雷达技术应用论文文献4篇
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摘要：本文阐述了地质雷达技术的工作原理，介绍地质雷达技术的发展概况，重点介绍了该项技术在公路路面检测领域的应用方向，最后对该项技术在公路工程领域中的应用加以展望。
关键词： 地质雷达，路面检测，技术简述
Abstract: this paper expounds the working principle of geological radar, this paper introduces the development situation of geological radar, this paper introduces the technology in the road surface testing field application direction, finally to the technology in highway engineering application in the field of disadvantages.
Keywords: geological radar, the road test, this technology
中图分类号：X734 文献标识码：A 文章编号：
近年来，随着我国公路建设规模的不断增加，相关的质量检测任务日益加重。然而，公路路面结构的破坏常常始于各种隐蔽的或不可见的隐患，针对上述隐患检测的传统方法又不能及时、准确地检测及判断隐患的具体情况。这就使得路桥结构的维护针对性差、盲目性大，而真正的问题却得不到解决。20世纪80年代后期，地质雷达技术被应用到公路工程的检测领域，才为该类问题的解决打开了局面。
地质雷达技术简述
地质雷达(Ground Penetrating Radar，简称GPR)又称探地雷达、地面探测雷达，是用高频无线电波(频率一般介于1MHz～10GHz)来确定地下或者岩体介质分布状况的一种探测方法。地质雷达利用发射天线向地下或者岩体发射高频电磁波，通过接收天线接收反射回地面的电磁波，电磁波在介质中传播时遇到存在电性差异的界面时发生反射，根据接收到电磁波的波形、振幅强度和时间的变化特征推断介质的空间位置、结构、形态和埋藏深度。使用探地雷达对路面结构进行检测具有实时、简便、高效、准确、连续、信息丰富等特点。目前，该项技术已被广泛应用于公路工程质量控制及病害检测中。
1 工作原理
地质雷达的工作原理是利用宽频带发射天线过向介质发射无线波电磁脉冲，电磁脉冲在介质传播过程中遇到不同电性介质界面时会产生反射。由接收天线接收到反射信号后，将其传输到主机内并将转化为数字信息，再通过数据、图像分析处理，就能计算出被探测介质的某些参数，从而区分不同介质层面，并确定不同层面物体的深度。
对于不同介质，雷达波的穿透深度是不尽相同的，这主要取决于波的频率和地下介质的电学特性等因素的影响。一般地，频率越高，穿透深度越小;导电率越高，穿透深度越小，反之亦然。在常见的工程材料中，混凝土的导电率高于沥青，因此同样频率的雷达波在水泥中的穿透能力小于在沥青中的穿透能力。在实际应用中，需要针对检测对象材质的不同，采用不同频率的电磁波。例如，在实际检测工作中，探测沥青路面常常使用频率大于1 200MHz的天线，而对于水泥混凝土面层一般使用900MHz～1 000MHz的天线;探测路基可使用频率为300MHz～900MHz的天线。
2 发展概况
