雷达脉冲压缩技术应用分析

雷达脉冲压缩技术应用分析

贺 达

火箭军士官学校 山东青州 262500

摘 要：脉冲压缩技术能在雷达发射功率受限的情况下，有效提高雷达探测距离能力，同时还能保证较高的分辨力，是雷达反隐身、多目标精确检测和抗外部干扰的重要手段。本文介绍了脉冲压缩技术原理、波形分类和实现方法，并对主要波形信号的性能特点进行了分析。

关键词：脉冲压缩 线性调频 相位编码

1 引言

现代社会对空天的利用愈发重视，新型技术层出不穷，相应人们对雷达在作用距离、分辨能力和测量精度等方面也产生了更高的需求。根据雷达系统理论可知，随着发射机功率的提升，雷达探测距离相应提高，但分辨能力却会降低，长距离与高精度貌似不可兼得，但脉冲压缩技术在雷达系统中的应用有效解决了这一矛盾。

在现代战争日益复杂的电磁环境下，脉冲压缩雷达通过发射大时宽信号以提升发射功率，有效增加了雷达信干比和测量距离，通过压缩得到的窄脉冲又提高了探测精度，还能有效对抗箔条干扰和抑制杂波，已广泛应用于跟踪监视和空中交通管制等领域，AN/TPS-59、AN/FPS-117和ASR-12等先进雷达系统都采用了脉冲压缩技术。

2 脉冲压缩原理

雷达发展初期，根据距离分辨率公式 =cτ/2n (c为光速，τ为脉冲时间宽度），通常认为距离分辨率由雷达发射的脉冲时间宽度决定，由于发射机峰值功率的限制，想要提高测量距离只能延长发射脉冲时间，而这势必降低距离分辨率，这使得同时提高距离与距离分辨率变的不可行。随着科学技术的发展，根据信号与系统原理，距离分辨率公式演变为 =c/2B(B为雷达信号带宽），距离分辨率变为由雷达信号带宽决定，而带宽只决定于信号幅度和频率的变化，那么，对信号进行调幅或调频就可以增大信号的等效带宽，这就使得同时提高距离与距离分辨率变的可行。雷达脉冲压缩技术的原理就是调制一个带宽为B，持续时间为T的宽脉冲，以提高发射平均功率，获得较远的探测距离，接收时利用匹配滤波器处理目标回波，把接收的宽脉冲压缩为一个持续时间τ=1/B的窄脉冲，从而得到较高的分辨率精度。

3 雷达脉冲压缩技术实现方法

在实际应用中，通常使用的压缩波型有线性调频、非线性调频和相位编码三种，为了充分利用发射机峰值功率，一般不使用调幅信号。

3.1 线性调频脉冲压缩

线性调频脉冲信号有容易产生和处理的优势，是最早使用在脉冲压缩技术中的大宽度强平均功率信号，其应用最为广泛和成熟。线性调频脉冲信号的产生分为有源法和无源法，主要依靠数字脉冲压缩处理和模拟脉冲压缩处理这两种方式来实现。雷达发射机通过线性调频把窄脉冲变换成大功率宽脉冲发射出去，接收机收到该宽脉冲信号的回波，经放大、变换后，通过脉冲压缩网络处理，输出高增益窄脉冲。脉冲压缩网络由匹配滤波器和加权网络组成，匹配滤波器通常利用声表面波色散延迟线，当调频信号载频由低到高加到延迟线时，设计使信号前段低频信号延迟时间较长，随后的高频信号延迟时间依序变短，这样当信号匹配时，不同时间、频率的信号同时叠加在输出端，使输出信号脉冲得到很高的增益，峰值功率变大，同时脉冲宽度变小，完成对宽脉冲的压缩。

通过对线性调频脉冲信号频率的观察可以得出，在脉冲宽度较大时，信号的振幅总体来说接近于矩形，频率调制范围和信号的变化范围很相近，而且线性调频脉冲信号相位谱也可近似利用平方规律。根据这些特性，脉冲压缩技术所需要的匹配滤波器比较容易设计实现。

