現(xiàn)代雷達(dá)信號(hào)處理幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)淺析

周文輝 李婕 戴靜

【摘 要】雷達(dá)信號(hào)處理是現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)的核心研究?jī)?nèi)容，其對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)的性能和適用范圍具有重要影響。首先介紹雷達(dá)信號(hào)處理的一般概念和內(nèi)容，然后對(duì)雷達(dá)信號(hào)處理關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行闡述，最后對(duì)現(xiàn)代雷達(dá)信號(hào)處理的發(fā)展趨勢(shì)提出簡(jiǎn)要分析。

【關(guān)鍵詞】雷達(dá)；信號(hào)處理；內(nèi)容；關(guān)鍵技術(shù)；趨勢(shì)

雷達(dá)是利用目標(biāo)對(duì)電磁波的反射或散射現(xiàn)象對(duì)目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)、定位、跟蹤、成像與識(shí)別。隨著電子器件與計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，現(xiàn)代雷達(dá)信號(hào)處理技術(shù)正向著算法更先進(jìn)、更快速、處理容量更大和算法硬件化方向飛速發(fā)展，可以對(duì)目標(biāo)回波與各種干擾、噪聲的混疊信號(hào)進(jìn)行有效的加工處理，最大程度地剔除無(wú)用信號(hào)，這都給現(xiàn)代雷達(dá)帶來(lái)根本性變革，使得各種雷達(dá)信號(hào)處理技術(shù)的理論與應(yīng)用研究成為一大熱門領(lǐng)域。

一、雷達(dá)信號(hào)處理一般概念

（一）雷達(dá)信號(hào)處理目的

雷達(dá)的大多數(shù)用途可以分為檢測(cè)、跟蹤和成像。雷達(dá)發(fā)射一個(gè)受控的確定信號(hào)，在接收機(jī)輸出端測(cè)得該信號(hào)的響應(yīng)，這個(gè)響應(yīng)信號(hào)是幾個(gè)主要分量的疊加，而在所有這些分量中沒(méi)有任何一個(gè)是雷達(dá)設(shè)計(jì)者能夠完全控制的。主要的信息分量包括目標(biāo)、雜波和噪聲，在有些情況下還包括干擾。雷達(dá)信號(hào)處理的目的就是對(duì)復(fù)合的信號(hào)進(jìn)行處理，提取其中的有用信息，包括判斷目標(biāo)是否存在，提取目標(biāo)的特性，或者產(chǎn)生目標(biāo)的雷達(dá)圖像。

（二）雷達(dá)信號(hào)處理?xiàng)l件

雷達(dá)信號(hào)處理的必備條件有兩項(xiàng)，一是雷達(dá)信號(hào)處理的理論和算法，包括實(shí)現(xiàn)功能的原理及信號(hào)處理采用的算法，信號(hào)處理算法是雷達(dá)系統(tǒng)的核心內(nèi)容，其對(duì)現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)具有決定性意義。二是實(shí)現(xiàn)雷達(dá)信號(hào)處理的硬件平臺(tái)，好的硬件平臺(tái)可以使雷達(dá)信號(hào)處理能夠應(yīng)用更新、更復(fù)雜的算法，使雷達(dá)檢測(cè)、跟蹤、成像能力大大提高。

（三）雷達(dá)信號(hào)處理作用

雷達(dá)信號(hào)處理是雷達(dá)系統(tǒng)的核心部分，它的作用主要有三項(xiàng)，一是信號(hào)產(chǎn)生，包括調(diào)制、合成、倍頻和波束形成；二是信號(hào)變換，包括頻率變換、A/D變換、放大和延時(shí)；三是信號(hào)提取，包括解調(diào)、下變頻、分頻、濾波、檢測(cè)和成像等。

二、現(xiàn)代雷達(dá)信號(hào)處理內(nèi)容

相比傳統(tǒng)雷達(dá)，現(xiàn)代雷達(dá)面臨更為復(fù)雜的工作環(huán)境和更為寬廣的應(yīng)用需求，現(xiàn)代雷達(dá)信號(hào)處理既包含基于經(jīng)典方法又包括不斷發(fā)展的脈沖壓縮、干擾抑制、目標(biāo)檢測(cè)、目標(biāo)識(shí)別等若干新技術(shù)，同時(shí)也包含針對(duì)新體制雷達(dá)，如相控陣?yán)走_(dá)、無(wú)源雷達(dá)、高分辨成像雷達(dá)以及分布式雷達(dá)的信號(hào)處理。

三、現(xiàn)代雷達(dá)信號(hào)處理關(guān)鍵技術(shù)

（一）正交相干檢波技術(shù)

隨著數(shù)字電路技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)在高性能雷達(dá)等系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。在這些應(yīng)用中，對(duì)接收通道的要求越來(lái)越高，數(shù)字正交相干檢波技術(shù)成為了提高現(xiàn)代雷達(dá)性能的重要技術(shù)之一。傳統(tǒng)的模擬正交接收機(jī)由于模擬器件的不一致性，且受環(huán)境溫度、電源電壓等影響較大，其I/Q通道存在較大的幅度和相位正交誤差，并因此嚴(yán)重影響雷達(dá)的整機(jī)性能。高速器件的發(fā)展使直接對(duì)低中頻信號(hào)進(jìn)行采樣成為可能，其實(shí)現(xiàn)電路如圖1所示。

