雷达技术体制发展创新的理论基础探讨

王德纯

(南京电子技术研究所， 南京210039)

0 引言

在雷达诞生(1935年)初期［1］，系统采用的是最简单的雷达技术体制，或者说最经典的雷达技术，采用最简单的信号形式和雷达天线波束。由于只利用了信号的幅度信息和简单的信号处理，因而雷达系统的功能和性能十分有限。几十年来，在众多雷达工作者的推动和相关科学技术领域发展的带动下，雷达系统的功能和性能、雷达系统的形态、雷达系统的技术体制、雷达装备的应用等方面都发生了翻天覆地的变化。

雷达在形态方面发生了显著的变化。例如，雷达电路已经从模拟式转变到几乎全数字式，即已由模拟雷达发展到现代的数字雷达，这种进步的基础主要来源于电路技术、计算机技术、微波集成技术等领域的进步;数字雷达系统功能也取得了显著进步，例如，从只能探测中高空目标到能探测低空、地面、甚至地下目标和深空目标;从只能探测有形目标到能探测无形目标;从只能(用简单的幅度门限检测)判断目标有无到用精细的目标识别技术来判断复杂目标的型号和性质;从只能测量简单目标的点迹(距离、方位)航迹(点迹的时间序列)到可以对复杂目标进行高分辨成像;从只能测量目标宏动态特性到可以测量复杂目标的微动态特性(振动，转动);单台雷达从只有单一功能到实现多目标多功能(搜索、跟踪、成像等)等等。

毫无疑问，雷达功能性能的提高主要是靠雷达技术的进步，特别是雷达系统技术体制的进步。例如，发展了动目标显示(MTI)技术体制，才有了雷达的低空探测性能;发展了脉冲多普勒(PD)技术体制，才成就了机载雷达的下视功能［2］;开发了单脉冲体制，才使雷达的测角精度提高了一个量级，从而控制武器的射击效率提高了几乎两个量级［3］;发展了宽带超宽带技术和脉冲压缩技术体制，才大大提高了雷达的距离高分辨(一维目标成像)功能，使雷达对目标的探测从宏观走向微观;发展了合成孔径(SAR)和逆合成孔径(ISAR)技术体制，才有了雷达横向距离高分辨(可以二维目标成像)功能;发展了相控阵体制，才实现了单部雷达的同时多目标和多功能［4］等等。显然，雷达技术体制的不断创新和发展是雷达系统功能不断增加和雷达系统性能不断提高的根本原因。

那么，雷达系统新技术体制创新发展的基础又是什么?本文从雷达系统的基本模型和基本理论出发，考察和研究了几十年来雷达系统技术体制创新发展的历史，得出的初步结论是，每种新技术体制的诞生均来源于一种新的雷达电磁波信号形式(新的时频域波形或新的空间域波形)的出现，即产生或选择一种新的能够获得目标新信息的电磁信号波形(或波束形式)，并找到一种能从该波形中提取出目标这种新信息的信号处理方法和信息提取的算法，从而创新了一种新的雷达系统技术体制。

1 基于电磁信号时频域波形的雷达系统技术体制发展史

如前所述，在雷达发明的初期，采用的是最经典的雷达技术体制，即发射简单的脉冲或连续波信号，目标反射的回波由幅度检波器检波后，送显示器显示。后来，主要是二次大战之后，基于应用需求的不断推动，雷达工作者在经典雷达系统基础上不断创新，发展了一系列雷达系统新技术体制，在雷达系统(这里不讨论雷达分系统)新技术体制方面取得了不断的进步。

1.1 非相参波形雷达技术体制

20世纪60年代以前，主要雷达装备基本上都是经典的雷达技术，即所谓的非相参技术体制。例如，当时研制生产的两坐标雷达、三坐标雷达、测高雷达、炮瞄雷达等。

这一时期，雷达的微波功率器件主要是磁控管(自激震荡式)，因而产生的雷达电磁信号是窄带非相参信号。其主要特征是相邻脉冲的载波相位是随机的，即所谓的非相参信号。这种信号的另一特征是窄带(按美国的定义，信号相对带宽小于百分之一)。

这种非相参脉冲信号的表达式可以写为(以N个矩形脉冲为例)

