路彬彬 汪欣

（南京電子技術(shù)研究所 江蘇省南京市 210039）

戰(zhàn)場(chǎng)偵察雷達(dá)作為戰(zhàn)場(chǎng)信息源泉及C3I 系統(tǒng)的底層節(jié)點(diǎn)之一，具有探測(cè)距離遠(yuǎn)、覆蓋面積大、測(cè)量速度快、精度高，可晝夜和全天候工作等特點(diǎn)，能夠偵察敵方的人員、車(chē)輛、坦克、水面艦船以及直升機(jī)、低空飛機(jī)等活動(dòng)目標(biāo)，在掌握戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)、實(shí)時(shí)提供戰(zhàn)場(chǎng)情報(bào)方面發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用[1]。

但是，隨著現(xiàn)代高科技戰(zhàn)爭(zhēng)的發(fā)展對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)偵察雷達(dá)提出了更高的要求：如通過(guò)高分辨判明戰(zhàn)場(chǎng)上人員、車(chē)輛數(shù)量，更加準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)掌握戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)；信號(hào)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(dǎo)彈能力，具有高的測(cè)量精度，盲區(qū)小[2,3]。

從雷達(dá)體制上講，連續(xù)波雷達(dá)（CWR）是較為理想的低截獲雷達(dá)體制。但由于天線耦合、近區(qū)泄漏及采用調(diào)頻或編碼方式帶來(lái)的寄生分量嚴(yán)重影響雷達(dá)的近距離目標(biāo)檢測(cè)[4]。

為滿足高分辨、低截獲、盲區(qū)小等使用需求，本文介紹超短脈沖技術(shù)及其在戰(zhàn)場(chǎng)偵察雷達(dá)上的應(yīng)用。

1 “超短脈沖”的定義與性能分析

超短脈沖信號(hào)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(hào)脈沖寬度在納秒級(jí)或亞納秒級(jí)，頻帶寬度在吉赫茲級(jí)，具有極高的距離分辨率和低截獲優(yōu)點(diǎn)，并能穿透濃密的樹(shù)林、冰雪、沙土而探測(cè)目標(biāo)，但由于脈寬極窄，探測(cè)威力受到很大限制，主要用于超近程地下、水下和穿墻探測(cè)[5]。

而超短脈沖信號(hào)也同樣具有距離高分辨、低截獲和盲區(qū)小等諸多優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)更利于滿足中近程戰(zhàn)場(chǎng)偵察雷達(dá)的探測(cè)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(hào)帶寬，信號(hào)帶寬越寬，距離分辨力越高。信號(hào)的瞬時(shí)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(shù)，不脈壓取1；

B——信號(hào)瞬時(shí)帶寬，超短脈沖脈寬5 納秒對(duì)應(yīng)200 兆赫茲，10 納秒對(duì)應(yīng)100 兆赫茲。

通過(guò)計(jì)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(chē)輛數(shù)量。但在工程運(yùn)用中，兩個(gè)較近目標(biāo)之間形成距離分辨的判據(jù)是相鄰三個(gè)或以上距離單元(與采樣率有關(guān))幅度不滿足單調(diào)性，且凹口深度滿足門(mén)限。因此，實(shí)際的分辨能力一般都會(huì)大于理論值。

1.2 低截獲(LPI) 性能分析

LPI 雷達(dá)可定性理解為“雷達(dá)在探測(cè)到敵方目標(biāo)的同時(shí)，敵方截獲到雷達(dá)信號(hào)的概率最小”[1]。目前，電子偵察接收機(jī)一般偵收的最小脈沖寬度在百納秒量級(jí)。因此，超短脈沖雷達(dá)可以被認(rèn)為是LPI 雷達(dá)或“寂靜”雷達(dá)。

1.3 近距離盲區(qū)性能分析

對(duì)于脈沖雷達(dá)，近距離盲區(qū)以最小作用距離表示，其性能決定于所采用發(fā)射信號(hào)的脈沖寬度，脈沖寬度越窄，盲區(qū)越小。雷達(dá)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(zhàn)場(chǎng)偵察雷達(dá)設(shè)計(jì)原理圖

圖2：實(shí)測(cè)超短脈沖信號(hào)波形

圖3：雷達(dá)實(shí)錄行人回波信號(hào)（相參積累后）

通過(guò)計(jì)算，理論上脈寬5 納秒和10 納秒的超短脈沖雷達(dá)最小作用距離Rmin分別為0.75 米和1.5 米，近距離盲區(qū)可以忽略不計(jì)。

1.4 探測(cè)威力性能分析

由雷達(dá)距離方程[6]可知：

圖4：雷達(dá)實(shí)錄橋面汽車(chē)回波信號(hào)(相參積累后)

圖5：雷達(dá)實(shí)錄橋面汽車(chē)回波信號(hào)(CFAR 后)

雷達(dá)最大探測(cè)距離與發(fā)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(hào)的探測(cè)威力將是1 納秒甚至更窄的沖激脈沖信號(hào)探測(cè)威力的1.78 倍以上。如果再進(jìn)一步考慮到運(yùn)動(dòng)目標(biāo)在兩者信號(hào)對(duì)應(yīng)的距離單元內(nèi)積累時(shí)間上的差異（上述情況下超短脈沖信號(hào)允許的最大積累時(shí)間是沖激脈沖的10 倍），那么超短脈沖的探測(cè)威力將比沖激脈沖大得多。