1910年，德国人Leimbaeh和Lowy首次阐明了地质雷达的基本概念。此后的很长一段时间里，地质雷达技术有了很大改进。但由于电磁波在地下介质中传播的复杂性和不均匀性，使得对地质雷达的研究它仅限于相对均匀、对电磁波吸收较弱的地质环境。1960年，John C. Cook等提出了采用雷达波探测地下介质层并开发了能够探测地下介质的雷达系统。上世纪70年代以后，随着电子技术及现代数据处理技术的迅速发展与应用，许多商业化的探地雷达系统先后问世，其应用范围不断扩大，极大促进了地质雷达技术在工程中的应用。我国针对地质雷达技术在工程领域的应用研究始于上世纪80年代。1983年，铁道部引进了第一台地质雷达。此后，各科研部门经过十几年的不断努力，在雷达硬件设备、目标信号提取、目标识别、目标成像等方面取得重大进展和突破，特别是成功地实现了对地下目标的三维层析成像，大大提高了分辨率和清晰度，使地质雷达在信号处理和成像技术方面进入了世界领先行列。目前在我国，地质雷达技术已经在军事、地质、水利、交通、城建等部门得到广泛应用。
3 在公路路面检测中的应用简述
地质雷达技术早期在公路工程检测领域中的应用主要是探测路面结构层的厚度。近几年，人们开始致力于研究应用地质雷达探测路面工程及其相关结构层的病害和缺陷，解决公路工程施工过程和使用期间中的工程问题。本文中通过使用瑞典MALA公司的地质雷达，结合工程实践，对地质雷达在检测路面结构中常见的应用做简单的介绍：
1)公路施工期：检测公路各结构层厚度和密度，及时监控施工质量，并做到在施工现场进行实时质量检测。图1是一段公路的雷达波形图，从图中可以清晰的看到道路的面层、上基层、下基层的分界线，可以由软件识别出指定桩号的各结构层(尤其是面层)层厚，为施工过程中的质量控制提供了有力保障。
2)公路使用期：使用地质雷达对公路定期进行快速、连续检测，结合路面外观普查。检测层间脱空、空隙和破碎区域范围，方便管理部门及时掌握公路质量变化情况，实施补救措施，并进行道路状况动态管理，为公路养护提供可靠的依据。图2方框中所示为新铺路面与原有旧路面结合处有填料不密实现象，图3方框中所示为路面与基层之间存在脱空或者高含水区域。
4 结论
地质雷达技术虽然是一项较为前沿的检测技术，但是以其独特的优越性，已经在公路工程施工及后期检测养护等领域得到广泛的应用。例如，在工程建设前期，可利用地质雷达对地质概况进行勘查探测，确定地质结构、查找不良地段;在工程建设过程中，利用地质雷达可以准确地探测出路面结构层的厚度，进而使施工质量得到保证;在工程的服役阶段，运用地质雷达进行常规例行检测，以便于及时发现可能存在的各种隐患，为工程结构的养护和维修提供指导以及，这对于延长使用工程结构的使用寿命具有重要意义。作为公路行业中新兴的一种高效先进的无损检测手段，地质雷达在未来将越来越普及，其应用范围和探测能力也将不断提高，对我国的公路建设管养事业具有重大意义。
篇(2)
摘要：探地雷达技术作为一种高效无损的电磁波法探测手段，其在淡水介质中电磁波的强穿透弱损耗性及仪器设备操作轻便易使用等特点使得其在探测淡水水道沉积物界面和沉积物富集体识别方面具备天然优势。基于此，利用探地雷达技术对松花江部分江体水道进行综合探测，研究水道沉积物界面分层和沉积物富集体的展布规律及范围。首先通过理论结合实际水域水文地质情况，分析探地雷达技术的可应用条件及特点;其次应用探地雷达技术对实际水道剖面进行探测，对不同地段水道探地雷达探测剖面数据进行反演计算及分析，判断该段水道水深、工程地质分层、地层厚度及沉积物富集体深度位置;最后结合探地雷达探测结果与浅层剖面仪声呐探测结果进行对比，验证探地雷达探测效果的准确性。结果表明：应用探地雷达对淡水水道各个沉积地层进行探测和分层的可行的，且探地雷达探测数据的离散性比浅层面仪声呐探测较小，置信区间大，采信度较高。
关 键 词：水道断面; 探地雷达; 异常分析; 沉积物界面; 沉积物富集体; 松花江
近年来随着社会经济的快速发展和人们对美好生活的日益追求，使得淡水河道清淤治理工作成为了一个迫在眉睫的问题。目前，大部分淡水河道工程治理的主要是采用河道淤积体环保疏浚的方法，环保疏浚前期需要对水道沉积物界面和沉积物富集体进行精确测定和准确探查，为后期的工程施工方式及工程预算提供重要的技术资料支持[1-2]。水道沉积物界面和沉积物富集体最常用的探测方法主要有放射性探测法、钻孔取样法和淤泥采样器法等。其中，钻孔取样法和淤泥采样器法属于单点勘探测量方法，主要是用来验证物探异常区域，不利于大面积开展工作且资金投入较大不经济;放射性探测法受到放射源的管理机制及安全性因素其开展工作较为困难[3-5]。基于此，在松花江疏浚治理工作部分江体水道沉积物界面和沉积物富集体探测识别采样工作中，大胆采用了探地雷达技术进行工作，通过实际探地雷达探测结果与浅层剖面声呐探测结果对比验证，认为探地雷达技术在淡水水道沉积物界面和沉积物富集体探测方面优势明显，在河道清淤处理地质勘探工作中具备大面积推广的潜力[6-7]。
