現代雷達信號處理幾個關鍵技術淺析

周文輝 李婕 戴靜

【摘 要】雷達信號處理是現代雷達系統的核心研究內容，其對雷達系統的性能和適用范圍具有重要影響。首先介紹雷達信號處理的一般概念和內容，然后對雷達信號處理關鍵技術進行闡述，最后對現代雷達信號處理的發展趨勢提出簡要分析。

【關鍵詞】雷達；信號處理；內容；關鍵技術；趨勢

雷達是利用目標對電磁波的反射或散射現象對目標進行檢測、定位、跟蹤、成像與識別。隨著電子器件與計算機技術的迅速發展，現代雷達信號處理技術正向著算法更先進、更快速、處理容量更大和算法硬件化方向飛速發展，可以對目標回波與各種干擾、噪聲的混疊信號進行有效的加工處理，最大程度地剔除無用信號，這都給現代雷達帶來根本性變革，使得各種雷達信號處理技術的理論與應用研究成為一大熱門領域。

一、雷達信號處理一般概念

（一）雷達信號處理目的

雷達的大多數用途可以分為檢測、跟蹤和成像。雷達發射一個受控的確定信號，在接收機輸出端測得該信號的響應，這個響應信號是幾個主要分量的疊加，而在所有這些分量中沒有任何一個是雷達設計者能夠完全控制的。主要的信息分量包括目標、雜波和噪聲，在有些情況下還包括干擾。雷達信號處理的目的就是對復合的信號進行處理，提取其中的有用信息，包括判斷目標是否存在，提取目標的特性，或者產生目標的雷達圖像。

（二）雷達信號處理條件

雷達信號處理的必備條件有兩項，一是雷達信號處理的理論和算法，包括實現功能的原理及信號處理采用的算法，信號處理算法是雷達系統的核心內容，其對現代雷達系統的功能實現具有決定性意義。二是實現雷達信號處理的硬件平臺，好的硬件平臺可以使雷達信號處理能夠應用更新、更復雜的算法，使雷達檢測、跟蹤、成像能力大大提高。

（三）雷達信號處理作用

雷達信號處理是雷達系統的核心部分，它的作用主要有三項，一是信號產生，包括調制、合成、倍頻和波束形成；二是信號變換，包括頻率變換、A/D變換、放大和延時；三是信號提取，包括解調、下變頻、分頻、濾波、檢測和成像等。

二、現代雷達信號處理內容

相比傳統雷達，現代雷達面臨更為復雜的工作環境和更為寬廣的應用需求，現代雷達信號處理既包含基于經典方法又包括不斷發展的脈沖壓縮、干擾抑制、目標檢測、目標識別等若干新技術，同時也包含針對新體制雷達，如相控陣雷達、無源雷達、高分辨成像雷達以及分布式雷達的信號處理。

三、現代雷達信號處理關鍵技術

（一）正交相干檢波技術

隨著數字電路技術的發展，數字信號處理技術在高性能雷達等系統中得到廣泛應用。在這些應用中，對接收通道的要求越來越高，數字正交相干檢波技術成為了提高現代雷達性能的重要技術之一。傳統的模擬正交接收機由于模擬器件的不一致性，且受環境溫度、電源電壓等影響較大，其I/Q通道存在較大的幅度和相位正交誤差，并因此嚴重影響雷達的整機性能。高速器件的發展使直接對低中頻信號進行采樣成為可能，其實現電路如圖1所示。

圖中載頻為f0的中頻信號，基于直接中頻采樣的數字正交相干檢波技術以采樣率fs對此中頻信號采樣后，用數字方法形成I/Q信號，采樣輸出的信號中包含了所需的有用信息，s（n）即為交替的I/Q雙通道信號，要得到標準的I/Q雙路信號，則需要經過后續的數字信號處理來實現。在欠采樣情況下保證信號的有用頻譜不發生混疊，并進行正交相干檢波。這樣得到的正交信號的一致性好、精度高，而且具有數字電路的其他優點，從而在很大程度上提高了系統性能，因此得到了廣泛的應用。

（二）脈沖壓縮技術

現代武器和現代飛行技術的發展，對雷達的作用距離、分辨力和測量精度等性能指標提出了更高的要求。為增加雷達系統檢測能力，要求增大雷達發射的平均功率。在峰值功率受限時，要求發射脈沖盡量寬，而為提高系統距離分辨力，又要求發射脈沖盡量窄，二者是一對矛盾。通常解決的方法是在發射機端發射時間展寬信號，信號內部進行必要調制，在接收端通過壓縮濾波器處理而產生窄時間脈沖，使雷達提高檢測能力的同時又不降低距離分辨力，這一過程稱為脈沖壓縮。作為現代雷達的重要技術，脈沖壓縮有效地解決了分辨力同平均功率間的矛盾，并在現代雷達中廣泛應用。

