雷达系统导论3

雷达系统导论3

三、脉冲压缩(Pulse Compression)

距离分辨力是指同一方向上两个大小相等点目标之间最小可区分距离，它主要取决于雷达信号波形。对于给定的雷达系统，可达到的距离分辨力为[2]p480：

B

c R 2=δ 式中c 为光速，B 为发射波形带宽

当采用简单未编码的矩形脉冲(如图1)时，发射信号带宽T B 1≈，其中T 为发射脉冲宽度，因此对于简单的脉冲雷达而言

2cT R =δ

上式表明脉冲越窄，距离分辨力越好。但脉冲宽度越窄，辐射的功率越小，目标回波能量小，目标信杂比低从而影响雷达探测距离。这样为达到一定的平均功率所需的峰值功率很大，而这较难实现。

由雷达信号理论分析结果有：测距精度和距离分辨力主要取决于信号的频率结构，为了提高测距精度和距离分辨力，要求信号具有大的带宽。而测速精度和速度分辨力则取决于信号的时间则取决于信号的时间结构，为了提高侧速精度和速度分辨力，要求信号具有大的时宽。此外，为了提高目标发现能力，要求信号具有大的能量。综合而言，为了提高雷达系统的发现能力，要求雷达信号具有大的时宽、带宽、能量乘积。在系统的发射和馈电设备峰值功率受限制情况下，大的信号能量只能靠加大信号的时宽来得到。由于单载频脉冲信号的时宽和带宽积接近于1，故大的时宽和带宽积不可兼得。因此此信号的距离分辨力、测距精度同速度分辨力、测速精度以及发现能力之间存在着不可调和的矛盾。为解决此矛盾，需要采用时宽、带宽积1>>TB 的脉冲压缩信号[4]p123。 脉冲压缩雷达发射宽的脉冲波，在接收机中对回波信号加以压缩处理以便得到窄的脉冲。脉冲压缩能让雷达系统发射宽度相对较宽而峰值功率低的脉冲，以获得窄脉冲、高峰值功率系统的距离分辨力和探测性能。这是通过对射频载波进行编码以增加发射波形的带宽，然后再对接收回波波形加以压缩后完成的。 在脉冲压缩系统中，发射波形往往在相位或频率上被调制，使得B 1>>。令B 1=τ，则

2τδc R =

式中τ表示系统经脉冲压缩后的有效脉冲压缩宽度。因此脉冲压缩雷达可用宽度T 的发射脉冲来获得相当于发射脉冲宽度为τ的简单脉冲系统的距离分辨力。发射脉冲宽度T 与系统有效(经压缩的)脉冲宽度的比值便称为脉冲压缩比CR (Compression Ratio)：

τT CR = 式中B 1=τ，故TB CR =，即压缩比也等于系统的时间—带宽积。

发射机的峰值功率t P 是指发射脉冲期间射频振荡的平均功率而不是射频正弦振荡的最大瞬时功率。通常脉冲峰值功率是射频正弦振荡的最大瞬时功率的一半。有时我们关心的是雷达发射机的平均功率av P ，它是指脉冲重复周期内发射机功率的平均值。如果发射波形是简单的矩形脉冲列(如图

1)，脉冲宽度为T ，脉冲重复周期为r r f T 1=，则平均功率和峰值功率的关系式可写成[3]p45：

r t r

t av Tf P T T P P =⋅=

T 图1 简单矩形脉冲波形

式中比值t av P P 、r T T 或r Tf 称为雷达的工作比D 或占空比。常规脉冲雷达工作比的典型数值为001.0，但脉冲多普勒雷达的工作比可达百分之几，而连续波雷达的工作比为1。

这样一来，假定发射相同的峰值功率t P 、具有相同的脉冲重复周期r T 并要求获得相同的距离分辨力，则发射带宽为B 的脉冲压缩系统的平均功率为r t av T T P P =，而与其具有相同距离分辨力的简单脉冲系统的脉冲宽度应为B 1=τ，对应的平均功率为r t r t av BT P T P P ==τ。因此压缩比也等于脉冲压缩系统的平均功率跟简单脉冲系统发射的平均功率的比值。

在单个脉冲的基础上，固定距离上的检测概率随信噪比的增加而增加，而信噪比又与平均功率成比例。在峰值功率和距离分辨力相同的情况下，脉冲压缩系统采用较宽的却能获得比窄脉冲系统要高的平均功率。因此，在平均功率及距离分辨力相同时，采用脉冲压缩可用加宽脉冲宽度的方法来降低峰值功率，从现实情况及器件设计水平考虑，这是很重要的。

总结：脉冲压缩雷达发射宽脉冲以增大信号能量，而通过脉内调频或调相(调幅也可以，但很少用)来展宽信号频谱，使系统具有窄脉冲的距离分辨力。接收信号通过匹配滤波器处理，把长脉冲压缩为宽度为B 1=τ的窄脉冲，其中B 表示已调脉冲的频谱带宽。

主要优点：

A ．在脉冲雷达发射设备峰值功率受限制的情况下，脉冲压缩特别受到重视。

B ．脉冲压缩雷达不仅能够克服峰值功率的限制，而且在电磁兼容性方面也有很大的优越性。由于脉冲压缩雷达工作在一定的频带内，具有自己特有的调制特性和匹配滤波器，因此对回波段附近台站的干扰不太敏感。

主要缺点：

由于单基地脉冲雷达系统不能同时发射和接收，系统的最小作用距离必须大于发射脉冲距离范围的二分之一，即2min cT R =。因此，脉冲压缩系统要求比等效窄脉冲系统更大的最小距离。实际上，最小作用距离的比值由脉冲压缩比给出。

对脉冲压缩雷达的概念有两种描述方法[3]p352：

A ．通过模糊函数(Ambiguity Function)来解释，观察发射机附加脉内调制后匹配滤波器的输出响应。

B ．分析加在长脉冲上作为脉内划分标记的调制信号。如线性调频脉冲是频率沿脉宽作线性变化，使这种信号通过一个时延随频率变化的延时线，由于脉冲各部分频率不同，经受的时延不同，以至脉冲前沿慢下来，后沿赶上来了，结果脉冲宽度得到压缩。

脉冲压缩的信号形式很多，其中应用最广泛的是线性调频信号和相位编码脉冲信号，所依据的仍是频率调制技术和相位调制技术。此外，极化调制技术已在实验的基础上被采用。下面介绍：

1．频率调制技术

对雷达载频进行调制以增加雷达发射带宽并在接收时实现脉冲压缩。

A ．线性频率调制

线性调频是最早的、发展最充分的脉冲压缩技术，它于上世纪四十年代后期被首先提出。线性调频脉冲压缩雷达的方框图如图1[3]p352 匹配滤波器简单描述：

匹配滤波器是白噪声下的最优线性处理[4]p38~43，其频率响应函数使输出信噪比为最大值。设输入为)()()(t n t u t r +=，其中)(t u 为信号，)(t n 为白噪声，则匹配滤波器的冲激响应为：

)()(0t t u t h m -=*

输出为：