软件定义无线电 （SDR） 因其精度、灵活性、可靠性和简化的设计过程而成为许多无线电应用的最佳选择。在本文中，我们将讨论SDR在雷达中的应用。虽然过去主要由模拟电路组成，但现代雷达依靠强大的数字信号处理来运行。航空和海洋导航、天气/气象跟踪、地面渗透评估、军事导弹制导和地球表面测绘是一些应用的例子。此外，雷达技术包括各种不同的配置，例如连续波 （CW） 雷达、多普勒雷达、脉冲雷达、调频连续波 （FMCW） 雷达和相控阵雷达。尽管技术多种多样，但所有雷达配置都需要大量的信号处理才能正常工作，因此，SDR是这些设备的骨干。
雷达原理
1. 基本操作
扔进池塘的石头会产生涟漪，在水中传播。如果这些涟漪找到障碍物，反射波将返回原点，携带有关障碍物的信息。雷达（无线电探测和测距）使用相同的基本原理，但使用电磁波 （EM）：天线向周围环境发送射频辐射并测量反射的电磁场。有了这些信息，雷达可以评估物体的大小、速度和距离。例如，由于光速是恒定的，因此可以通过脉冲之间的延迟来估计接收器和目标之间的距离。因此，雷达用于任何需要远程检测和监控物体的应用。
现代雷达由天线、硬件前端和信号处理模块三个基本部分组成。天线负责发送询问电磁信号并测量反射波。天线的尺寸、形状和位置在很大程度上取决于应用：天线可以安装在船上、飞机机头内部、集成到雷达枪中和空中交通管制 （ATC） 塔顶部。硬件前端一般进行信号传输、（自适应）阻抗匹配、放大、抗混叠滤波和信号数字化。信号处理模块从接收到的信号中提取所需的信息并显示测量结果。该步骤因所使用的雷达技术而有很大差异：例如，在多普勒雷达中，接收信号的频率偏差可以与被检测物体的速度相关联（图1）。因此，对于多用途雷达来说，具有灵活的处理单元是可取的。
图 1：多普勒雷达示意图。静止目标反射的信号频率保持不变，而移动目标则改变反射信号的频率。如果目标向雷达移动，则频率会增加，而如果目标远离，则相反。频移可用于测量目标速度，并将移动目标与静态集群区分开来。
2. 频段
雷达在不同的频段工作。每个频段都有自己的特点和局限性：例如，高频允许使用较小的天线，因此它们在机载应用中更可取。另一方面，低频应用不太容易衰减，这会导致更大的覆盖区域，但需要更大的天线。射频频段由监管机构控制，因此允许雷达在预定义的频谱切片内工作。主要雷达频段如下表所示。
乐队别名
频率范围 （GHz）
毫米
40 – 100
嘉
26.5 - 40
K
18 – 26.5
库
12.5 - 18
X
8 – 12.5
C
4 - 8
S
2 - 4
L
1 - 2
超高频
0.3 - 1
船舶应用通常能够实现大型天线，因此它们使用 X、C 和 S 波段，这在天线尺寸和传播损耗之间提供了良好的折衷方案。气象雷达频段受到衰减和天线尺寸之间权衡的限制：S波段（2.7 - 2.9 GHz）用于传播损耗高的地区，如暴雨的热带地区，C波段（5.6 - 5.65 GHz）用于监测衰减率较小的区域，X波段（9.3 - 9.5 GHz）仅限于短距离水文和气象监测， 如城市和山谷水文。
航空频段在不同的频谱中实现，用于不同的应用，例如用于导航的初级/次级雷达或仪表着陆系统（ILS）。机载雷达包括多普勒雷达、气象雷达和地面测绘雷达。使用的频段是Ka（31.8 - 33.4 GHz）、Ku（多普勒为13.25 - 13.4 GHz，气象雷达为15.4 - 15.7 GHz）、X（多普勒为8.75 - 8.85 GHz，天气雷达为9 - 9.5 GHz）和C（5 .50 - 5.47 GHz）。陆地雷达也用于航空电子设备，以监测交通和天气，使用S波段（气象雷达为2.7 - 3.3 GHz）和L波段（1.215 - 1.4 GHz用于初级监视，1.02 - 1.04 GHz用于二级监视）。由于吸水性，通常不使用 K 波段。
UHF 频段用于超远距离监视，例如超视距 （OTH） 雷达，用于监视数百至数千公里的区域。在这些情况下，需要更大的波长来防止衰减，这意味着需要非常大的天线和强大的旋转系统。
3. 雷达类型和局限性
