雷达测量与信号分析基础——第一部分

雷达技术在军事领域应用广泛。地面雷达用于远程威胁探测和空中交通管制。舰载雷达提供地对地和地对空观测。机载雷达用于威胁探测、监视、测绘和高度测定。最后，导弹雷达用于跟踪和制导。

当然，雷达在商业航空领域也有许多应用，例如空中交通管制（ATC）远程监视、终端区空中交通监控、地面运动跟踪和气象监测。此外，短程雷达在汽车领域的应用也日益广泛，用于防碰撞、驾驶辅助和自动驾驶。一些专用雷达还可以穿透雾气、墙壁甚至地下进行成像。

现代雷达产生的复杂脉冲给测量带来了巨大挑战。为了提高探测距离、分辨率和抗干扰能力，人们开发了多种编码方案，包括频率和相位调制脉冲、频率啁啾脉冲以及具有高带宽的窄脉冲。

连续波雷达

雷达系统可以使用连续波(CW) 信号，或者更常见的是使用低占空比脉冲信号。CW 雷达的应用可以是简单的非调制多普勒测速系统（例如警用和体育相关雷达），也可以使用调制技术来同时探测距离和速度。调制 CW 雷达有许多专业和军事应用，例如海事/海军应用、导弹制导和雷达高度计。由于连续射频功率的限制，CW 雷达系统的探测距离相对较短。然而，它没有最小探测距离，这使得 CW 雷达特别适用于近距离应用。

脉冲雷达

尽管雷达有多种连续传输类型，主要包括多普勒雷达，但绝大多数雷达都是脉冲雷达。脉冲雷达又分为两大类：动目标指示器（MTI）雷达和脉冲多普勒雷达。MTI雷达是一种远程、低脉冲重复频率（PRF）雷达，用于探测和跟踪远距离（最远可达约30公里）的小型（约2平方米）移动目标，其原理是消除地面杂波（也称箔条）。MTI雷达适用于速度要求不高的情况（例如，“只需告诉我目标是否在移动”）。相比之下，脉冲多普勒雷达采用高PRF以避免“盲测速度”，其有效探测距离较短（约15公里），分辨率更高，并能提供详细的速度数据。它常用于机载导弹进近跟踪、空中交通管制和医疗应用（例如血流监测）。

射频脉冲特性（例如下图所示）能够揭示雷达性能的诸多信息。电子战(EW) 和电子情报 (ELINT) 专家专门研究这些脉冲信号。脉冲特性提供了关于产生信号的雷达类型以及信号来源（例如帆船、战舰、客机、轰炸机、导弹等）的重要信息。

脉冲雷达通常使用占空比极低的射频脉冲（<10%）。其探测距离和分辨率取决于脉冲重复频率（PRF）、脉冲宽度（PW）和发射功率。通常，较宽的脉冲宽度能提供更远的探测距离，但分辨率较差。相反，较窄的脉冲宽度虽然探测距离较短，但分辨率更高。这种关系是雷达工程中一个基本的权衡问题。脉冲压缩结合调制载波常用于提高分辨率，同时保持较窄的脉冲宽度，从而实现更高的功率和更远的探测距离。

脉冲重复间隔(PRI) 是指脉冲周期重复前所花费的时间。它等于脉冲重复频率 (PRR) 或脉冲重复频率 (PRF) 的倒数，即每秒发射的脉冲数。PRI 非常重要，因为它决定了雷达的最大无歧义探测距离。事实上，脉冲关闭时间可能更能准确地反映雷达系统的最大设计探测距离。

传统雷达系统采用收发（T/R）开关，使发射机和接收机共用一根天线。发射机和接收机轮流使用该天线。发射机发出脉冲，在脉冲关闭期间，接收机监听返回的回波。脉冲关闭时间是指接收机可以监听反射回波的时间段。关闭时间越长，目标距离可以越远，而不会因为回波延迟而导致接收到的脉冲滞后于下一个发射脉冲。这会导致目标信号被错误地显示为来自附近物体的反射信号。为了避免这种歧义，大多数雷达采用的脉冲关闭时间足够长，使得来自非常远物体的回波能量非常弱，不太可能在下一个脉冲的关闭时间内被错误地检测到。

下图说明了脉冲压缩对于获得良好距离和分辨率的必要性。较宽的脉冲宽度（PW）具有更高的平均功率，从而提高了探测距离。然而，较宽的脉冲宽度可能会导致来自近距离目标的反射回波在接收机中重叠或混杂在一起，从而被识别为单个目标。调制脉冲可以缓解这些问题，提供更高的功率和更精细的分辨率，从而区分近距离目标。

脉冲功率

影响雷达最大探测距离的另一个因素是发射功率。峰值功率是指脉冲中瞬时最大功率水平。功率下降、脉冲峰值幅度和过冲也是需要考虑的因素。

脉冲峰值幅度（功率）和脉冲宽度（PW）对于计算给定脉冲的总能量（功率×时间）至关重要。已知给定脉冲的占空比和功率，即可计算出发射的平均射频功率（脉冲功率×占空比）。

雷达方程

雷达方程定义了雷达设计人员遇到的许多工程权衡。

雷达方程将预期接收功率(P r) 与发射脉冲功率 (P t) 联系起来；基于发射天线增益 (G t)、接收天线面积 (A r)、目标横截面（又称反射率）σ、发射天线到目标的距离 (R t) 以及目标到接收天线的距离 (R r)。

