现代雷达信号处理几个关键技术浅析

周文辉 李婕 戴静

【摘 要】雷达信号处理是现代雷达系统的核心研究内容，其对雷达系统的性能和适用范围具有重要影响。首先介绍雷达信号处理的一般概念和内容，然后对雷达信号处理关键技术进行阐述，最后对现代雷达信号处理的发展趋势提出简要分析。

【关键词】雷达；信号处理；内容；关键技术；趋势

雷达是利用目标对电磁波的反射或散射现象对目标进行检测、定位、跟踪、成像与识别。随着电子器件与计算机技术的迅速发展，现代雷达信号处理技术正向着算法更先进、更快速、处理容量更大和算法硬件化方向飞速发展，可以对目标回波与各种干扰、噪声的混叠信号进行有效的加工处理，最大程度地剔除无用信号，这都给现代雷达带来根本性变革，使得各种雷达信号处理技术的理论与应用研究成为一大热门领域。

一、雷达信号处理一般概念

（一）雷达信号处理目的

雷达的大多数用途可以分为检测、跟踪和成像。雷达发射一个受控的确定信号，在接收机输出端测得该信号的响应，这个响应信号是几个主要分量的叠加，而在所有这些分量中没有任何一个是雷达设计者能够完全控制的。主要的信息分量包括目标、杂波和噪声，在有些情况下还包括干扰。雷达信号处理的目的就是对复合的信号进行处理，提取其中的有用信息，包括判断目标是否存在，提取目标的特性，或者产生目标的雷达图像。

（二）雷达信号处理条件

雷达信号处理的必备条件有两项，一是雷达信号处理的理论和算法，包括实现功能的原理及信号处理采用的算法，信号处理算法是雷达系统的核心内容，其对现代雷达系统的功能实现具有决定性意义。二是实现雷达信号处理的硬件平台，好的硬件平台可以使雷达信号处理能够应用更新、更复杂的算法，使雷达检测、跟踪、成像能力大大提高。

（三）雷達信号处理作用

雷达信号处理是雷达系统的核心部分，它的作用主要有三项，一是信号产生，包括调制、合成、倍频和波束形成；二是信号变换，包括频率变换、A/D变换、放大和延时；三是信号提取，包括解调、下变频、分频、滤波、检测和成像等。

二、现代雷达信号处理内容

相比传统雷达，现代雷达面临更为复杂的工作环境和更为宽广的应用需求，现代雷达信号处理既包含基于经典方法又包括不断发展的脉冲压缩、干扰抑制、目标检测、目标识别等若干新技术，同时也包含针对新体制雷达，如相控阵雷达、无源雷达、高分辨成像雷达以及分布式雷达的信号处理。

三、现代雷达信号处理关键技术

（一）正交相干检波技术

随着数字电路技术的发展，数字信号处理技术在高性能雷达等系统中得到广泛应用。在这些应用中，对接收通道的要求越来越高，数字正交相干检波技术成为了提高现代雷达性能的重要技术之一。传统的模拟正交接收机由于模拟器件的不一致性，且受环境温度、电源电压等影响较大，其I/Q通道存在较大的幅度和相位正交误差，并因此严重影响雷达的整机性能。高速器件的发展使直接对低中频信号进行采样成为可能，其实现电路如图1所示。

图中载频为f0的中频信号，基于直接中频采样的数字正交相干检波技术以采样率fs对此中频信号采样后，用数字方法形成I/Q信号，采样输出的信号中包含了所需的有用信息，s（n）即为交替的I/Q双通道信号，要得到标准的I/Q双路信号，则需要经过后续的数字信号处理来实现。在欠采样情况下保证信号的有用频谱不发生混叠，并进行正交相干检波。这样得到的正交信号的一致性好、精度高，而且具有数字电路的其他优点，从而在很大程度上提高了系统性能，因此得到了广泛的应用。

（二）脉冲压缩技术

现代武器和现代飞行技术的发展，对雷达的作用距离、分辨力和测量精度等性能指标提出了更高的要求。为增加雷达系统检测能力，要求增大雷达发射的平均功率。在峰值功率受限时，要求发射脉冲尽量宽，而为提高系统距离分辨力，又要求发射脉冲尽量窄，二者是一对矛盾。通常解决的方法是在发射机端发射时间展宽信号，信号内部进行必要调制，在接收端通过压缩滤波器处理而产生窄时间脉冲，使雷达提高检测能力的同时又不降低距离分辨力，这一过程称为脉冲压缩。作为现代雷达的重要技术，脉冲压缩有效地解决了分辨力同平均功率间的矛盾，并在现代雷达中广泛应用。

脉冲压缩有基于时域相关法和频域FFT法两种方式。采用频域算法的优点是大时宽信号时可采用高效 FFT算法，大大减少运算量（时域 FIR滤波器对N点长度信号需进行N2次复数乘法运算，而频域卷积法仅需2Nlog2N次复数乘法运算）；采用专用FFT 芯片，可实现大压缩比和最佳性价比。但在小压缩比、距离单元数较大时，相对于时域脉冲压缩法成本较高，运算过程较复杂。采用时域匹配滤波法，等效于求离散接收信号与发射波形离散样本之间的复相关运算，这种方法在压缩比较小时，电路简单，实现方便。