1 探测原理及地球物理条件分析
1.1 探地雷达技术河道探测原理
探地雷达探测技术的主要原理见图1，主要由探地雷达控制主机控制水面上的发射天线，将高频短脉冲高频电磁波信号定向发射进入水中，高频电磁波信号遇到存在介质差异的不同水道沉积地层及沉积物富集体就会产生反射，反射信号返回水面，由接收天线接收。水下探测介质的厚度传播时间t主要采用式(1)进行计算，通常d的值相较于H值非常小，为了方便计算基本忽略d值，H值可用简化公式式(2)进行计算[8-9]。
1.2 地球物理条件分析
结合已有的水文地质资料，松花江淡水水道稳静区域沉积物分层与沉积物富集体的展布形态主要由沉积物本身形态的大小与水道水流流速决定[12-13]。通常情况下，在水道由急流区域向稳静区域转换时，流水中的碎屑物在搬运途中，由于受到水的流速、流量变化及碎屑物本身大小、形状、比重等的影响，流水介质中的碎屑物沉积顺序就产生了先后之分[14-15]。一般颗粒较大、比重大的碎屑物质先沉积，颗粒较小、比重小的物质后沉积，特殊沉积物会组团富集沉积(如大量的冲积物集中堆富沉积)[16]。因此，在水道由急流区域向稳静区域转换后，河道淡水中的碎屑物在同一河道断面逐渐形成由淤泥、粉细沙、卵砾石及冲积物富集体等组成的沉积层及沉积体[17-18]。一般情况下，淡水的介电常数约为 81，淤泥的介电常数约为10～30，卵砾石的介电常数约为 4～6，粉细砂介电常数介于淤泥与卵砾石之间，大小由淤泥向卵砾石逐渐减小，冲积物富集体介电常数组成较为复杂，介于 3～20之间[19-20]。由此，从各层之间的介电常数数值可以看出，各地层之间介电常数差异性较大，这就具备了采用探地雷达技术开展工作的地球物理勘探条件。
2 设备选择及测线布置
2.1 探地雷达技术设备选择
从松花江河道沉积地层的地球物理条件可知，松花江河道沉积地层中各个地层介质之间的介电性质差异比较明显，这为探地雷达开展探测工作提供了基本保障。但是在使用探地雷达开展探测工作时，探测分辨率和探测深度总是会存在不可调和的矛盾，即探测频率较低的探测天线其探测深度虽然较大，但其探测分辨率不足，探测精度稍差，而探测频率高的探测天线可以得到较好的分辨率，但其探测深度又大打折扣。为此，综合考虑松花江河流工作区域水文地质条件和河道实际的工作特点，認为采用300 MHz及100 MHz探地雷达探测天线配合 ZOND12-E雷达主机系统开展探测工作可以满足技术要求，同时对探地雷达天线形状和布置进行改进以利于水面探测，采样时采用触发时间与采样船运行时间同步GPS定位触发采样。反演软件在层位追踪算法上也进行了深入调整，针对水深及沉积层综合探测时在时间参数与探测道号数据振幅基本稳定的特殊特点，重点采用多相关性层位追踪算法，通过分析探测回波的相关同相轴层位，实现各个探测层位的准确定位。
2.2 探测剖面测线布置
针对项目工作区域松花江不同水道地段的实际地形情况，探地雷达探测测线重点按照垂直水道顺流方向进行布设，共计布设两处较大的探地雷达测线。图2是松花江某河段探地雷达探测测线布置示意。
3 实际探测数据分析
该项目位于松花江段某支流和干流的汇集段，受到地形的影响，流水汇集区出现旋流现象频繁，汇集区下游河道淤积程度较大，河道年度淤积量剧增，河道抬升高度逐年增加。为降低汛期溃堤风险，需要及时采取清淤措施进行河道清淤处理，降低河面高度减少安全隐患。为此，该区段水务河道管理部门委托我们对该段河道沉积地层的厚度、深度、规模、分层界面及沉积物富集体部位进行勘探工作，已确定具体的清淤方案及工作量，结合该工程项目具体探地雷达实际探测数据进行分析，同时与浅层剖面仪声呐探测的结果进行对比，校核探地雷达的探测效果。