圖中載頻為f0的中頻信號(hào)，基于直接中頻采樣的數(shù)字正交相干檢波技術(shù)以采樣率fs對(duì)此中頻信號(hào)采樣后，用數(shù)字方法形成I/Q信號(hào)，采樣輸出的信號(hào)中包含了所需的有用信息，s（n）即為交替的I/Q雙通道信號(hào)，要得到標(biāo)準(zhǔn)的I/Q雙路信號(hào)，則需要經(jīng)過(guò)后續(xù)的數(shù)字信號(hào)處理來(lái)實(shí)現(xiàn)。在欠采樣情況下保證信號(hào)的有用頻譜不發(fā)生混疊，并進(jìn)行正交相干檢波。這樣得到的正交信號(hào)的一致性好、精度高，而且具有數(shù)字電路的其他優(yōu)點(diǎn)，從而在很大程度上提高了系統(tǒng)性能，因此得到了廣泛的應(yīng)用。

（二）脈沖壓縮技術(shù)

現(xiàn)代武器和現(xiàn)代飛行技術(shù)的發(fā)展，對(duì)雷達(dá)的作用距離、分辨力和測(cè)量精度等性能指標(biāo)提出了更高的要求。為增加雷達(dá)系統(tǒng)檢測(cè)能力，要求增大雷達(dá)發(fā)射的平均功率。在峰值功率受限時(shí)，要求發(fā)射脈沖盡量寬，而為提高系統(tǒng)距離分辨力，又要求發(fā)射脈沖盡量窄，二者是一對(duì)矛盾。通常解決的方法是在發(fā)射機(jī)端發(fā)射時(shí)間展寬信號(hào)，信號(hào)內(nèi)部進(jìn)行必要調(diào)制，在接收端通過(guò)壓縮濾波器處理而產(chǎn)生窄時(shí)間脈沖，使雷達(dá)提高檢測(cè)能力的同時(shí)又不降低距離分辨力，這一過(guò)程稱為脈沖壓縮。作為現(xiàn)代雷達(dá)的重要技術(shù)，脈沖壓縮有效地解決了分辨力同平均功率間的矛盾，并在現(xiàn)代雷達(dá)中廣泛應(yīng)用。

脈沖壓縮有基于時(shí)域相關(guān)法和頻域FFT法兩種方式。采用頻域算法的優(yōu)點(diǎn)是大時(shí)寬信號(hào)時(shí)可采用高效 FFT算法，大大減少運(yùn)算量（時(shí)域 FIR濾波器對(duì)N點(diǎn)長(zhǎng)度信號(hào)需進(jìn)行N2次復(fù)數(shù)乘法運(yùn)算，而頻域卷積法僅需2Nlog2N次復(fù)數(shù)乘法運(yùn)算）；采用專用FFT 芯片，可實(shí)現(xiàn)大壓縮比和最佳性價(jià)比。但在小壓縮比、距離單元數(shù)較大時(shí)，相對(duì)于時(shí)域脈沖壓縮法成本較高，運(yùn)算過(guò)程較復(fù)雜。采用時(shí)域匹配濾波法，等效于求離散接收信號(hào)與發(fā)射波形離散樣本之間的復(fù)相關(guān)運(yùn)算，這種方法在壓縮比較小時(shí)，電路簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)方便。

（三）雜波抑制技術(shù)

雜波抑制是雷達(dá)需具備重要功能之一。雷達(dá)要探測(cè)的目標(biāo)通常是運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，而目標(biāo)往往存在于一些背景中，如云雨、地物、海浪以及敵方施放的金屬絲干擾等，這些背景的回波通稱雜波或無(wú)源干擾。當(dāng)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)與雜波同時(shí)存在，對(duì)目標(biāo)的檢測(cè)就變的困難。要正確探測(cè)目標(biāo)，就要將雜波和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)分開(kāi)。動(dòng)目標(biāo)顯示與檢測(cè)是通過(guò)回波多普勒頻移的不同來(lái)區(qū)分動(dòng)目標(biāo)和固定目標(biāo)的，通過(guò)設(shè)計(jì)合理的濾波器，就可以把目標(biāo)信號(hào)和雜波分開(kāi)。一個(gè)完備的雜波抑制系統(tǒng)是動(dòng)目標(biāo)顯示MTI、自適應(yīng)動(dòng)目標(biāo)顯示AMTI、動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)MTD、雜波圖、恒虛警CFAR檢測(cè)等技術(shù)的綜合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)從雜波和噪聲環(huán)境中檢測(cè)目標(biāo)的任務(wù)。

（四）雷達(dá)成像處理技術(shù)

