波形分集是指利用多個不同的波形設計來完成雷達的功能。這可以是為特定應用選擇單一的最佳波形也可以是在不斷改變波形特徵的情況下進行動態優化。本文簡要總結了波形分集中的一些相關問題。
1技術能力
波形分集的最重要技術是寬帶數字波形的產生，可編程數字波形發生器的帶寬超過1GHz。這將允許在脈衝間對波形發射與設計參數進行改變，這項技術越來越多地被應用在雷達系統中，並具有為任何特定的應用和操作環境定製波形的靈活性。例如，它允許在探測距離內自適應地停止發射信號，從而幫助避免不必要的EMI。
結合數字波束形成，波形分集提供了額外的和新的設計自由。數字波形的產生，加上波束的形成，正在改進從雷達回波中提取更有用的信息。例如，可以更有效地減少與目標回波競爭的雜波、干擾和噪聲。波形分集也被賦予新的信號處理概念，如多輸入多輸出(MIMO)雷達。
2MIMO雷達
MIMO雷達有兩種形式，討論了一種空間分置的發射機和接收機天線組成了一個分佈式雷達，這種形式有時被稱為統計MIMO。
這裡討論另一種形式的MIMO，其天線元件被限制在一個單一的孔徑內(就像它們在有源電子掃描陣列[AESA]雷達中一樣)，這種形式有時被稱為相干MIMO。相干MIMO雷達使用不同的波形而不是每個單元發射或接收相同波形的波束，如圖15所示。
圖15.MIMO雷達涉及到在不同的空間方向上發射不同的波形，從而在雷達接收機中提供額外的可分離的信息信道。
當同時發射不同波形時，在接收時基本上有兩種方式可以分離，波形可以被分離成不同的頻帶(即頻率波形分集)，或者波形可以佔據相同的頻帶，但是可以進行編碼，以便它們可以彼此區分(編碼波形分集)，這是一個正在進行的研究領域。
設sj(t)為第j個波形，hj(t)為對應的脈衝壓縮濾波器函數。如前所述，sj(t)必須具有匹配濾波器響應從而獲得期望的距離分辨率和足夠的低距離旁瓣。
對於MIMO雷達，另外還有一項要求，即第k個波形對第j個匹配濾波器的響應對於所有延遲位移都要儘可能小(第j個波形和第k個濾波器反之亦然)。換句話說，當波形相互關聯時，它們的輸出始終很低。
圖16.MIMO雷達波形的可分離性取決於所使用的波形。圖16說明了編碼波形分集方案的這種安排，其中編碼要麼向上調頻，要麼是向下調頻。
因此，這些波形中的每一個都由向上調頻或向下調頻匹配濾波器進行濾波。這個例子描述了向上調頻和向下調頻波形的向上調頻匹配濾波器響應。
3脈衝捷變
脈衝捷變是在相干處理間隔(CPI)內在不同時間(脈衝)使用不同波形。這種安排可被認為是波形時間分集。脈衝捷變提供了另一種擴展雷達不模糊距離的方法。
當較早脈衝的回波在接收脈衝間到達後脈衝時產生距離模糊(見圖17)。由於常見的CPI中的每一個脈衝都使用相同的波形，所以對於回波對應的脈衝存在模糊性。
圖17.當CPI中的每個脈衝使用相同的波形時，最大模糊距離由連續脈衝之間的間隔決定。(注：可以使用PRF抖動來解距離模糊)
如圖18所示，每個捷變脈衝都用完全不同的波形調製，這可能是不同的頻率或不同的調製碼，其目標是在匹配濾波之後波形可充分分離。因此，有必要獲得一組各自具有所需的距離分辨率和距離旁瓣波形，並且同時具有較低的互相關特性。
圖18當CPI中的每個脈衝使用不同的波形時，最大模糊距離取決於這取決於在再次使用相同波形之前的脈衝數。如果波形足夠可分，則可以相應地識別與脈衝1的遠距離回波。
4波形優化
用於波形優化的兩個最重要的指標是匹配濾波器輸出的峰值旁瓣電平(PSL)和集成副瓣電平(ISL)。圖19顯示PSL是最大副瓣相對於主瓣的值，而ISL是所有旁瓣覆蓋區域相對於主瓣覆蓋區域的值。
雖然兩者度量度量範圍旁瓣的各個方面，PSL可以被看作是最壞情況下旁瓣響應的度量，而ISL提供了一個聚合度量。ISL在確定波形適合於諸如分佈雜波源所產生的擴散回波時特別有用。
當使用這些度量來評估一個波形時，重要的是波形結構與雷達實際發射的物理波形非常接近。換句話說，應該考慮發射機失真的影響。
圖19.PSL和ISL是波形匹配濾波器響應的衡量指標。這些指標通常用於波形優化。
5總結：
評估脈衝壓縮中使用的波形和接收處理方法是否合適需要考慮波形產生方式、發射機的使用效果已經自然頻譜環境等方面的特徵。發射機會產生線性和非線性失真，必須加以認識和糾正。
雷達波形設計必須既能抵抗外界不斷增加的EMI的影響，同時又要避免對其他用戶電磁頻譜干擾。
不匹配濾波器可以通過減小脈衝譜兩端頻率的影響來減小距離旁瓣。然而，這是以減少最大探測距離為代價的。利用NLFM波形設計可以克服這種限制，同時產生最大的檢測距離和低範圍的旁瓣。
未來的雷達系統將採用波形分集，這需要動態波形設計，以適應不斷變化的環境和任務要求。這些系統還可以使用多種操作模式，如MIMO和脈衝捷變，以最大限度地利用所有可用設計自由度。
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