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篇(3)
摘要：车载毫米波雷达以其高带宽、极强的穿透能力，将成为5G时代车联网的重要组成部分。其中，车辆附近目标的高效检测与定位是目前车载毫米波雷达领域亟待解决的重要问题。对车载雷达的发展概况进行简述，总结了车载毫米波雷达领域目标检测与定位技术的概况、技术原理以及存在挑战。此外，提出基于接收信号强度与信号到达角度指纹的目标联合检测与定位技术框架，通过贝叶斯序贯推理框架完成高效目标检测与精确定位。仿真结果显示，所提新框架相较于传统方法在目标检测概率以及定位精度方面有明显提升。
关键词：车载毫米波雷达;检测定位;指纹地图;贝叶斯推理
0 車载雷达发展简述
随着时代发展，人们对车辆交通出行的安全需求普遍提高。雷达凭借其优异的目标探测技术可以有效减少交通出行中事故的发生几率，因而备受汽车行业青睐。故而，车载雷达技术研究一直以来是汽车行业的重点[1]。随着信号处理技术的不断进步，车载雷达技术正在向低成本、高性能方向推进。目前，主流车载雷达可大致分为车载激光雷达、车载超声波雷达以及车载毫米波雷达等。
(1)车载毫米波雷达简介
近年来，随着5G通信技术的发展，由5G衍生的各项技术研究成果逐步进入商用领域。根据3GPP 38.101协议的规定，5G NR(New Radio，新空口)主要使用的两段频率为FR1频段和FR2频段，其中FR2频段即为毫米波频段。毫米波作为5G的核心技术，一直以高带宽、高速率、穿透能力强而备受研究人员瞩目。FCC(Federal Communications Commission，美国联邦通信委员会)早在2015年就规划了四个频段作为5G的主推频段。
毫米波雷达技术自上世纪发展到今天，已经逐渐步向成熟。伴随着集成电路芯片技术的突破，将毫米波雷达引入到车辆领域发展而来的车载毫米波雷达也取得了一定的进步。相较于其他车载雷达(如车载激光雷达、车载超声波雷达)，车载毫米波雷达对周围无线环境具有更高的适应度，同时也能够满足更高的精度要求[2]。此外，毫米波雷达还拥有尺寸小、结构简单轻便等优势。故而，车载毫米波雷达是未来无人驾驶中一项不可或缺的关键技术。目前，TI(Texas Instruments，德州仪器公司)已研制用于车载雷达的毫米波CMOS单芯片传感器，其将射频前端与DSP(Digital Signal Processing，数字信号处理)、MCU(Micro Controller Unit，微控制单元)集成在一起，在减小尺寸的同时明显提升数据处理速度与精度。该芯片已进入商用阶段。
(2)其余车载雷达介绍
1)车载激光雷达
上世纪六十年代，激光作为一项新兴技术刚一出现，便引起雷达测量领域的广泛关注。随着技术的不断发展，研究人员对激光雷达的探索也在不断深入，激光雷达的技术应用也层出不穷，如OCT(Optical Coherence Tomography，光学相干断层扫描)影像技术、数字全息技术以及车载激光雷达测量技术等。
车载激光雷达以激光作为载波，并以信号振幅、频率以及相位搭载信息。其工作原理即为发射机向测量目标发射激光信号，目标反射回波被接收机接收。经过适当处理后，接收机就可以获得目标的相关信息，如目标位置、速度、方位角等信息，从而实现对目标的追踪[3]。
受激光在空气中传播的特性影响，车载激光雷达具有一些显著特点。其优点为测量精度十分准确，可达厘米级，这可为无人驾驶的安全性提供充分的保障。然而，相较于其他车载雷达，车载激光雷达也存在一些无可避免的劣势，其体积较大，不便于集成，同时价格十分昂贵。
2)车载超声波雷达
超声波雷达作为目前车载雷达中最常使用的一种雷达之一，具有悠久的研究与发展历史。由于其在短距离测量上的独特优势，超声波雷达在汽车领域中多在倒车雷达中使用。
