试析雷达信号处理系统的关键技术

中国环境管理干部学院 苗玉杰

试析雷达信号处理系统的关键技术

中国环境管理干部学院 苗玉杰

雷达主要通过发射电磁波对目标进行照射并接收其回波，由此获得目标至电磁波发射点的距离、距离变化率（径向速度）、方位、高度等信息，雷达的信号处理系统是雷达系统的最重要的组成部分，主要由发射机、发射天线、接收机、接收天线几个部分组成，发射机的功能是产生某一所需功率电平的射频波形，天线的基本功能是将射频能量从雷达传输线耦合到传播介质中或由传播介质耦合给传输线。接收机的主要功能是接收微弱的目标信号，并将信号放大到可以使用的电平，显示器的基本功能和用途是将目标信息传递给用户。本文主要对雷达信号处理系统的关键技术进行简要分析，希望能为相关的研究提供部分参考价值。

雷达；信号处理系统；关键技术

1.前言

雷达是利用电磁波探测目标的电子设备，主要通过发射电磁波对目标进行照射并接收其回波，由此获得目标至电磁波发射点的距离、距离变化率（径向速度）、方位、高度等信息。[1]雷达的种类较多，但是具体用途和结构不尽相同，而基本形式是一致的，主要包括：发射机、发射天线、接收机、接收天线，处理部分以及显示器。还有电源设备、数据录取设备、抗干扰设备等辅助设备。其优点是白天黑夜均能探测远距离的目标，且不受雾、云和雨的阻挡，具有全天候、全天时的特点，并有一定的穿透能力。因此，它不仅成为军事上必不可少的电子装备，而且广泛应用于社会经济发展(如气象预报、资源探测、环境监测等)和科学研究(天体研究、大气物理、电离层结构研究等)。雷达信号处理系统是整个雷达系统最关键的部分，是雷达实现其功能的最重要的支撑，本文将主要对雷达信号处理系统中的关键技术进行分析，希望能够为相关的研究提供部分参考价值。

2.雷达系统的工作原理

雷达系统的工作原理主要是：由雷达发射机产生的电磁能，经收发转换开关之后，便传输给天线。收发转换开关用来使单个天线既能发射电磁波又能接收电磁波。天线起着将电磁能辐射至大气中的转换作用。电磁能在大气中以光的速度(约3×108m/s)4专播。雷达天线通常会形成一个集中向某一给定方向传播电磁能的波束。因此，通过机械和电气的组合，将天线有效地指向某方向，便使波束指在所需的角坐标上。位于天线波束内的物体或目标将会截取一部分传播的电磁能。目标将被截取的能量向各个方向散射。一般说来，总有些能量会向雷达的方向反射。一部分后向散射的电磁波特被雷达天线获取，从大气或其他传播的介质中搜集到的能量，通过传输线和收发转换开关反馈给雷达接收机。雷达接收机将收到的微弱回波信号予以放大，然后将包含在射频中的信息转换为视频积/或基带信息。经接收机处理的信号再加到雷达显示器或显示装置。此时，在接收机(信号处理机)内获取的数据(距离、速度、幅度、方向等)便给雷达操作人员展示出来。一般地说，雷达是在将回波信号跟发射信号相关联之后，方才获得目标信息的。

3.雷达系统的构成以及主要功能

任何功能的雷达都有4个基本组成部分：发射机、天线、接收机和显示器。虽然将收发转换开关当成一个组成部分，[2]但是，更确切地说，将它当作射频传输线的一个组成部分要比当作雷达的组成更为恰当。在很多情况下，信号处理可以将接收机和显示器的某些运用合并起来，这四个组成部分的基本功能主要有：

