波形分集是指利用多个不同的波形设计来完成雷达的功能。这可以是为特定应用选择单一的最佳波形也可以是在不断改变波形特征的情况下进行动态优化。本文简要总结了波形分集中的一些相关问题。
1技术能力
波形分集的最重要技术是宽带数字波形的产生，可编程数字波形发生器的带宽超过1GHz。这将允许在脉冲间对波形发射与设计参数进行改变，这项技术越来越多地被应用在雷达系统中，并具有为任何特定的应用和操作环境定制波形的灵活性。例如，它允许在探测距离内自适应地停止发射信号，从而帮助避免不必要的EMI。
结合数字波束形成，波形分集提供了额外的和新的设计自由。数字波形的产生，加上波束的形成，正在改进从雷达回波中提取更有用的信息。例如，可以更有效地减少与目标回波竞争的杂波、干扰和噪声。波形分集也被赋予新的信号处理概念，如多输入多输出(MIMO)雷达。
2MIMO雷达
MIMO雷达有两种形式，讨论了一种空间分置的发射机和接收机天线组成了一个分布式雷达，这种形式有时被称为统计MIMO。
这里讨论另一种形式的MIMO，其天线元件被限制在一个单一的孔径内(就像它们在有源电子扫描阵列[AESA]雷达中一样)，这种形式有时被称为相干MIMO。相干MIMO雷达使用不同的波形而不是每个单元发射或接收相同波形的波束，如图15所示。
图15.MIMO雷达涉及到在不同的空间方向上发射不同的波形，从而在雷达接收机中提供额外的可分离的信息信道。
当同时发射不同波形时，在接收时基本上有两种方式可以分离，波形可以被分离成不同的频带(即频率波形分集)，或者波形可以占据相同的频带，但是可以进行编码，以便它们可以彼此区分(编码波形分集)，这是一个正在进行的研究领域。
设sj(t)为第j个波形，hj(t)为对应的脉冲压缩滤波器函数。如前所述，sj(t)必须具有匹配滤波器响应从而获得期望的距离分辨率和足够的低距离旁瓣。
对于MIMO雷达，另外还有一项要求，即第k个波形对第j个匹配滤波器的响应对于所有延迟位移都要尽可能小(第j个波形和第k个滤波器反之亦然)。换句话说，当波形相互关联时，它们的输出始终很低。
图16.MIMO雷达波形的可分离性取决于所使用的波形。图16说明了编码波形分集方案的这种安排，其中编码要么向上调频，要么是向下调频。
因此，这些波形中的每一个都由向上调频或向下调频匹配滤波器进行滤波。这个例子描述了向上调频和向下调频波形的向上调频匹配滤波器响应。
3脉冲捷变
脉冲捷变是在相干处理间隔(CPI)内在不同时间(脉冲)使用不同波形。这种安排可被认为是波形时间分集。脉冲捷变提供了另一种扩展雷达不模糊距离的方法。
当较早脉冲的回波在接收脉冲间到达后脉冲时产生距离模糊(见图17)。由于常见的CPI中的每一个脉冲都使用相同的波形，所以对于回波对应的脉冲存在模糊性。
图17.当CPI中的每个脉冲使用相同的波形时，最大模糊距离由连续脉冲之间的间隔决定。(注：可以使用PRF抖动来解距离模糊)
如图18所示，每个捷变脉冲都用完全不同的波形调制，这可能是不同的频率或不同的调制码，其目标是在匹配滤波之后波形可充分分离。因此，有必要获得一组各自具有所需的距离分辨率和距离旁瓣波形，并且同时具有较低的互相关特性。
图18当CPI中的每个脉冲使用不同的波形时，最大模糊距离取决于这取决于在再次使用相同波形之前的脉冲数。如果波形足够可分，则可以相应地识别与脉冲1的远距离回波。
4波形优化
用于波形优化的两个最重要的指标是匹配滤波器输出的峰值旁瓣电平(PSL)和集成副瓣电平(ISL)。图19显示PSL是最大副瓣相对于主瓣的值，而ISL是所有旁瓣覆盖区域相对于主瓣覆盖区域的值。
虽然两者度量度量范围旁瓣的各个方面，PSL可以被看作是最坏情况下旁瓣响应的度量，而ISL提供了一个聚合度量。ISL在确定波形适合于诸如分布杂波源所产生的扩散回波时特别有用。
当使用这些度量来评估一个波形时，重要的是波形结构与雷达实际发射的物理波形非常接近。换句话说，应该考虑发射机失真的影响。
图19.PSL和ISL是波形匹配滤波器响应的衡量指标。这些指标通常用于波形优化。
5总结：
评估脉冲压缩中使用的波形和接收处理方法是否合适需要考虑波形产生方式、发射机的使用效果已经自然频谱环境等方面的特征。发射机会产生线性和非线性失真，必须加以认识和纠正。
雷达波形设计必须既能抵抗外界不断增加的EMI的影响，同时又要避免对其他用户电磁频谱干扰。
不匹配滤波器可以通过减小脉冲谱两端频率的影响来减小距离旁瓣。然而，这是以减少最大探测距离为代价的。利用NLFM波形设计可以克服这种限制，同时产生最大的检测距离和低范围的旁瓣。
未来的雷达系统将采用波形分集，这需要动态波形设计，以适应不断变化的环境和任务要求。这些系统还可以使用多种操作模式，如MIMO和脉冲捷变，以最大限度地利用所有可用设计自由度。
