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光脉冲压缩技术

  初期的脉冲雷达, 发射的是固定载频的脉冲,其距离分辨力反比于发射脉冲宽度。要增加作用距离,就要求加大发射脉冲宽度,这样必然会降低距离分辨力。雷达作用距离和雷达分辨能力正是雷达的两项重要性能指标。因此,必须解决这一矛盾。自从40年代提出匹配滤波理论和50年代初P.M.伍德沃德提出雷达模糊原理之后,人们认识到雷达的距离分辨力与发射脉冲宽度无关,而是正比于发射脉冲频带宽度。只要对发射宽脉冲进行编码调制,使其具有大的频带宽度,对目标回波进行匹配处理后就能获得分辨力很好的窄脉冲输出,即τ

  为发射脉冲频带宽度。根据这一原理,发射脉冲宽度和带宽都足够大的信号,雷达就能同时具有大的作用距离和高的距离分辨力,还可以使单一脉冲具有较好的速度分辨力。因为根据雷达模糊原理,速度分辨力与发射脉冲时宽τ

  可展宽脉冲内带宽的编码信号主要有调频编码和相位编码两类。调频编码又有线性调频、非线性调频和阶梯调频等形式(图1)。图中τ

  为发射脉冲的宽度。三种信号形式中以线性调频信号最为常用,因它易于产生和处理,加权后能得到低旁瓣,但是距离分辨力和信噪比有所损失。有的雷达采用某种特定形式的非线性调频信号,虽然信号产生和处理较复杂,但具有不加权就能获得低旁瓣和不损失信噪比的优点。阶梯调频的效果不如线性调频而且比较复杂,实际采用极少。

  相位编码在原理上虽有二相位编码和多相位编码等形式,但二相位编码在信号产生和处理方面简便易行,实际采用相位编码的雷达均用这种形式。图2为7位巴克编码,图中正码位表示相位0°,负码位表示相位180°。巴克码的优点是旁瓣小,但是人们尚未找到超过13位的巴克码。表中列出巴克码序列和主旁瓣比。另一种有用的二相位编码称为最长序列,因它可用回授移位寄存器输出所需要的最长编码。p

  信号的压缩处理可分为匹配滤波和相关积分两类,两种处理的效果是等价的。某些信号形式,如二相位编码,用相关积分法更易实现。但相关积分的主要缺点是必须在每个压缩后脉宽τ

  很小时,实际处理设备量就必须增多。用匹配滤波器对调频压缩信号进行处理比较方便。另外,匹配滤波在时域上是连续的处理,因此不需要在距离上分路。不论匹配滤波或相关积分,在具体实现时均可用数字或模拟方法。

  数字处理 60年代数字集成技术出现后,特别是70年代大规模集成电路商品化以后,许多雷达设计采用数字脉冲压缩处理。数码为二进制,数字脉冲压缩对二相位编码信号特别方便。采用脉冲线性调频的脉冲压缩雷达也可用数字处理技术(图4)。数字处理前先把高频信号与本振信号差拍成零中频。为了保持相位信息,零中频信号分为I和Q两个支路。频谱乘法器就是完成数字式的频域匹配处理而用的。数字处理的优点是:①具有灵活性,可以在计算机控制下快速改变发射波形,同时改变信号处理,使之与改变了的波形相匹配;②具有高的可靠性和精确性,可在只读存储器中存入合适加权,使脉冲压缩后的旁瓣极小。数字处理的缺点是对大带宽信号必须有极高的数字处理速度,解决这个问题尚存在困难。

  模拟处理 在脉冲压缩处理中已广泛应用的一种器件是声表面波器件。它是用换能器将电磁波能转换成声波,使声波在基体的表面传播。这种表面波称为瑞利波,具有非色散的性质。但只要把叉指换能器间隔按一定规律变化,就可制成色散延迟线)。当换能器受到电脉冲冲击时,在各对叉指间便产生波长为2d

  的声波。叉指对的排列使内侧的间隔小,因此内侧叉指对发送和接收的频率高,传播的路程短,高频延时小;外侧叉指对的间隔大,发送和接收的频率低,传播的路程长,低频延时大。控制叉指对的间隔,可使延迟线产生线性的或某种规律的非线性的色散信号(即调频信号)。色散信号的总带宽取决于叉指对的最小间隔d

  通常,性能先进的雷达除采用脉冲压缩技术外,还兼用其他可提高性能的技术,诸如单脉冲测角、动目标显示、脉冲多普勒效应、相控阵天线等。从原理上说,脉冲压缩能够与这些技术完全兼容。但在实际设计时,必须使雷达频率有足够高的短期稳定度和接收机有足够大的线性动态范围。否则,用脉冲压缩技术提高距离分辨力的优点将部分或全部丧失。

  在脉冲压缩信号的产生和处理方面, 数字方式和声表面波器件仍是最常用的两种方式。数字方式需要进一步加大可处理的带宽,这就要求研制速度更高的大规模集成电路。声表面波器件则须进一步加大脉冲宽度和降低器件的插入损耗。另外,70年代出现的电荷耦合器件也将在脉冲压缩技术中得到应用。但这种器件必须具有大的动态范围才能获得好的脉冲压缩效果。