3.1 发射机

发射机的功能是产生某一所需功率电平的射频波形，所需之射频功率可直接由功率振荡器(如磁控管)或长区振荡器(EIO)产生，或由射频放大器或放大器链(行波管放大器，交叉场放大器或长区放大器(EIA)，固态器件放大器等)提供。波形则由雷达系统的特定要求确定。从简单的动目标显示(MTI)雷达用的未经调制的连续波(CW)到某些先进军用雷达的复杂的频率、相位和时间编码调制波形都有。

3.2 天线

天线是一种变换器，它主要的作用把传输线上传播的导行波，变换成在无界媒介(通常是自由空间)中传播的电磁波，或者进行相反的变换。雷达天线的基本功能是将射频能量从雷达传输线耦合到传播介质中或由传播介质耦合给传输线。除此之外，天线还为发射和接收电磁能量提供波束的方向性和增益。

3.3 接收机

雷达接收机的主要功能是接收微弱的目标信号，并将信号放大到可以使用的电平。随后，再将射频包含的信息变换到基带信号。可以使用各式各样的接收机，包括晶体检波式、射频放大器、零拍接收机和超外差接收机。其中，超外差接收机在雷达接收机中是应用最广泛的一种。当设法使接收机的频谱特性跟发射波形为最佳匹配时，便可获得所谓的理想或匹配接收机。此时，就可得到最大的输出信噪比。在大多数情况下，雷达设计人员就得谋求折衷的设计，出于其他方面(简化设计或测距槽度)的考虑，而牺牲一些信噪比。因此，很难实现理想的匹配接收机。不过，理想匹配接收机都普遍用作性能比较的参考基准。

3.4 显示器

雷达显示器的基本功能和用途是将目标信息传递给用户。显示器的结构形式和信息展现的方式取决于雷达的特定用途和用户的需要。两种常用的显示器是：

平面位置显示器(PPI)，对于监视雷达来说，阴极射线管上显示的是供监视雷达用的目标距离和角度数据。，声频扬声器或耳机，移动目标的出现用多普勒频率信号表示，例如，在报警雷达中。

4.雷达信号处理系统的关键技术分析

信号处理阶段是雷达实现信息输出的重要阶段，本文主要以脉冲压缩雷达为研究对象，对其信号处理系统中的关键技术要点进行总结，其技术要点主要有：

4.1 线性调频脉冲压缩信号

图1 输出的波形图

线性调频信号主要是通过非线性相位调制或线性频率调制(LFM)来获得大的时宽带宽积。在国外又将这种信号称为Chirp信号。这是研究得最早而又应用最广泛的一种脉冲压缩信号。脉冲压缩雷达主要就是采用这种压缩信号，因此它可以同时获得远的作用距离和高的距离分辨力。与其他脉冲压缩信号相比，它还具有以下优点：所用匹配滤波器对回波信号的多普勒频移不敏感，因而可以用一个匹配滤波器来处理具有不同多普勒频移的信号，这将大大简化信号处理系统；另外这类信号的产生和处理均较容易，且技术上比较成熟，这也是它获得广泛应用的原因。主要缺点是存在距离与多普勒频移的耦合及匹配滤波器输出的旁瓣较高。为压低旁瓣常采用失配处理，这将降低系统的灵敏度。[3]

4.2 波形设计

雷达主要是通过对回波信号作一些相应的处理来识别复杂回波中的有用信息的。因此，波形设计有着相当重要的作用，会直接决定信号的截取速度，信号的处理方式以及信号的处理速度。当前，雷达波形设计的方式主要是采取采用脉冲压缩处理方式。所谓脉冲压缩，就是将发射时的宽脉冲，通过匹配滤波器进行脉冲压缩，输出窄脉冲信号，使雷达提高检测能力的同时又不降低距离分辨力。作为现代雷达的重要技术，脉冲压缩技术有效地解决了距离分辨力与平均功率之间的矛盾。