因此，中近程戰(zhàn)場(chǎng)偵察雷達(dá)要同時(shí)滿足探測(cè)威力遠(yuǎn)、高分辨、低截獲、盲區(qū)小等性能，可以采用超短脈沖技術(shù)。

2 總體設(shè)計(jì)思路

如圖1所示，設(shè)計(jì)超短脈沖體制的戰(zhàn)場(chǎng)偵察雷達(dá)，首先利用信號(hào)產(chǎn)生電路直接在中頻上生成10 納秒超短脈沖信號(hào)，經(jīng)頻率源混頻、濾波、放大后，送出毫瓦級(jí)小功率的射頻信號(hào)至固態(tài)發(fā)射模塊。超短脈沖信號(hào)在發(fā)射模塊內(nèi)部經(jīng)過(guò)前級(jí)放大、末級(jí)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(hào)經(jīng)環(huán)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(jī)要求將目標(biāo)反射回的超短脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)多級(jí)放大、混頻和濾波后，轉(zhuǎn)為中頻信號(hào)，再送至中頻數(shù)字采樣電路，經(jīng)A/D 變換、數(shù)字變頻、數(shù)字正交之后，形成I/Q 基帶數(shù)字回波信號(hào)，進(jìn)入信號(hào)處理數(shù)字電路。

信號(hào)處理利用運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波的多普勒特性，實(shí)現(xiàn)雜波抑制、信號(hào)積累與恒虛警檢測(cè)。檢測(cè)后一次視頻信號(hào)送至終端，進(jìn)行視頻顯示。同時(shí)過(guò)門(mén)限的點(diǎn)跡送至終端，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和目標(biāo)識(shí)別。再由數(shù)據(jù)處理形成目標(biāo)航跡，最終在終端P 顯上顯示目標(biāo)的位置和各種參數(shù)。

信號(hào)處理采用基于FPGA 的全硬件實(shí)現(xiàn)方案以滿足如此高速的數(shù)據(jù)率處理要求，所有信號(hào)處理的積累、檢測(cè)等算法均由硬件實(shí)現(xiàn)。

頻率源經(jīng)鎖相環(huán)同時(shí)產(chǎn)生兩路本振信號(hào)，一路送激勵(lì)源進(jìn)行上變頻，另一路經(jīng)隔離后送接收機(jī)進(jìn)行下變頻，從而實(shí)現(xiàn)雷達(dá)全相參體制。

采用微特電機(jī)天線轉(zhuǎn)臺(tái)，通過(guò)雷達(dá)控制電路送來(lái)的方位控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)天線的指定方位掃描，并將當(dāng)前方位值實(shí)時(shí)送雷控。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)上述總體設(shè)計(jì)思路，成功研制了一套超短脈沖體制的戰(zhàn)場(chǎng)偵察雷達(dá)系統(tǒng)，對(duì)10 納秒超短脈沖信號(hào)的各項(xiàng)性能進(jìn)行研究與驗(yàn)證。

3.1 信號(hào)時(shí)域特性

將雷達(dá)系統(tǒng)信號(hào)產(chǎn)生端的10 納秒超短脈沖信號(hào)（中頻），直接回頭接到A/D 采樣端口，輸出結(jié)果如圖2所示。

圖中橫向坐標(biāo)間隔0.75 米，縱向坐標(biāo)一格10 分貝。從測(cè)試結(jié)果中看：該脈沖寬度約1.5 米，主副瓣比約30 分貝。

3.2 信號(hào)探測(cè)目標(biāo)效果

超短脈沖距離分辨力高，減小了每個(gè)距離分辨單元的雜波面積與強(qiáng)度。應(yīng)用在戰(zhàn)場(chǎng)偵察雷達(dá)上，可以提高在強(qiáng)雜波背景下，對(duì)行人等“低、慢、小”目標(biāo)的探測(cè)效果。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試，該雷達(dá)系統(tǒng)可以連續(xù)、穩(wěn)定的探測(cè)并跟蹤行人目標(biāo)，甚至可以穩(wěn)定檢測(cè)到在爬行狀態(tài)下的人體目標(biāo)。

圖3、圖4、圖5是雷達(dá)分別探測(cè)行人和橋面汽車(chē)時(shí)，從信號(hào)處理記錄的回波數(shù)據(jù)。

3.3 距離維多目標(biāo)分辨效果

為了驗(yàn)證10 納秒超短脈沖信號(hào)距離分辨能力，該雷達(dá)系統(tǒng)分別對(duì)間距2 米和2.5 米的兩個(gè)行人進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)測(cè)試。

距離分辨的判決條件是中間距離單元的幅度同時(shí)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(biāo)；反之則判為一個(gè)目標(biāo)。

經(jīng)測(cè)試統(tǒng)計(jì)，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(jié)束語(yǔ)

經(jīng)理論分析及試驗(yàn)驗(yàn)證，超短脈沖技術(shù)可以應(yīng)用在戰(zhàn)場(chǎng)偵察雷達(dá)上，并具有高分辨、低截獲、盲區(qū)小、探測(cè)距離遠(yuǎn)等突出優(yōu)點(diǎn)。