脈沖壓縮有基于時域相關法和頻域FFT法兩種方式。采用頻域算法的優點是大時寬信號時可采用高效 FFT算法，大大減少運算量（時域 FIR濾波器對N點長度信號需進行N2次復數乘法運算，而頻域卷積法僅需2Nlog2N次復數乘法運算）；采用專用FFT 芯片，可實現大壓縮比和最佳性價比。但在小壓縮比、距離單元數較大時，相對于時域脈沖壓縮法成本較高，運算過程較復雜。采用時域匹配濾波法，等效于求離散接收信號與發射波形離散樣本之間的復相關運算，這種方法在壓縮比較小時，電路簡單，實現方便。

（三）雜波抑制技術

雜波抑制是雷達需具備重要功能之一。雷達要探測的目標通常是運動目標，而目標往往存在于一些背景中，如云雨、地物、海浪以及敵方施放的金屬絲干擾等，這些背景的回波通稱雜波或無源干擾。當運動目標與雜波同時存在，對目標的檢測就變的困難。要正確探測目標，就要將雜波和運動目標分開。動目標顯示與檢測是通過回波多普勒頻移的不同來區分動目標和固定目標的，通過設計合理的濾波器，就可以把目標信號和雜波分開。一個完備的雜波抑制系統是動目標顯示MTI、自適應動目標顯示AMTI、動目標檢測MTD、雜波圖、恒虛警CFAR檢測等技術的綜合應用，實現從雜波和噪聲環境中檢測目標的任務。

（四）雷達成像處理技術

雷達成像作為一種全天候、全天時、遠距離信息獲取手段，主要采用合成孔徑方式實現，合成孔徑雷達和逆合成孔徑雷達是雷達成像發展過程中兩種最重要的應用，其基本原理相同，都是利用雷達發射寬帶信號獲得高距離分辨率，利用雷達和目標的相對運動獲得高的方位向距離分辨率。雷達成像在原理上雖然簡單，但要精確實現空變的二維濾波處理是比較復雜的。因此，要用算法來實現近似的空變二維濾波處理，主要有三方面：其一是根據成像質量的要求討論是否可以近似簡化；其二是在不能近似簡化的條件下探索易于實現的成像算法；其三是研究更高質量的成像算法以滿足更進一步的高要求。

雷達成像處理過程實質是二維濾波問題。信號距離向匹配濾波較容易實現，但方位向匹配濾波實現具有一定難度，因為同一目標回波包絡位置是隨雷達視角變化的，這一變化稱為距離徙動現象。距離徙動問題是各種成像算法所要解決的主要問題，圍繞此問題，各種各樣的雷達成像算法被提出來，主要有距離多普勒算法（Range-Doppler Algorithm，R-DA）、CS（Chirp Scaling）算法、距離徙動算法（Range Migration Algorithm，RMA）、極坐標格式算法（Polar Format Algorithm， PFA）、距離-多普勒-距離（Range-Doppler-Ranger）成像方法等。

四、現代雷達信號處理發展趨勢

傳統雷達所用信號為窄帶信號，其應用領域受限較大，而現代雷達系統使用寬帶信號、空時頻自適應處理、數據融合處理等技術可以有效拓展系統目標探測距離與精度，實現目標分類與成像。因此，現代雷達信號處理發展趨勢呈現三方面特點。

1.數字化處理。數字化處理要求信號處理算法更為豐富，集成度更高，信號處理速度也得到了極大提升。新技術的發展也可以為雷達信號處理算法提供更靈活、適應性更強的應用環境，使數據處理性能得以最大發揮。

2.多功能應用。雷達信號處理除了在軍事中應用外，還能夠在制導、氣象、航空等領域進行功能拓展。不同制式、功能、頻段的雷達協同工作能夠形成一體化系統平臺，將雷達系統應用到各個領域。

3.信號處理算法。信號處理算法是雷達系統的核心內容，其對現代雷達系統的功能實現具有決定性意義。自適應雜波對消、自適應干擾抑制、自適應頻率控制、自適應波形捷變、多維信號處理與融合等技術已經在現代雷達系統中得到廣泛應用，新的信號處理算法與理論也正逐漸被應用到雷達信號處理中，如模糊理論、神經網絡、遺傳算法、基于SAR 的圖形處理算法等。

五、結束語

由于近年來眾多新體制雷達和信號處理方法的不斷涌現，現代雷達分系統之間的界限已經逐漸模糊，信號處理的功能及相應的處理算法也在不斷豐富和發展。由于水平有限，本文無力深入涉及現代雷達信號處理的各個方面，僅僅對目前采用的若干新技術以及未來發展趨勢進行了粗淺的分析，以供后續研究參考。

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[6]趙晨光. 現代雷達信號處理及其發展趨勢探析. 通信技術，2014.04.

作者簡介：

周文輝，男，遼寧建昌人，漢族，碩士研究生在讀，工程師，主要研究方向為信號與信息處理。

戴靜，女，河北秦皇島人，漢族，河北聯合大學遷安學院，助教，主要研究方向為電氣自動化技術。