相參雷達與非相參雷達的差異分析

摘 要:針對相參雷達和非相參雷達的概念進行闡述。通過詳細分析兩種體制雷達在應用上的主要區別，側重介紹相參雷達的優點。相參性方面重點介紹多普勒效應具有的特性，從信號接收和信號處理上重點討論了相參性雷達擁有的速度測量功能，在速度模糊和距離模糊上詳細比較了兩者的差別。通過實踐證明，相參雷達的應用范圍比非相參雷達的范圍廣闊得多，但價格不菲。

關鍵詞:相參;非相參;多普勒效應;速度測量

中圖分類號:TN95 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)03-017-03

Coherent Radar and Non-coherent Radar Difference Analysis

YE Haoru

(206 Research Institute，China North Industries Group Corporation，Xi′an，710100，China)

Abstract:The concept of coherent and non-coherent radar is explained.Through a detailed analysis of the two systems on the radar，the main difference in the application，focusing on the advantages of coherent radar.Coherent Doppler effect in terms of highlighting has characteristics of the signal received and a letter from a good treatment focused on the coherent nature of radar，owned by the velocity measurement function，in terms of speed and distance blur on a detailed comparison of the differences between the two.Practice has proved that through the application of coherent radar，which has wide range than noncoherent radar.

Keywords:coherent;non-coherent;Doppler effect;speed measurement

在雷達的應用中，非相參雷達在早期運用于發現目標和測定目標的空間位置，但對于哨所類雷達，這樣的功能遠遠不夠。相參雷達的應用可以很好地解決這類問題，其與非相參雷達的最主要區別就在于多普勒效應。針對此，將詳細介紹有關相參雷達與非相參雷達的主要不同之處。

1 概念

相參性雷達指雷達系統的發射信號、本振電壓、相參振蕩電壓和定時器的觸發脈沖均由同一基準信號提供，這些信號之間均保持確定的相位關系(即相位相參)，這種雷達系統稱全相參系統。雷達(主要是主振放大式)由頻率綜合器產生各種相參信號，雖然頻率不同(甚至相差很大)，但信號之間保持相位相參性。全相參是實現頻率捷變技術(用于抗瞄準式干擾)和線性調頻技術(脈沖壓縮)的基礎，能產生復雜的波形。 應用比較廣泛的脈沖多普勒雷達就是全相參雷達。

非相參性雷達指發射信號與本振信號的相位不具有一致性，或者說不具有關聯性。接收機混頻信號與發射信號由各自單獨產生。

準相參性雷達指介于相參性與非相參性之間，通常是在非相參性體制上通過信號處理，對本振信號和發射信號進行AFC(自動頻率控制)，從而達到接收中頻相參性。

2 相參性雷達的優點

相參性體制主要指系統能提供一個穩定的發射初相，可以是中頻全相參或者本振鎖相相參，并且在整個接收信號期間連續存在。根據系統初始相位可以對接收信號進行相位判斷，從而可以進行多普勒信息提取。

相參雷達與非相參性雷達的最主要區別在于:相參雷達可以進行多普勒信息的提取。椐此將簡單介紹多普勒信息下具有的功能。

2.1 多普勒效應

回波目標與接收者之間有相對徑向運動時，接收到的信號頻率將發生變化。

假設發射信號為:

s(t)=Acos(ω0+φ)

對于固定目標發射回波信號有:

sr(t)=ks(t-tr)=kAcos[ω0(t-tr)+φ]

則相位差固定為:

ωrtr=2πf0#8226;2R/c=(2π/λ)2R

對于有相對運動的目標來說，回波信號與發射信號的相位差為:

φ=-ω0t=-2ω0(R0-vrt)=-2π(R0-vrt)/λ

在徑向速度vr為常數時，產生頻率差為多勒頻率:

fd=12πdφdt=2λvr

根據提取的多普勒頻率信息，可以進行一系列測量和處理。

2.1.1 運動目標速度測量

相參雷達具有多普勒特性，所以也稱多普勒雷達，其主要優勢就是能探測運動目標的運動速度。目標回波的多普勒頻移與其徑向速度vr成正比，因此只要準確地測出其多普勒頻移的數值和正負，就可以確定目標運動的徑向速度和方向。

連續波的測速公式為:

vr=fd#8226;λ/2

脈沖多普勒雷達測速公式為:

fdmax≤fr/2→vmax≤λ#8226;fr/4

式中:fr為脈沖重復頻率PRF。從公式可以得到，雷達測速的最大不模糊速度與PRF和波長有關。

2.1.2 地物雜波抑制

全相參雷達的應用，導致雷達動目標顯示(MTI)、雷達動目標檢測(MTD)和自適應動目標顯示(AMTI)技術也被越來越廣泛地應用。

地物雜波的抑制主要是在強雜波背景下檢測出動目標。一般在相位檢波器上，固定目標的回波是一串振幅不變的脈沖，運動目標的回波是一串振幅調制的脈沖。使用相消器件將振幅不變的回波消除，或者通過頻率過濾方法檢測目標的多普勒頻率譜線，濾除干擾雜波的譜線，可使雷達從強雜波中分辨出目標信號。 另外，在天氣雷達中，因地物雜波具有固定反射率和無多普勒頻移，故測量速度和發射率可以濾除一部分主波束地物雜波。地物為靜止不動的，因而其沿著雷達徑向的速度必然為零，因此抑制地物雜波的做法就是將一個距離庫內徑向速度為零值的附近部分功率濾除。

按地雜波濾除前后的發射率因子圖如圖1所示。

在非相參性雷達中，因無法判斷是固定目標，還是運動目標，所以就無法濾除固定地物雜波和海雜波，從而只能顯示出全部采集信息，或者通過門限濾波對低發射率因子濾除，保留高發射率因子，這樣大大降低了數據分析的完整性和可信度。

