（南京理工大学电子工程技术研究中心 南京，210094）
关键词：随机信号雷达；调频；调相；连续波雷达 1 随机信号雷达的发展过程
随机信号雷达是一种以微波噪声源作为其发射信号或信号调制形式的雷达。由于其发射信号的随机性，随机信号雷达具有十分优异的低截获概率性能（Low probability of intercept，LPI）和电子反对抗能力（Electronic counter countermeasure，ECCM），同时其模糊函数是理想的“图钉形”，还同时具有很高的无模糊测距、测速精度和良好的距离、速度分辨力。因此，早在60年代美国和欧洲的一些国家就对随机信号雷达给予了广泛的关注，相继发表了多篇关于随机信号雷达的文献［1］。60年代末期，美国Purdue大学最早研制了一部试验型随机信号雷达［2］。与此同时，法国的Carpenter教授讨论了工作在米波波段的相关法随机信号雷达［4］；荷兰也进行过相关法随机信号雷达的系统试验［3］。70年代中期，美国Minnesota大学的Kaveh教授发表了多篇关于随机交错脉冲随机信号雷达的文献［5］，已经开始试图将随机信号应用到脉冲体制的雷达当中，多项有关随机信号雷达的美国专利也被公布［6，7］。同时，英国London大学的Forrest等人也发表了关于固态随机信号雷达的研究报告［8］。从上面诸多论文和发明专利来看，自从60年代开始研究随机信号雷达体制以来，美国和欧洲各国对随机信号雷达的理论基础分析和试验样机的研制都开展了大量的工作，并取得了一定的成效。但是在当时，受到电子元器件的制造工艺和技术水平的限制，关于随机信号雷达的研究大多还仅限于理论分析阶段，随机信号雷达的研究也一度陷入低潮。80年代以来，随着电子技术的发展，各种固态微波器件和超大规模集成电路的出现给了随机信号雷达以实现的可能，国外对随机信号雷达的应用性研究逐渐增多，已经有一些将随机信号雷达用于地质勘探和微波成像的文献报道。
从70年代开始，作者对随机信号雷达的文献资料作了广泛的搜集和整理，在探测方法上作了多方面的研究（如相关法、反相关法、频谱法等）。当时针对其实现上的困难，我们在关键元器件（如微波延迟线、噪声源、大规模集成电路等）的性能分析和选取上也做了大量的工作。在这些基础上，作者先后研制成功了“随机调频连续波雷达”系统［9，10］、“正弦加随机调频连续波雷达”系统［11，12］、“随机二相码连续波雷达”［13，14］系统。本文将结合作者研制的这几种随机信号雷达系统对其实现方法和基本结构作出简要的分析和总结［16］。
2 随机信号雷达的实现方法
2．1 相关法
人们对随机信号雷达实现方法的研究首先就是从相关法开始的。相关法随机信号雷达的基本原理就是将参考信号的延迟与实际的回波信号进行相关和多普勒补偿（滤波），相关后的信号输出到多普勒滤波器组，由多普勒滤波器组输出的峰值可以求出目标的距离和速度。
相关法随机信号雷达又可以分为微波相关和视频相关两种。微波相关是由微波延迟线和包含混频功能在内的相关器来实现的，适用于调幅、调频和调相多种信号调制形式。视频相关则是由视频延迟线和相关器组成，相关器可以用模拟或数字的方式来实现，包含一个乘法器和低通滤波器。由于随机信号雷达的发射信号是随机调制的，其频带很宽，要实现对多个目标的测距就需要多个具有不同延迟范围的延迟线，这种宽频带的微波延迟线实现起来是很困难的，所以经常采用的是视频相关的方法。下面介绍的基于频谱分析的随机信号雷达实现方法也可以避免延迟线的使用。
2．2 频谱法
基于频谱分析的随机信号雷达的实现框图如图1所示。与相关法随机信号雷达不同，频谱法随机信号雷达将微波发射信号与回波信号相加后进行功率谱分析，当目标信号存在时，回波信号的功率谱密度将得到周期性的调制，调制频率正比于目标与雷达之间的距离。所以，采用频谱分析的方法测出这种调制频率也就得到了目标的距离信息。
