相干雷達(dá)與偽相干雷達(dá)解析

基本概念

如果任意兩個(gè)發(fā)射脈沖的相位是一致的，則稱雷達(dá)是相干的；也就是說(shuō)，從一個(gè)脈沖到下一個(gè)脈沖信號(hào)的相位是連續(xù)的，如圖（a）所示。

又由圖（b）可得，如果雷達(dá)能夠在一個(gè)脈沖末端的等相位波前和下一個(gè)脈沖前端的等相位波前之間保持整數(shù)個(gè)波長(zhǎng)，那么這就是相干性。

相干雷達(dá)第一個(gè)脈沖的初相可能是隨機(jī)的，但后序的脈沖和第一個(gè)脈沖之間的相位具有確定性。第一個(gè)脈沖初始相位的隨機(jī)性并不影響后序的信號(hào)檢測(cè)，因?yàn)闄z測(cè)前要進(jìn)行取模。

使用穩(wěn)定本機(jī)振蕩器（STALO）可以獲得相干性。如果雷達(dá)存儲(chǔ)了所有發(fā)射脈沖的相位，則可以稱它為接收時(shí)相干或準(zhǔn)相干。在這種情況下，接收機(jī)的參考相位通常是最近發(fā)射的脈沖相位。

多普勒頻移

相干性也指的是雷達(dá)精確測(cè)量（提取）接收信號(hào)相位的能力。由于多普勒表示接收信號(hào)中的頻移，那么只有相干的或接收相干的雷達(dá)才能提取多普勒信息。這是因?yàn)樾盘?hào)的瞬時(shí)頻率正比于信號(hào)相位的時(shí)間導(dǎo)數(shù)。即

式中， 是瞬時(shí)頻率， 是信號(hào)相位。例如，信號(hào)

式中，比例因子 ， 是一個(gè)常數(shù)相位。則得到瞬時(shí)頻率為

又 。則

式中第二項(xiàng)表示多普勒頻移。

發(fā)射機(jī)與相關(guān)波形

在脈沖雷達(dá)系統(tǒng)中，相干性描述了發(fā)射脈沖和接收脈沖之間的相位關(guān)系。如果它們之間的相位關(guān)系是恒定的，則認(rèn)為該雷達(dá)系統(tǒng)是相干（相參）的。在不一致的情況下，這些相移是統(tǒng)計(jì)分布的。

雷達(dá)是否相干取決于雷達(dá)發(fā)射機(jī)的類型。作為同一個(gè)發(fā)射機(jī)，工作在不同的雷達(dá)系統(tǒng)可以中，它們可以是相干的、部分相干的或非相干的。

單級(jí)振蕩式發(fā)射機(jī)雷達(dá)系統(tǒng)是不相關(guān)的，矩形脈沖調(diào)制器調(diào)制射頻信號(hào)時(shí)，每個(gè)連續(xù)脈沖串的起始相位是不同的，起始相位是與振蕩器啟動(dòng)過(guò)程相關(guān)的隨機(jī)函數(shù)。如下圖所示。

圖源自radartutorial

主振放大式發(fā)射機(jī)雷達(dá)系統(tǒng)是相干的。主控振蕩器的脈沖實(shí)際上是連續(xù)波上“切”下來(lái)的，如下圖所示。若鍵控開(kāi)關(guān)的時(shí)鐘是以振蕩器為時(shí)鐘基準(zhǔn)產(chǎn)生的，則脈沖是相干的。對(duì)于脈沖信號(hào)而言，所謂相干性（也稱為相參性），是指從一個(gè)脈沖到下一個(gè)脈沖的相位具有一致性或連續(xù)性。

只要主控振蕩器有良好的頻率穩(wěn)定度，射頻放大器有足夠的相位穩(wěn)定度，發(fā)射信號(hào)就可以具有良好的相參性，而具有這些特性的發(fā)射機(jī)就稱為相參發(fā)射機(jī)。其發(fā)射信號(hào)如下圖所示。

