波形分集及其在合成孔径雷达技术中的应用

孟祥磊

摘要雷达是一种使用电磁波进行检测和测距的系统。作为雷达探测工作的媒介，电磁波在雷达系统中起着关键的作用。在实际的波形设计中，距离分辨率和多普勒分辨率的设置需要一定的权衡以适应实际系统的要求。由于模糊函数的限制以及发射机硬件的限制，在传统雷达中，发射端的雷达波形是大多是固定的，不能根据雷达的功能和使用环境自适应优化；在接收端，通常需要做复杂的信号处理来提高雷达的性能。近年来，波形分集的概念在雷达领域中受到了空前的重视。雷达可以通过在发射端发射多样的波形来提高其性能而不是仅限于发射固定的波形。

关键词波形分集合成孔径雷达

1．引言

随着雷达技术的发展，雷达可以通过在发射端发射多样的波形来提高其性能而不是仅限于发射固定的波形。传统雷达以及波形分集雷达的比较参照图1。图1-(a)中，传统雷达具有固定的发射波形，图1-(b)中，波形分集雷达具有一个‘波形库’(WaveformSet)，可以自由地根据需要选择合适的波形。波形分集通常就是指这种在发射端可以使用多样波形的技术。

图1波形分集概念示意图

近年来，波形分集的概念在雷达领域中受到了空前的重视。波形分集研究的兴起，从根本上来讲是受到两方面的驱动。第一个方面是雷达使用范围的日趋广泛化、雷达功能的日趋多样化和使用环境的日趋复杂化。从雷达发明至今，其应用已经从军用扩展至军民两用。雷达不仅用来进行防卫上的预警和侦察，也用于自然环境和资源的监测和勘测。雷达不仅用于战机作战，也用于汽车的防撞。雷达功能也不止是目标的检测和测距，还有目标的分类，辨识；以及这些功能从单目标环境向多目标环境的发展。先进的雷达可能要求雷达多功能的一体化：在单部雷达可以同时具备以上几种功能。同时，今日的雷达面临更加复杂的电磁环境。这不仅是因为在非战地环境中商用通信和广播的活跃以及各种射频电子器件的应用，也因为在战地环境中人为电子干扰技术的不断提高。为了满足来自于上述各方的不断提高的要求，仅仅在接收端的复杂处理已经不能达到目的，迫切地需要在发射端上增加自由度来提高雷达的性能。而发射端自由度的增加主要就来自于波形分集。第二个方面是电子器件技术上的突破使得原先很多技术以及成本等诸多限制得以解决。比如说，线性放大器以及任意波形发生器的产生大大解放了对波形要求的限制，而且其成本也能达到一般的商用要求。

通过波形分集，雷达不但在接收端实现最优处理，而且在发射端实现最优处理：雷达可以根据功能要求，产生与场景相匹配的最优波形以获得最优的预期性能。进一步，通过发射和接受的联合处理，可以得到一个闭环最优处理机制使雷达成为具有认知功能的机器。可以说，波形分集将使雷达技术的发展实现新的突破。

2．波形分集的优点

波形分集的优点在概念上是十分直观的。固定的波形不能根据场景以及雷达操作模式的改变而改变。这种情况下，一般会考虑一种或者几种保守的波形：在各种情况下都可以使用但不能保证是最优的。在波形分集的情况下，雷达可以根据场景以及操作模式的改变不断地调整发射波形的形式以取得相应的最优或者接近最优的性能。

