固態脈壓新體制導航雷達關鍵技術及應用

丁友峰，黃孝鵬，陸小虎，邢永昌

(中國船舶集團公司第七二四研究所，江蘇 南京 211153)

0 引 言

船用導航雷達是船舶安全航行不可或缺的重要保障設備。由于成本及技術的限制，前期的導航雷達發射機均采用磁控管，雷達發射單頻脈沖信號，發射功率最高至幾十千瓦，電路簡單、技術成熟，但存在磁控管壽命低，抗干擾能力差及發射電磁兼容等問題。隨著技術的發展，固態器件逐步取代磁控管等真空高壓器件，加上ITU對發射電磁兼容的嚴控、對海上小目標和直升機引導探測等需求的與日俱增，固態導航雷達得到快速發展，并逐步取代磁控管導航雷達。

固態導航雷達采用固態發射機，由于其占空比比磁控管提升了十幾至幾十倍，其發射峰值功率大大下降，現有設備最高僅300 W，但采用脈沖壓縮及脈沖多普勒相參數字信號處理體制，在滿足傳統探測的基礎上可更好地實現的小目標探測和自適應雜波抑制。隨著固態發射功率的提升，發展初期所面臨的“對搜救應答器（SART）無法實現5n mile距離觸發”的難題也得到徹底解決，滿足了IEC和ITU對導航雷達的通用要求。本文對固態脈沖壓縮導航雷達的關鍵技術進行分析，介紹國內外同類產品的發展現狀，并結合部分技術優勢對未來的發展與應用方向進行了探討。

1 國內外固態脈沖壓縮導航雷達發展現狀比較

隨著固態功放和大規模集成芯片成本的下降以及數字信號處理技術的日臻成熟，固態脈沖壓縮體制的導航雷達近年來得到快速發展和市場認可，而傳統磁控管雷達則已在歐美逐步停產。自2004年起，國際海事組織（IMO）鼓勵使用相參雷達來提高在嚴重的海雜波條件下對目標的探測[1]。

2006年，英國Kelvin Hughes公司研發了第1臺S波段固態脈沖壓縮體制導航雷達SharpEye，其公開資料顯示在5級惡劣海況條件下，無論對10 m2的目標還是對0.5 m2的目標，探測能力大幅優于常規磁控管雷達，如圖1所示。

圖1 固態脈沖壓縮雷達與傳統磁控管雷達探測能力對比Fig. 1 Contrast of radar detection capability between solid pulse compression radar and traditional radar

2008年該公司又推出了X波段的SharpEye固態導航雷達（見圖2(a)）。2011年，日本JRC公司推出了其S波段固態脈沖壓縮導航雷達JMA-9 172-SA。2013年，日本古野公司推出了S波段固態脈沖壓縮導航雷達FAR-3 000[2]（見圖2(b)），近期又針對小型船舶推出更為經濟便捷的X波段固態脈沖壓縮體制小型化DRSNTX系列產品。2016年，挪威SIMRAD公司也相繼推出了HALO系列固態脈沖壓縮雷達產品(見圖2(c))。

圖2 部分國內外固態脈沖壓縮導航雷達實物Fig. 2 Part of solid state pulse compression navigation radars at home and abroad

在國內，中船、中電、航天科工等集團的下屬科研院所以及多個民營公司均開展了固態脈沖壓縮導航雷達的技術研究，個別產品開始在相關領域應用。中船七二四所研制的XFR1123型固態脈沖壓縮導航雷達(見圖2(d))已于2017年率先取得了CCS型式認可，并在海洋、海事等多領域得到應用。

表1為國內外典型固態脈沖壓縮雷達主要技術性能對比情況。

表1 國內外固態脈沖壓縮雷達技術性能對照Tab. 1 Performance comparison of solid state pulse compression radars at home and abroad

2 固態脈沖壓縮導航雷達關鍵技術

新技術的應用和集成，是雷達體制不斷演化發展的重要技術基礎[3]。航海雷達在進一步發展中，將受到普通脈沖制式的限制，性能指標的重大改進必然依賴于雷達信號制式等的技術變革[4]。對于固態脈沖壓縮導航雷達而言，關鍵技術優勢一方面體現于固態功放的使用，使得雷達的壽命和可靠性得到提高，并帶來了頻帶寬度和相位穩定性的大幅提升。另一方面則重點體現于中頻數字化、頻率分集、數字脈沖壓縮、多普勒雜波抑制等全相參數字信號處理所帶來的惡劣環境下探測性能提升。

