第43卷第5期2021年5月
舰船科学技术
SHIP SCIENCE AND TECHNOLOGY
Vol.43,No.5
May,2021
丁友峰，黄孝鹏，陆小虎，邢永昌
(中国船舶集团公司第七二四研究所，江苏南京211153)
摘要：导航雷达是船舶安全航行的重要信息保障设备。随着固态微波电路、大规模集成芯片、全数字信号处理等技术的发展以及高技术船舶智能化、高可靠航行等新需求内涵的扩展，应用基于固态收发、脉冲压缩和全相参数字处理等技术研制的新体制船舶导航雷达已成为一种必然。比较国内外典型固态脉冲压缩导航雷达的发展现状，深入分析固态功放、数字信号产生、脉冲压缩、自适应杂波抑制等关键技术， 并结合相关技术应用优势展望了固态脉压导航雷达在船舶避碰导航传统领域以及岸基目标监管、海洋环境监测等拓展领域的应用前景。 关键词：导航雷达；固态功放；脉冲压缩；多普勒杂波抑制；多功能
中图分类号：TN95文献标识码：A
文章编号：1672-7649(2021)05-0134-04doi：10.3404/j.issn.l672-7649.2021.05.028
Key technology and application research on the solid-state pulse-compression
navigation radar with new mechanism
DING You-feng,HUANG Xiao-peng,LU Xiao-hu,XING Yong-chang
(The724Research Institute of CSSC,Nanjing211153,China)
Abstract:The navigation radar is the important information guaranteed equipment for ship safe navigation.With the development of the technologies such as the solid-state microwave,large-scale integrated chip and fiilly-digital signal processing and new requirement connotation expansion such
as the high-tech ship intelligence and high reliability navigation, the application of the new-mechanism ship navigation radar based on the solid-state transmission and reception,pulse compression and fully-coherent digital processing new technologies has become an necessity.The paper compares the development status of the typical solid-state pulse-compression navigation radars at home and abroad and deeply analyzes the key technologies such as the solid-state power amplifier,digital signal generation,pulse compression,self-adaption clutter compression.Moreover this paper combines the related technology application advantages to outlook the solid-state pulse-compression navigation radar's application prospect in the ship avoidance navigation traditional filed and the shorebased target monitoring and marine environmental monitoring field.
Key words:navigation radar；solid state transceiver；pulse compression；doppler clutter suppression；all multifunctional
