相干雷达与伪相干雷达解析

基本概念

如果任意两个发射脉冲的相位是一致的，则称雷达是相干的；也就是说，从一个脉冲到下一个脉冲信号的相位是连续的，如图（a）所示。

又由图（b）可得，如果雷达能够在一个脉冲末端的等相位波前和下一个脉冲前端的等相位波前之间保持整数个波长，那么这就是相干性。

相干雷达第一个脉冲的初相可能是随机的，但后序的脉冲和第一个脉冲之间的相位具有确定性。第一个脉冲初始相位的随机性并不影响后序的信号检测，因为检测前要进行取模。

使用稳定本机振荡器（STALO）可以获得相干性。如果雷达存储了所有发射脉冲的相位，则可以称它为接收时相干或准相干。在这种情况下，接收机的参考相位通常是最近发射的脉冲相位。

多普勒频移

相干性也指的是雷达精确测量（提取）接收信号相位的能力。由于多普勒表示接收信号中的频移，那么只有相干的或接收相干的雷达才能提取多普勒信息。这是因为信号的瞬时频率正比于信号相位的时间导数。即

式中， 是瞬时频率， 是信号相位。例如，信号

式中，比例因子 ， 是一个常数相位。则得到瞬时频率为

又 。则

式中第二项表示多普勒频移。

发射机与相关波形

在脉冲雷达系统中，相干性描述了发射脉冲和接收脉冲之间的相位关系。如果它们之间的相位关系是恒定的，则认为该雷达系统是相干（相参）的。在不一致的情况下，这些相移是统计分布的。

雷达是否相干取决于雷达发射机的类型。作为同一个发射机，工作在不同的雷达系统可以中，它们可以是相干的、部分相干的或非相干的。

单级振荡式发射机雷达系统是不相关的，矩形脉冲调制器调制射频信号时，每个连续脉冲串的起始相位是不同的，起始相位是与振荡器启动过程相关的随机函数。如下图所示。

图源自radartutorial

主振放大式发射机雷达系统是相干的。主控振荡器的脉冲实际上是连续波上“切”下来的，如下图所示。若键控开关的时钟是以振荡器为时钟基准产生的，则脉冲是相干的。对于脉冲信号而言，所谓相干性（也称为相参性），是指从一个脉冲到下一个脉冲的相位具有一致性或连续性。

只要主控振荡器有良好的频率稳定度，射频放大器有足够的相位稳定度，发射信号就可以具有良好的相参性，而具有这些特性的发射机就称为相参发射机。其发射信号如下图所示。

图源自radartutorial

发射信号、本振电压、相参振荡电压和定时器的触发脉冲等均由同一时钟基准信号提供，所有这些信号之间保持相位相参性，这样的发射系统称为全相参系统。在相干条件下，高功率放大器由高度稳定的连续射频源驱动，称为波形发生器，如下图所示。

图源网络

伪相干雷达

伪相干雷达是一类雷达。它们有时也被称为“相干接收雷达”。在气象学中，它们被称为多普勒雷达。

伪相干雷达系统框图如下图所示。

图源自radartutorial

由图中我们可以看出，振荡器（StaLo）受发射信号控制，同时作用于混频器。

对任何多普勒雷达的要求都是相干性；即发射频率与参考频率之间必须存在一定的相位关系，用于检测接收信号的多普勒频移。

通过目标信号与背景杂波和噪声分量之间的相位差来检测移动物体。这种类型的相位检测依赖于发射机频率和接收机参考频率之间的相干性。

如果发射机是一个单级振荡式发射机，则脉冲的起始相位是随机的。

在相干检测中，在每个脉冲发射期间，与发射机同相锁定的稳定、连续参考振荡信号与回波信号混频以产生差值信号。由于参考振荡器和发射机相位锁定，回波可以在频率和相位上与发射机进行有效比较。从而取出其中的有用信息。

通过电路设置，非相干雷达装置也能够确定回波信号的相位位置。即使发射机以随机相位开始，通过受控阻尼振荡来保存整个接收周期内的相位（相当于保存了发射脉冲的相位）以供参考，以此来实现与接收信号的相干处理。

脉冲发射后，振荡器继续以该相移振荡。当下一个发射脉冲出现时才会终止这种相干性，这就是该过程也称为“接收时相干性”的原因。

伪相干雷达系统相对于不相干雷达系统最重要的优势是能够区分相对较小的差异速度（对应于相位的微小差异），且其复杂度、成本又相较于全相干雷达具有优势。

伪相干雷达的缺点

伪相干雷达如今已退役，但一些较旧（或低成本）的雷达装置仍在运行。伪相干雷达的缺点可以总结如下：

锁相过程不如完全相干系统准确，这降低了 MTI（动目标显示）改进系数

伪相关雷达技术不能应用于频率捷变雷达。磁控管中的频率变化依赖于腔体的机械调谐，它本质上是一个窄带设备

伪相关雷达不灵活，其不能轻易适应传输信号的 PRF、脉冲宽度或其他参数的变化。这种变化在完全相干雷达中很简单，因为它们可以在低电平执行

伪相关雷达系统也不可能执行 FM 调制（这对于脉冲压缩雷达来说是强制性的）

伪相关雷达要想实现相关性，就必须接收到上一个脉冲回波才能发射新的脉冲（COHO 的锁相仅适用于最后发送的脉冲）。如果目标距离雷达很远，此时回波来自很远的距离，因此在发射第二个脉冲后会返回此类回波。但这类回波仅与第一个脉冲有关。这时回波的与振荡器产生的参考信号不再是相参关系。此外，该回波会干扰下一回波信号的接收。

完全相干雷达

在完全相干雷达中，所有必要的时钟、脉冲、门和频率都来自主振荡器的高度稳定的振荡，并与其振荡同步。所有频率都与这个主振荡器具有固定的相位关系。

全相干雷达系统框图如下图所示。

图源自radartutorial

图中的框图说明了完全相干雷达的原理。其基本特征是所有信号均以低电平导出，输出设备仅用作放大器。

所有信号都由一个主定时源生成，通常是一个合成器，它为整个系统提供最佳相位相干性。输出设备通常是速调管、TWT 或固态。完全相干雷达没有伪相干雷达的所有缺点。

全相干雷达的优势

多普勒频率是较低音频范围内的频率。由于雷达照射在目标上的时间很短，监视雷达只能实现几次脉冲命中目标。这只是要测量的多普勒频率的极少数（通常只有一个）脉冲周期。

这太少了，无法直接作为结果进行测量。因此，雷达必须测量从脉冲到脉冲的相位变化以增加目标回波的脉冲数，以此检测多普勒频率。

相干雷达系统最重要的优点是即使回波信号的相移非常小也能检测到，并且可以使用多普勒效应来减少固定杂波的影响。相干雷达具有比非相干系统更好的信噪比。

总结

术语相干性在雷达中有与光学中不同的特征。在光学中，通常用相干长度来表示。只有在相干长度内，才有可能发生干扰。

在完全相干雷达中，相干长度实际上是无限长的：可以将主振荡器比作一个连续振荡的偶极子。从这种持续振荡中，只有一小部分总是被切割，然后用作传输脉冲。

发射机内不可能出现不需要的相位跳跃和极性变化。例如，在卫星雷达中，所有回波信号（来自相同距离）都是相互相干的，并且也与传输频率相干，无论它们是否来自不同的脉冲周期；甚至不管它们是否来自以前的地球轨道。

本文参考《雷达系统分析与设计（MATLAB版）（第三版）》，有兴趣的可以购买书本帮助理解。

审核编辑 ：李倩