基本概念

如果任意兩個發(fā)射脈沖的相位是一致的，則稱雷達(dá)是相干的；也就是說，從一個脈沖到下一個脈沖信號的相位是連續(xù)的，如圖（a）所示。

又由圖（b）可得，如果雷達(dá)能夠在一個脈沖末端的等相位波前和下一個脈沖前端的等相位波前之間保持整數(shù)個波長，那么這就是相干性。

相干雷達(dá)第一個脈沖的初相可能是隨機的，但后序的脈沖和第一個脈沖之間的相位具有確定性。第一個脈沖初始相位的隨機性并不影響后序的信號檢測，因為檢測前要進行取模。

使用穩(wěn)定本機振蕩器（STALO）可以獲得相干性。如果雷達(dá)存儲了所有發(fā)射脈沖的相位，則可以稱它為接收時相干或準(zhǔn)相干。在這種情況下，接收機的參考相位通常是最近發(fā)射的脈沖相位。

多普勒頻移

相干性也指的是雷達(dá)精確測量（提?。┙邮招盘栂辔坏哪芰ΑＳ捎诙嗥绽毡硎窘邮招盘栔械念l移，那么只有相干的或接收相干的雷達(dá)才能提取多普勒信息。這是因為信號的瞬時頻率正比于信號相位的時間導(dǎo)數(shù)。即

式中， 是瞬時頻率， 是信號相位。例如，信號

式中，比例因子 ， 是一個常數(shù)相位。則得到瞬時頻率為

又 。則

式中第二項表示多普勒頻移。

發(fā)射機與相關(guān)波形

在脈沖雷達(dá)系統(tǒng)中，相干性描述了發(fā)射脈沖和接收脈沖之間的相位關(guān)系。如果它們之間的相位關(guān)系是恒定的，則認(rèn)為該雷達(dá)系統(tǒng)是相干（相參）的。在不一致的情況下，這些相移是統(tǒng)計分布的。

雷達(dá)是否相干取決于雷達(dá)發(fā)射機的類型。作為同一個發(fā)射機，工作在不同的雷達(dá)系統(tǒng)可以中，它們可以是相干的、部分相干的或非相干的。

單級振蕩式發(fā)射機雷達(dá)系統(tǒng)是不相關(guān)的，矩形脈沖調(diào)制器調(diào)制射頻信號時，每個連續(xù)脈沖串的起始相位是不同的，起始相位是與振蕩器啟動過程相關(guān)的隨機函數(shù)。如下圖所示。

圖源自radartutorial

主振放大式發(fā)射機雷達(dá)系統(tǒng)是相干的。主控振蕩器的脈沖實際上是連續(xù)波上“切”下來的，如下圖所示。若鍵控開關(guān)的時鐘是以振蕩器為時鐘基準(zhǔn)產(chǎn)生的，則脈沖是相干的。對于脈沖信號而言，所謂相干性（也稱為相參性），是指從一個脈沖到下一個脈沖的相位具有一致性或連續(xù)性。

只要主控振蕩器有良好的頻率穩(wěn)定度，射頻放大器有足夠的相位穩(wěn)定度，發(fā)射信號就可以具有良好的相參性，而具有這些特性的發(fā)射機就稱為相參發(fā)射機。其發(fā)射信號如下圖所示。

圖源自radartutorial

發(fā)射信號、本振電壓、相參振蕩電壓和定時器的觸發(fā)脈沖等均由同一時鐘基準(zhǔn)信號提供，所有這些信號之間保持相位相參性，這樣的發(fā)射系統(tǒng)稱為全相參系統(tǒng)。在相干條件下，高功率放大器由高度穩(wěn)定的連續(xù)射頻源驅(qū)動，稱為波形發(fā)生器，如下圖所示。

圖源網(wǎng)絡(luò)

偽相干雷達(dá)

偽相干雷達(dá)是一類雷達(dá)。它們有時也被稱為“相干接收雷達(dá)”。在氣象學(xué)中，它們被稱為多普勒雷達(dá)。

偽相干雷達(dá)系統(tǒng)框圖如下圖所示。

圖源自radartutorial

由圖中我們可以看出，振蕩器（StaLo）受發(fā)射信號控制，同時作用于混頻器。

對任何多普勒雷達(dá)的要求都是相干性；即發(fā)射頻率與參考頻率之間必須存在一定的相位關(guān)系，用于檢測接收信號的多普勒頻移。

通過目標(biāo)信號與背景雜波和噪聲分量之間的相位差來檢測移動物體。這種類型的相位檢測依賴于發(fā)射機頻率和接收機參考頻率之間的相干性。

如果發(fā)射機是一個單級振蕩式發(fā)射機，則脈沖的起始相位是隨機的。

在相干檢測中，在每個脈沖發(fā)射期間，與發(fā)射機同相鎖定的穩(wěn)定、連續(xù)參考振蕩信號與回波信號混頻以產(chǎn)生差值信號。由于參考振蕩器和發(fā)射機相位鎖定，回波可以在頻率和相位上與發(fā)射機進行有效比較。從而取出其中的有用信息。

