超短脈沖技術(shù)在戰(zhàn)場偵察雷達(dá)上的應(yīng)用

路彬彬 汪欣

（南京電子技術(shù)研究所 江蘇省南京市 210039）

戰(zhàn)場偵察雷達(dá)作為戰(zhàn)場信息源泉及C3I 系統(tǒng)的底層節(jié)點(diǎn)之一，具有探測距離遠(yuǎn)、覆蓋面積大、測量速度快、精度高，可晝夜和全天候工作等特點(diǎn)，能夠偵察敵方的人員、車輛、坦克、水面艦船以及直升機(jī)、低空飛機(jī)等活動目標(biāo)，在掌握戰(zhàn)場態(tài)勢、實(shí)時提供戰(zhàn)場情報(bào)方面發(fā)揮著越來越重要的作用[1]。

但是，隨著現(xiàn)代高科技戰(zhàn)爭的發(fā)展對戰(zhàn)場偵察雷達(dá)提出了更高的要求：如通過高分辨判明戰(zhàn)場上人員、車輛數(shù)量，更加準(zhǔn)確的實(shí)時掌握戰(zhàn)場態(tài)勢；信號隱蔽性好，被截獲概率低，有很好的反電子偵察和抗反輻射導(dǎo)彈能力，具有高的測量精度，盲區(qū)小[2,3]。

從雷達(dá)體制上講，連續(xù)波雷達(dá)（CWR）是較為理想的低截獲雷達(dá)體制。但由于天線耦合、近區(qū)泄漏及采用調(diào)頻或編碼方式帶來的寄生分量嚴(yán)重影響雷達(dá)的近距離目標(biāo)檢測[4]。

為滿足高分辨、低截獲、盲區(qū)小等使用需求，本文介紹超短脈沖技術(shù)及其在戰(zhàn)場偵察雷達(dá)上的應(yīng)用。

1 “超短脈沖”的定義與性能分析

超短脈沖信號的脈沖寬度在幾納秒至十幾納秒，介于沖激脈沖與短脈沖之間。沖激脈沖信號脈沖寬度在納秒級或亞納秒級，頻帶寬度在吉赫茲級，具有極高的距離分辨率和低截獲優(yōu)點(diǎn)，并能穿透濃密的樹林、冰雪、沙土而探測目標(biāo)，但由于脈寬極窄，探測威力受到很大限制，主要用于超近程地下、水下和穿墻探測[5]。

而超短脈沖信號也同樣具有距離高分辨、低截獲和盲區(qū)小等諸多優(yōu)點(diǎn)，同時更利于滿足中近程戰(zhàn)場偵察雷達(dá)的探測威力需求。

1.1 距離分辨力性能分析

距離分辨力決定于所采用的信號帶寬，信號帶寬越寬，距離分辨力越高。信號的瞬時帶寬為B，則理論上距離分辨力△R 為[6]：

k——脈壓主瓣展寬系數(shù)，不脈壓取1；

B——信號瞬時帶寬，超短脈沖脈寬5 納秒對應(yīng)200 兆赫茲，10 納秒對應(yīng)100 兆赫茲。

通過計(jì)算，理論上脈寬5 納秒和10 納秒的超短脈沖距離分辨力△R 分別為0.75 米和1.5 米，能夠用于判明人員和車輛數(shù)量。但在工程運(yùn)用中，兩個較近目標(biāo)之間形成距離分辨的判據(jù)是相鄰三個或以上距離單元(與采樣率有關(guān))幅度不滿足單調(diào)性，且凹口深度滿足門限。因此，實(shí)際的分辨能力一般都會大于理論值。

1.2 低截獲(LPI) 性能分析

LPI 雷達(dá)可定性理解為“雷達(dá)在探測到敵方目標(biāo)的同時，敵方截獲到雷達(dá)信號的概率最小”[1]。目前，電子偵察接收機(jī)一般偵收的最小脈沖寬度在百納秒量級。因此，超短脈沖雷達(dá)可以被認(rèn)為是LPI 雷達(dá)或“寂靜”雷達(dá)。

1.3 近距離盲區(qū)性能分析

對于脈沖雷達(dá)，近距離盲區(qū)以最小作用距離表示，其性能決定于所采用發(fā)射信號的脈沖寬度，脈沖寬度越窄，盲區(qū)越小。雷達(dá)的脈沖寬度為τ，則理論上最小作用距離Rmin為[6]：

圖1：超短脈沖體制的戰(zhàn)場偵察雷達(dá)設(shè)計(jì)原理圖

圖2：實(shí)測超短脈沖信號波形

圖3：雷達(dá)實(shí)錄行人回波信號（相參積累后）

通過計(jì)算，理論上脈寬5 納秒和10 納秒的超短脈沖雷達(dá)最小作用距離Rmin分別為0.75 米和1.5 米，近距離盲區(qū)可以忽略不計(jì)。

1.4 探測威力性能分析

由雷達(dá)距離方程[6]可知：

圖4：雷達(dá)實(shí)錄橋面汽車回波信號(相參積累后)

圖5：雷達(dá)實(shí)錄橋面汽車回波信號(CFAR 后)

