雷達(dá)技術(shù)體制發(fā)展創(chuàng)新的理論基礎(chǔ)探討

王德純

(南京電子技術(shù)研究所， 南京210039)

0 引言

在雷達(dá)誕生(1935年)初期［1］，系統(tǒng)采用的是最簡(jiǎn)單的雷達(dá)技術(shù)體制，或者說最經(jīng)典的雷達(dá)技術(shù)，采用最簡(jiǎn)單的信號(hào)形式和雷達(dá)天線波束。由于只利用了信號(hào)的幅度信息和簡(jiǎn)單的信號(hào)處理，因而雷達(dá)系統(tǒng)的功能和性能十分有限。幾十年來，在眾多雷達(dá)工作者的推動(dòng)和相關(guān)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展的帶動(dòng)下，雷達(dá)系統(tǒng)的功能和性能、雷達(dá)系統(tǒng)的形態(tài)、雷達(dá)系統(tǒng)的技術(shù)體制、雷達(dá)裝備的應(yīng)用等方面都發(fā)生了翻天覆地的變化。

雷達(dá)在形態(tài)方面發(fā)生了顯著的變化。例如，雷達(dá)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(dá)發(fā)展到現(xiàn)代的數(shù)字雷達(dá)，這種進(jìn)步的基礎(chǔ)主要來源于電路技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、微波集成技術(shù)等領(lǐng)域的進(jìn)步;數(shù)字雷達(dá)系統(tǒng)功能也取得了顯著進(jìn)步，例如，從只能探測(cè)中高空目標(biāo)到能探測(cè)低空、地面、甚至地下目標(biāo)和深空目標(biāo);從只能探測(cè)有形目標(biāo)到能探測(cè)無形目標(biāo);從只能(用簡(jiǎn)單的幅度門限檢測(cè))判斷目標(biāo)有無到用精細(xì)的目標(biāo)識(shí)別技術(shù)來判斷復(fù)雜目標(biāo)的型號(hào)和性質(zhì);從只能測(cè)量簡(jiǎn)單目標(biāo)的點(diǎn)跡(距離、方位)航跡(點(diǎn)跡的時(shí)間序列)到可以對(duì)復(fù)雜目標(biāo)進(jìn)行高分辨成像;從只能測(cè)量目標(biāo)宏動(dòng)態(tài)特性到可以測(cè)量復(fù)雜目標(biāo)的微動(dòng)態(tài)特性(振動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng));單臺(tái)雷達(dá)從只有單一功能到實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)多功能(搜索、跟蹤、成像等)等等。

毫無疑問，雷達(dá)功能性能的提高主要是靠雷達(dá)技術(shù)的進(jìn)步，特別是雷達(dá)系統(tǒng)技術(shù)體制的進(jìn)步。例如，發(fā)展了動(dòng)目標(biāo)顯示(MTI)技術(shù)體制，才有了雷達(dá)的低空探測(cè)性能;發(fā)展了脈沖多普勒(PD)技術(shù)體制，才成就了機(jī)載雷達(dá)的下視功能［2］;開發(fā)了單脈沖體制，才使雷達(dá)的測(cè)角精度提高了一個(gè)量級(jí)，從而控制武器的射擊效率提高了幾乎兩個(gè)量級(jí)［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(dá)的距離高分辨(一維目標(biāo)成像)功能，使雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)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(dá)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(shí)現(xiàn)了單部雷達(dá)的同時(shí)多目標(biāo)和多功能［4］等等。顯然，雷達(dá)技術(shù)體制的不斷創(chuàng)新和發(fā)展是雷達(dá)系統(tǒng)功能不斷增加和雷達(dá)系統(tǒng)性能不斷提高的根本原因。

那么，雷達(dá)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(dá)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(dá)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(dá)電磁波信號(hào)形式(新的時(shí)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(hào)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(hào)處理方法和信息提取的算法，從而創(chuàng)新了一種新的雷達(dá)系統(tǒng)技術(shù)體制。

