“雷达原理”
作业报告
西安电子科技大学
2011年11月
摘要简单介绍了脉冲压缩技术的原理和类型，并对线性调频脉冲压缩进行了详细的分析推导。

引言
雷达是通过对回波信号进行接收再作一些检测处理来识别复杂回波中的有用信息的。

其中，波形设计有着相当重要的作用，它直接影响到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。

现代雷达中广泛采用了脉冲压缩技术。

脉冲压缩雷达常用的信号有线性调频信号和二相编码信号。

脉冲压缩雷达具有高的辐射能量和高的距离分辨力，这种雷达具有很强的抗噪声干扰和欺骗干扰的性能。

对线性调频信号有效的干扰方式是移频干扰(对二相编码信号较有效的干扰方式是距离拖引干扰。

1脉冲压缩简介
雷达的基本功能是利用目标对电磁波的散射而发现目标，并测定目标的空间位置。

雷达分辨力是雷达的主要性能参数之一。

所谓雷达分辨力是指在各种目标环境下区分两个或两个以上的邻近目标的能力。

一般说来目标距离不同、方位角不同、高度不同以及速度不同等因素都可用来分辨目标，而与信号波形紧密联系的则是距离分辨力和速度(径向)分辨力。

两个目标在同一角度但处在不同距离上，其最小可区分的距离称为距离分辨力，如图1．1所示，雷达的距离分辨力取决于信号带宽。

对于给定的雷达系统，可达到的距离分辨力为
B c r 2=δ
式中，c 为光速，B=f ∆可为发射波形带宽。

图1．1脉冲压缩雷达原理示意图
雷达的速度分辨力可用速度分辨常数表征，信号在时域上的持续宽度越大，在频域上的分辨能力就越好，即速度分辨力越好。

对于简单的脉冲雷达，B=f ∆=1／τ，此处，τ为发射脉冲宽度。

因此，对于简单的脉冲雷达系统，将有
τδ2c r =
在普通脉冲雷达中，由于雷达信号的时宽带宽积为一常数(约为1)，因此不能兼顾距离分辨力和速度分辨力两项指标。

雷达对目标进行连续观测的空域叫做雷达的探测范围，也是雷达的重要性能参数，它决定于雷达的最小可测距离和最大作用距离，仰角和方位角的探测范围。

而发射功率的大小影响作用距离，功率大则作用距离大。

发射功率分脉冲功率和平均功率。

雷达在发射脉冲信号期间τ内所输出的功率称脉冲功率，用Pt 表示；平均功率是指一个重复周期Tr 内发射机输出功率的平均值，用Pav 表示。

它们的关系为：
r av t T P =P τ
脉冲压缩(PC)雷达体制在雷达脉冲峰值受限的情况下，通过发射宽脉冲而获得高的发射
能量，以保证足够的最大作用距离，而在接收时则采用相应的脉冲压缩法获得窄脉冲，以提高距离分辨力，因而能较好地解决作用距离与分辨能力之间的矛盾。

在脉冲压缩系统中，发射波形往往在相位上或频率上进行调制，接收时将回波信号加以压缩，使其等效带宽B 满足τ1>>∆=f B 。

令B
10=τ，则 02τδc r =
式中，0τ表示经脉冲压缩后的有效宽度。

因此脉冲压缩雷达可用宽度τ的发射脉冲来获得
相当于发射有效宽度为0τ的简单脉冲系统的距离分辨力。

发射脉冲宽度τ跟系统有效(经压
缩的)脉冲宽度0τ的比值便称为脉冲压缩比，即
0ττ
=D
则
τ∙=B D
即压缩比等于信号的时宽一带宽积。

在许多应用场合，脉冲压缩系统常用其时宽一带宽积表征。

实现脉冲压缩的条件如下：
（1）发射脉冲的脉冲宽度与有效频谱宽度的乘积远大于1。

（2）接收机中必须具有一个压缩网络，其相频特性应与发射信号实现“相位共扼匹配”，
即相位色散绝对值相同而符号相反，以消除输入回波信号的相位色散。

脉冲压缩体制最显著的特点是：
（1） 它的发射信号采用载频按一定规律变化的宽脉冲，使其脉冲宽度与有效频谱宽度的乘
积B τ>>1，这两个参数基本上是独立的，因而可以分别加以选择来满足战术要求。

在发射机峰值功率受限的条件下，它提高了发射机的平均功率，增强了发射信号的能量，因此，扩大了探测距离。

（2） 在接收机中设置一个与发射信号频谱相匹配的压缩网络，使宽脉冲的发射信号(亦即
接收机输入端的回波信号)变成窄脉冲，因此保持了良好的距离分辨力。

这一过程就称之为“脉冲压缩"。

（3） 有利于提高系统的抗干扰能力。

对有源噪声干扰来说，由于信号带宽很大，迫使干扰
机发射宽带噪声，从而降低了干扰的谱密度。

对回答式干扰也由于采用了复杂的脉冲内调制，在信号的延迟、放大、转发过程会产生更大的畸变，从而得到一定的抑制，至于消极干扰， 则由于提高了系统的分辨能力，抗干扰性能也有一定的改善。