0引言
船用导航雷达是船舶安全航行不可或缺的重要保障设备。由于成本及技术的限制，前期的导航雷达发射机均采用磁控管，雷达发射单频脉冲信号，发射功率最高至几十千瓦，电路简单、技术成熟，但存在磁控管寿命低，抗干扰能力差及发射电磁兼容等问题。随着技术的发展，固态器件逐步取代磁控管
等真空高压器件，加上ITU对发射电磁兼容的严控、对海上小目标和直升机引导探测等需求的与日俱增，固态导航雷达得到快速发展，并逐步取代磁控管导航雷达。
固态导航雷达采用固态发射机，由于其占空比比磁控管提升了十几至几十倍，其发射峰值功率大大下降，现有设备最高仅300W，但采用脉冲压缩及脉冲多普勒相参数字信号处理体制，在满足传统探测的基础上可更好地实现的小目标探测和自适应杂波抑制。随着固态发射功率的提升，发展初期所面临的“对搜救应答器(SART)无法实现5n mile距离触发”的难题也得到彻底解决，满足了IEC和ITU对导航雷达的通用要求。本文对固态脉冲压缩导航雷达的关键技术
收稿日期:2020-10-21
作者简介：丁友峰(1980-)，男，高级工程师，主要从事雷达总体、雷达信号仿真和雷达海洋遥感探测等技术研究。
第43卷丁友峰，等：固态脉压新体制导航雷达关键技术及应用• 135 •
进行分析，介绍国内外同类产品的发展现状，并结合
部分技术优势对未来的发展与应用方向进行了探讨。
1国内外固态脉冲压缩导航雷达发展现状比较
随着固态功放和大规模集成芯片成本的下降以及 数字信号处理技术的日臻成熟，固态脉冲压缩体制的 导航雷达近年来得到快速发展和市场认可，而传统磁
控管雷达则已在欧美逐步停产。自2004年起，国际海
事组织(IMO)鼓励使用相参雷达来提高在严重的海 杂波条件下对目标的探测叭
2006年，英国Kelvin Hughes 公司研发了第1台
S 波段固态脉冲压缩体制导航雷达SharpEye，其公开
资料显示在5级恶劣海况条件下，无论对10 Hi?的目标
还是对0.5 Hi?的目标，探测能力大幅优于常规磁控管
雷达，如图1所示。
图2部分国内外固态脉冲压缩导航雷达实物
Fig. 2 Part of solid state pulse compression navigation
radars at home and abroad
(a) 5级海况下，对于10 ni?的目标，
固态脉冲压缩雷达的探测范围明显超过磁控管雷达
8 6 4
2
O.O.O.O.B
三qeqo d
o
2
4
6 8 10 12 14 16
Range (n mile)
(b) 5级海况下，对于0.5 m 2的目标， 固态脉冲压缩雷达的探测范围明显超过磁控管雷达
o
网络视频编码器
图1固态脉冲压缩雷达与传统磁控管雷达探测能力对比
Fig. 1 Contrast of radar detection capability between solid pulse
compression radar and traditional radar
2008年该公司又推出了 X 波段的SharpEye 固态导
航雷达(见图2(a) )o 2011年，日本JRC 公司推出了其
S 波段固态脉冲压缩导航雷达JMA-9 172-SA O 2013年,
日本古野公司推出了 S 波段固态脉冲压缩导航雷达
FAR-3 000[2](见图2(b))，近期又针对小型船舶推出更
为经济便捷的X 波段固态脉冲压缩体制小型化DRS-
NTX 系列产品。2016年，挪威SIMRAD 公司也相继推
出了 HALO 系列固态脉冲压缩雷达产品(见图2(c))o
在国内，中船、中电、航天科工等集团的下属科
研院所以及多个民营公司均开展了固态脉冲压缩导航
雷达的技术研究，个别产品开始在相关领域应用。中 船七二四所研制的XFR1123型固态脉冲压缩导航雷达 (见图2(d))已于2017年率先取得：TCCS 型式认可，并 在海洋、海事等多领域得到应用。
表1为国内外典型固态脉冲压缩雷达主要技术性
能对比情况。
表1国内外固态脉冲压缩雷达技术性能对照
Tab. 1 Performance comparison of solid state pulse compression
radars at home and abroad
X 波段SharpEye
JMA-9172-SA FAR-3000XFR1123
发射频率/MHz 9220〜9480 3 040〜3 060 3 043 〜3 073z9370〜9450
混凝土模板
峰值功率/W
170250250
100/200脉冲宽度/us 0.1 〜66
0.14〜1&3
0.1 〜1&30.06〜80
发射重频/Hz
