shù)的限制，前期的導(dǎo)航雷達發(fā)射機均采用磁控管，雷達發(fā)射單頻脈沖信號，發(fā)射功率最高至幾十千瓦，電路簡單、技術(shù)成熟，但存在磁控管壽命低，抗干擾能力差及發(fā)射電磁兼容等問題。隨著技術(shù)的發(fā)展，固態(tài)器件逐步取代磁控管等真空高壓器件，加上ITU對發(fā)射電磁兼容的嚴控、對海上小目標和直升機引導(dǎo)探測等需求的與日俱增，固態(tài)導(dǎo)航雷達得到快速發(fā)展，并逐步取代磁控管導(dǎo)航雷達。

固態(tài)導(dǎo)航雷達采用固態(tài)發(fā)射機，由于其占空比比磁控管提升了十幾至幾十倍，其發(fā)射峰值功率大大下降，現(xiàn)有設(shè)備最高僅300 W，但采用脈沖壓縮及脈沖多普勒相參數(shù)字信號處理體制，在滿足傳統(tǒng)探測的基礎(chǔ)上可更好地實現(xiàn)的小目標探測和自適應(yīng)雜波抑制。隨著固態(tài)發(fā)射功率的提升，發(fā)展初期所面臨的“對搜救應(yīng)答器（SART）無法實現(xiàn)5n mile距離觸發(fā)”的難題也得到徹底解決，滿足了IEC和ITU對導(dǎo)航雷達的通用要求。本文對固態(tài)脈沖壓縮導(dǎo)航雷達的關(guān)鍵技術(shù)進行分析，介紹國內(nèi)外同類產(chǎn)品的發(fā)展現(xiàn)狀，并結(jié)合部分技術(shù)優(yōu)勢對未來的發(fā)展與應(yīng)用方向進行了探討。

1 國內(nèi)外固態(tài)脈沖壓縮導(dǎo)航雷達發(fā)展現(xiàn)狀比較

隨著固態(tài)功放和大規(guī)模集成芯片成本的下降以及數(shù)字信號處理技術(shù)的日臻成熟，固態(tài)脈沖壓縮體制的導(dǎo)航雷達近年來得到快速發(fā)展和市場認可，而傳統(tǒng)磁控管雷達則已在歐美逐步停產(chǎn)。自2004年起，國際海事組織（IMO）鼓勵使用相參雷達來提高在嚴重的海雜波條件下對目標的探測[1]。

2006年，英國Kelvin Hughes公司研發(fā)了第1臺S波段固態(tài)脈沖壓縮體制導(dǎo)航雷達SharpEye，其公開資料顯示在5級惡劣海況條件下，無論對10 m2的目標還是對0.5 m2的目標，探測能力大幅優(yōu)于常規(guī)磁控管雷達，如圖1所示。

圖1 固態(tài)脈沖壓縮雷達與傳統(tǒng)磁控管雷達探測能力對比Fig. 1 Contrast of radar detection capability between solid pulse compression radar and traditional radar

2008年該公司又推出了X波段的SharpEye固態(tài)導(dǎo)航雷達（見圖2(a)）。2011年，日本JRC公司推出了其S波段固態(tài)脈沖壓縮導(dǎo)航雷達JMA-9 172-SA。2013年，日本古野公司推出了S波段固態(tài)脈沖壓縮導(dǎo)航雷達FAR-3 000[2]（見圖2(b)），近期又針對小型船舶推出更為經(jīng)濟便捷的X波段固態(tài)脈沖壓縮體制小型化DRSNTX系列產(chǎn)品。2016年，挪威SIMRAD公司也相繼推出了HALO系列固態(tài)脈沖壓縮雷達產(chǎn)品(見圖2(c))。

圖2 部分國內(nèi)外固態(tài)脈沖壓縮導(dǎo)航雷達實物Fig. 2 Part of solid state pulse compression navigation radars at home and abroad

在國內(nèi)，中船、中電、航天科工等集團的下屬科研院所以及多個民營公司均開展了固態(tài)脈沖壓縮導(dǎo)航雷達的技術(shù)研究，個別產(chǎn)品開始在相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用。中船七二四所研制的XFR1123型固態(tài)脈沖壓縮導(dǎo)航雷達(見圖2(d))已于2017年率先取得了CCS型式認可，并在海洋、海事等多領(lǐng)域得到應(yīng)用。