在这种电磁信号波形条件下，首先是在信号处理中不能进行相参积累，只能在单个脉冲的幅度检波后进行非相参积累，因而雷达的距离探测性能和抗干扰性能有限;二是由于是窄带信号，距离分辨率远大于常规目标尺寸，分辨能力差，目标对雷达来说只是一个“点”。因而雷达抗干扰抗杂波能力也差，目标测量的参数和精度也都受限。

雷达能获得的目标信息只有回波强度(目标整体反射面积大小)和目标的位置(点迹)，这就是第一代的所谓非相参技术体制。我们称之为经典雷达技术体制。

1.2 相参波形雷达技术体制

20世纪60年代以后，由于速调管等功率放大器件的出现，雷达发射机可以采用主振放大模式，因而可以辐射一种所谓相参窄带电磁波信号。对雷达来说，这种信号主要有3个特征:(1)脉冲之间的相位是相参(连续相关)的，因而回波信号可以在检波前进行相干积累，大大提高了雷达距离探测性能;(2)可以检测回波信号中的多普勒频移，因而一方面可用来测量目标速度，另一方面可用于运动目标检测和杂波抑制;(3)依然是窄带，目标仍然是一个“点”。

这种相参脉冲信号可表示为(以N个矩形脉冲为例)

式中:f0为信号中心载频频率;φ0为初始相位;其他参数同前。

在相参电磁信号形式条件下，加上开发了相应的信号处理技术和信息提取方法，雷达系统创新发展了诸如动目标显示(MTI)雷达技术体制;动目标检测(MTD)雷达技术体制;脉冲压缩(PC)雷达技术体制;脉冲多普勒(PD)雷达技术体制;相控阵雷达技术体制等一系列相参雷达新技术体制，有时又称现代雷达技术体制。

在这种相参技术体制雷达中，信号可以实现检波前的相参积累，大大提高了距离探测性能和抗杂波抗干扰能力;由于相参，雷达系统增加了多普勒频移信息，即增加了测量目标速度的能力和在强杂波背景中发现小目标的能力，以及测量目标微动态(旋转、震动)的能力。

相参窄带电磁信号波形相关技术体制的雷达系统构成了2000年前后世界军事的主体雷达装备。

1.3 宽带电磁信号雷达技术体制

20世纪80年代开始，由于宽带相参信号的产生和处理方面的进步，出于雷达目标识别的需求，开发了宽带电磁信号雷达技术体制。

宽带雷达脉冲信号可表示为

式中:a(t)为包络(矩形脉冲);θ(t)为频率调制或相位调制。

宽带信号波形的主要特征是对目标有精细的距离分辨率。因而这种技术体制可以高分辨地展示目标的径向物理结构，可以测量目标的长度L。

宽带雷达所看到的目标不再仅仅是A/R显示器上的一个尖头脉冲或PPI显示器上的一个亮点，而可以是目标的一个“物理图像”，即目标沿径向方向反射强度(RCS)的分布图。宽带信号使雷达对目标的探测从宏观走向微观。再与合成孔径(或逆合成孔径)技术结合，可以实现目标微观结构的二维成像(反射强度的二维分布图)，即目标视在形状的测量。大大提高了雷达的目标识别能力。

与宽带电磁信号相关的雷达技术体制有:高距离分辨(HRR)雷达、合成孔径与逆合成孔径成像雷达、脉冲压缩雷达、弹道导弹防御雷达等。

宽带电磁信号雷达技术体制是现在和未来雷达发展的必然方向。

1.4 微多普勒信号雷达技术体制

微多普勒雷达技术建立了相参信号回波的微多普勒频率与目标微运动参数(转动、振动)之间的对应关系，例如，一个径向表面振动偏离为x(t)目标回波中的微多普 fm为［6］