1250〜2000
640〜2 280
600〜2 400
1500〜250
信号带宽/MHz
20
8
8
24
2固态脉冲压缩导航雷达关键技术
新技术的应用和集成，是雷达体制不断演化发展 的重要技术基础⑶。航海雷达在进一步发展中，将受机器人定位技术
到普通脉冲制式的限制，性能指标的重大改进必然依 赖于雷达信号制式等的技术变革⑷。对于固态脉冲压
缩导航雷达而言，关键技术优势一方面体现于固态功
放的使用，使得雷达的寿命和可靠性得到提高，并带 来了频带宽度和相位稳定性的大幅提升。另一方面则 重点体现于中频数字化、频率分集、数字脉冲压缩、
多普勒杂波抑制等全相参数字信号处理所带来的恶劣
环境下探测性能提升。
2.1高性能固态功放设计
原水管
得益于GaN 的“宽禁带”半导体特性、高饱和电 子迁移率以及高击穿场，GaN 作为第三代半导体材料,
•136•舰船科学技术第43卷
微波功率性能要远优于Si,GaAs等⑸，目前GaN的单
管发射功率已可达200W以上，随着工艺的进步和成
本的下降，已成为导航雷达固态功放的首选器件。
X或S波段峰值功率200W左右的固态功放设计
技术基本成熟，但为进一步提升雷达总体技术性能特
别是复杂环境下的小目标探测能力，固态功放需重点
关注以下几点关键设计要求：
1）大功率合成。基于现有功放元件进行更高功率
合，形成300W以上发射功率；同时需重点考虑功率提升带来的热设计问题。
2）低延迟、高平坦发射。基于对功放电源、偏值、解调、发射开关等电路的优化改进，降低发射脉冲（特别是窄脉冲）的脉冲顶降和前后延。
3）高保真信道耦合。为后端实现低副瓣脉冲压缩实时提供校准信息，同实现固态功放的性能监视。
2.2中频数字信号产生
中频数字信号产生是实现全数字化现代雷达的基本要求，主要优点有：频率切换快、频率分辨率高、频点数多、相位噪声低、输出波形灵活，且频率捷变时相位保持连续。最常用的方式是直接数字综合器（DDS），由相位累加器、相位■幅度转化器和数模转换器（DAC）等组成，基本工作原理如图3所示。
相位累加器相位-幅度转换器
图3DDS中频信号产生原理
Fig.3The principle of intermediate-frequency
signal generation by DDS
固态脉冲压缩导航雷达通常产生的数字中频信号形式为线性调频或非线性调频，根据性能定位的不同，在一个重复周期内产生“短、中、长”不同脉宽、不同频率（或相同频率）的3种甚至6种信号，脉内带宽最大可达30MHz以上。
2.3低副瓣脉冲压缩
固态脉冲压缩雷达发射大时宽带宽积信号，使用固态脉冲压缩技术可以有效提高强杂波下小目标的发现能力⑹。脉冲压缩处理的主要作用是将接收与发射信号的共辄信号、镜像信号进行交叉关联，压缩成窄脉冲信号，其实质是系数的加权和匹配滤波，在这个过程中信号能量重新分配，使得主瓣集中了信号的大部分能量，形成一个尖峰。脉冲压缩前后目标信息对比如图4所示。
脉冲压缩处理可在基带信号的时域或频域实现。基于频域的实现方法具有较为明显的优势，可利用快速FFT实现，计算量小，但处理延迟稍大，通常采用并行、流水或任务分段等方式进行优化，其基本原理如图5所示。
图4脉冲压缩前后对比
Fig.4The signal befbre/after pulse compression 基带IQ信号----►]DFT#乘法器#逆DFT-------压缩脉冲
输出
|复制的参考波亦1--------彳填零的DFT_
图5频域脉冲压缩
Fig.5Pulse compression in frequency domain
无论使用何种脉冲压缩方法均会在主瓣两边产生不同程度的副瓣干扰，对强目标附近的弱小目标探测带来一些影响。为实现低副瓣性能，可采用迭代加权最小二乘法（IRLS）优化匹配滤波器设计，并利用发射耦合信号对优化后的匹配滤波器系数进行幅相补偿。
2.4自适应距离副瓣抑制
常规距离副瓣抑制方法有STC和CFAR等，易出现小目标丢失、目标分裂等现象。
准无损自适应副瓣抑制技术近年来得到高度关注，一种有效的实现方法是利用脉冲压缩的副瓣宽度、主副比等先验基础信息，对雷达副瓣电平进行实时拟合，对回波强度进行初步估计。以距离单元为最小单位，将数据流在一定窗内（宽度N）进行加权比较并输出最大值，得到第一门限并位移N个点来估算副瓣的位置。根据脉冲压缩主副比先验信息，用第一门限除以主副比对应的线性值对雷达回波的副
瓣进行拟合，形成第二门限，与噪声估计值进行比较后形成第三门限，最后与视频信号进行比较，完成距离副瓣的自适应抑制。此方法得到了长期的应用验证，具有很好的距离副瓣自适应抑制效果，几乎不会影响到叠加在副瓣上的回波信号的检测，实现流程如图6所示。