尽管基于频谱分析的随机信号雷达的实现方法可以避免使用微波延迟线的困难，但它仍然存在着一些不足之处。例如镜像型假目标和干涉型假目标的存在会影响实际目标的检测，运动目标的多普勒频率也会对测距精度有很大的影响，这些问题至今还没有解决。
2．3 反相关法
反相关法随机信号雷达的实现框图如图2所示。
频率调制发射信号的瞬时频率为W0＋W（t）＝W0＋D·N（t），其中W0为载频，D为调制指数，N（t）为随机信号。而目标回波相对于发射信号的瞬时频率为W0＋W（t－τ）＝W0＋D·N（t－τ）。所以瞬时频率差为ΔW＝W（t）－W（t－τ）。由于N（t）是零均值高斯分布的随机变量，故ΔW也服从高斯分布。我们通过测量ΔW的均值就可以确定目标的距离。
随机信号N（t）的相关函数R（τ）如图3（a）所示，其反相关函数H（τ）的定义如下 其中N（f）为随机信号的功率谱密度。H（τ）的波形如图3（b）所示。随机信号N（t）的反相关函数H（τ）与瞬时频率差△W的均值之间为单调的函数关系，如下式所示 其中A是一个与特定的随机信号N（t）有关的常数。由于随机信号源的反相关函数H（τ）可以事先测出，所以实际使用中只需测出当时瞬时频率差的均值就可以求出实际的H（τ），根据H（τ）与延迟时间τ之间的函数关系就可以得到目标的距离。另外，反相关法随机信号雷达具有所谓的“空洞”特性，即零距离处无信号输出的特性，如图3（c）所示，限于篇幅，有关公式推导这里不再详述。 反相关法随机信号雷达也存在一些不足之处，例如它不具有距离的锐截止特性，运动目标的多普勒频率同样严重影响估计精度。
上面介绍的相关法和频谱法经常被用于连续波雷达。一般而言，连续波雷达的收发泄漏是普遍存在的一个问题，它严重影响了连续波雷达的远距离检测性能。下面将要介绍的正弦加随机信号调频连续波雷达在一定程度上可以压制连续波泄露的问题。当然要从根本上克服收发泄漏的缺陷，就必须采用截断后的准连续波信号，有关研究我们正在进行。
3 几种典型的随机信号雷达
3．1 随机调频连续波雷达
随机调频连续波雷达的实现框图如图4所示。它的发射信号是由随机信号源进行频率调制的，对于零距离处的目标，其回波信号与当前的发射信号是完全相关的，故理想情况下零距离处目标的回波经过混频相关处理后的频谱将是一根单一的谱线。随着目标距离的增加，回波与当前发射信号的相关性逐渐减弱，回波信号的混频输出频谱也将不断展宽。考虑到实际上目标可能具有一定的运动速度，将经过放大后的混频输出信号同时经过两个带通滤波器。第一个带通滤波器的通带范围为fdmin～fdmax，包括所有可能的运动目标引入的多普勒和一部分非相关信号。第二个带通滤波器的通带范围为fdmax～3fdmax，仅通过非相关信号。两个带通滤波器的输出经过功率包络检波后进行差分放大，由于两个功率检波的输出都是与目标的距离呈单调的关系，所以我们可以很容易地由差分放大的输出确定回波相关处理后的频谱宽度，从而得到目标的距离。两个功率检波器和差分放大器的输出曲线如图5所示。 随机调频连续波雷达具有良好的距离截止特性，但它很难测出目标的速度。由于连续波的收发泄漏问题，随机调频连续波雷达也很难进行远距离目标的检测。为了解决这个问题，我们又研制了正弦加随机信号调频连续波雷达，下面对此加以介绍。
3．2 正弦加随机调频连续波雷达
正弦加随机信号调频连续波雷达是以随机信号调频连续波雷达为基础的，它采用正弦信号与随机信号叠加在一起进行频率调制，两个带通滤波器的通带范围这里改变为（nfI＋fdmin）～（nfI＋fdmax）和（nfI＋fdmax）～（nfI＋3fdmax），其中fI为正弦信号的频率，n表示雷达回波信号的第n次谐波。通过数学推导可以知道，对于零距离处的目标，其正弦回波信号的第n次谐波（n≠0）总是等于零的，所以正弦加随机信号调频连续波雷达可以抑制零距离处的连续波泄漏问题，也就是说功率检波器和差分放大器的输出具有特殊的“空洞”现象，如图6（a～c）所示。正弦加随机信号调频连续波雷达的其他性能与随机信号调频连续波雷达基本相同，原理也相近，只是利用正弦信号频率调制造成的“空洞”特性巧妙地解决了连续波泄漏问题。 正弦加随机信号调频连续波雷达可以被用于近距离检测系统当中，某型航空软着陆系统就应用了我们研制的这种雷达系统。尽管正弦加随机信号调频连续波雷达可以在一定程度上克服连续波泄露的问题，但是它与随机信号调频连续波雷达一样，无法测量目标的速度。为了解决这个问题，我们进一步研制了一种更为理想的随机信号雷达——随机二相码连续波雷达。