在传统的单输入信号雷达系统中（雷达使用一个信号进行探测），波形分集可以使雷达具备‘场景匹配的能力’，通过选用最优波形提高一些性能，比如说检测，估计和识别。当然，在一些情况下，波形分集是需要更多先验知识来支持的。更多的先验只是可以让波形更好地跟功能相匹配。如同MIMO(Multiple-InputMultiple-Output)通信一样，最新地雷达理论允许雷达系统使用多输入信号，同时辅以多输出地处理。这种雷达体制是MIMO雷达。使用MIMO雷达，不但波形分集在传统单输入信号雷达系统中的优点可以保持，还可以应用更高级的波形分集技术实现性能地进一步提高。通过发射多个可分离的独立波形，雷达在接收端可以使用匹配滤波器组得到更多的独立观测。这样，雷达系统就具有更多的自由度。更多的自由度可以使雷达系统有更好的检测和估计性能、分辨性能。一个简单的例子。假设一个单基地相控阵雷达有5个发射阵元用于发射5个独立波形。同时假设接收阵元数目是10。通过在接收端使用匹配滤波器组，每一个接收阵元都可以得到5个独立的观测。这样，雷达接收端就可以形成最多到50个独立观测（独立观测的数目依赖于发射以及接收阵元的配置）。而在单输入信号雷达系统中，相同的独立观测数量需要50个阵元。在一个分布式的MIMO雷达中，使用波形分集（空间分集＋调制），不同的发射-接收对可以从不同的角度观测目标区域。这样，总的雷达回波就会避免由于目标散射所引起的信号的起伏，从而有效的提高雷达的检测性能。

3．波形分集在普通雷达中的应用

尽管波形分集的优点在很早以前（上世纪中叶）就被研究者所认识，但是一直到近年来才受到足够的重视。主要原因在于硬件的限制以及信号处理复杂度直到今日才得以克服。尽管如此，一些简单的波形分集的概念和应用却是由来已久的。

在早期的监测雷达中，慢时间上的分集技术已经得到应用。这种技术是利用多脉冲重复频率来抑制距离模糊。其基本思想是，使用变化的脉冲重复频率对目标进行探测。这样，不同的脉冲重复频率会造成不同的模糊距离。同时，由于目标的真实距离是固定的，就可以采用类似‘中国剩余定理’(ChineseRemainderTheorem)来解除模糊从而得到目标的真实距离。

在HFSWR雷达系统中，基于频率的波形分集技术也得到应用。在单一频率信号的情况下，目标回波的多普勒频率经常被Bragg信号所淹没从而造成目标的漏警。但是，如果使用双频率，即使在其中一个频率下，目标的回波被Bragg信号淹没，在另外一个频率下，目标的回波仍然可以得到分离。

另外一个领域就是目标分类。提高目标分类性能的最直观方法是提高雷达在距离或者多普勒域的分辨率。但是这方面的努力最终是受到雷达模糊函数理论的限制的。另外一种方法就是使用波形分集技术。入前文所述，在能够获得关于场景以及目标的一定信息的情况下，可以设计跟目标响应相匹配的波形来增加信号处理端的分类能力。另外，使用极化信息，也同样可以提高雷达系统的分类性能。

4．波形分集在合成孔径雷达中的应用

波形分集的概念在合成孔径雷达中的应用也越来越受到重视。通过在发射端利用空时波形分集并结合在接收端利用数字波束形成技术，合成孔径雷达的空间覆盖性能可以提高同时也可以保持分辨率。

通过空时波形分集，合成孔径雷达可以调整不同脉冲时刻的天线图指向，由此，可以产生许多优势：可以实现俯仰方向上的脉冲内波束方向指向（即：在同一脉冲内，可以依次形成多个窄波束共同连续覆盖一个更宽的成像区域，这样，通过适当的调整照射顺序，可以减小回波接收时窗的宽度从而减小数据量）；通过正交波形分集，可以在接收端得到更多的独立回波，这就意味着可以进一步降低系统的方位向采样频率；同时，通过正交波形分集，单个脉冲下，可以得到更长的虚拟阵列，较多的阵元数目将大大提高后续信号处理的能力，比如说干扰以及模糊的自适应抑制。

5．结论

波形分集的概念是近年来雷达技术领域的一个研究热点。本文主要讨论了波形分集的基本概念，波形分集的优点以及波形分集在普通雷达以及合成孔径雷达中的应用。通过波形分集，雷达不仅可以根据应用的目的和环境选择最优的波形，还可以使用多个波形，以获取更多的处理自由度来大大提高雷达的性能。

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