预警飞机使用脉冲压缩雷达的工作原理

预警飞机雷达主要采用了两种体制：一种是脉冲压缩体制；另一种是脉冲多普勒体制。

雷达为了获得远距离警戒，就需要有高峰值功率的发射机，但是，大功率发射机到了兆瓦级的峰值功率后，实现起来比较困难。雷达的最大探测距离与雷达发射机脉冲能量的1/4 次方成比例，而脉冲能量等于峰值功率乘以脉冲宽度。当雷达发射机峰值功率到某一数值后，把发射脉冲宽度加宽也是提高雷达探测距离的一种手段，但是提高雷达发射脉冲宽度后，雷达的距离分辨力降低，因为雷达的距离分辨力与1/2 脉冲宽度成比例。为了增加雷达的作用距离，应该增加脉冲宽度；为了提高雷达的距离分辨力，应该降低脉冲宽度。这是一对矛盾，为了解决这个矛盾，雷达设计师们想出了一种巧妙的解决方法，即脉冲压缩雷达的体制。脉冲压缩雷达发射宽脉冲增宽可以提高雷达的探测距离，利用相关处理后，将接收的回波信号变成窄脉冲，这又提高了雷达的距离分辨力。因此，这种雷达得到广泛的应用。

1.雷达探测距离与脉冲宽度的关系

雷达的最大有效探测距离为

式中　——雷达在自由空间的最大有效探测距离；

　　　θ——目标的仰角；

　　　g（θ）——地面对最大距离影响的函数，对米波雷达影响较大，厘米波以上的雷达影响很小；

　　　α——大气中的吸收系数。

若Rmax以m 为单位，则α 等于以分贝为单位的吸收系数乘以0.115。在厘米波段，α 取值不能忽略，必须用图解或其他适合的方法求解式 （3.1），求出Rmax。

对噪声很小的接收机来讲，宇宙干扰、工业干扰及大气干扰可降低雷达在自由空间的最大有效探测距离到50%。

雷达在自由空间的最大有效探测距离R′max，是假设雷达在自由空间没有外界干扰、没有大气吸收的最大探测距离。

在这种条件下，有

式中　a——某型雷达指示器的脉冲可见因数；

　　　k——玻尔兹曼常数，k=1.38 ×10-23 J/K；

　　　T——热力学温度（K）；

　　　 ——接收机噪声系数，理想的接收机与天线匹配时，=2。

经过推导后，在没有外界干扰和大气吸收的情况下，对大型战斗机或轻型轰炸机的最大探测距离为

式中　Et——发射机输出的脉冲能量（J）；

　　　Pt——发射脉冲峰值功率；

　　　 ——接收机输入噪声系数；

　　　——发射天线半功率点的增益；

　　　——接收天线半功率点的增益；

　　　Lt——接收天线馈线及开关的损耗系数（小于1）；

　　　Lr——发射天线馈线及开关的损耗系数；

　　　τ——脉冲宽度（s）；

　　　B——接收机有效宽度，Hz；

　　　F——脉冲重复频率，MHz；

　　　f——雷达工作载频，MHz；

　　　K1——与指示器类型、天线旋转速度、波束宽度及扫描种类等有关的系数；

　　　K2——与脉冲形状有关的系数。

式（3.4）中包括了雷达设计师们所能控制的影响雷达最大探测距离的所有因素。

脉冲能量Et应当尽可能大一些。加大发射脉冲宽度是增大有效探测距离的一种手段，脉冲压缩雷达就是采用加大发射脉冲宽度来提高雷达的有效探测距离的。

脉冲宽度τ 和接收机带宽B，在公式中，只是以τB 乘积的形式出现，当τB=1 时，雷达有效距离最大 （一般设计雷达时，τB=1.3）。当上述公式中的所有其他各因子均已确定时，则雷达最大探测距离随频率增高而减小。因此，一般远距离警戒雷达的载频选得较低，多数为P、L 波段。

根据式（3.4）的分析，在其他参数确定的情况下，增加发射脉冲宽度，确实能增大雷达作用距离。

2.脉冲压缩信号波形

对信号波形的要求如下。

（1）具有足够的能量，以满足探测距离的要求。

（2）具有足够的目标分辨力。

（3）对于不需要的回波，有足够的抑制能力。(www.xing528.com)

脉冲压缩雷达有较宽的脉冲宽度，具有足够的能量，在脉冲内，载波频谱比较宽，所以，工作频率是变化的。信号具有宽频谱，为精细地测量距离提供了条件。接收时利用匹配滤波器对回波信号进行处理，把宽脉冲压缩成窄脉冲。

以线性调频为例，分析脉冲的压缩。宽脉冲线性调频信号是根据模糊函数所揭示的原理设计的，是目前雷达中应用较广的信号形式，它既有较大的时宽，又有较大的频宽，所以，有良好的距离分辨力和径向速度分辨力。

线性调频信号的基本概念如图3.1 所示。

图3.1　线性调频脉冲图

（a）线性调频脉冲波形；（b）频谱的幅度特性；（c）频谱的相位特性

图3.1 （a）是一个以矩形脉冲包络的信号，宽度为tp。图3.1 （b）、（c）中，Δf 表示信号频率高端和低端的差值。在脉冲内，载波频率按线性规律变化，开始时频率高，然后呈线性降低 （也可以开始低，然后呈线性升高）。

线性调频信号的频率变化规律为

式中　ω0——未调制载波频率，ω0=2πf0；

　　　μ——频率调制指数。

相位的变化规律为

接收机收到线性调频信号后，要用匹配滤波器进行处理，把调频的宽脉冲压缩成窄脉冲，如图3.2 所示。

图3.2　匹配滤波器的压缩作用

假设滤波器是无损耗的，信号输入能量将全部输出，当输入的信号功率为Pi，输出的信号功率为P0时，则

式中，tp/τp为脉冲压缩比。在通常的线性调频雷达中，压缩比一般为30 至几百。

要保证压缩作用，匹配滤波器对不同的频率必须有不同的时延特性。上述线性调频信号，开始时频率高，结束时频率低。因此，滤波器对高的频率有较长的延时，对低的频率延时短，如图3.3 所示。

高频端与低频端的延时之差为

滤波器的相位特性为

式中　c——积分常数。

图3.3　线性调频信号参数和滤波器特性

（a）脉冲包络；（b）频率变化情况；（c）滤波器的时延特性

仔细选择频率调制指数μ 和延时系数k，可以使滤波器基本满足匹配，输出的压缩波形如图3.4 所示。

3.线性调频信号的产生

图3.4　压缩后的实际波形

图3.5　使用共轭滤波器的线性调频信号的收发系统

产生线性调频信号有两种基本方法：一种是有源法，利用压控振荡器产生调频波，而控制电压按所需要的调频规律变化；另一种是无源法，利用脉冲扩展滤波器产生线性调频信号。目前主要用无源法，如图3.5 所示。

设激励脉冲Si（t）的频谱为Si（ω），扩展滤波器的传递函数为H（ω），则接收以后，压缩滤波的传递函数为H*（ω），发射机的输出波形为

激励脉冲的选择应当使扩展以后的信号合乎线性调频的要求，比较合适的形式为

接收机中经压缩输出的信号为

sin x/x 形的激励脉冲可以用一个窄脉冲，它的频带大于Δf，把这个脉冲加在一个宽带为Δf 频率特性的矩形滤波器上，滤波器的相位特性是线性的，脉冲经过这样的滤波器后，将得到需要的波形。