连续波雷达这种类型的工作原理是在传输中使用连续的电磁波。主要优点是降低了制造复杂性、成本和发送到目标的总功率的最大化。CW雷达被军方用于半主动制导导弹制导。调频连续波 （FMCW） 是一种连续波雷达，它应用 FM 调制来精确测量距离。它用于高度计、预警雷达和接近传感器。未调制的连续波雷达无法测量距离。此外，由于发射器和接收器始终在工作，因此天线之间需要适当的隔离，并且发射器的输出功率必须足够低以防止干扰。因此，检测距离是有限的。
脉冲雷达 脉冲雷达以短脉冲传输询问信号。到达目标后，电磁脉冲回波回波到接收器，回波延迟可用于测量距离。使用脉冲信号有几个优点。首先，一根天线可用于发射和接收，使用双工开关交替使用。脉冲雷达还可以更有效地传输功率，这意味着以更低的功耗提高信噪比和测距能力。此外，它们不太容易受到外部检测和信号干扰的影响，尤其是在使用非常短的脉冲时。然而，与FMCW雷达相比，脉冲信号提供较低的距离分辨率，并且存在盲点：接收信号在接收机关闭期间回波的距离。因此，有一个最小的检测距离。
移动目标指示和多普勒检测移动目标指示 （MTI） 是一种使用接收脉冲的破坏性和建设性组合来区分移动目标和静止背景的技术。为了避免范围模糊，使用低重复频率。MTI用于远距离探测小目标。多普勒雷达还用于检测移动目标，使用多普勒频移测量速度。与MTI不同，多普勒雷达使用高脉冲重复频率来提高分辨率。它还提供了有关速度数据的更好信息，但距离范围更小。
4. 雷达重要参数
脉冲功率：一个脉冲中包含的功率。增加输出功率会增加信噪比和范围，但由于功率放大器，也会增加器件重量。载波：发射信号的主要频率。它会影响多个参数，例如天线尺寸、频段、范围和信号衰减。脉冲宽度：脉冲的持续时间（图2）。换句话说，天线发射信号的时间段。脉冲重复间隔（PRI）：也称为脉冲重复时间（PRT），它是两个脉冲之间的总间隔（图2）。因此，它可以计算为脉冲宽度与用于信号接收的“静默期”之间的总和。占空比：定义为脉冲宽度 （PW） 和 PRI 之间的比率，通常以百分比表示（图 2）。例如，使用 100 微秒的 PW 和 1 毫秒的 PRI，占空比为 10%。它也可以定义为平均发射功率与脉冲功率之间的比率：对于恒定的平均功率，降低占空比意味着增加脉冲功率。脉冲重复频率 （PRF）：PRI 的倒数，以每秒脉冲数表示。脉冲压缩：提高距离分辨率和信噪比的技术。它在单个脉冲内对载波进行频率和/或相位调制，从而添加另一层可以与接收信号相关的信息。它需要更复杂的信号处理，但可以提高信息质量和雷达能力。距离分辨率：雷达可以区分的两个物体之间的最小距离。距离分辨率取决于发射脉冲的宽度、目标的类型和大小以及接收器的效率。信噪比：信号功率与背景噪声之间的比率。可以通过增加输出功率、滤波、信号调制等方式来增加。干扰：定义外部信号的有意和无意干扰。该信号可用于使接收器饱和或提供虚假信息，从而危及雷达功能。如前所述，如果发射器和接收器之间的隔离不足，CW 可能会遭受意外干扰。此外，恶意发射器可以探测雷达并造成故意干扰，这在航空和军事应用中是极其成问题的。图 2：显示了脉冲重复频率 （PRF）、脉冲重复间隔 （PRI）、脉冲宽度 （PW） 和占空比 （DC） 之间的关系。
SDR在雷达系统中的应用
1. 软件无线电
SDR 由两个主要部分组成：无线电前端 （RFE） 和数字后端。RFE 由发送和接收高质量信号所需的所有模拟电路组成。RFE 包括天线阻抗接口、接收器 （Rx） 和发射器 （Tx）。RFE 必须接收宽带宽的信号。如前所述，更高的频段导致更小的天线，因此高带宽SDR在紧凑型便携式雷达中是可取的。
数字后端通常包含具有板载数字信号处理 （DSP） 功能的 FPGA。它可以以非常低的延迟执行并行信号处理，例如调制、解调、上变频、下变频和滤波。此外，由于电路配置是可编程的，因此可以针对特定任务、新的无线电协议和算法升级和定制电路板。
数模转换器和模数转换器（DAC和ADC）是前端和后端之间的接口。一个 SDR 包含多个独立的 Tx 和 Rx 通道，可以很容易地集成到现有的雷达中。由于SDR将信号处理、通信、控制和数据存储的多种功能嵌入到一个器件中，因此整体设计复杂性显著降低。
2. 将SDR集成到雷达设备中
