现代雷达信号处理技术及发展趋势

1、现代雷达信号处理技术及发展趋势摘要：自二战以来，雷达就广泛应用于地对空、空中搜索、空中拦截、敌我识别等领域，后又发展了脉冲多普勒信号处理、结合计算机的自动火控系统、多目标探测与跟踪等新的雷达体制。随着科技的不断进步，雷达技术也在不断发展，现代雷达已经具备了多种功能，如反隐身、反干扰、反辐射、反低空突防等能力，尤其是在复杂的工作环境中提取目标信息的能力不断得到加强。例如，利用雷达系统中的信号处理技术对接收数据进行处理不仅可以实现高精度的目标定位与跟踪, 还能够在目标识别和目标成像、电子对抗、制导等功能方面进行拓展, 实现综合业务的一体化。一、 雷达的起源及应用雷达，是英文Radar的音译，源于r

2、adio detection and ranging的缩写，意思为"无线电探测和测距"，即用无线电的方法发现目标并测定它们的空间位置。因此，雷达也被称为“无线电定位”。雷达是利用电磁波探测目标的电子设备。雷达发射电磁波对目标进行照射并接收其回波，由此获得目标至电磁波发射点的距离、距离变化率（径向速度）、方位、高度等信息。雷达最为一种重要的电磁传感器，在国防和国民经济中应用广泛，最大特点是全天时、全天候工作。雷达由天线、发射机、接收机、信号处理机、终端显示等部分组成。雷达的出现，是由于二战期间当时英国和德国交战时，英国急需一种能探测空中金属物体的雷达（技术）能在反空袭战中帮助

3、搜寻德国飞机。二战期间，雷达就已经出现了地对空、空对地（搜索）轰炸、空对空（截击）火控、敌我识别功能的雷达技术。二战以后，雷达发展了单脉冲角度跟踪、脉冲多普勒信号处理、合成孔径和脉冲压缩的高分辨率、结合敌我识别的组合系统、结合计算机的自动火控系统、地形回避和地形跟随、无源或有源的相位阵列、频率捷变、多目标探测与跟踪等新的雷达体制。后来随着微电子等各个领域科学进步，雷达技术的不断发展，其内涵和研究内容都在不断地拓展。雷达的探测手段已经由从前的只有雷达一种探测器发展到了红外光、紫外光、激光以及其他光学探测手段融合协作。还有一种精神感应雷达，该雷达能够对人类在脑电波起反应，对人体的生命迹象进行感知。

4、当代雷达的同时多功能的能力使得战场指挥员在各种不同的搜索/跟踪模式下对目标进行扫描，并对干扰误差进行自动修正，而且大多数的控制功能是在系统内部完成的。自动目标识别则可使武器系统最大限度地发挥作用，空中预警机和JSTARS这样的具有战场敌我识别能力的综合雷达系统实际上已经成为了未来战场上的信息指挥中心。雷达的优点是白天黑夜均能探测远距离的目标，且不受雾、云和雨的阻挡，具有全天候、全天时的特点，并有一定的穿透能力。因此，它不仅成为军事上必不可少的电子装备，而且广泛应用于社会经济发展(如气象预报、资源探测、环境监测等)和科学研究(天体研究、大气物理、电离层结构研究等)。星载和机载合成孔径雷达已经成为

5、当今遥感中十分重要的传感器。以地面为目标的雷达可以探测地面的精确形状。其空间分辨力可达几米到几十米，且与距离无关。雷达在洪水监测、海冰监测、土壤湿度调查、森林资源清查、地质调查等方面也显示出了很好的应用潜力。二、 雷达信号处理技术信号处理是雷达完成信号检索和信息提取功能所采取的实施手段，是现代雷达系统的核心研究内容之一。在实际应用中，利用雷达系统中的信号处理技术对接收数据进行处理，不仅可以实现高精准的目标定位和目标跟踪，还能够将目标识别、目标成像、精确制导、电子对抗等功能进行拓展，实现综合业务的一体化，从而为后续军事行动的实施提供技术上的支持。雷达信号处理主要集中在通信和电子对抗两方面。在通信