车载超声波雷达发射的信号频率范围一般在30 kHz左右，其测量原理也较为简单。雷达通过发送超声波在空间中传播，遇到目标以及障碍物便会反射回来。通过记录得到的传播时间计算就可以测得目标和障碍物的位置关系[4]。显而易见，利用超声波雷达进行测量原理较为简单，成本也较低。然而，超声波在介质中传播距离有限，且受环境影响较大。在不同的天气条件下，由于传播介质的改变，超声波传播速度会发生变化。这将导致雷达无法准确追踪汽车位置的实时变化，从而使得测量结果存在较大偏差。
表1综合对比了各类雷达之间的优缺点，通过此表能对各车载雷达特点有较为清楚的认知：
1 车载毫米波雷达目标检测与定位
随着毫米波技术的更迭，车载毫米波雷达在汽车安全驾驶中扮演着越来越重要的角色。利用毫米波雷达对目标的距离、速度以及角度进行测量的技术已经十分成熟。
目标物体的检测定位作为毫米波雷达最为广泛的用途，能够实现对检测雷达附近的运动以及静止的目标的精确感知，这对于车辆安全行驶和未来无人驾驶技术的发展具有重要的意义。
1.1 车载毫米波雷达信号处理技术
车载毫米波雷达的发射波具有多种类别选择，其中包括连续波和脉冲波形。对脉冲波形毫米波雷达而言，其发射的高频脉信号传输速度极快，使得接收机系统接收信号的时间间隔极短。这对系统信号处理速度提出了很高的要求，同样也对硬件设备的规格有一定的规定。因此脉冲毫米波雷达的实际应用通常受到一定限制。
与脉冲毫米波雷达不同，毫米波连续波雷达发射一系列已调连续信号，易于调制，在车载毫米波雷达中应用最为广泛。
(1)目标距离和速度估计
毫米波连续波雷达通过发射机发送调频连续波信号，信号经目标反射得到回波，该回波被接收机接收并与发送信号进行混频滤波处理变为差拍信號，即中频信号。对该中频信号的信号强度以及相位信息进行分析可以实现对目标的距离以及速度的检测[5]。其信号处理结构框图如图1所示：
发射信号经图1流程处理后，得到的中频信号中包含目标的距离以及速度信息。对于传统的周期性的连续调频波信号，如图2所示，其经发射端发射，在传播过程中经过目标物体并反射，被接收端接收。最终输出的中频信号形式为X(t， l)，t表示某周期内信号持续的时间，l代表接收到的中频信号所处周期段。
对于所得到的输出中频信号，其相位中包含目标的距离及速度信息。离散后的中频信号可分为快时间维度和慢时间维度，即距离维度和多普勒维度。此时，对该信号矩阵使用二维傅里叶变换可以得到RDM(Range Doppler Map，距离多普勒图)。对于所得RDM，采用CFAR(Constant False-Alarm Rate，恒虚警率)算法可筛选出真实目标的距离和速度。目标距离和速度检测流程具体如图3所示：
(2)目标方位估计
为了实现对目标物体的检测和定位，除了目标的距离和速度信息，还要求了解目标的方位信息[6]。对车载毫米波雷达而言，为达到角度估计的目的，通常采用MIMO(Multiple-Input Multiple-Output，多输入多输出)技术，即在车载毫米波雷达发射端和接收端同时安装多根发射天线和接收天线。
对同一发射天线而言，其发射信号经目标反射被不同接收天线接收处理后会得到不同的接收信号。在远场条件下，由于目标与接收天线之间的距离远比接收天线间隔长，反射信号可假设为平行直射入接收天线，因而不同接收天线之间的接收信号幅度基本不变，而仅存在由于波程差而引起的相位差。该相位差中包含目标的方位角度信息，其示意图如图4所示，其中，d表示接收天线的之间的间隔，θ表示目标与接收天线的相对方位角。因此，可以得到相邻接收天线之间接收信号相位差为，λ表示信号波长。因而，在远场条件下对接收信号向量采用一维傅里叶变换可以得到目标的方位角信息。
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篇(4)
摘 要： 频率捷变雷达具备优异的低截获和电子对抗性能。本文首先简要回顾了雷达导引头抗主瓣欺骗干扰的研究成果，重点阐述频率捷变雷达导引头的基本概念和技术特点。然后全面梳理了国内外频率捷变雷达研究成果，总结了三种频率捷变波形的优缺点及各自信号处理技术的研究进展。最后结合未来戰场强电子对抗环境和导引头发展趋势，对自适应频率捷变和多维参数联合捷变雷达导引头技术的发展进行展望。