3．3 随机二相码连续波雷达
随机二相码连续波雷达是一种相关法实现的随机信号雷达，它应用了视频延迟线的形式，其系统框图如图7所示。
与前面两种调频连续波雷达不同，随机二相码连续波雷达的发射信号是由Bernoulli试验产生的真正随机的二相码对发射信号进行0，π调相的。经过混频放大后，目标信号的回波由A／D变换器转变为数字信号，目标回波与延迟参考信号的匹配处理由一组并行脉压器组来实现。经过距离旁瓣压制，脉压器组输出的旁瓣能够被压低到－30 dB以下，可以达到实用的程度。最后由谱分析和恒虚警检测可以得到目标的距离和速度信息。 随机二相码连续波雷达具有理想的“图钉形”模糊函数，具有十分优异的低截获概率性能和抗干扰能力。由于其最大作用距离是由并行脉压器组的长度决定的，而最大可测量的多普勒频率是由单个脉压器的长度决定的，所以随机二相码连续波雷达解决了伪随机二相码连续波雷达不能同时测量远距离高速目标的矛盾。另外，通过灵活选择脉压器组和距离旁瓣抑制参数，随机二相码连续波雷达可以避免一般相位编码雷达中存在的多普勒敏感性的问题［15］。因此，随机二相码连续波雷达可以广泛应用于战场监视、空中交通管制等许多领域。
当然，连续波雷达普遍存在的收发泄漏问题同样也限制了随机二相码连续波雷达的远距离应用，为了从根本上彻底解决这个问题，我们在此基础上正在研制一种新型的随机信号连续波雷达，它是在随机码调相连续波的基础上进行随机截断，收时不发、发时不收，在具有随机二相码连续波雷达优良性能的同时又避免了收发泄漏的困难，现在已经接近完成。有关这种新型随机信号连续波雷达的情况我们将另文讨论，这里不再详述。
4 结束语
现代战场环境日益恶劣，现代战场上各种电子支援设备（ESM）、雷达截获接收机（RWR）、反辐射导弹（ARM）和隐身目标的使用，也对雷达的生存构成了严重的威胁。所以，雷达“四抗”性能的好坏已经成为衡量其在战场生存能力的标准。要想使雷达不 被敌方侦察到，从而避免反辐射导弹的打击，就必然要求雷达具有低截获概率（LPI）性能和电子反对抗（ECCM）能力。随机信号雷达其模糊函数是理想的“图钉形”，还同时具有很高的无模糊测距、测速精度和良好的距离、速度分辨力。由于其发射信号的随机性，它还具有常规雷达不能比拟的极低的截获概率和良好的电子反对抗性能。
但是，尽管随机信号雷达具有不少优异的性能，同时它还具有一些不足之处，综合考虑，我们认为随机信号雷达应当在以下几个方面进一步发展：
（1）数字技术由于其可靠的性能和灵活的功能已经被用于随机信号雷达当中。未来先进的数字信号处理技术，例如随机采样、谱分析、时频分析等，都将被用来进行随机信号雷达的信号处理，以进一步提高随机信号雷达的性能。
（2）为了拓展随机信号雷达的应用领域，必须使其能够用于中远距离应用当中。这样对于连续波雷达就必须解决收发泄露的问题，同时也应当对脉冲式的随机信号雷达进行研究。
（3）为了进一步增强随机信号雷达的低截获概率性能和抗干扰能力，应当研究具有多重随机性的随机信号雷达。
（4）雷达成像已经成为现代雷达必须具有的一项功能。因此有必要对随机信号雷达的成像方法及其特点进行研究。
随机信号雷达具有许多传统雷达不能比拟的优异性能。可以预见，随机信号雷达必将在未来战场上发挥越来越大的作用。 1 Horton BM．Noise－modulated distance measuring sys－tems［C］．Proc IRE，1959，49（5）：821～828
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随机信号雷达的发展.doc
