雷达信号处理技术与系统设计(第1-2讲)

雷达信号处理技术与系统设计RadarSignalProcessingandItsImplementation主讲：李明Tel:029-88202359西安电子科技大学雷达信号处理国家重点实验室教学目的:本课程主要针对信号与信息处理及电路与系统学科且已具备信号处理及相关基础知识的研究生开设,旨在提高学生对所学专业知识的实际应用能力与系统设计能力.雷达信号处理技术与系统设计教学内容:课程首先对雷达系统的基本原理、组成及相关内容作一概述,在此基础上着重讲述了雷达信号处理系统中各基本处理功能模块,包括:常规雷达波形设计;数字中频正交接收技术;数字脉冲压缩技术;杂波图技术;MTI及MTD技术;目标检测技术;多通道自适应均衡和波束合成(DBF)技术;自适应频率捷变及自适应旁瓣相消、旁瓣匿影等抗干扰技术,通过对以上各部分基本原理分析及仿真,进而对雷达信号处理系统的设计及实现方法进行介绍、分析、讲解,并通过工程实例介绍雷达信号处理系统的设计经验、注意事项及实现过程.雷达信号处理技术与系统设计第一篇:雷达系统概述(4学时)1.常规雷达系统组成;2.不同体制雷达介绍;3.基本概念讲解;4.雷达信号处理机组成及功能分析.雷达信号处理技术与系统设计第二篇:雷达信号处理基本功能分析(28学时)1.常规雷达波形分析与设计(2学时)(调频信号、相位编码信号)2.数字中频正交接收技术(4学时)3.数字脉冲压缩技术(4学时)(匹配滤波,线性调频、相位编码信号数字脉冲压缩)4.动目标显示技术(3学时)(MTI基本原理、地杂波抑制、改善因子等)雷达信号处理技术与系统设计5.动目标检测技术(4学时)(MTD基本原理、相干积累、目标测速等)6.目标检测(2学时)(参量型、非参量型CFAR检测)7.雷达杂波图技术(2学时)(杂波图检测、增益控制等)雷达信号处理技术与系统设计8.阵列信号处理(4学时)(通道自适应均衡技术、自适应波束形成技术(DBF))9.雷达抗干扰技术(2学时)(自适应频率捷变、自适应旁瓣相消及旁瓣匿影技术等)雷达信号处理技术与系统设计第三篇:雷达信号处理机设计(14学时)1.高性能A/D转换性能分析,A/D器件选取及设计要领.(2学时)2.常用高性能信号处理器件及其应用介绍(6学时)(高性能专用集成电路、EPLD器件、高性能DSP处理器)雷达信号处理技术与系统设计3.信号处理系统仿真与常用算法实现(2学时)（FIR滤波、FFT等）4.系统设计(4学时)(结合特定工程实例讲解)雷达信号处理技术与系统设计教学方法与考核方式:课程采用课堂讲授、课下计算机仿真分析,并针对特定雷达的信号处理部分进行基本设计方法训练等方式实施。考核采用仿真分析结果及书面报告形式。雷达信号处理技术与系统设计参考文献[1]丁鹭飞，耿富录.“雷达原理”.西安电子科技大学出版社,1995[2]丁鹭飞,张平.“雷达系统”.西北电讯工程学院出版社,1984[3]Morris.G.“AirbornePulseDopplerRadar”.ArtechHouse.1996.[4]向敬成,张明友.“雷达系统”.电子工业出版社，2001[5]A.V.奥本海姆,R.W.谢弗.“数字信号处理”.1996[6]吴顺君.“雷达信号处理和数据处理技术”.电子工业出版社，2008XDU：LM第一，二讲雷达系统概述XDU：LM内容安排1.1什么是雷达?1.2雷达的发展和应用1.3雷达基本原理和组成1.4雷达的基本任务1.5雷达的主要战术性能参数1.6雷达的主要技术参数1.7雷达战术、技术性能与技术参数的关系XDU：LM1.1什么是雷达?雷达(Radar)是“RadioDetectionandRanging”缩写的音译,即“无线电探测与测距”，它是利用目标对电磁波的反射或散射现象对目标进行检测、定位、跟踪、成像与识别。雷达系统概述XDU：LM雷达是集中了现代电子科学技术各种成就的高科技系统。目前已成功地应用于地面(含车载)、舰载、机载、星载等方面。