关键词：雷达导引头;频率捷变;频率捷变信号处理;主瓣角度欺骗干扰
0 引 言
随着射频存储电路技术的快速发展，雷达导引头所面临的干扰日新月异，新体制的干扰样式不断给雷达导引头的检测、识别与跟踪带来新的严峻挑战。拖曳式雷达有源诱饵[1](Towed Radar Active Decoy)和图1所示的空射诱饵(Air Launched Decoy)[2]通过转发截获的雷达发射信号，在雷达导引头主瓣波束范围内形成大功率假目标干扰以掩盖真实目标回波，且由于转发干扰信号和雷达发射信号高度相关，使得传统单脉冲测角体制雷达导引头无法正确区分目标和诱饵，从而无法获得正确的目标角度信息，最终引起导弹脱靶，严重制约和影响了精确制导武器的打击命中率和战场杀伤力。
为提高导弹武器系统的作战效能，国内外相关学者针对上述问题开展了大量抗主瓣欺骗干扰研究。具体分为如下几个方面：
(1) 极化域抗干扰
作为电磁波基本属性之一，极化信息能反映出目标材料、形状、姿态等特征，极化信息的利用可有效提高雷达导引头的目标识别与抗干扰能力。文献[3]中研究了全极化脉冲多普勒雷达导引头抗干扰技术，根据目标和
干扰的极化散射特性差异，利用极化滤波技术有效抑制干扰。文献[4]将极化技术应用到相控阵雷达导引头中，
针对主瓣压制式干扰，利用正交极化失配原理将干扰信号在接收端进行极化隔离;对于主瓣欺骗式干扰，采用瞬态极化识别[5]和极化相关检测技术实现有效抑制。文献[6]提出利用目标和干扰极化相位描述子构造出斜投影算子，采用斜投影处理来抑制雷达导引头角度欺骗干扰。
(2) 高分辨抗干扰
由于拖曳线的存在，拖曳式诱饵与载机在角度、距离或速度上总存在微小差异。因此，雷达导引头距离、速度以及角度分辨力的提升将有利于识别载机和诱饵。文献[7-8]分别利用波形设计和长时间相参积累方法在时域或多普勒域完成目标和诱饵的分辨。文献[9-10]分别提出了不同的空间角度高分辨方法以满足导引头多目标角度超分辨需求，实现目标与诱饵的分辨任务。此外，文献[11]通过利用两个相邻匹配采样点上蕴含的目标和诱饵特征信息，采用粒子群优化算法联合估计目标与诱饵的参数，进而对目标和诱饵进行身份辨识。
(3) 信息融合抗干扰
多模复合导引可以更加有效全面地获取关于目标和诱饵信息，有助于解决复杂场景下干扰对抗和目标识别问题[12]。文献[13]以微波/红外双模复合制导导弹为背景，从数据融合处理角度，研究了双模复合制导方式抗拖曳式诱饵的方法。文献[14]基于雷达/红外信息融合技术，研究了雷达/红外双模导引头对抗拖曳式诱饵技术，针对不同作战需求研究不同的双模导引头构成方案。
此外，还有脉冲前沿跟踪法、增益突变分析法等抗干扰方法，但上述这些导引头抗干扰方法多属于被动抗干扰措施，未来电子对抗中处于主动地位的一方将会更具优势。文献[15]提出了一种导引头主动抗干扰方法—频率捷变技术，文献[16]研究了频率捷变反舰导弹导引头相参积累技术。相比于传统固定载频雷达，频率捷变雷达独特的主动波形对抗优势使其具备优异的低截获和电子对抗性能，可以有效对抗压制式和欺骗式干扰。在提升目标探测能力和抑制海浪杂波等方面，频率捷变雷达也具有明显的优势。同时，频率捷变技术也使雷达在密集电磁环境下实现频谱资源共享，提升频谱利用率方面具有极大的潜力。
频率捷变技术的研究始于20世纪60年代，这一时期主要针对非相参捷变频体制雷达的基础特征开展广泛研究，如测距性能[17]、目标探测性能[18-19]、海杂波特性[20]以及角闪烁特性[21-22]等。随着相参频率综合技术的发展，逐步出现了相参捷变频雷达技术，且已成为发展的主流，并得到了广泛应用[23-24]。本文系统介绍了相参捷变频雷达导引头特点，在梳理国内外捷变频体制雷达研究成果基础上，总结了脉间捷变频雷达信号处理的研究进展，并且结合未来战场强电子对抗环境，分析了捷变频雷达导引头面临的问题与未来的发展趋势。