4.3 线性调频脉冲压缩信号的匹配滤波

线性调频信号具有大的时宽带宽积，为具有好的探测能力和好的距离分辨力提供了一定的条件，但要实现好的探测能力和距离分辨力，还必须对回波信号在接收机中加以专门的处理，这种处理过程称为匹配滤波。根据匹配滤波原理，接收机对输入信号匹配滤波的频率特性应该为：H(W)=kS*(w)·exp(-jwto)，式中：S*(w)为输入信号频谱的共轭值；k为滤波器的增益常数；t0是使滤波器所必需的延迟时间，在t0时刻将有信号的最大输出。其输出的波形图如图1所示。

当前线性调频信号所用的匹配滤波器有多种形式，模拟式脉冲压缩器件主要有：具有大带宽、小时宽的声表面波(SAW)器件；中等时宽和中等带宽的体声波反射阵列压缩器(BRAC)等。在脉冲压缩雷达中主要采用的是声表面波(SAW)器件。

4.4 恒虚警处理

恒虚警是雷达信号处理的重要组成部分，雷达信号的检测总是在干扰背景下进行的，这些干扰来自各个方面，主要包括接收机内部噪声，以及地物、雨雪、海浪等杂波干扰。在进行恒虚警处理时，根据处理对象的不同分为慢门限恒虚警和快门限恒虚警。慢门限恒虚警主要针对接收机内部噪声，快门限恒虚警主要针对杂波环境下的雷达自动检测。慢门限恒虚警处理主要是针对接收机内部噪声电平的恒虚警处理电路，因为内部噪声由于温度、电源等因素而改变，这种变化是比较缓慢。快门限恒虚警处理主要应用于邻近单元平均选大的恒虚警电路。

4.5 积累处理

现在的雷达都是在多脉冲观测的基础上进行检测的，对于多脉冲观测的结果就是一个积累过程。积累可以简单地理解为多个脉冲叠加起来的作用。多个脉冲积累后可以有效的提高信噪比，从而改善雷达的检测能力。因此积累处理对于提高雷达信号输出的效果具有重要的意义。积累处理可以在包络波前完成，成为检波前积累或者中频积累。一般信号的积累处理主要可以包括两种：相参积累和非相参积累。信号在中频积累时要求信号间有严格的相位关系，称为相参积累。积累过程在包络检波后完成，称为检波后积累或者视频积累。由于信号在包络检波后失去了相位信息而只保留了幅度信息，所以检波后积累处理就不需要信号间有严格的相位关系，这种积累称为非相参积累。采用相参职累可以使信噪比(SNR)提高M倍，因为相邻周期中的中频回波信号按照严格的相位关系进行叠加，因此积累叠加的结果为：信号的幅度可以提高M倍，相应的信号功率提高砰倍，而噪声是随机的，对每一个距离单元来说，相邻重复周期的噪声满足统计独立条件，积累的效果使平均功率叠加，从而使噪声的总功率提高M倍，因此，在雷达信号系统中进行积累处理将大大提高雷达的信息输出能力。

5.结语

综上所述，我们可以知道，雷达的优点是白天黑夜均能探测远距离的目标，且不受雾、云和雨的阻挡，具有全天候、全天时的特点，并有一定的穿透能力，其应用的范围较为广泛，种类也较为繁多，其信号处理系统的技术较为复杂，是一个值得深入研究的重要课题。本文主要对雷达系统的工作原理进行了阐述，对其构成进行了简要的介绍，并对雷达信号处理系统的关键技术进行了归纳，希望能为相关的研究提供部分参考价值。

[1]吴福富,王志云,韩壮志,何强.雷达信号处理系统建模方法研究[J].信息技术,2011,2:96-101.

[2]宁丽鹏.雷达信号处理系统关键技术研究[J].科技信息,2012,24:479-480.

[3]邓凤军,张昌安,羌琦.基于多DSP的雷达信号处理系统的设计[J].科学技术与工程,2012(18):4401-4405.

苗玉杰（1972—），中国环境管理干部学院信息工程系讲师，研究方向：信号处理、电路与系统。