雷达信号与数据处理整理多媒体

雷达信号处理—第1章概论2010年3月1.1雷达信号处理的主要研究领域信号处理来检测目标，提取距离、角度、速度、目标形状和性质。数据处理完成雷达目标的点迹和航迹处理，目标信息的现实和分发。雷达信号处理技术包括：杂波和干扰抑制技术；脉冲压缩和信号相参积累技术；阵列信号处理技术；目标检测技术；目标特征信息提取和识别技术‘信号处理系统设计技术等。（1）信号检测和视频信号积累通过视频积累可以提高目标回波的信号噪声比（SNR），提高雷达在噪声背景下对目标的发现能力。通过恒虚警率的检测可以使雷达保持较高发现目标能力的同时，是发生虚警概率大为降低。背景是噪声，且一般噪声比目标回波信号强度低。（2）相参信号的杂波抑制技术利用目标回波与杂波间的多普勒频率差异，通过多普勒滤波技术滤除（或抑制）各种杂波，提高目标回波的信杂比，提高杂波背景下发现目标的能力。杂波信号往往比目标回波信号强的多。杂波是另一种不需要的目标。（3）雷达脉冲压缩技术窄脉冲宽度可提高距离分辨率，但影响平均功率而降低了测量距离。发射大时宽带宽积（Bt）信号，可以提高雷达的距离分辨率，同时提高发射信号的平均功率，即那个地发射脉冲的峰值功率。接收时对大时宽进行进行匹配滤波，可使接收信号回波信号变窄，成为脉冲压缩。（4）脉冲多普勒（PD）和空时二维信号处理多普勒处理主要是针对机载雷达或测量机动目标，来抑制杂波。空时二维自适应信号处理技术（STAP）：雷达天线阵元对信号的接收是通过多路接收机接收，就可能对多路接收信号进行空间和时间二维信号处理，可提高强地杂波中检测目标的能力。（5）阵列信号处理技术相控阵天线，通过对天线阵元信号相位的控制，实现天线波束扫描。相位控制通过移相器完成。数字技术使移相方法可变，也可使天线方向图用数字方法形成（DBF）。阵元信号-数字化-数字方法-天线波束扫描（形成多个波束）。二维自适应处理技术也是一种阵列信号处理技术。（6）雷达成像技术机载或星载雷达，距离和方位的高分辨成像。距离分辨率，通过脉冲压缩技术实现；方位分辨率通过合成孔径技术实现。移动雷达，如SAR；地面雷达，ISAR。（7）雷达目标的识别和分类目标识别，判别目标类型。主要通过信号处理实现。（8）雷达抗电子干扰技术无源干扰：箔条，可利用抑制气象杂波的方法。有源干扰：故意施放的电磁干扰信号。采用自适应频率捷变（AFT）、自适应波形捷变、自适应天线副瓣匿影和自适应天线副瓣相消等方法。（9）雷达信号处理系统技术利用电子设计自动化软件进行雷达信号处理系统的建模、仿真和设计，提高设计效率，提高雷达信号处理的性能。系统电路设计采用数字信号处理芯片（DSP）、现场可编程门阵列（FPGA）和复杂可编程逻辑器件（CPLD）。1.2雷达信号的发展趋势数字化技术的推广匹配滤波理论、傅里叶变化实现。对消算法动目标显示技术实现。多功能方向的发展噪声背景检测-抑制各种杂波、抗各种电磁干扰。视频处理-零中频和中频处理；时域处理-频域处理、空-时-频-极化综合处理；测距、测角、测速发展到成像处理、目标识别等。算法迅速发展自适应信号处理算法新的信号处理理论的进入：子波分析、模糊理论、神经网络、分形算法和遗传算法、人工智能技术，各种图像处理算法。多学科技术的相互交叉和渗透1.3雷达数据处理技术主要内容基本任务是将雷达探测信息形成用户可直接应用的情报信息。包括雷达探测数据的形成、信息的挖掘处理、状态的控制、多种方式显示和按需分发等。点迹形成和能聚技术帧间滤波技术机动目标跟踪技术相控阵雷达的波束调度与跟踪技术多雷达点迹融合技术雷达信息显示与控制一体化技术雷达数据处理系统设计技术（1）点迹形成和能聚技术将一次扫描获得的单个目标的多个点迹凝聚成一个点迹，输出一组点迹数据供航迹关联和更新。点迹形成技术主要是估计目标方位、距离等参数，给出目标环境、录取时间、方位宽度、幅度和多普勒频率等。