6、方面，雷达信号处理需要通过调制、编码等技术对通信信号进行处理，以提升无线信号的可靠性，和随机性，降低其被识别的概率，增强其抗噪声、抗干扰以及抗衰落等性能，保证信号可被准确识别和处理。在电子对抗方面，雷达信号处理需要利用其前端设备输出的脉冲信号流进行信号识别、参数估值以及信源识别，获取雷达系统关注的信号时候别结果为后续其他设备和作战计划的应用提供支持。1、雷达信号处理内容雷达信号处理是雷达系统的主要组成部分。信号处理消除不需要的杂波，通过所需要的目标信号，并提取目标信息。内容包括雷达信号处理的几个主要部分：正交采样、脉冲压缩、MTD和恒虚警检测。正交采样是信号处理的第一步，担负着为后续处理提供高

7、质量数据的任务。采样的速率和精度是需要考虑的首要问题，采样系统引起的失真应当被限定在后续信号处理任务所要求的误差范围内，直接中频数字正交采样是当代雷达的主要技术之一。脉冲压缩技术在现代雷达系统中得到了广泛的应用。脉冲压缩雷达既能保持窄脉冲雷达的高距离分辨力，又能获得脉冲雷达的高检测力，并且抗干扰能力强。现在，脉冲压缩雷达使用的波形正在从单一的线性调频发展到时间、频率、编码混合调制，在尽可能不增加整机复杂度的条件下实现雷达性能的提升。杂波抑制是雷达需要具备的重要功能之一。动目标指示与检测是通过回波多普勒频移的不同来区分动目标和固定目标，通过设计合理的滤波器（组），就可以把目标号和杂波分开。一个完

8、备的杂波抑制系统MTD、杂波图、CFAR检测等技术的综合应用，实现从杂波和噪声环境中检测目标任务。2、雷达信号处理关键技术 目标识别技术雷达目标识别（RTRRadar Target Recognition）是指利用雷达对单个目标或目标群进行探测，对所获取的信息进行分析，从而确定目标的种类、型号等属性的技术。1958年，D.K.Barton（美国）通过精密跟踪雷达回波信号分析出前苏联人造卫星的外形和简单结构，如果将它作为RTR研究的起点，RTR至今已走过了四十多年的历程。目前，经过国内外同行的不懈努力，应该说RTR已经在目标特征信号的分析和测量、雷达目标成像与特征抽取、特征空间变换、目标模式分类

9、、目标识别算法的实现技术等众多领域都取得了不同程度的突破，这些成果的取得使人们有理由相信RTR是未来新体制雷达的一项必备功能。目前，RTR技术已成功应用于星载或机载合成孔径雷达（SARSynthetic Aperture Radar）地面侦察、毫米波雷达精确制导等方面。但是，RTR还远未形成完整的理论体系，现有的RTR系统在功能上都存在一定的局限性，其主要原因是由于目标类型和雷达体制的多样化以及所处环境的极端复杂性。现代雷达技术不仅能够对遥远的目标进行探测和定位，还能够完成对目标的分类和识别，这就是雷达目标识别技术。这种技术是利用雷达和计算机对遥远目标进行辨认，首先会对回波当中的各项指标进行分

10、析，包括频谱和幅度等指标的特点，在分析之后，采用数学当中的多维空间算法，对目标的各项物理特征参数进行确定，并且在此基础上，综合各项函数，最终做出识别判决。雷达的主要功能是发现目标和测量目标坐标和运动参数。但是，对于火力控制（火炮、导弹）和指挥决策来说，了解目标的性质也是十分重要的。目标识别是指判断目标是什么类型的目标，如区分飞机是轰炸机，还是战斗机；区分车辆是履带车辆还是轮式车辆；指出飞机和军舰的型号；从众多假目标中识别真目标；以及从SAR图像中识别机场、港口、交通枢纽等。 抗电子干扰技术雷达系统使用的是无线电磁波信号，而无线电磁波容易受到空间电磁环境以及防雷达侦察伪装技术的干扰和威胁，如设置