通過電路設(shè)置，非相干雷達(dá)裝置也能夠確定回波信號的相位位置。即使發(fā)射機以隨機相位開始，通過受控阻尼振蕩來保存整個接收周期內(nèi)的相位（相當(dāng)于保存了發(fā)射脈沖的相位）以供參考，以此來實現(xiàn)與接收信號的相干處理。

脈沖發(fā)射后，振蕩器繼續(xù)以該相移振蕩。當(dāng)下一個發(fā)射脈沖出現(xiàn)時才會終止這種相干性，這就是該過程也稱為“接收時相干性”的原因。

偽相干雷達(dá)系統(tǒng)相對于不相干雷達(dá)系統(tǒng)最重要的優(yōu)勢是能夠區(qū)分相對較小的差異速度（對應(yīng)于相位的微小差異），且其復(fù)雜度、成本又相較于全相干雷達(dá)具有優(yōu)勢。

偽相干雷達(dá)的缺點

偽相干雷達(dá)如今已退役，但一些較舊（或低成本）的雷達(dá)裝置仍在運行。偽相干雷達(dá)的缺點可以總結(jié)如下：

鎖相過程不如完全相干系統(tǒng)準(zhǔn)確，這降低了 MTI（動目標(biāo)顯示）改進系數(shù)

偽相關(guān)雷達(dá)技術(shù)不能應(yīng)用于頻率捷變雷達(dá)。磁控管中的頻率變化依賴于腔體的機械調(diào)諧，它本質(zhì)上是一個窄帶設(shè)備

偽相關(guān)雷達(dá)不靈活，其不能輕易適應(yīng)傳輸信號的 PRF、脈沖寬度或其他參數(shù)的變化。這種變化在完全相干雷達(dá)中很簡單，因為它們可以在低電平執(zhí)行

偽相關(guān)雷達(dá)系統(tǒng)也不可能執(zhí)行 FM 調(diào)制（這對于脈沖壓縮雷達(dá)來說是強制性的）

偽相關(guān)雷達(dá)要想實現(xiàn)相關(guān)性，就必須接收到上一個脈沖回波才能發(fā)射新的脈沖（COHO 的鎖相僅適用于最后發(fā)送的脈沖）。如果目標(biāo)距離雷達(dá)很遠(yuǎn)，此時回波來自很遠(yuǎn)的距離，因此在發(fā)射第二個脈沖后會返回此類回波。但這類回波僅與第一個脈沖有關(guān)。這時回波的與振蕩器產(chǎn)生的參考信號不再是相參關(guān)系。此外，該回波會干擾下一回波信號的接收。

完全相干雷達(dá)

在完全相干雷達(dá)中，所有必要的時鐘、脈沖、門和頻率都來自主振蕩器的高度穩(wěn)定的振蕩，并與其振蕩同步。所有頻率都與這個主振蕩器具有固定的相位關(guān)系。

全相干雷達(dá)系統(tǒng)框圖如下圖所示。

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圖中的框圖說明了完全相干雷達(dá)的原理。其基本特征是所有信號均以低電平導(dǎo)出，輸出設(shè)備僅用作放大器。

所有信號都由一個主定時源生成，通常是一個合成器，它為整個系統(tǒng)提供最佳相位相干性。輸出設(shè)備通常是速調(diào)管、TWT 或固態(tài)。完全相干雷達(dá)沒有偽相干雷達(dá)的所有缺點。

全相干雷達(dá)的優(yōu)勢

多普勒頻率是較低音頻范圍內(nèi)的頻率。由于雷達(dá)照射在目標(biāo)上的時間很短，監(jiān)視雷達(dá)只能實現(xiàn)幾次脈沖命中目標(biāo)。這只是要測量的多普勒頻率的極少數(shù)（通常只有一個）脈沖周期。

這太少了，無法直接作為結(jié)果進行測量。因此，雷達(dá)必須測量從脈沖到脈沖的相位變化以增加目標(biāo)回波的脈沖數(shù)，以此檢測多普勒頻率。

相干雷達(dá)系統(tǒng)最重要的優(yōu)點是即使回波信號的相移非常小也能檢測到，并且可以使用多普勒效應(yīng)來減少固定雜波的影響。相干雷達(dá)具有比非相干系統(tǒng)更好的信噪比。

總結(jié)

術(shù)語相干性在雷達(dá)中有與光學(xué)中不同的特征。在光學(xué)中，通常用相干長度來表示。只有在相干長度內(nèi)，才有可能發(fā)生干擾。

在完全相干雷達(dá)中，相干長度實際上是無限長的：可以將主振蕩器比作一個連續(xù)振蕩的偶極子。從這種持續(xù)振蕩中，只有一小部分總是被切割，然后用作傳輸脈沖。

發(fā)射機內(nèi)不可能出現(xiàn)不需要的相位跳躍和極性變化。例如，在衛(wèi)星雷達(dá)中，所有回波信號（來自相同距離）都是相互相干的，并且也與傳輸頻率相干，無論它們是否來自不同的脈沖周期；甚至不管它們是否來自以前的地球軌道。

本文參考《雷達(dá)系統(tǒng)分析與設(shè)計（MATLAB版）（第三版）》，有興趣的可以購買書本幫助理解。

審核編輯 ：李倩