LFM脉冲压缩雷达近距遮挡分析

于贵龙 李慧敏 李 伟

(西安电子工程研究所 西安 710100)

0 引言

脉冲体制雷达采用收发分时工作是产生近距遮挡的根源。文献［1］针对高脉冲重复频率(HPRF)雷达的近距遮挡问题进行了研究，解决方案包括多重PRF 和记忆跟踪法，文献［2］给出了线性调频信号在近距遮挡情况下的雷达方程，文献［3］讨论了其脉压方法，文献［4，5］讨论了准连续波体制雷达近距遮挡情况下编码信号的最优码型设计方法。上述文献在研究近距遮挡问题时，均未考虑率接收机收发开关切换时间的影响，对于最小探测距离只有十几米、甚至几米的极近程探测雷达来说，接收机收发开关切换时间对近距遮挡的影响是不可忽略的。本文针对LFM 脉冲信号，分析了接收机收发开关切换时间对近距遮挡的影响，在此基础上对近距遮挡情况下的匹配滤波器输出SNR、测角精度、测距精度等问题进行了深入讨论。

1 收发切换时间对近距遮挡的影响

脉冲雷达以收发分时的方式进行工作，发射期间，接收机关闭，雷达向空间辐射能量，发射结束后，接收机接通，正常接收目标回波信号。对于近距目标，当目标回波到达雷达时，发射机仍然处于发射状态，而接收机处于关断状态，回波信号不能被正常接收。对于脉宽为T 的发射信号，发生遮挡的距离为，小于此距离的目标，都将发生近距遮挡。假定目标距离为R，且，则可接收的目标回波时间范围为，回波时宽为，目标距离越近，回波时宽越窄，理论上不存在探测盲区，最多只会产生时宽损失。

实际中，由于接收机从关断到接通收发开关切换需要一定的时间(Tsw，Time of switch)，在发射结束时刻，收发开关切换信号有效后接收机还要再等待Tsw后才能进入正常接收状态，导致近距遮挡更为恶化。根据目前的器件水平，Tsw通常为几十纳秒量级。由于Tsw的存在将导致如下问题:

b)回波时宽更短:处于近距遮挡范围内的目标，回波时宽减小为;

2 近距遮挡情况下回波SNR 分析

当目标处于遮挡区时，接收的回波时宽小于发射信号时宽，匹配滤波时引起时宽失配。对于LFM信号，时宽失配同时也体现为带宽失配，带宽失配比例和时宽失配比例是相等的。对于处于遮挡区的目标，回波信号带宽B'与发射信号带宽B 的关系为B'，这里把Rsw=Tswc/2 称作完全遮挡距离，Rpulse=Tc/2 称作脉宽距离。可见开关切换时间Tsw越大，对于同一距离目标的回波，带宽损失越大，所以要尽量降低Tsw。当T sw一定时，目标的距离R 越近，回波信号带宽越窄，脉压后的脉冲宽度越大，相应的距离分辨单元越大，这是LFM 信号时宽失配脉压的特点。这里只考虑时宽失配对匹配滤波的影响，对于多普勒失配的影响不做分析。设回波信号时宽完整时，即R≥(Rpulse+Rsw)，匹配滤波器的信噪比增益为GSNR(Rpulse+Rsw)，则当目标处于遮挡区时，即R＜(Rpulse+Rsw)，匹配滤波器的信噪比增益为:

目标处于遮挡区，距离越近遮挡越大，匹配滤波器失配脉压产生的信噪比损失越大，但是，距离越近匹配滤波器输入端回波信噪比越强，回波信噪比与距离是四次方关系，距离减小一半，信噪比提高12dB，这两个因素对SNR 的影响是相反的。下面综合考虑这两个因素分析近距遮挡情况下信噪比的变化。

设目标距离为Rpulse+Rsw，回波信号刚好能获得完整时宽，在该位置处目标回波信噪比为SNR(Rpulse+Rsw)，则在距离R 处目标回波信噪比为:

在近距遮挡情况下，目标回波经匹配滤波器后的输出信噪比为:

SNR(R)是以R 为自变量的函数，SNR(R)对R求导数，可以获得SNR(R)的极大值位置和单调区间，这里直接给出计算结果。当R=2Rsw时，为极大值位置，信噪比最大;当2R sw＜R＜(Rpulse+Rsw)时，SNR(R)随R 的减小单调递增，即距离减小信噪比增加;当Rsw＜R＜2Rsw时，SNR(R)随R 的减小单调递减，即距离减小信噪比减小。近距遮挡情况下，SNR 随R 的变化曲线如图1所示。