雷達(dá)成像作為一種全天候、全天時(shí)、遠(yuǎn)距離信息獲取手段，主要采用合成孔徑方式實(shí)現(xiàn)，合成孔徑雷達(dá)和逆合成孔徑雷達(dá)是雷達(dá)成像發(fā)展過(guò)程中兩種最重要的應(yīng)用，其基本原理相同，都是利用雷達(dá)發(fā)射寬帶信號(hào)獲得高距離分辨率，利用雷達(dá)和目標(biāo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)獲得高的方位向距離分辨率。雷達(dá)成像在原理上雖然簡(jiǎn)單，但要精確實(shí)現(xiàn)空變的二維濾波處理是比較復(fù)雜的。因此，要用算法來(lái)實(shí)現(xiàn)近似的空變二維濾波處理，主要有三方面：其一是根據(jù)成像質(zhì)量的要求討論是否可以近似簡(jiǎn)化；其二是在不能近似簡(jiǎn)化的條件下探索易于實(shí)現(xiàn)的成像算法；其三是研究更高質(zhì)量的成像算法以滿足更進(jìn)一步的高要求。

雷達(dá)成像處理過(guò)程實(shí)質(zhì)是二維濾波問(wèn)題。信號(hào)距離向匹配濾波較容易實(shí)現(xiàn)，但方位向匹配濾波實(shí)現(xiàn)具有一定難度，因?yàn)橥荒繕?biāo)回波包絡(luò)位置是隨雷達(dá)視角變化的，這一變化稱為距離徙動(dòng)現(xiàn)象。距離徙動(dòng)問(wèn)題是各種成像算法所要解決的主要問(wèn)題，圍繞此問(wèn)題，各種各樣的雷達(dá)成像算法被提出來(lái)，主要有距離多普勒算法（Range-Doppler Algorithm，R-DA）、CS（Chirp Scaling）算法、距離徙動(dòng)算法（Range Migration Algorithm，RMA）、極坐標(biāo)格式算法（Polar Format Algorithm， PFA）、距離-多普勒-距離（Range-Doppler-Ranger）成像方法等。

四、現(xiàn)代雷達(dá)信號(hào)處理發(fā)展趨勢(shì)

傳統(tǒng)雷達(dá)所用信號(hào)為窄帶信號(hào)，其應(yīng)用領(lǐng)域受限較大，而現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)使用寬帶信號(hào)、空時(shí)頻自適應(yīng)處理、數(shù)據(jù)融合處理等技術(shù)可以有效拓展系統(tǒng)目標(biāo)探測(cè)距離與精度，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)分類與成像。因此，現(xiàn)代雷達(dá)信號(hào)處理發(fā)展趨勢(shì)呈現(xiàn)三方面特點(diǎn)。

1.數(shù)字化處理。數(shù)字化處理要求信號(hào)處理算法更為豐富，集成度更高，信號(hào)處理速度也得到了極大提升。新技術(shù)的發(fā)展也可以為雷達(dá)信號(hào)處理算法提供更靈活、適應(yīng)性更強(qiáng)的應(yīng)用環(huán)境，使數(shù)據(jù)處理性能得以最大發(fā)揮。

2.多功能應(yīng)用。雷達(dá)信號(hào)處理除了在軍事中應(yīng)用外，還能夠在制導(dǎo)、氣象、航空等領(lǐng)域進(jìn)行功能拓展。不同制式、功能、頻段的雷達(dá)協(xié)同工作能夠形成一體化系統(tǒng)平臺(tái)，將雷達(dá)系統(tǒng)應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。

3.信號(hào)處理算法。信號(hào)處理算法是雷達(dá)系統(tǒng)的核心內(nèi)容，其對(duì)現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)具有決定性意義。自適應(yīng)雜波對(duì)消、自適應(yīng)干擾抑制、自適應(yīng)頻率控制、自適應(yīng)波形捷變、多維信號(hào)處理與融合等技術(shù)已經(jīng)在現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，新的信號(hào)處理算法與理論也正逐漸被應(yīng)用到雷達(dá)信號(hào)處理中，如模糊理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、基于SAR 的圖形處理算法等。

五、結(jié)束語(yǔ)

由于近年來(lái)眾多新體制雷達(dá)和信號(hào)處理方法的不斷涌現(xiàn)，現(xiàn)代雷達(dá)分系統(tǒng)之間的界限已經(jīng)逐漸模糊，信號(hào)處理的功能及相應(yīng)的處理算法也在不斷豐富和發(fā)展。由于水平有限，本文無(wú)力深入涉及現(xiàn)代雷達(dá)信號(hào)處理的各個(gè)方面，僅僅對(duì)目前采用的若干新技術(shù)以及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了粗淺的分析，以供后續(xù)研究參考。

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作者簡(jiǎn)介：

周文輝，男，遼寧建昌人，漢族，碩士研究生在讀，工程師，主要研究方向?yàn)樾盘?hào)與信息處理。

戴靜，女，河北秦皇島人，漢族，河北聯(lián)合大學(xué)遷安學(xué)院，助教，主要研究方向?yàn)殡姎庾詣?dòng)化技術(shù)。