3.2 相位编码脉冲压缩

相位编码波形与调频波形不同，它是将脉冲分为许多宽度为τ=T/N(T为脉冲时间宽度，N为子脉冲个数）的子脉冲，整个相位编码波形的特性能够由应用在每个子脉冲上的相位调制所表征。目前，应用最广泛的是二相编码或称二进制编码，每个二进制相位编码的波形幅度相等，相位值或为0或为180°，编码表示为0和1，或+1和-1，这样一串数字就可以表征具有特定相位变化的波形了。系统中较常用的是巴克码，这种编码的特点是时间旁瓣峰值电压相等，旁瓣能量最小且均匀分布，但已知最长巴克码只有13位，序列为1111100110101。

相位编码波形经压缩得到的主瓣宽度等于子脉冲宽度，因此距离分辨率正比于一个编码的持续时间，而影响雷达探测距离的时宽带宽的积和脉冲压缩比等于编码的长度，也就是子脉冲的个数，这就解决了探测距离与分辨能力的矛盾。

4脉冲压缩性能特点

线性调频信号经过压缩后的回波幅度峰值一般能提高到原来的 （D为脉冲压缩比，即接收宽脉冲也压缩后的窄脉冲之比，近似等于BT）倍，也就是说输出功率峰值增大了D倍。一方面，这使得发射相同能量情况下，雷达的峰值发射功率大为降低，有可能低于敌方侦察接收机的灵敏度，降低了截获概率，增加了雷达生存能力；另一方面，而且由于噪声信号不能与匹配滤波器匹配，噪声信号得不到增强，这就使信噪比增大D倍，使得系统具有很强的抗噪声压制干扰能力。

线性调频信号是通过发射脉冲实现距离高分辨率，所以信号对目标的多普勒频移不敏感，即使回波信号有较大的多普勒频移，脉冲压缩系统仍能起到压缩作用。由于线性调频信号具有较高的距离分辨率，当在速度上无法区分多目标时，可以通过增加目标距离检测，解决多目标的分辨问题，同时在抗干扰方面，可以在距离上区分干扰和目标，因而可以有效对抗拖曳式干扰。

线性调频脉冲压缩实现较为简便，波形容易产生，但是经压缩得到窄而高的主瓣同时，主瓣两侧会产生随辛格函数递减的一系列旁瓣，主瓣很窄很高说明信号压缩后能量大量集中在窄脉冲内，系统的距离探测能力被大为增强，但旁瓣还是消耗了部分能量，并且旁瓣的存在可能会使大目标附近的较小目标被这些旁瓣遮蔽而无法探测到，从而影响雷达性能，并且容易出现虚警现象。利用窗函数对线性调频信号幅度进行加权可以解决这一问题，但在减小旁瓣的同时，主瓣时间宽度会增大，增加了分辨两个紧靠在一起的目标的难度，而且会影响在滤波器中的匹配，输出信号会产生一定的失真，从而产生测距误差。

同常规雷达相比，线性调频脉冲压缩雷达更易受转发式干扰，适当地使频率失配，干扰机就可以产生一个假目标，假目标领先或落后于真目标，而此雷达没有常规雷达用前沿跟踪技术区别干扰的能力，这使得转发欺骗式干扰机能够比较容易的捕获线性调频脉冲压缩雷达。

对于多普勒频移，相位编码波形比线性调频要敏感，研究表明，多普勒频移与带宽之比小于1/20时，在压缩巴克码波形中会产生严重失真，且时间旁瓣也会变大，因此相位编码波形没有不适用于探测高速目标的雷达。

5 结束语

脉冲压缩技术相对成熟、实现简单、优点明显，对雷达性能提升巨大，在军用、民用雷达系统中都有广泛应用，研究雷达脉冲压缩技术可以提高我们对雷达系统的了解和认识，并对进一步学习更先进体制雷达有很大帮助。