凝聚技术把单个目标形成的多个点迹按一定算法和步骤合并成一个点迹。（2）帧间滤波技术多帧图像进行处理，根据杂波剩余与目标回波的不同特性，实现滤除杂波剩余，提取运动目标。帧间滤波利用目标的运动特征、位移的相对均匀性和目标点迹信息，区别杂波剩余和干扰。（3）机动目标跟踪技术机动目标跟踪算法中，研究机动目标的运动模型、较低发现概率条件下的相关处理、机动丢点情况下的稳定跟踪、存在测量误差条件下航向和航速估计、干扰和剩余角度情况下可靠跟踪等问题。（4）相控阵雷达的波束调度和跟踪技术通过波束调度，对重点目标和监测区域分配更多的扫描时间和能量资源。跟踪处理中，要求对扫描获取的点迹数据及时关联、更新处理；具备紧急情况下的快速响应能力。（5）多雷达点迹融合技术将多部雷达点迹进行集中处理，可以起到时间、空间和探测频率的互补，在数据率、精度方面起到倍增作用。融合软件具有：适应不同情况的多种算法消除各雷达点迹的系统误差，分析数据测量噪声分布；对点迹数据进行时间对齐、空间统一、点迹合并求精和自动跟踪处理等功能；（6）雷达信息显示与控制一体化技术雷达信息显示包括各种原始回波和处理回波的显示；雷达回波显示与雷达整机控制设计为一体，通过画面显示、重要目标三维放大显示等，辅助目标识别。（7）雷达数据处理系统设计技术输入/输出接口设计；系统处理能力设计；核心算法设计；显示与控制一体化设计；人-机接口与人性化界面设计；系统各设备集成设计等。1.4雷达数据处理的发展趋势弱小目标的自动跟踪技术在雷达前端不变的情况下，应用帧间滤波技术、检测前跟踪技术和先进的算法提升对弱小目标的自动跟踪性能。高速计算与并行处理技术大容量数据的实时传输、系统高效高速计算处理、并行计算中的任务分配和同步控制等功能的实现和应用多传感器探测信息融合与控制一体化搜索、跟踪、引导、识别与指挥一体化第2章雷达基本原理2010年3月2.1雷达分类雷达是英文Radar的的音译，源于Radiodetectionandranging的缩写，原意是“无线电探测和定位”，即用无线电方法发现目标并测定它们在空间的位置．因此雷达也称为“无线电定位”．随着雷达技术的发展，雷达的任务不仅是测量目标的距离、方位和仰角，而且还包括测量目标的速度，以及从目标回波中获得更多有关目标的信息．雷达可分为陆基、机载、星载或舰载雷达系统；按雷达波形分，可分为：连续波（CW）雷达、脉冲（PW）雷达。2.2距离时间控制发射机/调制器信号处理器接收机双工器简化的脉冲雷达框图发射接收脉冲串时间时间发射脉冲脉冲1接收脉冲IPP脉冲1回波脉冲2回波脉冲3回波脉冲3脉冲2τ△tτIPP:通常被标为PRI脉冲重复间隔PRF：PRI的倒数，即脉冲重复频率frfr=1/PRI=1/TPav=Pt×dt距离模糊时间或距离发射脉冲脉冲1接收脉冲PRI回波1回波2脉冲2τ△tτ时间或距离t=0t=1/frRuR2R1=c△t/2△t回波1表示R1=c△t/2处目标产生的雷达回波；回波2可以解释为R1处的回波，也可能是脉冲1在R2=c（△t+T）/2处目标产生的回波。显然，回波2带有距离模糊。最大无模糊距离必须对应于PRI的一半：Ru=cT/22.3距离分辨力距离分辨力用于描述雷达探测出相邻目标的能力。雷达通常设计成在最小距离Rmin和最大距离Rmax之间工作。和之间的距离分为M个距离仓门，每个宽度为△RM=（Rmax-Rmin）/△R间隔大于△R的目标可以在距离上完全分辨出来，相同距离门内的目标可以使用信号处理技术分辨出横向距离。R1R2目标2目标1反射脉冲目标1回波目标2回波cτcτcτ/2由图可知：△R必须大于或等于cτ/2；雷达带宽B=1/τ，则有：△R=cτ/2=c/(2B)由此可知，要减小△R以获得高的距离分辨力，就必然会降低平均发射功率，增加带宽。使用脉冲压缩技术可解决这一矛盾。