超短脈沖技術在戰場偵察雷達上的應用

路彬彬 汪欣

（南京電子技術研究所 江蘇省南京市 210039）

戰場偵察雷達作為戰場信息源泉及C3I 系統的底層節點之一，具有探測距離遠、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，能夠偵察敵方的人員、車輛、坦克、水面艦船以及直升機、低空飛機等活動目標，在掌握戰場態勢、實時提供戰場情報方面發揮著越來越重要的作用[1]。

但是，隨著現代高科技戰爭的發展對戰場偵察雷達提出了更高的要求：如通過高分辨判明戰場上人員、車輛數量，更加準確的實時掌握戰場態勢；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彈能力，具有高的測量精度，盲區小[2,3]。

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

為滿足高分辨、低截獲、盲區小等使用需求，本文介紹超短脈沖技術及其在戰場偵察雷達上的應用。

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點，并能穿透濃密的樹林、冰雪、沙土而探測目標，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、低截獲和盲區小等諸多優點，同時更利于滿足中近程戰場偵察雷達的探測威力需求。

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，不脈壓取1；

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

通過計算，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量。但在工程運用中，兩個較近目標之間形成距離分辨的判據是相鄰三個或以上距離單元(與采樣率有關)幅度不滿足單調性，且凹口深度滿足門限。因此，實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 雷達可定性理解為“雷達在探測到敵方目標的同時，敵方截獲到雷達信號的概率最小”[1]。目前，電子偵察接收機一般偵收的最小脈沖寬度在百納秒量級。因此，超短脈沖雷達可以被認為是LPI 雷達或“寂靜”雷達。

1.3 近距離盲區性能分析

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

圖1：超短脈沖體制的戰場偵察雷達設計原理圖

圖2：實測超短脈沖信號波形

圖3：雷達實錄行人回波信號（相參積累后）

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

1.4 探測威力性能分析

由雷達距離方程[6]可知：

圖4：雷達實錄橋面汽車回波信號(相參積累后)

圖5：雷達實錄橋面汽車回波信號(CFAR 后)

雷達最大探測距離與發射脈沖寬度的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。如果再進一步考慮到運動目標在兩者信號對應的距離單元內積累時間上的差異（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，中近程戰場偵察雷達要同時滿足探測威力遠、高分辨、低截獲、盲區小等性能，可以采用超短脈沖技術。

2 總體設計思路

如圖1所示，設計超短脈沖體制的戰場偵察雷達，首先利用信號產生電路直接在中頻上生成10 納秒超短脈沖信號，經頻率源混頻、濾波、放大后，送出毫瓦級小功率的射頻信號至固態發射模塊。超短脈沖信號在發射模塊內部經過前級放大、末級放大和多路合成后，輸出幾十或幾百瓦的峰值功率。大功率信號經環形器、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。

接收機要求將目標反射回的超短脈沖信號經過多級放大、混頻和濾波后，轉為中頻信號，再送至中頻數字采樣電路，經A/D 變換、數字變頻、數字正交之后，形成I/Q 基帶數字回波信號，進入信號處理數字電路。

信號處理利用運動目標回波的多普勒特性，實現雜波抑制、信號積累與恒虛警檢測。檢測后一次視頻信號送至終端，進行視頻顯示。同時過門限的點跡送至終端，進行數據處理和目標識別。再由數據處理形成目標航跡，最終在終端P 顯上顯示目標的位置和各種參數。

信號處理采用基于FPGA 的全硬件實現方案以滿足如此高速的數據率處理要求，所有信號處理的積累、檢測等算法均由硬件實現。

頻率源經鎖相環同時產生兩路本振信號，一路送激勵源進行上變頻，另一路經隔離后送接收機進行下變頻，從而實現雷達全相參體制。

采用微特電機天線轉臺，通過雷達控制電路送來的方位控制信號，實現天線的指定方位掃描，并將當前方位值實時送雷控。

3 試驗驗證

根據上述總體設計思路，成功研制了一套超短脈沖體制的戰場偵察雷達系統，對10 納秒超短脈沖信號的各項性能進行研究與驗證。

3.1 信號時域特性

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

圖中橫向坐標間隔0.75 米，縱向坐標一格10 分貝。從測試結果中看：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度。應用在戰場偵察雷達上，可以提高在強雜波背景下，對行人等“低、慢、小”目標的探測效果。經試驗測試，該雷達系統可以連續、穩定的探測并跟蹤行人目標，甚至可以穩定檢測到在爬行狀態下的人體目標。

圖3、圖4、圖5是雷達分別探測行人和橋面汽車時，從信號處理記錄的回波數據。

3.3 距離維多目標分辨效果

為了驗證10 納秒超短脈沖信號距離分辨能力，該雷達系統分別對間距2 米和2.5 米的兩個行人進行了相關試驗測試。

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；反之則判為一個目標。

經測試統計，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 結束語

經理論分析及試驗驗證，超短脈沖技術可以應用在戰場偵察雷達上，并具有高分辨、低截獲、盲區小、探測距離遠等突出優點。