式中:λ为工作波长，微多普勒实际上是目标主多普勒谱线的边带。

人们还开发了提取回波微多普勒信号(回波多普勒边带)的方法和算法，从而反演出目标或其构件的微动(振动和转动)特性，或者说目标的微观动态特性。

微多普勒技术体制的雷达增加了测量目标微动态参数功能。

2 基于电磁信号空间域波形(波束形状)创新的技术体制发展史

2.1 空域调制的电磁信号波形

以相参信号为例，雷达发射机产生信号S2(t)如式(2)所示。经发射天线波束调制的电磁辐射信号可以写为

式中:Ft(θ，φ)为发射天线的波束形状。

暂不考虑目标调制，经接收天线波束后的信号则为［9］

式中:Fr(θ，φ)为接收天线的波束形状。

2.2 单站多波束技术体制

以单脉冲技术体制为例。为简便，这里先只考虑在一个角平面的接收波束，则回波受和波束及差波束形状(如图1所示)调制后，形成和信号及差信号如下

式中:FΔ(θ)为在 θ角平面上的差波束图形状;FΣ(θ)为在θ角平面上的和波束图形状。

图1 单脉冲和差波束图形状

同样，数字形成多波束(DBF)技术体制也类似。若先考虑一个角平面的接收波束，则回波调制形成的通道信号如下

式中:Fr(θi)为第 i个数字波束，i=1，2，…，N。

2.3 基于多站及组网波束的技术体制

以双/多基地雷达技术体制为例，这种基于不同基地波束照射和接收，可获得目标在不同侧面的散射特性，从而提高雷达系统的反隐身性能等。

MIMO技术也是通过多个发射波束和多个接收波束的巧妙组合提高雷达系统的功能和性能。

2.4 基于移动波束的技术体制

合成与逆合成孔径雷达技术体制是通过雷达辐射电磁波束和目标之间的相对移动实现的。这种相对运动(转动)使刚体目标各个部分的回波产生不同的多普勒频移，大大提高了雷达探测的角度(横向距离)分辨率，诞生了所谓的合成孔径和逆合成孔径成像雷达。

3 基于电磁信号时空二维波形的自适应处理(STAP)雷达技术体制

1973年，Brennandeng等人提出了空时二维自适应处理的概念［10］，将阵列信号处理的基本原理推广到脉冲和天线阵元的二维数据中，证明了二维联合处理要比常规空时级联处理的性能好得多。空域和时域的二维滤波成为提高雷达探测性能的重要技术体制。

当然，全空时STAP系统自由度过大，但目前的降维研究已经开辟了实际应用的前景［11］。

4 基于电磁波极化域特性相关的雷达技术体制

极化是电磁波信号的另一个特征域，雷达电磁波回波信号的极化(偏振)状态及其变化与目标的对称性相联系［12］。因而采用极化技术体制的雷达可以测量目标的对称性参数，可以抗干扰，可以目标识别。

通过回波测量目标的“极化散射矩阵”是雷达极化技术体制的最严格要求。极化散射矩阵S为

5 雷达信号与信息基本模型

众所周知，雷达是靠电磁波来实现对目标的发现识别和各种参数及特征测量的。因此，理论上，提高雷达(探测和测量)功能和性能的根本问题归结为如何改进或更新这个“电磁波”波形特性(时频域、空间域、极化域及其联合域)的问题。不难理解，这种“雷达电磁波”的波形选择和处理便是雷达系统技术体制发展创新的基础。前述几十年来雷达技术体制的发展创新过程证明了这一点。

下面我们来解析一下雷达电磁信号波形与目标特性信息探测提取关系的基本模型(如图2所示)。

图2 雷达信号与信息系统的基本模型

雷达波形产生器产生并经发射机(TX)放大输出合适的时频域信号波形S(t)(例如，S1(t)，S2(t)，或S3(t));

时频域波形送至发射天线，经天线发射波(束)形(状)调制后的电磁信号(例如，S4(t)=Ft(θ，φ)S2(t))辐射到空间;

该辐射电磁信号波形碰到目标，与目标的各种特性响应T(X)相互作用后散射回雷达(例如S5(t));

这种经目标调制的空时域回波信号携带着目标的全部信息，送至接收机和信号处理器处理后提取目标各种信息X。

6 雷达系统技术体制创新发展途径

6.1 电磁波信号波形(束)选择研究

寻找一种能获得目标(或某种特定目标)新信息(原有雷达技术体制还不能获取)的电磁波信号波形(时频域、空间域、极化域、其他域率或其中某两种或多种的联合域)。

例如，宽带雷达技术体制的诞生出于人们需要提高雷达对目标的距离分辨率，从而了解目标细微结构的愿望，提出了一种宽带线性调频(LFM)信号。

然后，研究该信号波形产生的实现方法。例如，为产生LFM信号，当时研制了专门的色散延迟线(铝带、钢带等)，将一个窄脉冲信号成LFM信号。

6.2 电磁波信号波形(束)处理方法研究

研究新电磁波形回波合适的信号处理方法。包括时域处理，频域处理，空域处理(波束形状、数量、配置、DBF、置零、多站等)，空时二维自适应处理，极化处理，或者其他处理及联合处理等。