2.4多普勒频率目标多普勒频移可表达为：fd=±2v/λ前进目标的多普勒频移为fd=2v/λ，后退目标的多普勒频移为fd=-2v/λ；其中，v为相对速度，λ为电磁波波长。2.5相干性如果任意两个发射脉冲的相位是一致的，则称雷达是相干的。脉冲n+1λ的整数倍λ距离脉冲n由于多普勒表示接收信号中的频移，而只有相干的或接收相干的雷达才能提取多普勒信息。这是因为信号的瞬时频率正比于信号相位的时间导数。确切地说，fi=1/2π+dφ(t)/dt2.6雷达方程基本雷达方程：Pr=PtG2λ2σ／(4ЛR)2最大探测距离（用Smin表示最小可探测功率）：Rmax=[PtG2λ2σ/[(4Л)3Smin]]¼通常希望可探测最小功率Smin大于噪声功率：Smin=kT0BF(SNR)omin2.7低PRF雷达方程PRF：脉冲重复频率。BFLkTGpSNRt043221R4)(π）（σλBFLkTnGpSNRptnp04322R4)(π）（σλ单个脉冲的雷达方程np相干积累脉冲的雷达方程由于，方程变为：τ/1,BfTnripFLkTfTGpSNRritnp04322R4)(π）（τσλ2.8高PRF雷达方程rttBFLdkTdGpSNR043222R4π）（σλFLkTTiGfpSNRfddrtrtr04322R4π）（σλτ，故有：τ由于单个脉冲的雷达方程由于τ/1,BfTnripFLkTGTpFLkTGTfpSNRiavirtnp0432204322R4R4)(π）（σλπ）（σλτ方程变为：PavTi的积是“一种能量”的乘积，表明高PRF雷达可以通过使用相对较低的功率和较长的积累时间来增强探测性能。FLkTGTfpSNRirtnp04322R4)(π）（σλτ低PRF雷达方程：2.9监视雷达方程雷达系统的搜索区域通常由搜索立体角Ω指定，其中分别指方位角和仰角上的雷达搜索区域。因此，雷达的搜索区域为：EA、AEsrEA2)296.57/()(天线的3dB波束宽度为，那么覆盖立体角的天线波束位置数量nB为：ea和eaEAeaEABn22')296.57/()()296.57/()(BFLkTGpSNRt04322R4π）（σλ由于利用关系式τ=1/B，Pt=PavT/τ并假设在单次扫描内，每个波束只有一个脉冲照射目标，那么有：BSCavnTFLkTGpSNR40322R4π）（σλ其中，TSC表示立体角Ω的扫描时间。2.10带干扰的雷达方程干扰器分两大类：a、阻塞干扰器；b、欺骗干扰器（重发器）。当出现强干扰时，探测性能由接收机信噪比加上干扰比决定。大多数情况下，探测能力只由信号与干扰比决定。a、阻塞干扰器试图增加雷达整个带宽内的噪声水平。b、欺骗干扰器在机上载有接收设备，分析雷达发射的信号并发挥类似的假目标回波信号来迷惑雷达。干扰器的有效辐射功率（ERP）定义为：JJJLGPERP2.11自屏蔽干扰器（SSJ）自屏蔽干扰器也称为自我保护干扰器，是一类在他们保护的车辆上搭载的ECM系统，其出现距离与目标相同。被雷达接收的干扰功率是：JJrJJLBARGPJ24那么SSJ情况下的S/J比为：LRERPBGPJSJt2)4)((当采用脉冲压缩时，利用时宽带宽积GPC=Brτ，并用因子乘于上式，有：LBRERPGBGPJSrPCJt2)4)((由于干扰功率是单程传输，故其功率通常大于目标信号功率，及S/J1。当目标靠近雷达时，在某一距离上有S/J=1，对应距离称为跨越或烧穿距离，记为RCO。21)(4)(ERPLBBGPRrJtSSJCOσ烧穿距离如果干扰采用高斯噪声的形式，雷达必须以处理雷达内部噪声功率相同的方式来处理干扰信号。这种情况下，将由S/(J+N)替代SNR，即：)4)(())4((0242kTBRAERPLRAGPNJSJrrt对于给定的S/(J+N)，烧穿距离为：21002208)()()4()8)((