表1為國內(nèi)外典型固態(tài)脈沖壓縮雷達主要技術(shù)性能對比情況。

表1 國內(nèi)外固態(tài)脈沖壓縮雷達技術(shù)性能對照Tab. 1 Performance comparison of solid state pulse compression radars at home and abroad

2 固態(tài)脈沖壓縮導(dǎo)航雷達關(guān)鍵技術(shù)

新技術(shù)的應(yīng)用和集成，是雷達體制不斷演化發(fā)展的重要技術(shù)基礎(chǔ)[3]。航海雷達在進一步發(fā)展中，將受到普通脈沖制式的限制，性能指標的重大改進必然依賴于雷達信號制式等的技術(shù)變革[4]。對于固態(tài)脈沖壓縮導(dǎo)航雷達而言，關(guān)鍵技術(shù)優(yōu)勢一方面體現(xiàn)于固態(tài)功放的使用，使得雷達的壽命和可靠性得到提高，并帶來了頻帶寬度和相位穩(wěn)定性的大幅提升。另一方面則重點體現(xiàn)于中頻數(shù)字化、頻率分集、數(shù)字脈沖壓縮、多普勒雜波抑制等全相參數(shù)字信號處理所帶來的惡劣環(huán)境下探測性能提升。

2.1 高性能固態(tài)功放設(shè)計

得益于GaN的“寬禁帶”半導(dǎo)體特性、高飽和電子遷移率以及高擊穿場，GaN作為第三代半導(dǎo)體材料，微波功率性能要遠優(yōu)于Si，GaAs等[5]，目前GaN的單管發(fā)射功率已可達200 W以上，隨著工藝的進步和成本的下降，已成為導(dǎo)航雷達固態(tài)功放的首選器件。

X或S波段峰值功率200 W左右的固態(tài)功放設(shè)計技術(shù)基本成熟，但為進一步提升雷達總體技術(shù)性能特別是復(fù)雜環(huán)境下的小目標探測能力，固態(tài)功放需重點關(guān)注以下幾點關(guān)鍵設(shè)計要求：

1）大功率合成?；诂F(xiàn)有功放元件進行更高功率合，形成300 W以上發(fā)射功率；同時需重點考慮功率提升帶來的熱設(shè)計問題。

2）低延遲、高平坦發(fā)射?；趯Ψ烹娫?、偏值、解調(diào)、發(fā)射開關(guān)等電路的優(yōu)化改進，降低發(fā)射脈沖（特別是窄脈沖）的脈沖頂降和前后延。

3）高保真信道耦合。為后端實現(xiàn)低副瓣脈沖壓縮實時提供校準信息，同實現(xiàn)固態(tài)功放的性能監(jiān)視。

2.2 中頻數(shù)字信號產(chǎn)生

中頻數(shù)字信號產(chǎn)生是實現(xiàn)全數(shù)字化現(xiàn)代雷達的基本要求，主要優(yōu)點有：頻率切換快、頻率分辨率高、頻點數(shù)多、相位噪聲低、輸出波形靈活，且頻率捷變時相位保持連續(xù)。最常用的方式是直接數(shù)字綜合器（DDS），由相位累加器、相位-幅度轉(zhuǎn)化器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）等組成，基本工作原理如圖3所示。

圖3 DDS中頻信號產(chǎn)生原理Fig. 3 The principle of intermediate-frequency signal generation by DDS

固態(tài)脈沖壓縮導(dǎo)航雷達通常產(chǎn)生的數(shù)字中頻信號形式為線性調(diào)頻或非線性調(diào)頻，根據(jù)性能定位的不同，在一個重復(fù)周期內(nèi)產(chǎn)生“短、中、長”不同脈寬、不同頻率（或相同頻率）的3種甚至6種信號，脈內(nèi)帶寬最大可達30 MHz以上。

2.3 低副瓣脈沖壓縮

固態(tài)脈沖壓縮雷達發(fā)射大時寬帶寬積信號，使用固態(tài)脈沖壓縮技術(shù)可以有效提高強雜波下小目標的發(fā)現(xiàn)能力[6]。脈沖壓縮處理的主要作用是將接收與發(fā)射信號的共軛信號、鏡像信號進行交叉關(guān)聯(lián)，壓縮成窄脈沖信號，其實質(zhì)是系數(shù)的加權(quán)和匹配濾波，在這個過程中信號能量重新分配，使得主瓣集中了信號的大部分能量，形成一個尖峰。脈沖壓縮前后目標信息對比如圖4所示。