1 基于電磁信號(hào)時(shí)頻域波形的雷達(dá)系統(tǒng)技術(shù)體制發(fā)展史

如前所述，在雷達(dá)發(fā)明的初期，采用的是最經(jīng)典的雷達(dá)技術(shù)體制，即發(fā)射簡(jiǎn)單的脈沖或連續(xù)波信號(hào)，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(dòng)，雷達(dá)工作者在經(jīng)典雷達(dá)系統(tǒng)基礎(chǔ)上不斷創(chuàng)新，發(fā)展了一系列雷達(dá)系統(tǒng)新技術(shù)體制，在雷達(dá)系統(tǒng)(這里不討論雷達(dá)分系統(tǒng))新技術(shù)體制方面取得了不斷的進(jìn)步。

1.1 非相參波形雷達(dá)技術(shù)體制

20世紀(jì)60年代以前，主要雷達(dá)裝備基本上都是經(jīng)典的雷達(dá)技術(shù)，即所謂的非相參技術(shù)體制。例如，當(dāng)時(shí)研制生產(chǎn)的兩坐標(biāo)雷達(dá)、三坐標(biāo)雷達(dá)、測(cè)高雷達(dá)、炮瞄雷達(dá)等。

這一時(shí)期，雷達(dá)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(dá)電磁信號(hào)是窄帶非相參信號(hào)。其主要特征是相鄰脈沖的載波相位是隨機(jī)的，即所謂的非相參信號(hào)。這種信號(hào)的另一特征是窄帶(按美國(guó)的定義，信號(hào)相對(duì)帶寬小于百分之一)。

這種非相參脈沖信號(hào)的表達(dá)式可以寫為(以N個(gè)矩形脈沖為例)

在這種電磁信號(hào)波形條件下，首先是在信號(hào)處理中不能進(jìn)行相參積累，只能在單個(gè)脈沖的幅度檢波后進(jìn)行非相參積累，因而雷達(dá)的距離探測(cè)性能和抗干擾性能有限;二是由于是窄帶信號(hào)，距離分辨率遠(yuǎn)大于常規(guī)目標(biāo)尺寸，分辨能力差，目標(biāo)對(duì)雷達(dá)來說只是一個(gè)“點(diǎn)”。因而雷達(dá)抗干擾抗雜波能力也差，目標(biāo)測(cè)量的參數(shù)和精度也都受限。

雷達(dá)能獲得的目標(biāo)信息只有回波強(qiáng)度(目標(biāo)整體反射面積大小)和目標(biāo)的位置(點(diǎn)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(dá)技術(shù)體制。

1.2 相參波形雷達(dá)技術(shù)體制

20世紀(jì)60年代以后，由于速調(diào)管等功率放大器件的出現(xiàn)，雷達(dá)發(fā)射機(jī)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(hào)。對(duì)雷達(dá)來說，這種信號(hào)主要有3個(gè)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(hào)可以在檢波前進(jìn)行相干積累，大大提高了雷達(dá)距離探測(cè)性能;(2)可以檢測(cè)回波信號(hào)中的多普勒頻移，因而一方面可用來測(cè)量目標(biāo)速度，另一方面可用于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)和雜波抑制;(3)依然是窄帶，目標(biāo)仍然是一個(gè)“點(diǎn)”。

這種相參脈沖信號(hào)可表示為(以N個(gè)矩形脈沖為例)

式中:f0為信號(hào)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(hào)形式條件下，加上開發(fā)了相應(yīng)的信號(hào)處理技術(shù)和信息提取方法，雷達(dá)系統(tǒng)創(chuàng)新發(fā)展了諸如動(dòng)目標(biāo)顯示(MTI)雷達(dá)技術(shù)體制;動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)(MTD)雷達(dá)技術(shù)體制;脈沖壓縮(PC)雷達(dá)技術(shù)體制;脈沖多普勒(PD)雷達(dá)技術(shù)體制;相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)體制等一系列相參雷達(dá)新技術(shù)體制，有時(shí)又稱現(xiàn)代雷達(dá)技術(shù)體制。

在這種相參技術(shù)體制雷達(dá)中，信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)檢波前的相參積累，大大提高了距離探測(cè)性能和抗雜波抗干擾能力;由于相參，雷達(dá)系統(tǒng)增加了多普勒頻移信息，即增加了測(cè)量目標(biāo)速度的能力和在強(qiáng)雜波背景中發(fā)現(xiàn)小目標(biāo)的能力，以及測(cè)量目標(biāo)微動(dòng)態(tài)(旋轉(zhuǎn)、震動(dòng))的能力。