以前述宽带LFM信号的例子，要研究LFM回波信号的匹配滤波器的实现。早期人们就用与信号产生同样的色散延迟线，将输入输出端倒过来即可。

6.3 目标新信息提取方法

研究新电磁波形回波所携带目标信息的提取方法。以上述宽带LFM信号的例子，研究提取高距离分辨条件下目标反射强度(RCS)沿径向的分布(一维距离像)的算法，或者与合成孔径逆合成孔径结合，提取目标二维像的算法。

6.4 雷达电磁信号其他特征的研究

雷达电磁信号除了时频域特性，空间域特性，极化域特性，或其联合域特性以外，还有无其他的特征域。

7 结束语

(1)创新动力

雷达系统运行的两个主体，雷达和目标(含环境)之间矛盾的发展带动着雷达技术体制的不断创新。

雷达目标，主要是武器系统(例如飞机、导弹、卫星、舰船、坦克等)技术的进步在很大程度上推动了雷达技术的创新，例如隐身技术、低空入侵技术、小型化技术、假目标技术、干扰技术、隐蔽技术等。正是这些目标技术的进步推动着雷达技术体制的创新。

(2)创新起点

获取更多更精细的目标和环境信息，以增加雷达功能和提高雷达性能，是雷达技术体制创新的起点和归宿。而目标与环境的各种信息均包含在一定的雷达电磁信号回波的波(束)形之中。

(3)创新途径

选择或寻找能采集更多更精细(或特定)目标信息的雷达电磁信号波形(包括电磁波信号的时频域、空间域、极化域或他们的联合域)，及其产生和处理方法，以及目标信息提取方法，是雷达技术体制创新的主要途径。

［1］ Skolnik M I.Introduction to radar system［M］.3rd ed.New York:McGraw-Hill Company，Inc，2001.

［2］ Alabaster C.Pulse Doppler radar:principles，technology，applications［M］.Edison NJ:Scitech Publishing，2012.

［3］ 王德纯，丁家会，程望东.精密跟踪测量雷达技术［M］.北京:电子工业出版社，2006.Wang Dechun，Ding Jiahua，Cheng Wangdong.Precision tracking masurement radar technology［M］.Beijing:Publishing House of Electronics Industry，2006.

［4］ Brookner E.Phased-array radar:past，astounding breakthroughs and future trends［J］.Microwave Journal，2008，51(1):30.

［5］ 保 铮，邢孟道，王 彤，等.雷达成像技术［M］.北京:电子工业出版社，2005.Bao Zheng，Xing Mengdao，Wang Tong，et al.Radar imaging technology［M］.Beijing:Publishing House of Electronics Industry，2005.

［6］ Chen V C.The micro-Doppler effect in radar［M］.Boston:Artech House，2011.

［7］ Wehner D R.High-resolution radar［M］.Boston:Artech House，1995.

［8］ 王德纯.宽带相控阵雷达［M］.北京:国防工业出版社，2011.Wang Dechun.Wideband phased array radar［M］.Beijing:National Defence Industry Press，2011.

［9］ Peyton Z，Jr P.Radar principles［M］.New York:John Wiley ＆ Sons，Inc，1998.

［10］ Brennan L E，Mallett J D，Reed L S.Theory of adaptive radar［J］.IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems，1973，9(2):237-251.

［11］ 孟祥东.空时二维自适应信号处理与动目标检测［D］.西安:电子科技大学，2009.Meng Xiangdong.Space-time adaptive signal processing and moving target detection［D］.Xi＇an:University of E-lectronic Science and Technology，2009.

［12］ 王德纯.极化理论及其在雷达中的应用［J］.现代雷达，1979，1(2):1-20.Wang Dechun.Polarization theory and its application in radar，1979，1(2):1-20.