SDR 系统的 Tx 和 Rx 通道可以直接连接到任何雷达系统的功率放大器和天线天线，只需极少的调整。具有多个独立通道的 SDR 可用于 MIMO（多输入多输出）应用，例如多通道相控阵雷达或不同范围的多个天线。MIMO SDR 至关重要。此外，为了兼容不同的雷达频段并提供信道间隔，需要具有宽带宽的SDR。由 Per Vices 提供的 MIMO SDR Cyan（具有高带宽扩展）的调谐范围为 0 至 18 GHz，可升级到 40 GHz，以及多达 16 个独立的 Tx 和 Rx 通道。该器件的瞬时带宽为 3 GHz，使其成为市场上带宽最高的 SDR 之一。
除了速度之外，低噪声和高动态范围对于提供精度和鲁棒性极为重要。噪声系数定义了灵敏度和最小可检测信号，这限制了雷达的测距精度和最大可检测距离。另一方面，动态范围是最大信号和本底噪声之间的差值。需要较大的动态范围来防止近距离和/或大型目标的雷达饱和。另一个重要的品质因数是无杂散动态范围（SFDR），即最大和最小可检测信号之间的差值。SFDR是接收器灵活性、线性度和噪声的良好指标。
雷达应用需要的不仅仅是信号完整性：高数据吞吐量对于处理从接收机获得的大量信息至关重要，尤其是在MIMO雷达中。在 Per Vices Cyan 模型中可以找到高达 40 Gbps（可升级到 100 Gbps）的数据吞吐量，该模型实现了四个 qSFP+ 端口。青色系列（包括具有高带宽和存储解决方案的版本）还在所有无线电链中提供确定性的相位相干性和延迟。相位和延迟相干性提供一致的操作并保留相位信息。
3. 数字信号处理
FPGA 处理提供非常低的延迟和高数据吞吐量。可以对发射和接收的信号进行复杂的计算。在传输方面，SDR基于信号数字化仪提供强大而灵活的波形生成。通过以数字方式生成信号，SDR可以在不改变硬件的情况下传输任意波形，以适应不同的雷达协议。信号调制和压缩可以很容易地为每个通道独立编程。这也使得SDR能够动态控制脉冲宽度和载波频率，使其适用于自适应雷达应用。
波束成形和波束控制是强大的工具，使用多个天线通过改变通道之间的相位来控制波束的形状和方向。这两种技术都需要对输出进行极其精确的相位和触发控制，因此SDR应具有确定的相位相干性、频率稳定性和强大的触发控制。
灵敏度时间控制 （STC） 和灵敏度增益控制 （SGC） 为雷达提供鲁棒性。它们使雷达能够防止由附近杂波引起的饱和，例如建筑物、树木、山脉和云层或接近的物体。它包括自动降低信号增益，消除饱和。这需要一个只有基于SDR的雷达才能提供的智能系统。
4. 软件定义雷达的优势
SDR最明显的优点是将所有必需的信号处理、信道管理和控制功能集成到一台设备中，从而大大减小了设备的尺寸和重量。例如，青色 SDR 的长度小于 50 厘米，重量仅为 6.2 公斤。如果体积至关重要，Crimson SDR（Per Vices）可提供更紧凑的解决方案。这在便携式雷达中极为重要。
除了体积之外，SDR 还降低了设计成本和复杂性。因此，在操作前无需集成、配置和测试多个不同的组件。此外，Per Vices 设备提供与旧/传统雷达的互操作性，因此 SDR 可用于升级现有系统，而无需更换整个硬件。
SDR 的另一个关键优势是灵活性：它提供了可配置数量的输出和输入无线电端口，允许对任何设备进行 MIMO 操作。此外，几乎可以对任何信号参数进行编程，这极大地增加了雷达的适用范围。由于其可编程性，该设备可以使用最先进的算法和协议不断升级，因此它永远不会过时，因为新技术总是可以开发和测试的。Per Vices 提供可根据用户需求进行定制的 SDR 解决方案，提供诸如增加带宽和存储功能等定制功能，因此不会不支持任何雷达应用。
结论
雷达是基于无线电的系统，能够探测目标的距离、角度和速度。它们具有广泛的应用，包括国防、航空、导航和天气监测。不同类型的应用需要不同的频段和技术。由于高频、实时操作和广泛的不同技术，雷达需要强大的信号处理和设计灵活性。SDR 提供了一个强大的数字后端，将所有处理功能集成到一个系统中，从而降低了成本、复杂性和数量。现代 SDR 提供 MIMO 操作、频率稳定性、相位相干性、高数据吞吐量和简单的信号控制，适用于要求最苛刻的应用。