11、防雷达伪装网，产生屏蔽效应，掩盖真实目标，就会影响雷达的实际探测效果。因此，现代雷达系统在应用时必须要解决电子干扰问题，可以利用无源雷达探测，减少雷达本身的电磁辐射属性，提升自身的隐蔽性和系统的生存能力。现代战争中雷达面临着各种威胁和挑战，如电子干扰、反辐射导弹、低空突防和隐身目标等，直接影响着雷达的探测性能，甚至威胁到雷达的生存。这些威胁中电子干扰是现代雷达系统的主要威胁，而且很难找到彻底的解决办法。现代雷达虽然采取了许多先进措施来对抗电子干扰、隐身技术、反辐射导弹攻击、低空和超低空突防四大威胁，但仍然没有解决这个问题。与有源探测系统相比，无源雷达探测系统具有隐蔽性高、提取目标属性信息等多种

12、优点，且无源雷达本身不辐射电磁波，不易被敌方电子侦察系统探测到，从而具有抗干扰、抗反辐射导弹攻击等潜在的优势，因而系统的生存能力较强。 与天线有关的抗干扰技术雷达通过天线发射和接收目标信号，但同时可能接收到干扰信号，可以通过在天线上采取某些措施尽量减少干扰信号进入接收机。如提高天线增益，可提高雷达接收信号的信干比；控制天线波束的覆盖与扫描区域可以减少雷达照射干扰机；采用窄波束天线不仅可以获得高的天线增益，还能增大雷达的自卫距离、提高能量密度，还可以减少地面反射的影响，减小多径的误差，提高跟踪精度；采用低旁瓣天线可以将干扰限制在主瓣区间，还可以测定干扰机的角度信息，并能利用多站交叉定位技术，测得

13、干扰机的距离信息；为了消除从旁瓣进入的干扰，还可以采取旁瓣消隐和旁瓣对消技术；当采用阵列接收天线时，可通过调整各个阵列单元信号的幅度与相位，在多个干扰方向上构成天线波瓣的零点，从而减少接收干扰信号的强度。从电波与天线理论可知：接收天线能很好地接收与其极化方式相同的电磁能量，若极化方式不同，则会引起很大衰减。因此在设计天线时，采用变极化技术，使极化形式和目标信号匹配而与干扰信号失配，就能减少对干扰信号的接收。另外还可采用旋转极化对消、视频极化对消技术等。 与发射机有关的抗干扰技术对付噪声干扰的最直接办法是增大雷达发射机功率，结合高增益天线可以使雷达获得更大的探测距离，但该方法对箔条、诱饵、转发器

14、和欺骗式应答干扰等无效。对此，更有效的方法是使用复杂的、变化的、不同的发射信号，让电子支援（ESM）和电子干扰承受最大的负担。根据方法的不同可分为跳频法、频率分集或宽瞬时带宽信号。如果频率能在较宽的范围内随机跳变，使雷达不断跳到不受干扰的频率上工作，它的抗干扰能力就能得到增强。常用的方法有固定跳频和频率捷变，由于频率捷变信号的跳频速度很快（可达微秒数量级），因此它能使瞄准式杂波干扰机很难截获或跟踪雷达。对于阻塞式干扰机，由于很难以足够的功率覆盖整个雷达的跳频带宽，干扰效果有限。在雷达发射机平均功率相同的条件下，宽带频率捷变雷达是目前抗杂波干扰的较好体制。另外，开辟新频段，让雷达工作于更低或更高

15、的频段上，散布范围尽量大；还可以使雷达突然在敌干扰频段的空隙中工作，使敌方不易干扰。 与接收机有关的抗干扰技术当雷达遭遇强大干扰时，强干扰信号与目标回波信号一同进入雷达接收机，使其超出正常的动态范围，工作状态进入饱和状态，这称为过载现象。一旦接收机出现过载，雷达就处于盲视状态，失去监视目标的作用，所有的反干扰措施也都失去意义。因此，抗饱和过载是雷达抗干扰的一条重要措施。雷达常采用的抗饱和过载技术有宽动态范围接收机（如对数接收机、线性-对数接收机）、瞬时自动增益控制电路、“宽-限-窄”电路、检波延迟控制电路、快速时间常数电路、近程增益控制电路、微波抗饱和电路等。“宽-限-窄”抗宽带噪声调频干扰系