雷達(dá)最大探測距離與發(fā)射脈沖寬度的1/4 次冪成正比。因此同等條件下，采用10 納秒超短脈沖信號的探測威力將是1 納秒甚至更窄的沖激脈沖信號探測威力的1.78 倍以上。如果再進(jìn)一步考慮到運(yùn)動目標(biāo)在兩者信號對應(yīng)的距離單元內(nèi)積累時間上的差異（上述情況下超短脈沖信號允許的最大積累時間是沖激脈沖的10 倍），那么超短脈沖的探測威力將比沖激脈沖大得多。

因此，中近程戰(zhàn)場偵察雷達(dá)要同時滿足探測威力遠(yuǎn)、高分辨、低截獲、盲區(qū)小等性能，可以采用超短脈沖技術(shù)。

2 總體設(shè)計(jì)思路

如圖1所示，設(shè)計(jì)超短脈沖體制的戰(zhàn)場偵察雷達(dá)，首先利用信號產(chǎn)生電路直接在中頻上生成10 納秒超短脈沖信號，經(jīng)頻率源混頻、濾波、放大后，送出毫瓦級小功率的射頻信號至固態(tài)發(fā)射模塊。超短脈沖信號在發(fā)射模塊內(nèi)部經(jīng)過前級放大、末級放大和多路合成后，輸出幾十或幾百瓦的峰值功率。大功率信號經(jīng)環(huán)形器、饋線至天線輻射到指定空間中。天線可以采用反射面或平板裂縫形式。

接收機(jī)要求將目標(biāo)反射回的超短脈沖信號經(jīng)過多級放大、混頻和濾波后，轉(zhuǎn)為中頻信號，再送至中頻數(shù)字采樣電路，經(jīng)A/D 變換、數(shù)字變頻、數(shù)字正交之后，形成I/Q 基帶數(shù)字回波信號，進(jìn)入信號處理數(shù)字電路。

信號處理利用運(yùn)動目標(biāo)回波的多普勒特性，實(shí)現(xiàn)雜波抑制、信號積累與恒虛警檢測。檢測后一次視頻信號送至終端，進(jìn)行視頻顯示。同時過門限的點(diǎn)跡送至終端，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和目標(biāo)識別。再由數(shù)據(jù)處理形成目標(biāo)航跡，最終在終端P 顯上顯示目標(biāo)的位置和各種參數(shù)。

信號處理采用基于FPGA 的全硬件實(shí)現(xiàn)方案以滿足如此高速的數(shù)據(jù)率處理要求，所有信號處理的積累、檢測等算法均由硬件實(shí)現(xiàn)。

頻率源經(jīng)鎖相環(huán)同時產(chǎn)生兩路本振信號，一路送激勵源進(jìn)行上變頻，另一路經(jīng)隔離后送接收機(jī)進(jìn)行下變頻，從而實(shí)現(xiàn)雷達(dá)全相參體制。

采用微特電機(jī)天線轉(zhuǎn)臺，通過雷達(dá)控制電路送來的方位控制信號，實(shí)現(xiàn)天線的指定方位掃描，并將當(dāng)前方位值實(shí)時送雷控。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)上述總體設(shè)計(jì)思路，成功研制了一套超短脈沖體制的戰(zhàn)場偵察雷達(dá)系統(tǒng)，對10 納秒超短脈沖信號的各項(xiàng)性能進(jìn)行研究與驗(yàn)證。

3.1 信號時域特性

將雷達(dá)系統(tǒng)信號產(chǎn)生端的10 納秒超短脈沖信號（中頻），直接回頭接到A/D 采樣端口，輸出結(jié)果如圖2所示。

圖中橫向坐標(biāo)間隔0.75 米，縱向坐標(biāo)一格10 分貝。從測試結(jié)果中看：該脈沖寬度約1.5 米，主副瓣比約30 分貝。

3.2 信號探測目標(biāo)效果

超短脈沖距離分辨力高，減小了每個距離分辨單元的雜波面積與強(qiáng)度。應(yīng)用在戰(zhàn)場偵察雷達(dá)上，可以提高在強(qiáng)雜波背景下，對行人等“低、慢、小”目標(biāo)的探測效果。經(jīng)試驗(yàn)測試，該雷達(dá)系統(tǒng)可以連續(xù)、穩(wěn)定的探測并跟蹤行人目標(biāo)，甚至可以穩(wěn)定檢測到在爬行狀態(tài)下的人體目標(biāo)。

圖3、圖4、圖5是雷達(dá)分別探測行人和橋面汽車時，從信號處理記錄的回波數(shù)據(jù)。

3.3 距離維多目標(biāo)分辨效果

為了驗(yàn)證10 納秒超短脈沖信號距離分辨能力，該雷達(dá)系統(tǒng)分別對間距2 米和2.5 米的兩個行人進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)測試。

距離分辨的判決條件是中間距離單元的幅度同時低于相鄰左右兩邊距離單元的幅度3 分貝以下，即判為兩目標(biāo)；反之則判為一個目標(biāo)。

經(jīng)測試統(tǒng)計(jì)，兩人相距2 米的分辨概率為20%，兩人相距2.5米的分辨概率為52.6%。

4 結(jié)束語

經(jīng)理論分析及試驗(yàn)驗(yàn)證，超短脈沖技術(shù)可以應(yīng)用在戰(zhàn)場偵察雷達(dá)上，并具有高分辨、低截獲、盲區(qū)小、探測距離遠(yuǎn)等突出優(yōu)點(diǎn)。