圖1 地物雜波濾除前后的發射率因子圖

2.2 雷達信號形式

單頻脈沖信號是雷達常用的信號形式，下面針對非相參和相參脈沖信號做比較。

2.2.1 非相參脈沖信號

非相參脈沖信號是一種載頻為f0、時間寬度為tp的脈沖調制正弦信號，可以表示為:

x(t)=Au(t)cos(2πf0t)

式中:A為脈沖幅度;u(t)為矩形脈沖函數。

x(t)的頻譜X(f)是x(t)的傅里葉變換，可表示為:



X(f)=∫+∞-∞x(t)e-j2πftdt=

Atφ2[Q(f+f0)+Q(f-f0)]



式中:Q(f)為辛克爾函數，這個時候可以根據模糊函數的定義，得到它的模糊函數為:



χ(τ，ξ)=∫+∞-∞u(t)u(t+τ)ej2πξ tdt=1tp∫baej2πξ tdt(1)

距離模糊函數:根據式(1)，當ξ=0時，可以得到模糊函數的模值χ(τ，ξ)沿τ軸的軸向切割χ(τ，0)函數，其中tp為脈沖寬度，稱為距離模糊函數。

χ(τ，0)=(tp-|τ|)/tp0

速度模糊函數:根據式(1)，當τ=0時，可以得到χ(τ，ξ)沿ξ軸的軸向切割χ(0，ξ)函數，它相當于信號包絡的傅里葉變換，稱為速度模糊函數。

χ(0，ξ)=sin πξtpπξtp

設定tp=1 μs，τ為-2~+2 μs，可以得到相對應的距離模糊函數圖和速度模糊函數圖，如圖2所示。

2.2.2 相參脈沖串信號

相參脈沖串信號指相鄰的脈沖調制正弦信號間具有固定相位關系的信號。它可以表示為:

x(t)=∑+∞n=-∞Au(t-nTr)cos(2πf0t+φ0)

式中:相參脈沖串信號是對一個基準正弦信號Acos(2πf0t+φ0)進行脈沖幅度調制而形成的。其中，脈沖寬度為tp，周期為Tr。可以看出，這是一個無限長的周期為Tr，載頻為f0的脈沖信號序列。

圖2 非相參矩形脈沖信號包絡的模糊函數

同樣可以得到相參脈沖串信號的模糊函數為:



χ(τ，ξ)=∑P=N-1P=-(N-1)ejπξ(N-1+P)Trej2πξ(x-pTr)Ntp#8226;

sin[πξ(tp-τ-pTr)]tp#8226;sin[πξ(N-p)Tr]sin (πξTr)



距離模糊函數:令ξ=0，χ(τ，0)為距離模糊函數，其表達式為:

χ(τ，0)=∑N-1P=-N+1[tp-τ-pTr]tp#8226;N-pN

速度模糊函數:令τ=0，χ(0，ξ)為速度模糊函數，其表達式為:

χ(0，ξ)=sin(πξtp)πξtp#8226;sin(πξNTr)Nsin(πξTr)

從這個公式可以看出，速度模糊函數是單個脈沖頻譜的包絡與N個脈沖串所產生的部分相乘后的乘積。

假設tp=1 μs，Tr=10 μs，脈沖個數N為4個，延遲時間范圍τ為-10~+10 μs，根據公式得到相參脈沖串信號的距離模糊函數圖和速度模糊函數圖，如圖3所示。

從以上非相參信號與相參信號的比較可以看出，非相參只能利用目標回波的幅度來直接檢測目標和測量目標的方位，這大大限制了雷達性能的提高。而相參雷達具有較高的距離和速度分辨力，但當距離和速度分布范圍超出清晰區時，存在距離和速度模糊。解決這類問題主要是靠加大或減小脈沖重復周期，或者通過重復周期參差、脈間相位編碼等方法來抑制。

圖3 相參脈沖串信號的模糊函數

3 結 語

在實際應用中，非相參雷達與相參雷達應用領域有所不同，如果只針對測試氣象云層強弱方面，而無其他特殊要求時(機場云霧檢測、人工降雨等)，非相參雷達已足夠應付;如果需要對動目標進行分析時(偵察探測、跟蹤等)，還是以相參雷達為主。

參考文獻

[1]劉志成，何佳洲.多普勒頻譜及JEM效應在空中目標識別中的應用分析[J].指揮控制與仿真，2009(1):38-41，45.

[2]張漢華，王偉，姜衛東，等.非相參雷達飛機目標特征提取[J].信號處理，2003，19(6):512-516.

[3]阮崇籍，丁建江，萬山虎.飛機旋轉部件微多普勒特征通用模型的推導與仿真[J].現代電子技術，2009，32(10):128-132.

[4]宋穎鳳，張漢華，王偉.非相參雷達目標回波的特征提取方法研究[J].現代雷達，2003，25(1):31-33，41.

[5]徐玲，吳增輝.相參積累后雷達目標參數的自動錄取[J].現代雷達，2000，22(2):32-34.

[6]糾博，劉宏偉，李麗亞，等.雷達波形優化的特征互信息方法[J].西安電子科技大學學報，2009，36(1):139-144.

[7]施西野，郭汝江，李明.雷達微多普勒特征提取和目標識別研究現狀[J].信息化研究，2009(7):8-11，20.

[8]盧敏.對脈沖多普勒雷達干擾技術研究[D].西安:西安電子科技大學，2005.

[9]路峻嶺，汪榮寶.多普勒效應公式的簡便推導[J].大學物理，2005，24(8):25-27.

[10]張琳，盛衛星，馬曉峰.基于微多普勒效應的雷達目標識別算法[J].現代雷達，2007，29(12):35-39.