16、统包括：宽带放大器、限幅器和窄带放大器，综合利用了频域和时域抗干扰原理，多次“整削”宽带噪声调频干扰的能量，同时又充分保护目标回波信号能量不受损失，可极大地改善系统信干比，从而极大地降低雷达虚警概率、提高发现概率，因而是抗宽带噪声调频干扰的一种有效抗干扰技术。 与信号处理有关的抗干扰技术信号选择法信号选择法，是基于信号的已知参数（脉冲宽度、脉冲重复频率、幅度、频率、相位等）区分干扰信号，可分为幅度选择、时间选择、频率选择、相位选择等。幅度选择：根据雷达接收机输入端有用信号和干扰信号强度的不同，从干扰背景中分离出有用信号。当有用信号幅度大大超过干扰幅度时，可采用下限幅器，其输出仅在输入电压超过限

17、幅电平时才出现。在脉冲雷达系统中，除了下限幅器外，还可以采用脉冲电平选择器，它可以除去振幅超过有用信号的干扰脉冲。时间选择：在干扰背景下，脉冲信号的时间选择是以待选脉冲与干扰脉冲之间的时间位置（相位）、脉冲重复频率或脉冲宽度不同为基础的。在自动距离跟踪系统中，距离门选通电路就是根据脉冲位置的时间选择，它只允许预测距离门附近的信号通过，这不仅减小了信号处理量，而且消除了其他位置的噪声、干扰信号。脉冲重复频率鉴别电路是将接收机接收到的脉冲信号与基准脉冲比较，只有在时间上与基准脉冲信号重合的脉冲才能通过。脉宽选择电路，只让脉冲宽度处于事先确定范围内（大于、小于或等于给定值）的脉冲信号通过。脉冲重频鉴

18、别电路与脉宽选择电路对抑制相干脉冲很有用。频率选择：频率选择是以有用信号和干扰信号的频谱不同为基础的。如多普勒滤波器组是覆盖预期的目标多普勒频移范围的一组邻接的窄带滤波器。当目标相对于雷达的径向速度不同，即多普勒频移不同时，它将落入不同的窄带滤波器。因此，窄带多普勒滤波器组起到了实现速度分辨和精确测量的作用。另外，窄带多普勒滤波器组滤除了多普勒频带外的干扰信号，它是PD雷达中不可缺少的组成部分。相位选择：相位选择时，必须考虑所接收的有用信号和无线电干扰信号相位-频率特性的差别。这种选择是用相位自动频率微调系统来实现的，它可以完全抑制与基准信号相位正交的干扰，并且可以大大减小宽带噪声干扰在接收机

19、输出端的功率。在相位选择时，宽带噪声干扰影响的削弱，是由于噪声干扰中包含有相位与基准信号相同和正交的分量。抗欺骗性干扰当雷达遭遇欺骗干扰时，雷达接收机应当采取特殊的抗干扰措施。对抗距离欺骗干扰时，常用记忆波门法、幅度鉴别、用速度代替距离变化率法、重频捷变以及脉冲前沿跟踪法；对抗速度欺骗干扰时，也有记忆波门法、用距离变化率代替速度法、变发射脉冲周期法；对抗角度欺骗干扰则可采用隐蔽锥扫体制、单脉冲测角体制。脉冲前沿跟踪是利用雷达目标回波脉冲信号的前沿信息，实现对目标的跟踪（通常指的是距离跟踪）。为了保护运动平台本身，如飞机，在运动平台上载有自卫用的回答式干扰机施放的自卫干扰脉冲与平台本身的雷达回波

20、脉冲大部分重叠，而由于回答式干扰机在接收到雷达探测脉冲（此时已开始出现回波脉冲）到发射回答式干扰脉冲时不可避免的机内延迟（大约为50200ns）的存在，不能完全掩盖回波脉冲形成的回波脉冲前沿暴露。所谓脉冲前沿跟踪，就是利用这一暴露于回答式干扰脉冲之前的回波脉冲前沿实现对目标距离跟踪，从而对抗距离回答式干扰的。常见信号处理方法在抗干扰方面的作用积累：用积累技术抗噪声干扰的原理，是充分利用信号和噪声之间在时间特性和相位特性上的区别，来完成在噪声背景中对信号的检测。相参积累同时利用了信号的幅度和相位信息，信噪比提高较多。理想的相参积累，信噪比可以提高N倍（N为积累的脉冲数），但技术上实现比较困难。非

