超短脉冲技术在战场侦察雷达上的应用

路彬彬 汪欣

（南京电子技术研究所 江苏省南京市 210039）

战场侦察雷达作为战场信息源泉及C3I 系统的底层节点之一，具有探测距离远、覆盖面积大、测量速度快、精度高，可昼夜和全天候工作等特点，能够侦察敌方的人员、车辆、坦克、水面舰船以及直升机、低空飞机等活动目标，在掌握战场态势、实时提供战场情报方面发挥着越来越重要的作用[1]。

但是，随着现代高科技战争的发展对战场侦察雷达提出了更高的要求：如通过高分辨判明战场上人员、车辆数量，更加准确的实时掌握战场态势；信号隐蔽性好，被截获概率低，有很好的反电子侦察和抗反辐射导弹能力，具有高的测量精度，盲区小[2,3]。

从雷达体制上讲，连续波雷达（CWR）是较为理想的低截获雷达体制。但由于天线耦合、近区泄漏及采用调频或编码方式带来的寄生分量严重影响雷达的近距离目标检测[4]。

为满足高分辨、低截获、盲区小等使用需求，本文介绍超短脉冲技术及其在战场侦察雷达上的应用。

1 “超短脉冲”的定义与性能分析

超短脉冲信号的脉冲宽度在几纳秒至十几纳秒，介于冲激脉冲与短脉冲之间。冲激脉冲信号脉冲宽度在纳秒级或亚纳秒级，频带宽度在吉赫兹级，具有极高的距离分辨率和低截获优点，并能穿透浓密的树林、冰雪、沙土而探测目标，但由于脉宽极窄，探测威力受到很大限制，主要用于超近程地下、水下和穿墙探测[5]。

而超短脉冲信号也同样具有距离高分辨、低截获和盲区小等诸多优点，同时更利于满足中近程战场侦察雷达的探测威力需求。

1.1 距离分辨力性能分析

距离分辨力决定于所采用的信号带宽，信号带宽越宽，距离分辨力越高。信号的瞬时带宽为B，则理论上距离分辨力△R 为[6]：

k——脉压主瓣展宽系数，不脉压取1；

B——信号瞬时带宽，超短脉冲脉宽5 纳秒对应200 兆赫兹，10 纳秒对应100 兆赫兹。

通过计算，理论上脉宽5 纳秒和10 纳秒的超短脉冲距离分辨力△R 分别为0.75 米和1.5 米，能够用于判明人员和车辆数量。但在工程运用中，两个较近目标之间形成距离分辨的判据是相邻三个或以上距离单元(与采样率有关)幅度不满足单调性，且凹口深度满足门限。因此，实际的分辨能力一般都会大于理论值。

1.2 低截获(LPI) 性能分析

LPI 雷达可定性理解为“雷达在探测到敌方目标的同时，敌方截获到雷达信号的概率最小”[1]。目前，电子侦察接收机一般侦收的最小脉冲宽度在百纳秒量级。因此，超短脉冲雷达可以被认为是LPI 雷达或“寂静”雷达。

1.3 近距离盲区性能分析

对于脉冲雷达，近距离盲区以最小作用距离表示，其性能决定于所采用发射信号的脉冲宽度，脉冲宽度越窄，盲区越小。雷达的脉冲宽度为τ，则理论上最小作用距离Rmin为[6]：

图1：超短脉冲体制的战场侦察雷达设计原理图

图2：实测超短脉冲信号波形

图3：雷达实录行人回波信号（相参积累后）

通过计算，理论上脉宽5 纳秒和10 纳秒的超短脉冲雷达最小作用距离Rmin分别为0.75 米和1.5 米，近距离盲区可以忽略不计。

1.4 探测威力性能分析

由雷达距离方程[6]可知：

图4：雷达实录桥面汽车回波信号(相参积累后)

图5：雷达实录桥面汽车回波信号(CFAR 后)

雷达最大探测距离与发射脉冲宽度的1/4 次幂成正比。因此同等条件下，采用10 纳秒超短脉冲信号的探测威力将是1 纳秒甚至更窄的冲激脉冲信号探测威力的1.78 倍以上。如果再进一步考虑到运动目标在两者信号对应的距离单元内积累时间上的差异（上述情况下超短脉冲信号允许的最大积累时间是冲激脉冲的10 倍），那么超短脉冲的探测威力将比冲激脉冲大得多。

因此，中近程战场侦察雷达要同时满足探测威力远、高分辨、低截获、盲区小等性能，可以采用超短脉冲技术。

2 总体设计思路

如图1所示，设计超短脉冲体制的战场侦察雷达，首先利用信号产生电路直接在中频上生成10 纳秒超短脉冲信号，经频率源混频、滤波、放大后，送出毫瓦级小功率的射频信号至固态发射模块。超短脉冲信号在发射模块内部经过前级放大、末级放大和多路合成后，输出几十或几百瓦的峰值功率。大功率信号经环形器、馈线至天线辐射到指定空间中。天线可以采用反射面或平板裂缝形式。

接收机要求将目标反射回的超短脉冲信号经过多级放大、混频和滤波后，转为中频信号，再送至中频数字采样电路，经A/D 变换、数字变频、数字正交之后，形成I/Q 基带数字回波信号，进入信号处理数字电路。

信号处理利用运动目标回波的多普勒特性，实现杂波抑制、信号积累与恒虚警检测。检测后一次视频信号送至终端，进行视频显示。同时过门限的点迹送至终端，进行数据处理和目标识别。再由数据处理形成目标航迹，最终在终端P 显上显示目标的位置和各种参数。

信号处理采用基于FPGA 的全硬件实现方案以满足如此高速的数据率处理要求，所有信号处理的积累、检测等算法均由硬件实现。

频率源经锁相环同时产生两路本振信号，一路送激励源进行上变频，另一路经隔离后送接收机进行下变频，从而实现雷达全相参体制。

采用微特电机天线转台，通过雷达控制电路送来的方位控制信号，实现天线的指定方位扫描，并将当前方位值实时送雷控。

3 试验验证

根据上述总体设计思路，成功研制了一套超短脉冲体制的战场侦察雷达系统，对10 纳秒超短脉冲信号的各项性能进行研究与验证。

3.1 信号时域特性

将雷达系统信号产生端的10 纳秒超短脉冲信号（中频），直接回头接到A/D 采样端口，输出结果如图2所示。

图中横向坐标间隔0.75 米，纵向坐标一格10 分贝。从测试结果中看：该脉冲宽度约1.5 米，主副瓣比约30 分贝。

3.2 信号探测目标效果

超短脉冲距离分辨力高，减小了每个距离分辨单元的杂波面积与强度。应用在战场侦察雷达上，可以提高在强杂波背景下，对行人等“低、慢、小”目标的探测效果。经试验测试，该雷达系统可以连续、稳定的探测并跟踪行人目标，甚至可以稳定检测到在爬行状态下的人体目标。

图3、图4、图5是雷达分别探测行人和桥面汽车时，从信号处理记录的回波数据。

3.3 距离维多目标分辨效果

为了验证10 纳秒超短脉冲信号距离分辨能力，该雷达系统分别对间距2 米和2.5 米的两个行人进行了相关试验测试。

距离分辨的判决条件是中间距离单元的幅度同时低于相邻左右两边距离单元的幅度3 分贝以下，即判为两目标；反之则判为一个目标。

经测试统计，两人相距2 米的分辨概率为20%，两人相距2.5米的分辨概率为52.6%。

4 结束语

经理论分析及试验验证，超短脉冲技术可以应用在战场侦察雷达上，并具有高分辨、低截获、盲区小、探测距离远等突出优点。