1 捷变频雷达导引头技术特点
捷变频雷达导引头是指在相邻脉冲间，发射信号的载频在较宽频带范围内伪随机迅速跳变。相较于传统固定载频脉冲多普勒雷达导引头，捷变频雷达导引头具有良好的抗干扰性能和高距离分辨率。捷变频雷达导引头载频跳变方式主要有三种，分别为脉内频率跳变、脉间频率跳变以及脉组频率捷变。早期雷达受限于电子技术，载频跳频主要使用旋转调谐磁控管振荡器。由于采用机械调谐和自激震荡方式，存在跳频速度慢，频率稳定度差且脉冲间相位随机，只能实现非相参体制的捷变频雷达，目标积累增益较低，不利于复杂环境下目标检测跟踪。随着电子器件水平和集成工艺技术的发展以及全相参频率综合器的出现，现在捷变频雷达多采用全相参体制。本文主要讨论脉间伪随机跳变全相参体制捷变频雷达导引头。捷变频雷达导引头发射信号可表示为
sT(t^， tm)=rect(tTp)u(t)exp(j2πfm(t^+tm))+
n(t^， tm)(1)
式中： rect(x)=1 0≤x≤10 其他 为矩形窗函数;Tp为脉冲宽度;t^为快时间;tm=mTr为慢时间，Tr为脉冲重复间隔(pulse repetition interval，PRI);全时间t=t^+tm;u(t)为发射信号复包络，考虑采用线性调频信号(linear frequency modulated，LFM)，即u(t)=exp(jπγt2)，γ为调频斜率;第m个脉冲载频fm=f0+dmΔf， m∈{0， 1， …， M-1}，M为一个相参积累间隔(coherent processing interval， CPI)内发射脉冲个数，dm为频率调制码字，Δf为跳频间隔;n(t^， tm)表示噪声。捷变频雷达导引头主要具有如下特点：
(1) 强电子对抗能力。捷变频雷达具有良好的低截获性能，能有效对抗窄带瞄准干扰、跨脉冲重复周期干扰及部分前拖干扰。捷变频发射信号载频在宽频带内以伪随机方式迅速捷变，单频点驻留时间短，被扫频式超外差式截获接收机侦收的概率低;而对于宽带截获接收机而言，雷达发射信号功率谱密度随载频序列移动，且截获接收机没有跳频序列的先验信息，这都有助于降低截获概率[25]。此外，脉冲间载频捷变也使得干扰机只能在接收到发射信号后才能进行干扰，因而能有效避免跨脉冲重复周期干扰和部分前拖干扰[26]。
(2) 良好的目标探测能力。脉间频率捷变降低了目标长期处于雷达散射截面积(radar cross section， RCS)衰落区的可能性，有助于检测概率的提高[27]。若相邻脉冲间的频差大于临界频率可使相邻回波幅度不相关，可以消除在固定载频雷达中经常出现的目标回波慢速起伏带来的检测概率损失，增加雷达探测距离[28]。此外，地面或海面反射引起的波束分裂，其最小点的角度位置和雷达工作频率有关，而采用频率捷变可使分裂波瓣相互重叠，从而消除波束分裂的影响。在低空目标探测方面，频率捷变的去相关特性也可以有效减缓多径效应带来的负面影响[29]。
(3) 角跟踪精度的提高。精确制导武器的跟踪误差来源有多种，但当雷达导引头接近目标，特别是诸如飞机、舰船等复杂目标时，角闪烁[30]成为寻的制导的主要测角和跟踪误差，其大小可能使导弹偏离目标方向[31]。而脉间频率捷变将有效去除相邻脉冲间回波的相关性，结合RCS加权处理，可以有效抑制复杂目标的角闪烁效应，提高雷达导引头的跟踪精度[32]。对于舰船等大型目标，采用频率捷变后，可使跟踪误差减小为原来的14～12[33]。
(4) 对海浪杂波的去相关特性。对海末制导雷达的目标检测能力会受到海浪杂波时间与空间相关性的影响[34]。雷达极化方式、工作频率、天线视角及海况等因素都会影响海浪杂波特性。可见，采用脉间频率捷变技术将使海浪杂波特性发生改变，主要表现为使同一距离分辨单元不同脉冲间海浪杂波的相关性降低。而频率去相关后的海浪杂波在脉冲积累时等效独立采样脉冲数将会增多[35]，这将改善积累后信杂比，使海浪杂波方差大为减小，利于海杂波背景下的目标检测，进而有效提升对海末制导雷达的作战威力。