21、相参积累只利用了信号的幅度信息，而完全损失了相位信息，因此效果比相参积累差些。相关：相关是搜索、跟踪、制导或引信系统处在恶劣工作环境时采用的一种检测处理技术。它的依据是：收到的数据和它经过一定延迟以后的数据之间的联系或相关性（自相关），收到的数据与本机参考数据之间的联系或相关性（互相关），以及信号的其他任意组合之间的联系或相关性。其目的在于改善受干扰的雷达系统正常工作的能力，或开发利用自然干扰和敌方辐射信号的资源。恒虚警处理（CFAR）：现代雷达广泛采用恒虚警处理，其主要功能就是对云雨、气象杂波、地（海）杂波进行归一化处理，以提高雷达在各种干扰情况下的检测能力。雷达采用恒虚警处理，特别是采用两

22、道门限处理的方案，具有抗强噪声干扰、改善雷达显示背景和提高雷达信号处理的能力。动目标显示（MTI）：MTI是多普勒处理的一种类型，它可以在固定杂波中检测出动目标，其基本原理是利用目标和杂波的相对径向移动而产生的不同多普勒频率来滤除杂波。干扰源寻的（HOJ）：用于导弹制导接收机的抗干扰技术，它把由目标发出的干扰信号作为制导信号，也称为被动跟踪干扰源。采用干扰源寻的方式使敌方不敢轻易施放干扰，是一种最积极的抗干扰方式。被动测距：常用的被动测距方法有角速度测距、一部雷达或同其他雷达配合的三角测距方法、根据接收的回波信号强度增加的速率随21R（R为目标距离）变化测距等。除了上述的技术抗干扰措施，在实战

23、中采用数字信号处理电路，能够灵活选择和改变参数，可以提高雷达的可靠性，减轻重量、缩小体积、降低成本。采用新体制雷达，如频率捷变雷达、噪声雷达、无源雷达、红外雷达、激光雷达等，也是抗干扰的有效措施。 信号处理技术随着现代电子技术的不断发展，特别是数字信号处理技术、超大规模集成数字电路技术、计算机技术和通信技术的告诉发展，现代雷达信号处理技术正在向着算法更先进、更快速、处理容量更大和算法硬件化方向飞速发展，可以对目标回波与各种干扰、噪声的混叠信号进行有效的加工处理，最大程度低剔除无用信号，而且在一定的条件下，保证以最大发现概率发现目标和提取目标的有用信息。雷达信号处理的功能大致可以分为如下三类：（

24、1）信号产生：包括调制、上变频、倍频、合成、放大和波束形成；（2）信号提取：包括解调、下变频、分频、滤波、监测和成像；（3）信号变换：包括频率变换、A/D变换、相关、放大及延时。 脉冲压缩技术雷达装置脉冲压缩技术后，采取编码形式发射宽脉冲信号，并在接收器中经过匹配滤波器对回波进行处理，从而输出窄脉冲信号。脉冲压缩技术可以获得较大的时宽带宽信号，使雷达同时具有作用距离远、高测距、高测速精度和好的距离、速度分辨率的优点。同时，在密集的有源电磁环境中，雷达之间的相互干扰会成为严重的问题。采用脉冲压缩技术的雷达发射端可以采用不同的调制波形，接收端采用不同的匹配滤波器，从而减少了雷达之间的相互干扰。雷达

25、脉冲压缩技术在今后的应用中有着更为广泛的前景。它是提高现代雷达在未来战争中竞争力的重要手段之一，在整个雷达系统中，发挥着及其重要的作用，同时，脉冲压缩技术也是现代雷达信号处理技术的重要发展方向。雷达是通过对回波信号做一些相应的处理来识别复杂回波中的有用信息的。因此，波形设计有着相当重要的作用，不同的波形将影响雷达发射机形式的选择、信号处理方式、雷达的作用距离及抗干扰、抗截获等很多重要问题。现代雷达为了提高雷达发射机平均功率，往往采取了时宽很宽的发射脉冲，脉宽甚至达到了若干毫秒。由雷达的模糊函数的概念可知，雷达的距离分辨率和发射信号的有效带宽成反比，为了能达到要求的距离分辨力，必须提高发射信号的