脈沖壓縮處理可在基帶信號的時域或頻域?qū)崿F(xiàn)?；陬l域的實現(xiàn)方法具有較為明顯的優(yōu)勢，可利用快速FFT實現(xiàn)，計算量小，但處理延遲稍大，通常采用并行、流水或任務(wù)分段等方式進行優(yōu)化，其基本原理如圖5所示。

圖4 脈沖壓縮前后對比Fig. 4 The signal before/after pulse compression

圖5 頻域脈沖壓縮Fig. 5 Pulse compression in frequency domain

無論使用何種脈沖壓縮方法均會在主瓣兩邊產(chǎn)生不同程度的副瓣干擾，對強目標附近的弱小目標探測帶來一些影響。為實現(xiàn)低副瓣性能，可采用迭代加權(quán)最小二乘法（IRLS）優(yōu)化匹配濾波器設(shè)計，并利用發(fā)射耦合信號對優(yōu)化后的匹配濾波器系數(shù)進行幅相補償。

2.4 自適應(yīng)距離副瓣抑制

常規(guī)距離副瓣抑制方法有STC和CFAR等，易出現(xiàn)小目標丟失、目標分裂等現(xiàn)象。

準無損自適應(yīng)副瓣抑制技術(shù)近年來得到高度關(guān)注，一種有效的實現(xiàn)方法是利用脈沖壓縮的副瓣寬度、主副比等先驗基礎(chǔ)信息，對雷達副瓣電平進行實時擬合，對回波強度進行初步估計。以距離單元為最小單位，將數(shù)據(jù)流在一定窗內(nèi)（寬度N）進行加權(quán)比較并輸出最大值，得到第一門限并位移N個點來估算副瓣的位置。根據(jù)脈沖壓縮主副比先驗信息，用第一門限除以主副比對應(yīng)的線性值對雷達回波的副瓣進行擬合，形成第二門限，與噪聲估計值進行比較后形成第三門限，最后與視頻信號進行比較，完成距離副瓣的自適應(yīng)抑制。此方法得到了長期的應(yīng)用驗證，具有很好的距離副瓣自適應(yīng)抑制效果，幾乎不會影響到疊加在副瓣上的回波信號的檢測，實現(xiàn)流程如圖6所示。

圖6 自適應(yīng)距離副瓣抑制流程圖Fig. 6 Auto range side-lobe repression process chart

2.5 多普勒雜波鑒別

強對流天氣或有大面積云雨團可對導(dǎo)航雷達的正常工作帶來極大影響。傳統(tǒng)磁控管雷達主要通過STC，F(xiàn)TC以及CFAR等方法進行雜波抑制處理，同時也衰減了目標，且強雜波難以完全消除。

固態(tài)脈沖壓縮雷達的典型優(yōu)點體現(xiàn)于除可進行STC，F(xiàn)TC，CFAR等常規(guī)處理外，還可利用目標與干擾的多普勒頻移差異進一步實現(xiàn)進行雜波鑒別。一種行之有效的方法是：將脈壓后的信號進行脈間FFT處理，對輸出的各通道進行CFAR處理并利用連續(xù)16/32個相鄰周期的I/Q信號，提取出各距離單元的多普勒信息。根據(jù)多普勒速度的不同，在頻域把回波信號分到16/32個獨立通道，將目標回波與雜波在多普勒通道上分開。每個通道計算自適應(yīng)電平得到檢測門限，待測單元大于檢測門限則進行有效輸出。根據(jù)各通道間信號的強度關(guān)系結(jié)合通道的排序情況設(shè)計雜波鑒別器，并將時域頻域兩路信號進行合成處理實現(xiàn)云雨雜波和海雜波的有效去除，保留有效目標。

3 技術(shù)優(yōu)勢及應(yīng)用展望

3.1 主要技術(shù)優(yōu)勢

1）固態(tài)發(fā)射，可靠性高

固態(tài)發(fā)射機是一個微波晶體管功率放大電路，工作電壓低（28 V以下），相比常規(guī)磁控管發(fā)射機，壽命長、無需預(yù)熱、無需定期更換，具有更好的可靠性和安全性。

2）相參接收，探測能力強

采用脈沖壓縮、相參積累等全相參數(shù)字信號處理技術(shù)，可以有效提高系統(tǒng)信噪比（或靈敏度），增強小目標探測能力，同時可以獲得回波信號的多普勒信息，實現(xiàn)動目標檢測，提升雜波抑制能力。