图1 近距遮挡情况下LFM 脉冲信号的R-SNR 曲线

3 近距遮挡情况下测量精度分析

在雷达系统中，影响测角精度和测距精度的因素很多，但是波束宽度、信号带宽和信噪比是最主要的。测角精度计算式为［6］:

θB为波束宽度，是一个常数，可见σθ只与SNR有关，SNR 是R 的函数，当2Rsw＜R＜R(Rpulse+R sw)时，距离减小，匹配滤波器输出信号信噪比增大，测角误差变小，测角精度提高;当R sw＜R＜2R sw时，距离减小，匹配滤波器输出信号信噪比减小，测角误差变小，测角精度迅速降低。在近距遮挡情况下，LFM 脉冲信号测角精度σθ与距离R 的关系曲线如图2所示。

图2 近距离遮挡情况下LFM 脉冲信号的σθ-SNR 曲线

测距精度计算式为［6］:

式中，SNR 是R 的函数，对于LFM 信号，在近距遮挡情况下回波信号带宽B'也是R 的函数。距离减小，SNR 增加，σR减小，但是随着距离减小，B'也减小了，使得σR增大，这两个因素对σR的影响是相反的。下面综合考虑这两个因素分析近距遮挡情况下测距精度的变化。

根据前面的推导，测距精度计算式可以进一步写为:

σR(Rpulse+Rsw)为R=R pulse+R sw时的测距精度，将上式对R 求导，可得在Rsw＜R＜(Rpulse+Rsw)区间，随着距离减小，测距精度逐渐恶化，距离越近，恶化的越快。在近距遮挡情况下，LFM 脉冲信号测距精度σR与距离R 的关系曲线如图3所示。

图3 近距离遮挡情况下LFM 脉冲信号的σR-SNR 曲线

4 减近距遮挡影响的措施

从以上分析可以看出，影响失配脉压效果的因素主要包括发射时间T 和开关切换时间Tsw两部分。发射时间越短，产生近距遮挡的范围越小，但是信号的平均功率会减小，影响远区探测;开关切换时间Tsw则是越小越好，它依赖于器件的响应速度，目前Tsw通常可以做到几十个纳秒。雷达设计者比较关注两点:威力和精度。威力与雷达的辐射能量有关，当雷达发射功率一定时，必须通过增大脉冲宽度的方式来提高作用距离，这同时将使近距遮挡范围增大，所以作用距离和近距遮挡是相互矛盾的，此消彼长。为了兼顾雷达远距和近距的探测性能，工程上采取较多的是长短脉冲分集法和长短脉冲切换法。

长短脉冲分集法发射信号如图4所示。

图4 长短脉冲分集法

长短脉冲在同一脉冲发射周期内连续顺序发射，短脉冲负责近距目标探测，长脉冲负责远距目标探测，可以在一个PRI内完成对近距和远距的目标探测。长短脉冲信号在频域上间隔开，保证频域隔离度，长短脉冲信号带宽相等，则接收机带宽至少是两倍的信号带宽加间隔频率，对应的A/D 采样率必须是接收机带宽的两倍以上，限于A/D 采样率的有限性及后续信号处理数据量的压力，采用长短脉冲分集时，调频带宽不能太大。例如按计算，在信噪比为12dB 的条件下，要求测距精度为1m，所需的信号带宽不小于25MHz(计算得σR=0.83m)，设频率间隔5MHz，则接收机带宽必须大于55MHz，A/D 采样率必须大于110MHz。在测距精度要求较高的场合，使用长短脉冲分集法，对信号处理器的硬件要求是很高的。

长短脉冲切换法发射信号如图5所示。

图5 长短脉冲切换法

长短脉冲分时发射，在相邻周期进行切换，与长短脉冲分集相比，时间利用率低。但是这种形式对接收机和信处没有特殊要求，按照信号带宽设计即可。由于长短脉冲分时发射，数据率降低，可积累的脉冲数减少，PRI增大，PRF 减小，多普勒容限降低。

5 结束语

本文主要研究了LFM 脉冲信号近距遮挡问题。近距遮挡范围由发射信号脉宽和接收机收发开关切换时间决定，近距遮挡引起时宽失配和带宽失配，最终影响匹配滤波器输出信号的SNR 和系统的测角精度、测距精度。分析发现在近距遮挡范围内，接收机收发开关切换时间Tsw是一个关键的参数，其对应距离为。匹配滤波器输出信号SNR 以2R sw为分界，随距离减小先逐渐增加，过分界点后快速减小;测角精度以2Rsw为分界，随距离减小先逐渐减小，过分界点后快速恶化;测距精度随距离减小快速恶化。针对失配脉压的影响，讨论了长短脉冲分集法和长短脉冲切换法的特点。

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［7］丁鹭飞，耿富录.雷达原理［M］.西安电子科技大学出版社，2006.

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