这些雷达已经和正在执行着各种军事和民用任务。雷达系统概述XDU：LM1.2.1雷达的发展---雷达的雏形阶段1.2雷达的发展和应用雷达系统概述XDU：LM雷达系统概述XDU：LM•雷达早期发展阶段：美国在1922年利用连续波干涉雷达检测到木船，1933年首次年利用连续波干涉雷达检测到飞机；1934年美国海军开始研究脉冲雷达；1935年英国开始研究脉冲雷达，1936年首个警戒雷达投入使用，1937-1938年大量“CH”型号雷达站投入使用；1938年美国研制出第一台火炮控制雷达；1944年能够自动跟踪飞机的雷达研制成功；1945年能够消除背景干扰，显示运动目标的技术是雷达功能进一步完善。在整个二次世界大战期间，雷达成了电磁场理论最活跃的部分。雷达系统概述XDU：LM•新技术新体制的应用：二十世纪六十年代以来,由于航空和航天技术的飞速发展，利用雷达探测飞机﹑导弹﹑卫星等需要，对雷达的作用距离﹑测量精度﹑分辨率等性能有了更高要求，同时由于发展反弹道导弹﹑空间卫星探测和监视﹑军用对地侦察﹑民用遥感等使得以下关键技术在雷达中得到应用。(1)脉冲压缩技术：采用复杂的大时宽带宽脉压信号，以满足(2)距离分辨力和电子反对抗的需要；(3)脉冲多卜勒(PD)和动目标检测(MTD)等技术；(4)有源相控阵技术：高可靠性的固态功率源更为成熟,可以组成普通固态发射机或分布于相控阵雷达的阵元上组成有源阵。雷达系统概述XDU：LM（4）合成孔径/逆合成孔径雷达技术和干涉仪合成孔径雷达技术(InSAR)：综合孔径雷达(SAR)由于具有很高的距离和角度(切向距)分辨能力而可以对地实况成像;逆综合孔径(ISAR)雷达则可用于对目标成像；InSAR雷达则可提供高程信息。（5）超宽带雷达技术(UWB)；（6）高频超视距雷达技术(OTHR)；（7）双/多基地雷达技术；（8）综合脉冲与孔径雷达技术；（9）MIMO雷达系统；外辐射源雷达;网络雷达系统;等等……雷达系统概述XDU：LM目前雷达系统各部分主要采用的新技术如右图雷达系统概述XDU：LM雷达系统概述1.2.2雷达的分类现代雷达体制种类繁多，分类的方式也比较复杂。1：按雷达用途分为：预警雷达、搜索警戒雷达、引导指挥雷达、炮瞄雷达、测高雷达、战场监视雷达、机载雷达、气象雷达、航行管制雷达、导航雷达以及防蝗、敌我识别雷达等。2：按雷达信号形式分为：脉冲雷达、连续波雷达、脉冲压缩雷达、噪声雷达和频率捷变雷达等。3：按角跟踪方式分为：单脉冲雷达、圆锥扫描雷达和隐蔽扫描雷达。4：按测量目标的参数分为：测高雷达、二坐标雷达、三坐标雷达和敌我识别雷达等。XDU：LM雷达系统概述5：按采用的技术和信号处理的方式分为：各种分集制雷达(例如频率分集、极化分集等)、相参积累和非相参积累雷达、动目标显示(MovingTargetIndication，MTI)雷达、动目标检测(MovingTargetDetection，MTD)雷达、脉冲多普勒雷达雷达、合成孔径雷达、边扫描边跟踪(TrackWhileScan，TWS)雷达等。6：按天线扫描方式分为:机械扫描雷达和电扫描雷达等。7：按雷达频段分为：高频超视距雷达、微波雷达、毫米波雷达和激光雷达等。8：按雷达工作平台分为：地基、机载、天基、舰载等。XDU：LM1.2.2雷达的应用雷达系统概述军事应用：预警雷达/超远程雷达（用于发现战略轰炸机和洲际导弹。工作频率一般为﹑L﹑S﹑UHF或VHF，以较少大气损耗。作用距离一般几千公里，兆瓦级功率）；搜索和警戒雷达（用于发现飞机。工作频率一般﹑L﹑S﹑UHF或VHF。作用距离一般400-600公里，兆瓦级功率）；引导指挥雷达；火控雷达，炮位校射雷达（用于搜索跟踪目标。工作频率一般﹑L﹑X﹑C或Ka。作用距离一般为几十上百公里，千瓦级功率）；靶场测量雷达；战场监视雷达；XDU：LM雷达系统概述民用：气象雷达；航行管制；遥感；反恐/生命探测；导航雷达；公路测速；。。。。。。