什么是相位編碼雷達(dá)？

在介紹LPI(低截獲概率)雷達(dá)之前，需要先解釋一下“互相關(guān)”的概念?！盎ハ嚓P(guān)”用來(lái)衡量信號(hào)間的相似性，我們以雷達(dá)信號(hào)為例，來(lái)說(shuō)明“互相關(guān)”的計(jì)算方法。

假設(shè)一個(gè)雷達(dá)向外發(fā)射了一個(gè)周期為20ns(PW=20ns)的正弦波信號(hào)，該信號(hào)只有一個(gè)周期，并等待其反射回波。圖1的上圖描述了這個(gè)發(fā)射信號(hào)。在實(shí)際應(yīng)用中，一個(gè)雷達(dá)向外發(fā)射一個(gè)脈沖信號(hào)，該信號(hào)中的正弦波包含多個(gè)周期，此時(shí)正弦波的周期更短。

假若在發(fā)出信號(hào)100ns后，雷達(dá)開(kāi)始收到反射回波，如中圖所示。假設(shè)雷達(dá)每600ns(PRI=600ns)發(fā)射一個(gè)脈沖，上圖和中圖分別描述了在600ns的時(shí)間窗口內(nèi)的發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)。

雷達(dá)無(wú)疑知道發(fā)射信號(hào)，因此通過(guò)計(jì)算發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)之間的互相關(guān)，從而判斷接收信號(hào)是否真的是反射回波。

“互相關(guān)”

計(jì)算互相關(guān)的步驟如下，首先將發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)逐點(diǎn)相乘，然后將乘積相加，得到一個(gè)互相關(guān)的點(diǎn);然后將接收信號(hào)移動(dòng)一個(gè)樣本(在這個(gè)例子中，我們假設(shè)每納秒測(cè)量一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn))，重復(fù)乘法-求和的過(guò)程，得到下一個(gè)互相關(guān)點(diǎn)。

以圖為例，在此過(guò)程中發(fā)射信號(hào)保持不動(dòng)，接收信號(hào)向右或向左移動(dòng)(根據(jù)圖中箭頭指示右邊為正方向，左邊為負(fù)方向)。當(dāng)上圖的第一個(gè)點(diǎn)與中圖的最后一個(gè)點(diǎn)重疊時(shí)，計(jì)算得到第一個(gè)互相關(guān)點(diǎn)。當(dāng)上圖和中圖不再重疊時(shí)，此過(guò)程就結(jié)束了。通過(guò)以上計(jì)算，我們就得到了發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)的互相關(guān)，如下圖所示，中心位置處的互相關(guān)性為零，在-100ns處有最大值，這意味著，在延遲100ns后，接收信號(hào)與發(fā)射信號(hào)相似。如果雷達(dá)是固定不動(dòng)的，我們可以假定發(fā)射信號(hào)經(jīng)過(guò)50ns到達(dá)目標(biāo)。雷達(dá)波的傳播速度為299,792,458m/s，目標(biāo)大約在15m之外。

當(dāng)然，在這個(gè)示例中，目標(biāo)距離雷達(dá)特別近，這并不現(xiàn)實(shí)。對(duì)于移動(dòng)的雷達(dá)或者移動(dòng)的目標(biāo)，雷達(dá)與目標(biāo)間的相對(duì)速度可通過(guò)多普勒頻移來(lái)估計(jì)，在確定目標(biāo)的距離時(shí)需要考慮相對(duì)速度。如果在雷達(dá)的探測(cè)范圍內(nèi)存在一個(gè)目標(biāo)，在自相關(guān)圖中，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)幅度明顯高于探測(cè)門(mén)限的峰值。

通過(guò)上文闡述的互相關(guān)的例子，我們了解到互相關(guān)的大小是由發(fā)射信號(hào)與反射回波乘積的和決定的，當(dāng)發(fā)射信號(hào)與反射回波完全重合時(shí)，將產(chǎn)生明顯的峰值。

因此，為了降低發(fā)射信號(hào)的功率使得偵察接收機(jī)不能感知到雷達(dá)的存在?？梢允褂玫凸β蚀竺}寬的雷達(dá)信號(hào)。由于信號(hào)的總能量保持不變，雷達(dá)仍然可以利用互相關(guān)性來(lái)探測(cè)目標(biāo)。雖然如此，該方法仍存在一個(gè)問(wèn)題。如果雷達(dá)信號(hào)的脈寬過(guò)長(zhǎng)，那么兩個(gè)目標(biāo)的反射回波就有可能重疊，從而無(wú)法區(qū)分。

因此，如果我們希望發(fā)射一個(gè)低功率、大脈寬的信號(hào)，就需要專(zhuān)門(mén)的雷達(dá)波形。這個(gè)技術(shù)被稱(chēng)作脈沖壓縮技術(shù)，使用這類(lèi)波形的雷達(dá)被稱(chēng)作脈沖壓縮雷達(dá)。

相位編碼雷達(dá)

最簡(jiǎn)單的相位編碼雷達(dá)只使用了兩種雷達(dá)波形，它們是具有相同頻率和幅度，但是相位相差180°的兩個(gè)正弦信號(hào)。將其中一個(gè)信號(hào)用1表示，另一個(gè)用0表示。這種信號(hào)被稱(chēng)為二進(jìn)制相移鍵控(BPSK)信號(hào)。

