基本概念

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

又由圖（b）可得，如果雷達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個波長，那么這就是相干性。

相干雷達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。

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

多普勒頻移

相干性也指的是雷達精確測量（提取）接收信號相位的能力。由于多普勒表示接收信號中的頻移，那么只有相干的或接收相干的雷達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數。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。

發射機與相關波形

在脈沖雷達系統中，相干性描述了發射脈沖和接收脈沖之間的相位關系。如果它們之間的相位關系是恒定的，則認為該雷達系統是相干（相參）的。在不一致的情況下，這些相移是統計分布的。

雷達是否相干取決于雷達發射機的類型。作為同一個發射機，工作在不同的雷達系統可以中，它們可以是相干的、部分相干的或非相干的。

單級振蕩式發射機雷達系統是不相關的，矩形脈沖調制器調制射頻信號時，每個連續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的隨機函數。如下圖所示。

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主振放大式發射機雷達系統是相干的。主控振蕩器的脈沖實際上是連續波上“切”下來的，如下圖所示。若鍵控開關的時鐘是以振蕩器為時鐘基準產生的，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性。

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

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

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偽相干雷達

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

偽相干雷達系統框圖如下圖所示。

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由圖中我們可以看出，振蕩器（StaLo）受發射信號控制，同時作用于混頻器。

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

通過目標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射機頻率和接收機參考頻率之間的相干性。

如果發射機是一個單級振蕩式發射機，則脈沖的起始相位是隨機的。

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

通過電路設置，非相干雷達裝置也能夠確定回波信號的相位位置。即使發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的相位（相當于保存了發射脈沖的相位）以供參考，以此來實現與接收信號的相干處理。

脈沖發射后，振蕩器繼續以該相移振蕩。當下一個發射脈沖出現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。

偽相干雷達系統相對于不相干雷達系統最重要的優勢是能夠區分相對較小的差異速度（對應于相位的微小差異），且其復雜度、成本又相較于全相干雷達具有優勢。

偽相干雷達的缺點

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

鎖相過程不如完全相干系統準確，這降低了 MTI（動目標顯示）改進系數

偽相關雷達技術不能應用于頻率捷變雷達。磁控管中的頻率變化依賴于腔體的機械調諧，它本質上是一個窄帶設備

偽相關雷達不靈活，其不能輕易適應傳輸信號的 PRF、脈沖寬度或其他參數的變化。這種變化在完全相干雷達中很簡單，因為它們可以在低電平執行

偽相關雷達系統也不可能執行 FM 調制（這對于脈沖壓縮雷達來說是強制性的）

偽相關雷達要想實現相關性，就必須接收到上一個脈沖回波才能發射新的脈沖（COHO 的鎖相僅適用于最后發送的脈沖）。如果目標距離雷達很遠，此時回波來自很遠的距離，因此在發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。這時回波的與振蕩器產生的參考信號不再是相參關系。此外，該回波會干擾下一回波信號的接收。

完全相干雷達

在完全相干雷達中，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系。

全相干雷達系統框圖如下圖所示。

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

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

全相干雷達的優勢

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

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

相干雷達系統最重要的優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來減少固定雜波的影響。相干雷達具有比非相干系統更好的信噪比。

總結

術語相干性在雷達中有與光學中不同的特征。在光學中，通常用相干長度來表示。只有在相干長度內，才有可能發生干擾。

在完全相干雷達中，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振蕩的偶極子。從這種持續振蕩中，只有一小部分總是被切割，然后用作傳輸脈沖。

發射機內不可能出現不需要的相位跳躍和極性變化。例如，在衛星雷達中，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《雷達系統分析與設計（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