圖源自radartutorial

發(fā)射信號(hào)、本振電壓、相參振蕩電壓和定時(shí)器的觸發(fā)脈沖等均由同一時(shí)鐘基準(zhǔn)信號(hào)提供，所有這些信號(hào)之間保持相位相參性，這樣的發(fā)射系統(tǒng)稱為全相參系統(tǒng)。在相干條件下，高功率放大器由高度穩(wěn)定的連續(xù)射頻源驅(qū)動(dòng)，稱為波形發(fā)生器，如下圖所示。

圖源網(wǎng)絡(luò)

偽相干雷達(dá)

偽相干雷達(dá)是一類雷達(dá)。它們有時(shí)也被稱為“相干接收雷達(dá)”。在氣象學(xué)中，它們被稱為多普勒雷達(dá)。

偽相干雷達(dá)系統(tǒng)框圖如下圖所示。

圖源自radartutorial

由圖中我們可以看出，振蕩器（StaLo）受發(fā)射信號(hào)控制，同時(shí)作用于混頻器。

對(duì)任何多普勒雷達(dá)的要求都是相干性；即發(fā)射頻率與參考頻率之間必須存在一定的相位關(guān)系，用于檢測(cè)接收信號(hào)的多普勒頻移。

通過(guò)目標(biāo)信號(hào)與背景雜波和噪聲分量之間的相位差來(lái)檢測(cè)移動(dòng)物體。這種類型的相位檢測(cè)依賴于發(fā)射機(jī)頻率和接收機(jī)參考頻率之間的相干性。

如果發(fā)射機(jī)是一個(gè)單級(jí)振蕩式發(fā)射機(jī)，則脈沖的起始相位是隨機(jī)的。

在相干檢測(cè)中，在每個(gè)脈沖發(fā)射期間，與發(fā)射機(jī)同相鎖定的穩(wěn)定、連續(xù)參考振蕩信號(hào)與回波信號(hào)混頻以產(chǎn)生差值信號(hào)。由于參考振蕩器和發(fā)射機(jī)相位鎖定，回波可以在頻率和相位上與發(fā)射機(jī)進(jìn)行有效比較。從而取出其中的有用信息。

通過(guò)電路設(shè)置，非相干雷達(dá)裝置也能夠確定回波信號(hào)的相位位置。即使發(fā)射機(jī)以隨機(jī)相位開(kāi)始，通過(guò)受控阻尼振蕩來(lái)保存整個(gè)接收周期內(nèi)的相位（相當(dāng)于保存了發(fā)射脈沖的相位）以供參考，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)與接收信號(hào)的相干處理。

脈沖發(fā)射后，振蕩器繼續(xù)以該相移振蕩。當(dāng)下一個(gè)發(fā)射脈沖出現(xiàn)時(shí)才會(huì)終止這種相干性，這就是該過(guò)程也稱為“接收時(shí)相干性”的原因。

偽相干雷達(dá)系統(tǒng)相對(duì)于不相干雷達(dá)系統(tǒng)最重要的優(yōu)勢(shì)是能夠區(qū)分相對(duì)較小的差異速度（對(duì)應(yīng)于相位的微小差異），且其復(fù)雜度、成本又相較于全相干雷達(dá)具有優(yōu)勢(shì)。

偽相干雷達(dá)的缺點(diǎn)

偽相干雷達(dá)如今已退役，但一些較舊（或低成本）的雷達(dá)裝置仍在運(yùn)行。偽相干雷達(dá)的缺點(diǎn)可以總結(jié)如下：

鎖相過(guò)程不如完全相干系統(tǒng)準(zhǔn)確，這降低了 MTI（動(dòng)目標(biāo)顯示）改進(jìn)系數(shù)

偽相關(guān)雷達(dá)技術(shù)不能應(yīng)用于頻率捷變雷達(dá)。磁控管中的頻率變化依賴于腔體的機(jī)械調(diào)諧，它本質(zhì)上是一個(gè)窄帶設(shè)備

偽相關(guān)雷達(dá)不靈活，其不能輕易適應(yīng)傳輸信號(hào)的 PRF、脈沖寬度或其他參數(shù)的變化。這種變化在完全相干雷達(dá)中很簡(jiǎn)單，因?yàn)樗鼈兛梢栽诘碗娖綀?zhí)行

