宽带相控阵雷达中合成宽带技术的研究∗

孙志山 林 明

（江苏科技大学电子信息学院 镇江 212000）

1 引言

相控阵雷达应用之初，皆是在窄带信号条件下工作，用以搜索、探测与跟踪目标。出于节约成本与技术实现的考量，初期的相控阵雷达进行了一种简化，即采用移相器，而不是时间延迟线，来实现波束的快速扫描以及对目标进行瞄准。这一简化，使得相控阵雷达得到了广泛的应用与快速的发展［1］。但也带来了一个显著的问题，即令阵列的方向图峰值位置与信号的频率相关，使得雷达系统的工作带宽受到了限制，但基于早期雷达工作于窄带条件下的这一情况，并未给雷达的应用带来明显的问题。不过随着近年来，于民用雷达，其所应对的探测对象几乎囊括了我们日常生活的诸多方面；于军用雷达，其要面对的探测对象拥有了足以达到“隐身”的技术手段，显然这些现实的发展无一不对雷达系统提出了更高的甚至苛刻的要求。如此，为了满足这些日益发展的需求，宽带相控阵雷达便应运而生，因其兼具宽带雷达的成像能力与相控阵雷达所固有的技术优势这一特点，也已成为当今雷达技术重要的研究方向与热点。为了大大扩展相控阵天线系统的瞬时带宽，可以使用延时器代替移相器来实现，但是与移相器相比，延时器的损耗、误差、体积、重量都比较大，且成本高［2］。与之相比，合成宽带技术中的分时合成技术实现了用窄带系统代替宽带系统，降低了对雷达瞬时带宽的要求［3～5］。

我们可以从以下的简单场景的应用体会到二者结合所带来的对技术的经济使用。宽带相控阵雷达在目标识别方面有着重要的作用，当雷达仅要发现目标时，此时只需让雷达工作在窄带条件下，即只当做相控阵雷达使用，目标作为点目标被探测与跟踪；而当要对所探测到的点目标进行更进一步的识别（分类、辨认等），此时便让雷达工作在宽带条件下，选取宽带信号作为发射信号，利用合成宽带技术等效合成大带宽雷达回波信号，从而获得探测目标的一维距离像，当获得目标所属类别之后，这一目标便可作为已知目标，雷达便旋即重新工作于窄带条件下，用作相控阵雷达使用。这样便充分结合了相控阵雷达与宽带雷达的各自优势。

本文选取步进调频信号作为雷达系统的发射信号，首先给出了这一发射信号的回波模型，然后基于这一模型的特点，提出了合成距离包络法和频域带宽合成法，并通过实验仿真，验证了频域带宽合成法的有效性。

2 合成宽带技术

所谓合成宽带距离像，是指将覆盖了所期望带宽的各个子带回波进行相干合成而得到的一维距离像。一般来说，合成距离像的处理结构简单，易于实现，而更重要的是，通过窄带处理技术，它可以完成一些宽带波形无法直接实现的功能。最基本的要求是，所合成宽带距离像必须要与目标的真实距离像吻合［6］。

在不同时刻发射和接收不同中心频率的窄波波形，最典型的代表就是步进频率波形。为了解决步进雷达数据率与作用距离的矛盾，由此提出了调频步进子脉冲和调相步进子脉冲波形。广义言之，在满足某些条件下，若干个不同载频的子脉冲回波都可构成或外推出宽带目标的距离信息［7～10］。

步进调频信号是一种实用的高分辨率信号体制。

设步进调频的总带宽为B，窄带线性调频子脉冲的个数为N，带宽BN=B/N，宽度为TP，调频斜率K=BN/TP。为了避免合成的宽带频谱出现空隙或重叠，相邻子脉冲间的载频增量∆f一般取为BN。设第一个子脉冲的中心频率为 f0，则第i+1个子脉冲的中心频率为

其中，i=0,…,(N-1)。步进调频的时域表达式为

图1 Chirp-SF的频率变化规律

步进调频的回波为

Ai是第i个回波的幅度，τ=2R/c是静止目标回波的时间延迟，R是目标距离，c是光速。

回波信号与如下相参本振信号进行混频：

可得混频后视频回波：

可以看出，调频步进雷达信号的视频回波可以分解为两个部分，一是因子rect( )t-iTr-τTp⋅Tp2,iTr+τ+Tp2)之内的Chirp信号，二是因子exp(- j2πfciτ)，这是由于信号载频的跳变而形成的相位变化。因此可以将信号处理分解为两个步骤。首先在各个脉冲重复周期内进行Chirp脉冲压缩；其次在脉冲压缩后进行脉冲重复周期之间的IDFT数字压缩处理，如图2。

图2 调频步进雷达信号处理

可以看出，IDFT处理的输出是一离散sinc函数，时间分辨力为1/N∆f，速度分辨力1/NTr，距离分辨也增加了N倍。

合成距离包络法在脉间IDFT变换后，需要进行距离像的提取、拼接和重现［11］，而此过程较为繁复，且容易出现假目标，针对这一问题，首先对子脉冲进行脉冲压缩，再将脉组内子脉冲的脉压结果进行频移，求和累加实现频谱拼接；或者先拼接后脉压，最后对频谱作IFFT就可以获得合成后的一维距离像［12～13］。

频域带宽合成方法的主要步骤为

Step 1：载频增量∆f满足略小于雷达的瞬时带宽Bn，选择m个雷达中心频率 f1,f2,…,fm；

Step 2：从t=t0时刻采样，选取采样率为Fs≥Bn，则对应的雷达子带信号为sf1(t),sf2(t),…,sfm(t)；

Step 3：进行FFT，得到对应的频域数据 sf1(t),sf2(t),…,sfm(t)；

Step 5：子带拼接，得到合成后的频谱Scom(f)；

Step 6：脉冲压缩。将合适的压缩滤波器与Scom(f)相乘；

Step 7：最后，进行IFFT，得到时域信号。

3 仿真结果与分析

在同一宽带相控阵雷达系统下，通过以下仿真，比较了直接发射大时宽带宽积信号，即线性调频信号与采用频域带宽合成法，即发送总带宽相同的步进调频信号这两者之间所成的一维距离像。图3为子带拼接的频谱，通过图4（a）可以明显看出，两者距离像大体上吻合，通过图4（b）可以看出，带宽合成后，主副瓣比约为-20dB，距离分辨力也明显大于直接发射大时宽带宽积信号时的距离分辨力；直接发射未合成，主副瓣比约为-45dB。

图3 子带拼接的频谱

图4 直接发射线性调频信号与采用频域合成法所成一维距离像的对比

4 结语

针对采用步进调频信号的宽带相控阵雷达，首先分析了回波信号的模型，针对其特点，分别进行了合成距离包络法和频域带宽合成法的处理，并通过仿真实验，对比了频域合成法和直接发射线性调频信号这两种方法下的一维距离像。结果表明，采用频域带宽合成法时雷达具有更强的距离分辨力，但同时也使得副瓣电平升高，接下来的工作将致力于降低采用这一方法时的副瓣电平。