与许多通信系统不同，雷达系统会遭受极大的信号路径损耗。其往返距离是典型通信链路的两倍，并且目标的雷达截面和反射率也会造成损耗。正如雷达方程所示，分母中的距离项被提升到四次方，这凸显了雷达信号所经历的巨大信号功率损耗。

利用雷达方程，可以计算接收信号强度，从而判断是否存在足够的功率来探测反射的雷达脉冲。将多个脉冲组合起来以累积更大的信号功率并平均噪声，也有助于提高探测范围。

脉冲宽度

脉冲宽度是雷达信号的一个重要特性。脉冲越宽，在给定振幅下，脉冲所包含的能量就越大。发射脉冲功率越大，雷达的接收距离就越远。

脉冲宽度越大，平均发射功率也越高，这会使雷达发射机的工作负荷更大。脉冲功率与平均功率之间的分贝差值可以通过脉冲宽度的对数除以脉冲重复间隔，再乘以十来轻松计算得出。

因此，传输距离受限于脉冲特性和传播损耗。脉冲重复频率（PRI）和占空比决定了返回回波的最大允许时间，而发射的功率或能量必须克服背景噪声才能被接收器检测到。

脉冲宽度也会影响雷达的最小分辨率。长脉冲产生的回波会在时间上重叠，导致无法确定目标的性质。长脉冲回波可能由单个大型目标（例如客机）或多个间距较小的目标（例如战斗机紧密编队）引起。如果分辨率不足，就无法确定回波中实际包含的物体数量。窄脉冲宽度可以减少回波重叠，提高分辨率，但会牺牲发射功率。

因此，脉冲宽度会影响雷达系统的两项非常重要的性能——分辨率和探测距离。这两项性能相互制约。脉冲宽度较大的远距离雷达分辨率较低，而脉冲宽度较小的近距离雷达分辨率较高。

窄脉冲需要更大的带宽才能正确传输和接收。因此，脉冲的频谱特性也值得关注，必须在整体系统设计中加以考虑，如下图所示。

虽然非调制脉冲雷达实现起来相对简单，但它们也存在一些缺点，例如距离分辨率相对较差。为了更有效地利用发射功率并优化距离分辨率，雷达采用以下调制技术对脉冲进行调制：

· 线性调频啁啾信号——最简单、最常用的脉冲调制方案是线性调频（LFM）啁啾信号。通过扫描脉冲内的载波频率，可以使脉冲的每个部分都清晰可辨。这使得接收机能够采用脉冲压缩技术来提高距离分辨率和发射功率效率。

· 相位调制——相位调制也可用于区分脉冲的不同段，通常以二进制相移键控(BPSK) 的形式实现。存在一些特定的相位编码方案，例如巴克码，以确保编码的正交性和距离分辨率。

· 跳频——这种方法在一个脉冲内进行多次跳频。当每个频率在接收机中都对应一个具有适当延迟的滤波器时，所有信号段都可以在接收机中压缩在一起。如果所有脉冲的跳频序列保持不变，那么接收机的压缩甚至可以使用简单的表面声波（SAW）滤波器来实现。跳频脉冲使用的可变频率模式可以降低对欺骗和干扰的敏感性，并有助于解决干扰问题。

· 数字调制——数字信号处理能够实现更复杂的脉冲调制。例如，使用类似于噪声而非相干频率的M进制PSK或QAM调制可以实现更有效的抗欺骗，从而增加检测难度。其他信息也可以编码到数字调制中。

脉冲压缩

利用飞行时间测量目标距离的基本脉冲雷达存在局限性。对于给定的脉冲宽度，距离分辨率仅限于脉冲传播的距离。当多个目标与雷达的距离几乎相等时，最远目标的反射波会与第一个目标的反射波重叠。在这种情况下，仅使用简单的脉冲雷达无法区分这两个目标。

使用较短的脉冲宽度是提高距离分辨率的一种方法。然而，较短的脉冲包含的能量相对较低，由于传播损耗，会导致接收距离缩短。增加发射功率通常不切实际，例如对于飞机雷达而言，由于功率限制，就难以实现。

应对这些挑战的方法是脉冲压缩。如果脉冲能够被有效地压缩时间，那么回波就不会再重叠。脉冲压缩可以将低幅度的回波从噪声基底中“提取”出来。它是通过调制发射机中的脉冲来实现的，从而使脉冲的不同部分更容易被分辨。实际的时间压缩是由雷达接收机完成的。

最常用的脉冲压缩技术是线性调频(LFM)。LFM 脉冲或啁啾信号是指脉冲起始于一个载波频率，然后线性上升或下降至终止频率。在接收机中，通过将信号通过匹配滤波器来实现压缩，如下图所示。该滤波器的延迟特性与 LFM 频率范围相匹配，并按载波频率的比例延迟调制信号的各个部分。

当进入接收器的脉冲是目标回波时，由于目标表面各异，很可能出现多次近距离反射。如果压缩信号处理器具有足够的分辨率，它可以将每次反射分离成离散的窄脉冲。

另一种常见的脉冲压缩技术是采用二进制相移键控（BPSK）调制，使用如下所示的巴克编码序列。巴克编码是一种独特的二进制模式，它仅在某一时刻具有自相关性。巴克编码的长度可以从 2 到 13 位不等，相应的压缩比为 2 到 13。接收端通过检测脉冲中巴克序列的自相关来实现压缩。

现在您已经对雷达信号有了基本的了解，接下来我们将学习如何测量它们。在下一期中，我们将探讨雷达测量任务的生命周期，该生命周期会根据具体任务和所测量的雷达类型而有显著差异。