XDU：LM机载雷达；（导航，火控）舰载雷达;无线电测高仪；制导雷达/雷达引信；。。。。。。雷达系统概述海基雷达双基地地基预警雷达NMD机载预警雷达空警2000XDU：LMXX警戒雷达XXX米波雷达机载预警雷达雷达系统概述XXX旁瓣相消雷达XXX导弹预警雷达XXX雷达XXX警戒雷达XDU：LM舰载相控阵雷达机载预警雷达E2T雷达系统概述XDU：LM雷达系统概述稀布阵综合孔径雷达XDU：LM美国NMD系统路基相控阵雷达外辐射源雷达雷达系统概述XDU：LM末制导雷达舰载对空搜索雷达警戒雷达气象雷达雷达系统概述XDU：LM反恐和生命探测雷达信标机（二次雷达）雷达系统概述XDU：LM典型雷达（雷神公司“铺路爪”远程警戒雷达）AN/FPS-115雷达主要用于探测、跟踪潜射弹道导弹和洲际弹道导弹，提供导弹预警信息。其次是用于监视、跟踪和识别空间目标，提供绕地球轨道运行卫星的位置、速度等数据。AN/FPS-115雷达的主要技术指标如下：工作频率：420～450MHz；峰值功率：600KW；平均功率：150KW.作用距离：5500km（σ=10m2）、3120km（σ=1m2）；脉冲宽度：250us～16000us；方位覆盖：120°/阵面，通常为双阵面，可覆盖240°；仰角覆盖：3°～85°；天线型式：双阵面圆口径密度加权阵；tp://bbs.tiexue.net/直径22.1m（PAVEPAWS）；阵面单元数：有源单元数1792、无源单元数885；阵面倾角：后倾角20°；波束宽度：2°（发射）/2.2°（接收）；极化形式：右旋（发射）/左旋（接收）；频带宽带：100KHz（搜索）、1MHz（跟踪）；距离分辨率：1500m（搜索）、150m（跟踪）；天线增益：38.4dB；1.3雷达基本原理和组成雷达系统概述1.3.1雷达基本原理雷达是利用目标对电磁波的反射(或称为二次散射)现象来发现目标并测定其位置及其他相关信息。由雷达发射机产生的电磁能,经收发开关后传输给天线,再由天线将此电磁能定向辐射于大气中，电磁能在大气中以光速(约3×108m/s)传播,如果目标恰好位于定向天线的波束内,则它将要截取一部分电磁能，目标将被截取的电磁能向各方向散射,其中部分散射的能量朝向雷达接收方向。雷达天线搜集到这部分散射的电磁波后,就经传输线和收发开关馈给接收机，接收机将这微弱信号放大并经信号处理后即可获取所需信息,并将结果送至终端显示。（如下图所示）XDU：LM雷达工作原理示意图雷达系统概述目标发射机接收机显示器发射的电磁波接收的电磁波信号处理机天线收发转换开关噪声RXDU：LM1.目标的空间位置目标在空间、陆地或海面上的位置,可以用多种坐标系来表示。但在雷达应用中,测定目标坐标常采用极(球)坐标系统,如下图所示。空间任一目标P所在位置可用下列三个坐标确定:1目标的斜距R：雷达到目标的直线距离OP;2方位角：目标斜距R在水平面上的投影OB与某一起始方向(正北、正南或其它参考方向)在水平面上的夹角。3仰角：斜距R与它在水平面上的投影OB在铅垂面上的夹角,有时也称为倾角或高低角。雷达系统概述XDU：LM目标OBP正北HDR雷达工作示意图雷达用极(球)坐标系统表示目标位置雷达系统概述XDU：LM球坐标系和直角坐标系两种坐标系统之间的关系如下:D=Rcosβ，H=Rsinβ，α=α注：上述这些关系仅在目标的距离不太远时是正确的。当距离较远时,由于地面的弯曲,必须作适当的修改。雷达系统概述XDU：LM雷达系统概述2.雷达发射信号XDU：LM3.雷达目标回波信息的用途：①目标的距离﹑空间角度定位和运动速度估计；②由目标距离和角度随时间变化的规律得到目标位置的变化并由此建立对目标跟踪;③在满足足够的分辨力条件下可得到目标尺寸和形状信息;④采用不同的极化，可测量目标形状的对称性。⑤理论上，雷达还可测定目标的表面粗糙度及介电特性等雷达系统概述XDU：LM4.雷达探测的基本原理雷达系统概述XDU：LM调制器电源收发开关高频和混频激励器中放同步器