偽相關(guān)雷達(dá)系統(tǒng)也不可能執(zhí)行 FM 調(diào)制（這對(duì)于脈沖壓縮雷達(dá)來(lái)說(shuō)是強(qiáng)制性的）

偽相關(guān)雷達(dá)要想實(shí)現(xiàn)相關(guān)性，就必須接收到上一個(gè)脈沖回波才能發(fā)射新的脈沖（COHO 的鎖相僅適用于最后發(fā)送的脈沖）。如果目標(biāo)距離雷達(dá)很遠(yuǎn)，此時(shí)回波來(lái)自很遠(yuǎn)的距離，因此在發(fā)射第二個(gè)脈沖后會(huì)返回此類回波。但這類回波僅與第一個(gè)脈沖有關(guān)。這時(shí)回波的與振蕩器產(chǎn)生的參考信號(hào)不再是相參關(guān)系。此外，該回波會(huì)干擾下一回波信號(hào)的接收。

完全相干雷達(dá)

在完全相干雷達(dá)中，所有必要的時(shí)鐘、脈沖、門和頻率都來(lái)自主振蕩器的高度穩(wěn)定的振蕩，并與其振蕩同步。所有頻率都與這個(gè)主振蕩器具有固定的相位關(guān)系。

全相干雷達(dá)系統(tǒng)框圖如下圖所示。

圖源自radartutorial

圖中的框圖說(shuō)明了完全相干雷達(dá)的原理。其基本特征是所有信號(hào)均以低電平導(dǎo)出，輸出設(shè)備僅用作放大器。

所有信號(hào)都由一個(gè)主定時(shí)源生成，通常是一個(gè)合成器，它為整個(gè)系統(tǒng)提供最佳相位相干性。輸出設(shè)備通常是速調(diào)管、TWT 或固態(tài)。完全相干雷達(dá)沒(méi)有偽相干雷達(dá)的所有缺點(diǎn)。

全相干雷達(dá)的優(yōu)勢(shì)

多普勒頻率是較低音頻范圍內(nèi)的頻率。由于雷達(dá)照射在目標(biāo)上的時(shí)間很短，監(jiān)視雷達(dá)只能實(shí)現(xiàn)幾次脈沖命中目標(biāo)。這只是要測(cè)量的多普勒頻率的極少數(shù)（通常只有一個(gè)）脈沖周期。

這太少了，無(wú)法直接作為結(jié)果進(jìn)行測(cè)量。因此，雷達(dá)必須測(cè)量從脈沖到脈沖的相位變化以增加目標(biāo)回波的脈沖數(shù)，以此檢測(cè)多普勒頻率。

相干雷達(dá)系統(tǒng)最重要的優(yōu)點(diǎn)是即使回波信號(hào)的相移非常小也能檢測(cè)到，并且可以使用多普勒效應(yīng)來(lái)減少固定雜波的影響。相干雷達(dá)具有比非相干系統(tǒng)更好的信噪比。

總結(jié)

術(shù)語(yǔ)相干性在雷達(dá)中有與光學(xué)中不同的特征。在光學(xué)中，通常用相干長(zhǎng)度來(lái)表示。只有在相干長(zhǎng)度內(nèi)，才有可能發(fā)生干擾。

在完全相干雷達(dá)中，相干長(zhǎng)度實(shí)際上是無(wú)限長(zhǎng)的：可以將主振蕩器比作一個(gè)連續(xù)振蕩的偶極子。從這種持續(xù)振蕩中，只有一小部分總是被切割，然后用作傳輸脈沖。

發(fā)射機(jī)內(nèi)不可能出現(xiàn)不需要的相位跳躍和極性變化。例如，在衛(wèi)星雷達(dá)中，所有回波信號(hào)（來(lái)自相同距離）都是相互相干的，并且也與傳輸頻率相干，無(wú)論它們是否來(lái)自不同的脈沖周期；甚至不管它們是否來(lái)自以前的地球軌道。

本文參考《雷達(dá)系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)（MATLAB版）（第三版）》，有興趣的可以購(gòu)買書(shū)本幫助理解。

審核編輯 ：李倩