图6自适应距离副瓣抑制流程图
sky angel vol.92
Fig.6Auto range side-lobe repression process chart
2.5多普勒杂波鉴别
强对流天气或有大面积云雨团可对导航雷达的正常工作带来极大影响。传统磁控管雷达主要通过STC, FTC以及CFAR等方法进行杂波抑制处理，同时也衰减了目标，且强杂波难以完全消除
。
第43卷丁友峰，等：固态脉压新体制导航雷达关键技术及应用•137•
固态脉冲压缩雷达的典型优点体现于除可进行STC,FTC,CFAR等常规处理外，还可利用目标与干扰的多普勒频移差异进一步实现进行杂波鉴别。一种行之有效的方法是：将脉压后的信号进行脉间FFT处理，对输出的各通道进行CFAR处理并利用连续16/32个相邻周期的I/Q信号，提取出各距离单元的多普勒信息。根据多普勒速度的不同，在频域把回波信号分到16/32个独立通道，将目标回波与杂波在多普勒通道上分开。每个通道计算自适应电平得到检测门限，待测单元大于检测门限则进行有效输出。根据各通道间信号的强度关系结合通道的排序情况设计杂波鉴别器，并将时域频域两路信号进行合成处理实现云雨杂波和海杂波的有效去除，保留有效目标。
3技术优势及应用展望
3.1主要技术优势
1）固态发射，可靠性高
固态发射机是一个微波晶体管功率放大电路，工作电压低（28V以下），相比常规磁控管发射机，寿命长、无需预热、无需定期更换，具有更好的可靠性和安全性。
2）相参接收，探测能力强
全方位接触采用脉冲压缩、相参积累等全相参数字信号处理技术，可以有效提高系统信噪比（或灵敏度），增强
小目标探测能力，同时可以获得回波信号的多普勒信息，实现动目标检测，提升杂波抑制能力。
3）信号带宽大，距离分辨力高
固态脉冲压缩雷达分辨力取决于信号带宽，部分雷达全量程信号带宽可达20MHz以上，即使考虑脉压带来的小幅展宽，距离分辨力也可达20m左右，有利于密集目标分辨和大面积目标的分布与形态探测。
4）数据稳定，利于业务化拓展应用
固态脉冲压缩雷达可保持全寿命期内发射功率稳定，可避免磁控管雷达的发射功率波动和长时使用后下降等问题，数据质量高，有利于拓展业务化应用范围。
3.2应用展望
1）船舶避碰导航
随着世界海洋经济迅速发展，主要航道、近岸海域中，海面目标种类大幅度增加，航海雷达面临的探测目标变化多样、强雨雪和海杂波环境下小目标探测要求高、长时间高强度连续使用等要求巾。固态脉冲压缩导航雷达除了整体探测性能更为优异外，智能化水平也得到大幅提高，可更好地满足上述要
求。如SharpEye雷达，在海浪抑制、云雨抑制、恒虚警等信号处理方面已无需人工干预，实现全自动处理。从这个角度分析，也很好满足了未来高技术船舶、智能航运、无人船等领域的发展需求。
导航保障能力的提升以及成本的降低，势必带来固态脉冲压缩导航雷达在船舶避碰导航领域的井喷应用。
2）岸基目标监管
随着信息化水平的提升，基于雷达-光电等多源信息融合的诸如船舶交通管理、渔政信息管理、边海防、水上公安执法等各类岸基目标监管系统近年来得到高速发展。该类系统的核心探测设备需要7x24h全天候工作，因此需要使用可靠性高、经济型好的船用导航雷达。
随着应用能力需求的提升，复杂环境下“低小慢”目标的探测愈发得到重视。固态脉冲压缩雷达已逐步得到相关应用部门的肯定，有望在各类岸基目标监管系统中得到全面推广。
3）海洋环境监测
船用导航雷达还被常应用海洋环境遥感监测，如德国Wamos II测波雷达、加拿大RUTTER S6测冰雷达、挪威MIROS OSD溢油雷达等系统的开发平台均为普通船用导航雷达。在这些方面，固态脉压雷达具有分辨力高、数据稳定性好、可频域算法处理、全数字处理等突出优点，为实现高精度浪流监测
、高分辨力海冰监测、高灵敏度溢油监测、大气波导反演测量以及全时多功能应用等提供了更为有利的平台条件，多类型海洋环境高精度监测优势和同时多功能应用优势已逐步得到彰显。
4结语
船用导航雷达在人类海洋活动中发挥着极为重要的保障作用，随着电子信息技术的不断发展，其技术体制也迎来了巨大变革和进步。固态脉冲压缩雷达具有可靠性高、分辨力好、小目标探测能力强、抗干扰性能优异、可完全满足IEC强制要求等显著优点，代表了新一代船用导航雷达的技术发展方向。同时，国产化自主可控的新体制导航雷达尚处于应用发展期，可有效打破传统磁控管导航雷达被国外长期技术垄断的困局，在海事、航运、海警、渔政等领域的业务化应用方面前景广阔。
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