当然，采用大时宽带宽信号也会带来一些缺点，主要有：
（1） 最小作用距离受脉冲宽度B 的限制。

（2） 收发系统比较复杂，在信号产生和处理过程中的任何失真，都将增大旁瓣高度。

（3） 存在距离旁瓣。

一般采用失配加权以抑制旁瓣，主旁瓣比可达30dB ～35dB 以上，但将
有ldB ～3dB 的信噪比损失。

（4）存在一定的距离和速度测定模糊。

适当选择信号参数和形式可以减小模糊。

总之，脉冲压缩体制的优越性超过了它的缺点，已成为近代雷达广泛采用的一种体制。

2 脉冲压缩类型
1 脉冲压缩按发射信号的调制规律(调频或调相)分类，有以下四种：
（1）线性调频脉冲压缩；
（2）非线性调频脉冲压缩；
（3）相位编码脉冲压缩；
（4）时间频率编码脉冲压缩。

其中非线性调频脉压最大的优点是不需要加权，直接匹配滤波器输出后就具有很高的主副瓣比，但是对多普勒频移敏感，而且实现较为复杂。

线性调频信号是R.H.Dicke在1945年提出的。

线性调频信号是研究最早、应用最广泛的一种脉冲压缩信号。

在脉冲宽度内，信号的频率随时间作线性变化。

线性调频信号的最大优点是匹配滤波器对回波信号的多普勒频移不敏感，也就是说，即使回波有比较大的多普勒频移，原来的匹配滤波器仍然能起到脉冲压缩的作用。

它缺点是会产生多普勒耦合时移现象，这不仅影响分辨力，而且影响测距。

因此，不能同时提供距离和速度的测量值。

相位编码脉冲信号是将宽度为T 的长脉冲，分成N 个宽度为τ的子脉冲，子脉冲的相位依据不同的规律取值。

如果相位的取值仅限于0 和π两种，则为二相编码信号，否则为多相编码信号。

二相编码信号具有图钉型模糊函数，因而具有良好的邻近目标的距离和速度分辨力及测距、测速精度。

与线性调频信号相比，它不存在距离和多普勒耦合，不存在测值的多值性问题。

但这类信号的主要缺点是对多普勒频移的敏感性，当回波信号与匹配滤波器有多普勒失谐时，匹配滤波器将起不到脉冲压缩的作用。

因此，这类信号一般用于目标多普勒频移较窄的情况。

2脉冲压缩从信号的处理形式上看脉冲压缩系统有全模拟式脉冲压缩系统，数／模相结合式脉冲压缩系统和全数字式脉冲压缩系统。

下面重点讨论线性调频脉压原理。

3 线性调频信号
线性调频脉压的基本原理如图3.1所示。

图 3.1 线性调频脉冲压缩基本原理图
线性调频波形由宽度为T 的矩形发射脉冲组成，如图2.1(a)所示。

载波频率f 在
脉冲宽度内按照Δf = f 2 − f 1做线性增长变化，调制斜率μ= 2πΔf T ，如图3.1(b)
所示。

图3.1(c)为压缩网络的频率-延迟特性，按照线性递减变化，与信号的线性调频斜率相反，滤波器对线性调频信号中最先进入的低端频率f 1延时长(t d1 )，对经过T 时间最后进入的高端频率f 2分量延时短(t d 2 )。

这样，信号中不同频率分量通过这一滤波器后几乎同时到达输出端，从而获得幅度增大宽度变窄的脉冲信号，其理想包络如图3.1(d)所示。

根据图3.1(b)，有和，若信号的载波中心
角频率为ω0 = 2πf 0，则线性调频信号的角频率变化规律为
因而信号的瞬时相位为
则线性调频脉冲压缩雷达的发射信号为
其中，A 为信号幅度。

线性调频信号在D 很大时的频谱表达式为
设线性调频脉冲信号经匹配滤波后的输出信号为u o(t)，则其频谱U o(ω)为
则匹配滤波器输出的信号为
取实部，得
由于f 0 >> B，故输出信号的载波为
cos 2πf 0(t −t d)
而信号的包络为
3结论
本文对脉压技术进行了简单介绍，着重分析了线性调频信号的特点和实现原理，说明了脉冲压缩技术在雷达系统中的广泛应用和重要地位。

参考文献
[1] 黄鹏刚，线性调频信号产生及压缩技术研究[D]，西安电子科技大学，2000年
[2] 林茂庸，柯有安. 雷达信号理论. 北京：国防工业出版社, 1984年
[3] 丁鹭飞，耿富录. 雷达原理.西安电子科技大学出版社，1995年。