一個(gè)BPSK信號(hào)從0到1的變化速率，或者從1到0，被稱(chēng)作碼片速率。相位編碼雷達(dá)不是發(fā)射很長(zhǎng)的正弦信號(hào)，而是發(fā)射相位可能變化的、級(jí)聯(lián)的、短的正弦信號(hào)。例如，一部雷達(dá)利用剛剛提到的兩個(gè)正弦信號(hào)，可以發(fā)射序列為[1,1,1,1,1,-1,-1,1,1,-1,1,-11]的BPSK信號(hào)。

這個(gè)序列是一個(gè)13位的Barker碼。當(dāng)兩個(gè)信號(hào)不一致時(shí)，Barker碼能夠最大程度地減小信號(hào)自相關(guān)(即：一個(gè)信號(hào)與其自身的互相關(guān))的振幅。為了驗(yàn)證此效果，我們將單周期的雷達(dá)信號(hào)替換為13位Barker碼信號(hào)(PW=260ns)。大脈寬雷達(dá)信號(hào)的振幅減小了，所以大脈寬信號(hào)與小脈寬信號(hào)具有相同的能量，如圖所示。

從圖中可以看出以下幾點(diǎn)。首先，盡管大脈寬信號(hào)的振幅很小，但是Barker碼信號(hào)與其反射回波的互相關(guān)的振幅峰值出現(xiàn)在同一位置處。因此，盡管該雷達(dá)發(fā)射的是低功率信號(hào)，卻能以與脈沖雷達(dá)差不多的靈敏度進(jìn)行目標(biāo)定位。

再者，該雷達(dá)甚至在信號(hào)發(fā)射完畢之前就能接收到反射回波。因此，不同于之前討論的脈沖雷達(dá)，LPI雷達(dá)需要使用收發(fā)分離的天線，一個(gè)用于發(fā)射信號(hào)，一個(gè)用于接收信號(hào)。

由于接收天線與發(fā)射天線毗鄰安裝(以便接收天線能夠收到反射回波)，因此該雷達(dá)的發(fā)射功率不能太高，同時(shí)天線的旁瓣增益必須遠(yuǎn)小于主瓣增益。否則，接收天線將受到發(fā)射信號(hào)的干擾。正因如此，LPI雷達(dá)的探測(cè)范圍不是很遠(yuǎn)。

第三，在此例中，盡管發(fā)射信號(hào)的脈寬遠(yuǎn)大于脈沖雷達(dá)信號(hào)的脈寬(260ns vs. 20ns)，LPI雷達(dá)信號(hào)的互相關(guān)圖中出現(xiàn)了與圖1中一樣的尖峰。這意味著，盡管這是一個(gè)大脈寬的雷達(dá)信號(hào)，但是該信號(hào)仍然可以達(dá)到很好的分辨率來(lái)分離目標(biāo)。

為了測(cè)試相位編碼雷達(dá)是否能像使用短脈沖信號(hào)的雷達(dá)一樣分離兩個(gè)目標(biāo)，再次進(jìn)行了仿真分析。在此次仿真分析中，需要探測(cè)兩個(gè)目標(biāo)。對(duì)于脈沖雷達(dá)，在信號(hào)發(fā)射開(kāi)始后的第100ns收到第一個(gè)目標(biāo)的反射回波，第150ns收到第二個(gè)信號(hào)的反射回波，仿真結(jié)果如圖3所示。

由于脈沖雷達(dá)發(fā)射的是脈寬為20ns的信號(hào)，因此接收機(jī)清楚地看到兩個(gè)回波，在發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)的互相關(guān)圖中，也能清楚地看到兩個(gè)尖峰。對(duì)于相位編碼雷達(dá)，其發(fā)射信號(hào)的脈寬是260ns，兩個(gè)目標(biāo)的反射回波有重疊，如圖4所示。

然而，在互相相關(guān)圖中相同位置處也能清楚地觀察到兩個(gè)尖峰。這兩個(gè)簡(jiǎn)單的仿真示例說(shuō)明了使用大脈寬、低功率的信號(hào)的相位編碼雷達(dá)，能夠達(dá)到與短脈沖雷達(dá)一樣的距離分辨率和靈敏度。

相位編碼雷達(dá)給電子戰(zhàn)系統(tǒng)帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。期望通過(guò)探測(cè)到一個(gè)突增的接收信號(hào)來(lái)截獲雷達(dá)信號(hào)的方法已經(jīng)行不通了。一般而言，如果接收機(jī)知道發(fā)射雷達(dá)的信號(hào)，它可以利用相同的互相關(guān)原理來(lái)探測(cè)信號(hào)，積累后的信號(hào)能量比雷達(dá)接收到的信號(hào)能量大。然而，這種情況不太可能出現(xiàn)。

相位編碼雷達(dá)的類(lèi)型不止一種，本文只討論用兩種波形編碼的BPSK雷達(dá)信號(hào)。還有其它使用兩種以上波形的相位編碼雷達(dá)信號(hào)。

例如，正交相移鍵控(QPSK)信號(hào)使用了四種具有(0°，90°，180°，270°)相移的波形。BPSK信號(hào)仍有缺陷，其容易受到多普勒頻移的影響，多普勒頻移改變了回波信號(hào)的相位。

審核編輯：湯梓紅