为验证捷变频雷达抗干扰性能，课题组与国内某研究所联合开展了雷达外场对抗实验。在外场对抗实验中，雷达探测海上船舶目标，同时，船舶上载有干扰机对雷达实施干扰。图2为捷变频导引头抗转发式假目标干扰实测数据处理结果图，雷达工作在脉冲多普勒(pulse doppler， PD)模式或者捷变频模式，发射信号频段为Ka频段，一个CPI内发射128个脉冲，脉宽1 μs，信号带宽30 MHz，跳频间隔4 MHz，跳频总数256个，跳频总带宽1 GHz。图2(a)为PD模式下回波脉压结果俯视图，转发式假目标欺骗干扰覆盖了CPI内84.83%的脉冲。图2(b)为捷变频模式下回波脉压结果，图2(c)为捷变频模式下按照载频大小重排后脉压结果，由于载频在脉冲间跳变的原因，干扰仅覆盖27.43%的脉冲，相较于PD模式大大降低了干扰的能量。图2(d)为采用干扰抑制算法后稀疏恢复结果，可以有效检测目标，可见捷变频雷达具有良好的主动波形对抗优势。
此外，脉间频率捷变信号也属于宽带信号波形，其同样具有宽带信号的特点。宽带信号的显著特点是高距离分辨力，这将有利于杂波背景下的目标检测。高距离分辨力使得杂波分辨单元面积减小，杂波强度降低，以及杂波所占距离单元数减少，从而在杂波区中出现很多无杂波或低杂波区，利于提升对地、对海制导武器的目标检测能力。此外，宽带信号也可以获取更多、更丰富的目标特征信息用于导引头目标识别;而宽带信号具有的高观测精度理论上也可使导引头跟踪精度和跟踪正确率大幅度提升[36]。
尽管捷变频雷达导引头在低截获、抗干扰、跟踪精度、目标识别及低空或杂波背景下目标检测等方面具有独特优势，但在信号处理方面存在一些问题。不同于传统PD雷达，捷变频雷达导引头脉间载频的随机非线性变化使得脉间相位也同样呈现出随机非线性变化，给脉间相参积累带来极大挑战[37]。此外，频率捷变信号大工作带宽使得目标不再符合传统窄带情况下点散射目标模型，而成为由不同距离单元上多个散射点组成的延展目标，这对目标检测理论与方法也提出了新要求[36]。
2 捷变频雷达信号处理技术现状
1968年，Ruttenberg和 Chanzit首次提出采用脉间频率步进脉冲串获取高距离分辨率的方法，将频率步进引入雷达系统[38]。Einstein在1984年从理论上详细阐述和分析了频率步进脉冲串获取高距离分辨率的方法，同时提出了高分辨距离像(high resolution range profile， HRRP)的概念[39]。现有的频率步进信号处理算法主要有逆傅里叶变换法、时域合成法、频域合成法以及时频处理法等[36]。针对目标与雷达间的相对运动导致回波包络走动、距离像耦合时移和波形发散问题，文献[40]详细讨论了频率步进信号运动补偿算法。虽然频率步进雷达具有高距离分辨率和一定的抗无源、有源干扰能力，但是其载频跳变顺序固定，极易被电子侦察设备侦获，且频率步进信号的模糊函數为“斜刀刃”形，存在距离-多普勒耦合现象，不利于同时精确获取目标距离、多普勒信息[41]，对此有学者提出采用随机频率步进脉冲信号。文献[42]介绍了随机频率步进信号的相参处理方法，将接收回波按照频率重组之后通过stretch拓展算法合成高分辨距离像。文献[43]提出了随机频率步进雷达的运动补偿算法。文献[44]针对随机步进频率波形，提出了一种同时提取多个目标距离和多普勒信息的方法，并进一步提出了自适应分辨参考网格等两种方法用于减少计算复杂度。脉间频率无规律变化可以获得良好的低截获特性，且随机频率步进信号的模糊函数近似为“图钉”形，具有好的速度和距离分辨性能[41]，但这都是以旁瓣抬高为代价的。尤其是当多目标间的旁瓣相互堆叠时，幅度较大的伪峰可能会导致虚警或掩盖弱小目标[45]。对此文献[46-47]分别提出Costas码、双曲线频率序列等不同的优化设计载频序列，以降低类似噪声的随机起伏旁瓣平台。此外，文献[48]通过设计失配滤波器实现旁瓣抑制。
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