3）信號帶寬大，距離分辨力高

固態(tài)脈沖壓縮雷達分辨力取決于信號帶寬，部分雷達全量程信號帶寬可達20 MHz以上，即使考慮脈壓帶來的小幅展寬，距離分辨力也可達20 m左右，有利于密集目標分辨和大面積目標的分布與形態(tài)探測。

4）數(shù)據(jù)穩(wěn)定，利于業(yè)務(wù)化拓展應(yīng)用

固態(tài)脈沖壓縮雷達可保持全壽命期內(nèi)發(fā)射功率穩(wěn)定，可避免磁控管雷達的發(fā)射功率波動和長時使用后下降等問題，數(shù)據(jù)質(zhì)量高，有利于拓展業(yè)務(wù)化應(yīng)用范圍。

3.2 應(yīng)用展望

1）船舶避碰導(dǎo)航

隨著世界海洋經(jīng)濟迅速發(fā)展，主要航道、近岸海域中，海面目標種類大幅度增加，航海雷達面臨的探測目標變化多樣、強雨雪和海雜波環(huán)境下小目標探測要求高、長時間高強度連續(xù)使用等要求[7]。固態(tài)脈沖壓縮導(dǎo)航雷達除了整體探測性能更為優(yōu)異外，智能化水平也得到大幅提高，可更好地滿足上述要求。如SharpEye雷達，在海浪抑制、云雨抑制、恒虛警等信號處理方面已無需人工干預(yù)，實現(xiàn)全自動處理。從這個角度分析，也很好滿足了未來高技術(shù)船舶、智能航運、無人船等領(lǐng)域的發(fā)展需求。

導(dǎo)航保障能力的提升以及成本的降低，勢必帶來固態(tài)脈沖壓縮導(dǎo)航雷達在船舶避碰導(dǎo)航領(lǐng)域的井噴應(yīng)用。

2）岸基目標監(jiān)管

隨著信息化水平的提升，基于雷達-光電等多源信息融合的諸如船舶交通管理、漁政信息管理、邊海防、水上公安執(zhí)法等各類岸基目標監(jiān)管系統(tǒng)近年來得到高速發(fā)展。該類系統(tǒng)的核心探測設(shè)備需要7×24 h全天候工作，因此需要使用可靠性高、經(jīng)濟型好的船用導(dǎo)航雷達。

隨著應(yīng)用能力需求的提升，復(fù)雜環(huán)境下“低小慢”目標的探測愈發(fā)得到重視。固態(tài)脈沖壓縮雷達已逐步得到相關(guān)應(yīng)用部門的肯定，有望在各類岸基目標監(jiān)管系統(tǒng)中得到全面推廣。

3）海洋環(huán)境監(jiān)測

船用導(dǎo)航雷達還被常應(yīng)用海洋環(huán)境遙感監(jiān)測，如德國WamosⅡ測波雷達、加拿大RUTTER S6測冰雷達、挪威MIROS OSD溢油雷達等系統(tǒng)的開發(fā)平臺均為普通船用導(dǎo)航雷達。在這些方面，固態(tài)脈壓雷達具有分辨力高、數(shù)據(jù)穩(wěn)定性好、可頻域算法處理、全數(shù)字處理等突出優(yōu)點，為實現(xiàn)高精度浪流監(jiān)測、高分辨力海冰監(jiān)測、高靈敏度溢油監(jiān)測、大氣波導(dǎo)反演測量以及全時多功能應(yīng)用等提供了更為有利的平臺條件，多類型海洋環(huán)境高精度監(jiān)測優(yōu)勢和同時多功能應(yīng)用優(yōu)勢已逐步得到彰顯。

4 結(jié) 語

船用導(dǎo)航雷達在人類海洋活動中發(fā)揮著極為重要的保障作用，隨著電子信息技術(shù)的不斷發(fā)展，其技術(shù)體制也迎來了巨大變革和進步。固態(tài)脈沖壓縮雷達具有可靠性高、分辨力好、小目標探測能力強、抗干擾性能優(yōu)異、可完全滿足IEC強制要求等顯著優(yōu)點，代表了新一代船用導(dǎo)航雷達的技術(shù)發(fā)展方向。同時，國產(chǎn)化自主可控的新體制導(dǎo)航雷達尚處于應(yīng)用發(fā)展期，可有效打破傳統(tǒng)磁控管導(dǎo)航雷達被國外長期技術(shù)壟斷的困局，在海事、航運、海警、漁政等領(lǐng)域的業(yè)務(wù)化應(yīng)用方面前景廣闊。