（三）杂波抑制技术

杂波抑制是雷达需具备重要功能之一。雷达要探测的目标通常是运动目标，而目标往往存在于一些背景中，如云雨、地物、海浪以及敌方施放的金属丝干扰等，这些背景的回波通称杂波或无源干扰。当运动目标与杂波同时存在，对目标的检测就变的困难。要正确探测目标，就要将杂波和运动目标分开。动目标显示与检测是通过回波多普勒频移的不同来区分动目标和固定目标的，通过设计合理的滤波器，就可以把目标信号和杂波分开。一个完备的杂波抑制系统是动目标显示MTI、自适应动目标显示AMTI、动目标检测MTD、杂波图、恒虚警CFAR检测等技术的综合应用，实现从杂波和噪声环境中检测目标的任务。

（四）雷达成像处理技术

雷达成像作为一种全天候、全天时、远距离信息获取手段，主要采用合成孔径方式实现，合成孔径雷达和逆合成孔径雷达是雷达成像发展过程中两种最重要的应用，其基本原理相同，都是利用雷达发射宽带信号获得高距离分辨率，利用雷达和目标的相对运动获得高的方位向距离分辨率。雷达成像在原理上虽然简单，但要精确实现空变的二维滤波处理是比较复杂的。因此，要用算法来实现近似的空变二维滤波处理，主要有三方面：其一是根据成像质量的要求讨论是否可以近似简化；其二是在不能近似简化的条件下探索易于实现的成像算法；其三是研究更高质量的成像算法以满足更进一步的高要求。

雷达成像处理过程实质是二维滤波问题。信号距离向匹配滤波较容易实现，但方位向匹配滤波实现具有一定难度，因为同一目标回波包络位置是随雷达视角变化的，这一变化称为距离徙动现象。距离徙动问题是各种成像算法所要解决的主要问题，围绕此问题，各种各样的雷达成像算法被提出来，主要有距离多普勒算法（Range-Doppler Algorithm，R-DA）、CS（Chirp Scaling）算法、距离徙动算法（Range Migration Algorithm，RMA）、极坐标格式算法（Polar Format Algorithm， PFA）、距离-多普勒-距离（Range-Doppler-Ranger）成像方法等。

四、现代雷达信号处理发展趋势

传统雷达所用信号为窄带信号，其应用领域受限较大，而现代雷达系统使用宽带信号、空时频自适应处理、数据融合处理等技术可以有效拓展系统目标探测距离与精度，實现目标分类与成像。因此，现代雷达信号处理发展趋势呈现三方面特点。

1.数字化处理。数字化处理要求信号处理算法更为丰富，集成度更高，信号处理速度也得到了极大提升。新技术的发展也可以为雷达信号处理算法提供更灵活、适应性更强的应用环境，使数据处理性能得以最大发挥。

2.多功能应用。雷达信号处理除了在军事中应用外，还能够在制导、气象、航空等领域进行功能拓展。不同制式、功能、频段的雷达协同工作能够形成一体化系统平台，将雷达系统应用到各个领域。

3.信号处理算法。信号处理算法是雷达系统的核心内容，其对现代雷达系统的功能实现具有决定性意义。自适应杂波对消、自适应干扰抑制、自适应频率控制、自适应波形捷变、多维信号处理与融合等技术已经在现代雷达系统中得到广泛应用，新的信号处理算法与理论也正逐渐被应用到雷达信号处理中，如模糊理论、神经网络、遗传算法、基于SAR 的图形处理算法等。

五、结束语

由于近年来众多新体制雷达和信号处理方法的不断涌现，现代雷达分系统之间的界限已经逐渐模糊，信号处理的功能及相应的处理算法也在不断丰富和发展。由于水平有限，本文无力深入涉及现代雷达信号处理的各个方面，仅仅对目前采用的若干新技术以及未来发展趋势进行了粗浅的分析，以供后续研究参考。

参考文献：

[1]Mark A.Richards（美）. 雷达信号处理基础. 电子工业出版社，2008.

[2]马晓岩. 现代雷达信号处理. 国防工业出版社，2013.

[3]熊孝华，杨安会. 现代雷达信号处理及发展趋势研究. 中国高新技术企业，2011（13）.

[4]丁锐. 雷达信号处理算法的硬件实现：[硕士]. 武汉：华中科技大学，2009.

[5]王文卿. 现代雷达信号处理技术及实现：[硕士]. 西安：西安电子科技大学，2009.

[6]赵晨光. 现代雷达信号处理及其发展趋势探析. 通信技术，2014.04.

作者简介：

周文辉，男，辽宁建昌人，汉族，硕士研究生在读，工程师，主要研究方向为信号与信息处理。

戴静，女，河北秦皇岛人，汉族，河北联合大学迁安学院，助教，主要研究方向为电气自动化技术。