相參窄帶電磁信號(hào)波形相關(guān)技術(shù)體制的雷達(dá)系統(tǒng)構(gòu)成了2000年前后世界軍事的主體雷達(dá)裝備。

1.3 寬帶電磁信號(hào)雷達(dá)技術(shù)體制

20世紀(jì)80年代開始，由于寬帶相參信號(hào)的產(chǎn)生和處理方面的進(jìn)步，出于雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別的需求，開發(fā)了寬帶電磁信號(hào)雷達(dá)技術(shù)體制。

寬帶雷達(dá)脈沖信號(hào)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(hào)波形的主要特征是對(duì)目標(biāo)有精細(xì)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(cè)量目標(biāo)的長(zhǎng)度L。

寬帶雷達(dá)所看到的目標(biāo)不再僅僅是A/R顯示器上的一個(gè)尖頭脈沖或PPI顯示器上的一個(gè)亮點(diǎn)，而可以是目標(biāo)的一個(gè)“物理圖像”，即目標(biāo)沿徑向方向反射強(qiáng)度(RCS)的分布圖。寬帶信號(hào)使雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)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(shí)現(xiàn)目標(biāo)微觀結(jié)構(gòu)的二維成像(反射強(qiáng)度的二維分布圖)，即目標(biāo)視在形狀的測(cè)量。大大提高了雷達(dá)的目標(biāo)識(shí)別能力。

與寬帶電磁信號(hào)相關(guān)的雷達(dá)技術(shù)體制有:高距離分辨(HRR)雷達(dá)、合成孔徑與逆合成孔徑成像雷達(dá)、脈沖壓縮雷達(dá)、彈道導(dǎo)彈防御雷達(dá)等。

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

1.4 微多普勒信號(hào)雷達(dá)技術(shù)體制

微多普勒雷達(dá)技術(shù)建立了相參信號(hào)回波的微多普勒頻率與目標(biāo)微運(yùn)動(dòng)參數(shù)(轉(zhuǎn)動(dòng)、振動(dòng))之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，例如，一個(gè)徑向表面振動(dòng)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(zhǎng)，微多普勒實(shí)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(hào)(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(dòng)(振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng))特性，或者說目標(biāo)的微觀動(dòng)態(tài)特性。

微多普勒技術(shù)體制的雷達(dá)增加了測(cè)量目標(biāo)微動(dòng)態(tài)參數(shù)功能。

2 基于電磁信號(hào)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(hào)波形

以相參信號(hào)為例，雷達(dá)發(fā)射機(jī)產(chǎn)生信號(hào)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(hào)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(hào)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(jiǎn)便，這里先只考慮在一個(gè)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(hào)及差信號(hào)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(gè)角平面的接收波束，則回波調(diào)制形成的通道信號(hào)如下

式中:Fr(θi)為第 i個(gè)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(dá)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(dá)系統(tǒng)的反隱身性能等。

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

2.4 基于移動(dòng)波束的技術(shù)體制

合成與逆合成孔徑雷達(dá)技術(shù)體制是通過雷達(dá)輻射電磁波束和目標(biāo)之間的相對(duì)移動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。這種相對(duì)運(yùn)動(dòng)(轉(zhuǎn)動(dòng))使剛體目標(biāo)各個(gè)部分的回波產(chǎn)生不同的多普勒頻移，大大提高了雷達(dá)探測(cè)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(dá)。

3 基于電磁信號(hào)時(shí)空二維波形的自適應(yīng)處理(STAP)雷達(dá)技術(shù)體制

1973年，Brennandeng等人提出了空時(shí)二維自適應(yīng)處理的概念［10］，將陣列信號(hào)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(shí)級(jí)聯(lián)處理的性能好得多?？沼蚝蜁r(shí)域的二維濾波成為提高雷達(dá)探測(cè)性能的重要技術(shù)體制。

當(dāng)然，全空時(shí)STAP系統(tǒng)自由度過大，但目前的降維研究已經(jīng)開辟了實(shí)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(dá)技術(shù)體制

極化是電磁波信號(hào)的另一個(gè)特征域，雷達(dá)電磁波回波信號(hào)的極化(偏振)狀態(tài)及其變化與目標(biāo)的對(duì)稱性相聯(lián)系［12］。因而采用極化技術(shù)體制的雷達(dá)可以測(cè)量目標(biāo)的對(duì)稱性參數(shù)，可以抗干擾，可以目標(biāo)識(shí)別。

