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第二章 脉冲压缩

2.1 概述

表 2.1 窄脉冲高距离分辨力雷达的能力

距离分辨力：通常在距离上比在角度上更容易分离（分辨）多个目标

距离精度： 具有良好分辨力的雷达同样具有良好的距离精度

杂波衰减： 通过减少与目标回波信号相竞争的分布式杂波量可以提高目标-杂波比

杂波内可见度：对一些“片状”类陆地和海杂波，高分辨力雷达可在杂波片间的清晰区域中

检测运动目标

多普勒容错：采用窄脉冲波形时，运动目标的多普勒频移与接收机带宽相比显得很小;因而

只需要单个匹配滤波器检测

最小作用距离：窄脉冲可以使雷达以最短小的距离工作。它也可以减小高脉冲重复频率雷达

的盲区（重叠）

窄脉冲具有宽频谱带宽。如果对宽脉冲进行频率或相位调制，那么它就可以 具有和窄脉冲相同的带宽。假设调制后的脉冲带宽增加了 B，由接收机的匹配滤 波器压缩后，带宽将等于 1/B，这个过程叫脉冲压缩。

脉冲压缩雷达不需要高能量窄脉冲所需要的高峰值功率，就可同时实现宽脉 冲的能量和窄脉冲的分辨力。

脉冲压缩比定义为宽脉冲宽度 T 与压缩后脉冲宽度t 的之比，即T / t 。带宽

B 与压缩后的脉冲宽度t 的关系为 B » 1 / t 。这使得脉冲压缩比近似为 BT。即压
缩比等于信号的时宽-带宽积。在许多应用场合，脉冲压缩系统常用其时宽-带宽

积表征。

这种体制最显著的特点是： ⑴ 它的发射信号采用载频按一定规律变化的宽脉冲，使其脉冲宽度与有效

频谱宽度的乘积 Bt ³ 1 ,这两个信号参数基本上是独立的，因而可以分别加以选择

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来满足战术要求。在发射机峰值功率受限的条件下，它提高了发射机的平均功率

Pav 增加了信号能量，因此扩大了探测距离。
⑵ 在接收机中设置一个与发射信号频谱相匹配的压缩网络，使宽脉冲的发 射信号（一般认为也是接收机输入端的回波信号）变成窄脉冲，因此保持了良好 的距离分辨力。这一处理过程称之为“脉冲压缩”。

⑶ 有利于提高系统的抗干扰能力。对有源噪声干扰来说，由于信号带宽很 大，迫使干扰机发射宽带噪声，从而降低了干扰的功率谱密度。

当然，采用大时宽带宽信号也会带来一些缺点，这主要有：

⑴ 最小作用距离受脉冲宽度t 限制。

⑵ 收发系统比较复杂，在信号产生和处理过程中的任何失真，都将增大旁 瓣高度。

⑶ 存在距离旁瓣。一般采用失配加权以抑制旁瓣，主旁瓣比可达 30dB~35dB 以上，但将有 1dB~3dB 的信噪比损失。

⑷ 存在一定的距离和速度测定模糊。

总之，脉冲压缩体制的优越性超过了它的缺点，已成为近代雷达广泛应用的 一种体制。

根据上面讨论，我们可以归纳出实现脉冲压缩的条件如下：

⑴ 发射脉冲必须具有非线性的相位谱，或者说，必须使其脉冲宽度与有效 频谱宽度的乘积远大于 1.

⑵ 接收机中必须具有一个压缩网络，其相频特性应与发射信号实现“相位 共轭匹配”，即相位色散绝对值相同而符号相反，以消除输入回波信号的相位色 散。

第一个条件说明发射信号具有非线性的相位谱，提供了能被“压缩”的可能 性，它是实现“压缩”的前提；第二个条件说明压缩网络与发射信号实现“相位 共轭匹配”是实现压缩的必要条件。只有两者结合起来，才能构成实现脉冲压缩 的充要条件。

综上所述，一个理想的脉冲压缩系统，应该是一个匹配滤波系统。它要求发 射信号具有非线性的相位谱，并使其包络接近矩形；要求压缩网络的频率特性（包 括幅频特性和相频特性）与发射脉冲信号频谱（包括幅度谱与相位谱）实现完全 的匹配。

根据这些要求，可用下面的框图来描述一个理想的脉冲压缩系统， 如图 2.1 所示。

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t 0

τ
压缩网络
Uo (w)
Ui (w )

H (w)

图 2.1 理想脉冲压缩系统

在理想脉冲压缩系统模型中，我们假定在电波传播和目标发射过程中，以及 在微波通道、收发天线和压缩网络前的接收通道传输过程中，信号没有失真，而 且增益为 1。因此，接收机压缩网络输入端的目标回波脉冲信号就是发射脉冲信 号，其包络宽度为t ，频谱为：

Ui (w) =| Ui (w) | e jfi (w)

压缩网络的频率特性为 H (w) ，根据匹配条件应满足下式：
- jf i ( w) - j
2p f t
H (w ) =K |Uiw( ) e|e
d 0

式中，K 为比例常数，使幅频特性归一化， td 0 为压缩网络的固定延时。经压

缩后输出信号包络宽度被压缩成t 0 ，峰值提高了。脉冲压缩的输出表达式为：

U 0 (w )=Ui w(
2 - j 2p ft
H) w( =)K Ui w| ( e ) | d 0

必须指出，这是一种理想情况，在实际实现时往往不可能得到完全的匹配， 迫使系统工作在一定程度的“失配”状态下。

有两种方法可以描述脉冲压缩雷达的工作。一种是根据模糊函数，对宽脉冲 进行调制以提高它的带宽。接收时调制过的宽脉冲信号通过匹配滤波器。通过分 析模糊图就可以得到它的距离分辨力。幅度恒定的线性调频脉冲信号是得到广泛 应用的脉冲压缩波形的一个例子，如图 2.2 所示。

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fd

f d
= k TR
B 1 / T
_
T
TR

T

1 / B

T

图 2.2 一个宽度为 T、带宽为 B 的单个线 性频率调制脉冲的二维模糊图

它的模糊图表明宽度为 T 的宽脉冲提供的压缩脉冲宽度等于 1/B。

另一种描述脉冲压缩的方法是线性调频脉冲压缩。对宽脉冲进行调制，可被 认为沿着脉冲的不同部分在相位或频率上设置不同的“标志”。例如，线性调频 信号在频率上的变化是沿着脉冲分布的，使得脉冲的每一小段对应于一个不同的 频率。调制脉冲通过一条色散延迟线，该延迟线的延迟时间是频率的函数，脉冲 的每一段都经过不同的延时，这样在色散延迟线中，脉冲的下降沿可能被加速而 上升沿被减速，以便它们“走到一起”，从而完成脉冲压缩。

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2.2 线性调频（LFM)脉冲压缩

2.2.1 引言

天线

TR 发射机 频率调制

混频

中频放大

脉冲压缩

检波

视频放大

到显示器
器

器

滤波器

器

器

LO

图 2.3 一个线性调频脉冲雷达的方框图

幅度 A T

t1
时间
t 2

（a） 发射波形

f 2

频
B
率

f 1

时间
t1
t 2

(b)
发射波形的频率与时间的关系

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