26、有效带宽，常用的方法是采用脉冲压缩处理方式。脉冲压缩技术可以获得较大的时宽带宽信号，使雷达同时具有作用距离远、高测距、高测速精度和好的距离、速度分辨率的优点。同时，在密集的有源电磁环境中，雷达之间的相互干扰会成为严重的问题。采用脉冲压缩技术的雷达发射端可以采用不同的调制波形，接收端采用不同的匹配滤波器，从而减少了雷达之间的相互干扰。线形调频信号是一种典型的脉冲压缩信号，也是研究最早而又应最广泛的一种脉冲压缩信号。它具有对目标回波信号多普勒频移不敏感，技术较成熟等优点。但是为获得低副瓣，需要加权，这样会带来信噪比损失。在数字信号处理方法广泛应用之前，常采用模拟脉压方法。如今数字技术的不断提高使得

27、数字脉压正在取代传统的模拟脉压方法。数字脉压相当于FIR匹配滤波，滤波器系数就是对应于发射的调频信号的参考信号。脉冲压缩有基于时域相关法和频域FFT法两种方式。采用频域算法的优点是大时宽信号时间可采用高效FFT算法，大大减少运算量（时域FIR滤波器实现数字脉压，对于N点长度的信号，需要进行2N次复数乘法运算，而频域卷积法仅需要雷达脉冲压缩技术在今后的应用中有着更为广泛的前景。它是提高现代雷达在未来战争中竞争力的重要手段之一，在整个雷达系统中，发挥着及其重要的作用，同时，脉冲压缩技术也是现代雷达信号处理技术的重要发展方向。雷达脉冲压缩器的设计实际上就是匹配滤波器的设计。根据脉冲压缩系统实现时的器

28、件不同，通常脉冲压缩的实现方法分为两类，一类是用模拟器件实现的模拟方式，另一类是数字方式实现的，主要采用数字器件实现。传统的脉冲压缩一般用模拟器件实现匹配处理，如用具有频率色散特性的声表面波器件(SAWD)等。其缺点主要是滤波器频率响应(包括加权函数)已在制造过程中决定，不能做到灵活可变。对于同一个数字脉压滤波器，改变其参数即可改变它的脉冲响应。 脉冲压缩处理时必须解决降低距离旁瓣的问题，否则强信号脉冲压缩的旁瓣会掩盖或干扰附近的弱信号的反射回波，这种情况在实际工作中是不允许的。采用加权的方法可以降低旁瓣，理论设计旁瓣可以达到小于-40dB的量级。但用模拟技术实现时实际结果与理论值相差很大，而

29、用数字技术实现时实际输出的距离旁瓣与理论值非常接近。数字脉压以其许多独特的优点正在或已经替代模拟器件进行脉冲压缩处理。数字脉压技术可以用时域卷积法或频域快速卷积法实现。随着集成电路技术的不断发展，各种高速DSP芯片和各种专用FFT芯片的性能越来越好，使用越来越方便使得频域脉压法得到越来越广泛的应用。三、 雷达信号处理的发展趋势雷达信号理论形成于20世纪4050年代。Wiener1942年建立了最佳线性滤波和预测理论，North1943年提出了匹配滤波器理论，Urkowitz把匹配滤波器理论推广到色噪声场合，建立了“白化滤波器”和“逆滤波器”的概念。从此，人们对雷达信号形式及处理的认识上升到了一个新的高度，极大地推动了雷达技术理论的发展。进入90年代后，随着反辐射武器的发展，在雷达技术的发展和进步的同时，现代雷达所面临的挑战也逐渐严峻起来。现代雷达信号处理的发展趋势主要是以下几个方面。 推广数字化技术自从20世纪70年代数字技术进入雷达信号处理领域以来，雷达信号处理呈现出蓬勃发展的趋势。70年代以前，雷达信号处理技术主要采用模拟电路，这严重制约了信号处理的发展。例如，在雷达信号处理理论方面，“匹配滤波理论”，“傅里叶变换算法”早就提出，但在当时来说实现起来非常困难。就是现对简单的“一次对消”和“二次对消”等