通過回波測(cè)量目標(biāo)的“極化散射矩陣”是雷達(dá)極化技術(shù)體制的最嚴(yán)格要求。極化散射矩陣S為

5 雷達(dá)信號(hào)與信息基本模型

眾所周知，雷達(dá)是靠電磁波來實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)識(shí)別和各種參數(shù)及特征測(cè)量的。因此，理論上，提高雷達(dá)(探測(cè)和測(cè)量)功能和性能的根本問題歸結(jié)為如何改進(jìn)或更新這個(gè)“電磁波”波形特性(時(shí)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(dá)電磁波”的波形選擇和處理便是雷達(dá)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(dá)技術(shù)體制的發(fā)展創(chuàng)新過程證明了這一點(diǎn)。

下面我們來解析一下雷達(dá)電磁信號(hào)波形與目標(biāo)特性信息探測(cè)提取關(guān)系的基本模型(如圖2所示)。

圖2 雷達(dá)信號(hào)與信息系統(tǒng)的基本模型

雷達(dá)波形產(chǎn)生器產(chǎn)生并經(jīng)發(fā)射機(jī)(TX)放大輸出合適的時(shí)頻域信號(hào)波形S(t)(例如，S1(t)，S2(t)，或S3(t));

時(shí)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(hào)(例如，S4(t)=Ft(θ，φ)S2(t))輻射到空間;

該輻射電磁信號(hào)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(dá)(例如S5(t));

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

6 雷達(dá)系統(tǒng)技術(shù)體制創(chuàng)新發(fā)展途徑

6.1 電磁波信號(hào)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(dá)技術(shù)體制還不能獲取)的電磁波信號(hào)波形(時(shí)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(dá)技術(shù)體制的誕生出于人們需要提高雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的距離分辨率，從而了解目標(biāo)細(xì)微結(jié)構(gòu)的愿望，提出了一種寬帶線性調(diào)頻(LFM)信號(hào)。

然后，研究該信號(hào)波形產(chǎn)生的實(shí)現(xiàn)方法。例如，為產(chǎn)生LFM信號(hào)，當(dāng)時(shí)研制了專門的色散延遲線(鋁帶、鋼帶等)，將一個(gè)窄脈沖信號(hào)成LFM信號(hào)。

6.2 電磁波信號(hào)波形(束)處理方法研究

研究新電磁波形回波合適的信號(hào)處理方法。包括時(shí)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(shí)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(hào)的例子，要研究LFM回波信號(hào)的匹配濾波器的實(shí)現(xiàn)。早期人們就用與信號(hào)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(hào)的例子，研究提取高距離分辨條件下目標(biāo)反射強(qiáng)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(dá)電磁信號(hào)其他特征的研究

雷達(dá)電磁信號(hào)除了時(shí)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(dòng)力

雷達(dá)系統(tǒng)運(yùn)行的兩個(gè)主體，雷達(dá)和目標(biāo)(含環(huán)境)之間矛盾的發(fā)展帶動(dòng)著雷達(dá)技術(shù)體制的不斷創(chuàng)新。

雷達(dá)目標(biāo)，主要是武器系統(tǒng)(例如飛機(jī)、導(dǎo)彈、衛(wèi)星、艦船、坦克等)技術(shù)的進(jìn)步在很大程度上推動(dòng)了雷達(dá)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(jìn)步推動(dòng)著雷達(dá)技術(shù)體制的創(chuàng)新。

(2)創(chuàng)新起點(diǎn)

獲取更多更精細(xì)的目標(biāo)和環(huán)境信息，以增加雷達(dá)功能和提高雷達(dá)性能，是雷達(dá)技術(shù)體制創(chuàng)新的起點(diǎn)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(dá)電磁信號(hào)回波的波(束)形之中。

(3)創(chuàng)新途徑

選擇或?qū)ふ夷懿杉喔?xì)(或特定)目標(biāo)信息的雷達(dá)電磁信號(hào)波形(包括電磁波信號(hào)的時(shí)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(dá)技術(shù)體制創(chuàng)新的主要途徑。

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