2.1 高性能固態功放設計

得益于GaN的“寬禁帶”半導體特性、高飽和電子遷移率以及高擊穿場，GaN作為第三代半導體材料，微波功率性能要遠優于Si，GaAs等[5]，目前GaN的單管發射功率已可達200 W以上，隨著工藝的進步和成本的下降，已成為導航雷達固態功放的首選器件。

X或S波段峰值功率200 W左右的固態功放設計技術基本成熟，但為進一步提升雷達總體技術性能特別是復雜環境下的小目標探測能力，固態功放需重點關注以下幾點關鍵設計要求：

1）大功率合成。基于現有功放元件進行更高功率合，形成300 W以上發射功率；同時需重點考慮功率提升帶來的熱設計問題。

2）低延遲、高平坦發射。基于對功放電源、偏值、解調、發射開關等電路的優化改進，降低發射脈沖（特別是窄脈沖）的脈沖頂降和前后延。

3）高保真信道耦合。為后端實現低副瓣脈沖壓縮實時提供校準信息，同實現固態功放的性能監視。

2.2 中頻數字信號產生

中頻數字信號產生是實現全數字化現代雷達的基本要求，主要優點有：頻率切換快、頻率分辨率高、頻點數多、相位噪聲低、輸出波形靈活，且頻率捷變時相位保持連續。最常用的方式是直接數字綜合器（DDS），由相位累加器、相位-幅度轉化器和數模轉換器（DAC）等組成，基本工作原理如圖3所示。

圖3 DDS中頻信號產生原理Fig. 3 The principle of intermediate-frequency signal generation by DDS

固態脈沖壓縮導航雷達通常產生的數字中頻信號形式為線性調頻或非線性調頻，根據性能定位的不同，在一個重復周期內產生“短、中、長”不同脈寬、不同頻率（或相同頻率）的3種甚至6種信號，脈內帶寬最大可達30 MHz以上。

2.3 低副瓣脈沖壓縮

固態脈沖壓縮雷達發射大時寬帶寬積信號，使用固態脈沖壓縮技術可以有效提高強雜波下小目標的發現能力[6]。脈沖壓縮處理的主要作用是將接收與發射信號的共軛信號、鏡像信號進行交叉關聯，壓縮成窄脈沖信號，其實質是系數的加權和匹配濾波，在這個過程中信號能量重新分配，使得主瓣集中了信號的大部分能量，形成一個尖峰。脈沖壓縮前后目標信息對比如圖4所示。

脈沖壓縮處理可在基帶信號的時域或頻域實現。基于頻域的實現方法具有較為明顯的優勢，可利用快速FFT實現，計算量小，但處理延遲稍大，通常采用并行、流水或任務分段等方式進行優化，其基本原理如圖5所示。

圖4 脈沖壓縮前后對比Fig. 4 The signal before/after pulse compression

圖5 頻域脈沖壓縮Fig. 5 Pulse compression in frequency domain

無論使用何種脈沖壓縮方法均會在主瓣兩邊產生不同程度的副瓣干擾，對強目標附近的弱小目標探測帶來一些影響。為實現低副瓣性能，可采用迭代加權最小二乘法（IRLS）優化匹配濾波器設計，并利用發射耦合信號對優化后的匹配濾波器系數進行幅相補償。

2.4 自適應距離副瓣抑制

常規距離副瓣抑制方法有STC和CFAR等，易出現小目標丟失、目標分裂等現象。

準無損自適應副瓣抑制技術近年來得到高度關注，一種有效的實現方法是利用脈沖壓縮的副瓣寬度、主副比等先驗基礎信息，對雷達副瓣電平進行實時擬合，對回波強度進行初步估計。以距離單元為最小單位，將數據流在一定窗內（寬度N）進行加權比較并輸出最大值，得到第一門限并位移N個點來估算副瓣的位置。根據脈沖壓縮主副比先驗信息，用第一門限除以主副比對應的線性值對雷達回波的副瓣進行擬合，形成第二門限，與噪聲估計值進行比較后形成第三門限，最后與視頻信號進行比較，完成距離副瓣的自適應抑制。此方法得到了長期的應用驗證，具有很好的距離副瓣自適應抑制效果，幾乎不會影響到疊加在副瓣上的回波信號的檢測，實現流程如圖6所示。

圖6 自適應距離副瓣抑制流程圖Fig. 6 Auto range side-lobe repression process chart

2.5 多普勒雜波鑒別

強對流天氣或有大面積云雨團可對導航雷達的正常工作帶來極大影響。傳統磁控管雷達主要通過STC，FTC以及CFAR等方法進行雜波抑制處理，同時也衰減了目標，且強雜波難以完全消除。

固態脈沖壓縮雷達的典型優點體現于除可進行STC，FTC，CFAR等常規處理外，還可利用目標與干擾的多普勒頻移差異進一步實現進行雜波鑒別。一種行之有效的方法是：將脈壓后的信號進行脈間FFT處理，對輸出的各通道進行CFAR處理并利用連續16/32個相鄰周期的I/Q信號，提取出各距離單元的多普勒信息。根據多普勒速度的不同，在頻域把回波信號分到16/32個獨立通道，將目標回波與雜波在多普勒通道上分開。每個通道計算自適應電平得到檢測門限，待測單元大于檢測門限則進行有效輸出。根據各通道間信號的強度關系結合通道的排序情況設計雜波鑒別器，并將時域頻域兩路信號進行合成處理實現云雨雜波和海雜波的有效去除，保留有效目標。

3 技術優勢及應用展望

3.1 主要技術優勢

1）固態發射，可靠性高

固態發射機是一個微波晶體管功率放大電路，工作電壓低（28 V以下），相比常規磁控管發射機，壽命長、無需預熱、無需定期更換，具有更好的可靠性和安全性。

2）相參接收，探測能力強

采用脈沖壓縮、相參積累等全相參數字信號處理技術，可以有效提高系統信噪比（或靈敏度），增強小目標探測能力，同時可以獲得回波信號的多普勒信息，實現動目標檢測，提升雜波抑制能力。

3）信號帶寬大，距離分辨力高

固態脈沖壓縮雷達分辨力取決于信號帶寬，部分雷達全量程信號帶寬可達20 MHz以上，即使考慮脈壓帶來的小幅展寬，距離分辨力也可達20 m左右，有利于密集目標分辨和大面積目標的分布與形態探測。

4）數據穩定，利于業務化拓展應用

固態脈沖壓縮雷達可保持全壽命期內發射功率穩定，可避免磁控管雷達的發射功率波動和長時使用后下降等問題，數據質量高，有利于拓展業務化應用范圍。

3.2 應用展望

1）船舶避碰導航

隨著世界海洋經濟迅速發展，主要航道、近岸海域中，海面目標種類大幅度增加，航海雷達面臨的探測目標變化多樣、強雨雪和海雜波環境下小目標探測要求高、長時間高強度連續使用等要求[7]。固態脈沖壓縮導航雷達除了整體探測性能更為優異外，智能化水平也得到大幅提高，可更好地滿足上述要求。如SharpEye雷達，在海浪抑制、云雨抑制、恒虛警等信號處理方面已無需人工干預，實現全自動處理。從這個角度分析，也很好滿足了未來高技術船舶、智能航運、無人船等領域的發展需求。

導航保障能力的提升以及成本的降低，勢必帶來固態脈沖壓縮導航雷達在船舶避碰導航領域的井噴應用。

2）岸基目標監管

隨著信息化水平的提升，基于雷達-光電等多源信息融合的諸如船舶交通管理、漁政信息管理、邊海防、水上公安執法等各類岸基目標監管系統近年來得到高速發展。該類系統的核心探測設備需要7×24 h全天候工作，因此需要使用可靠性高、經濟型好的船用導航雷達。

隨著應用能力需求的提升，復雜環境下“低小慢”目標的探測愈發得到重視。固態脈沖壓縮雷達已逐步得到相關應用部門的肯定，有望在各類岸基目標監管系統中得到全面推廣。

3）海洋環境監測

船用導航雷達還被常應用海洋環境遙感監測，如德國WamosⅡ測波雷達、加拿大RUTTER S6測冰雷達、挪威MIROS OSD溢油雷達等系統的開發平臺均為普通船用導航雷達。在這些方面，固態脈壓雷達具有分辨力高、數據穩定性好、可頻域算法處理、全數字處理等突出優點，為實現高精度浪流監測、高分辨力海冰監測、高靈敏度溢油監測、大氣波導反演測量以及全時多功能應用等提供了更為有利的平臺條件，多類型海洋環境高精度監測優勢和同時多功能應用優勢已逐步得到彰顯。

4 結 語

船用導航雷達在人類海洋活動中發揮著極為重要的保障作用，隨著電子信息技術的不斷發展，其技術體制也迎來了巨大變革和進步。固態脈沖壓縮雷達具有可靠性高、分辨力好、小目標探測能力強、抗干擾性能優異、可完全滿足IEC強制要求等顯著優點，代表了新一代船用導航雷達的技術發展方向。同時，國產化自主可控的新體制導航雷達尚處于應用發展期，可有效打破傳統磁控管導航雷達被國外長期技術壟斷的困局，在海事、航運、海警、漁政等領域的業務化應用方面前景廣闊。