雷达系统与信号处理概述（一）

第一章：雷达系统与信号处理概述（一）

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第一章：雷达系统与信号处理概述（一）

 

1.1 雷达的基本功能

1.2 检测、跟踪、成像概述

1.3 检测概率和虚警概率

1.3.1检测概率

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1.3.2虚警概率

1.4 雷达分辨率

1.4.1 雷达距离分辨率

1.4.2 雷达测速、速度分辨率、速度模糊和速度跟踪

1.4.3 角度测量

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1.1 雷达的基本功能

检测、跟踪、成像

1.2 检测、跟踪、成像概述

1.距离测量：

2.俯仰角 和方位角以天线的指向为参考坐标进行确定

3.速度测量：速度通过测量目标回波的多普勒频移进行估计，从目标回波的多普勒频移计算出目标的径向速度，但是通过对目标位置和径向速度的连续测量可以推断出目标的三维运动情况。

4.达采用微波波段电磁波（具有极低的衰减特性）具有很好的穿透能力。

5.在分析雷达的检测性能时，基本指标是检测概率和虚警概率，这又由信号和干扰的统计特性决定，尤其是信干比（SIR）,在其他参数不变的情况下增大总是以同时增加为目的。

6.在雷达检测过程中如果存在有多个目标，对雷达的检测性能估计就还需考虑雷达的分辨率以及旁瓣特性，如果分辨率低就会将多个目标当做一个目标进行记录；如果雷达旁瓣较高，则强反射目标的回波就会遮蔽弱目标的回波。这样当具有两个目标 出现时也会当做一个目标进行记录。在距离向雷达的分辨率和旁瓣特性主要取决于雷达的波形设计，而在角度域，他们取决于雷达的天线方向图特性。

7.在跟踪的过程中，基本的性能指标是距离、角度以及速度估计精度。虽然分辨率可以作为跟踪精度的一个粗略的上界，但是通过适当的信号处理后，雷达可以获得的精度取决于具体的SIR。

8.在雷达成像中，具体的支部是空间分辨率以及动态范围。空间分辨率决定SAR图像中多大尺寸的物体可以被辨识出来，进而决定该雷达图像的应用范围。动态范围决定图像的对比度，也决定了一幅图像中能提取的信息量

9.雷达信号处理的目的：就是提高这些指标，通过脉冲积累可以提高雷达信号的SIR；通过脉冲压缩和其他波形设计技术（频率捷变）可以提高雷达分辨率和SIR。增大SIR和采用插值技术可以提高测量精度；在信号处理中广泛时候加窗技术同样可以改善雷达的旁瓣特性。

 

1.3 检测概率和虚警概率

1.3.1检测概率

1.3.2虚警概率

1.4 雷达分辨率

雷达分辨率是雷达指将两个目标分辨为分离目标所需的差异，代表了雷达在密集目标环境下分辨多目标的能力。雷达分辨率通常包括距离分辨率、速度分辨率和角度分辨率。直观来看，距离分辨率取决于脉冲宽度，速度分辨率取决于相参积累时间，雷达的角度分辨率则与天线的波束宽度有关，包括方位和俯仰。

1.4.1 雷达距离分辨率

距离分辨率是指将在距离维将两个大小相等的点目标区分开的最小距离，对于脉冲信号，距离分辨率用公式表示为：

                                                                                                     

其中，Tp为时宽，Bw为脉冲信号带宽。关于理解距离分辨率直观的示意图如下：

        

                                                                                                                                                                                           目标分辨示意图

不同雷达，对目标的分辨率要求是不同的，从而采用不同的信号带宽，下面列出常用雷达对分辨率的要求，仅供参考。

                                                                                                                                                                                      表 距离分辨率和信号带宽的关系

实际距离分辨力:

实际的距离分辨力则复杂的多。我们知道雷达通常会对信号进行调制来增加信号带宽，典型的有线性调频信号和相位编码信号，在接收时采用脉冲压缩技术将脉冲宽度压窄，从而达到在不降低雷达平均功率（不减少时宽）的情况下，提高距离分辨率。雷达在对调制信号进行脉冲压缩时，通常会进行加权处理，来降低旁瓣，但我们都知道加权会导致主瓣展宽，因此脉压后的距离分辨率要乘以一个常数，具体是和加权函数相关的。为了全面考虑距离自相关函数主峰、旁瓣对分辨能力的影响，Woodward定义了一个反映分辨特性的参数：时延分辨常数，它与信号的有效带宽成反比，注意是有效带宽。

时延分辨常数：

                                                               

距离分辨率与时延分辨常数的关系：

                                                               

时延分辨常数是将相应主峰、旁瓣或类似噪声基底的全部能量计算在一起，除以主峰最高点功率所得的时间宽度。时延分辨常数越小，距离自相关函数的主峰窄、旁瓣或基底小，对分辨目标是有利的。

1.4.2 雷达测速、速度分辨率、速度模糊和速度跟踪

我们都知道，雷达能测量目标相对于雷达的速度，它是距离的时间变化率。有时也可以用相对速度来代替距离变化率，这种情况下，速度是速度矢量的大小，通常称为径向速度。

 如上图所示，若雷达系统也是移动的，则在目标与雷达的距离矢量上，速度是目标速度矢量和雷达速度矢量的投影大小。

脉冲多普勒频移测速法

雷达系统有多种测速方法，下面简单介绍脉冲多普勒频移测速法。通过测量接收目标信号的脉冲多普勒频移，雷达系统能计算目标的速度与雷达发射电磁波的相关性。

 为了测量多普勒频移，雷达系统利用相干的脉冲串信号，通过对产生、发射和接收波形加入准确的载波和调制处理来保证相位。

 如上图所示，运动目标的回波信号的频谱发生了多普勒移动，测量出该频移量即可计算出目标相对于雷达的速度。从公式中我们可以看出，接近的目标压缩了雷达波，从而使回波频率变高；而远离的目标延伸了雷达波，从而使回波频率变低。负速度(靠近雷达)造成正的多普勒频移，而正速度(远离雷达)的多普勒频移是负数。

                                                                  

例如，目标的速度是150m/s，雷达波长为0.03m，多普勒频移为10kHz。速度在计算过程中取负值是因为目标在朝向雷达运动，它们之间的距离在缩短。下图所示为雷达载波频率函数在单位速度上的多普勒频移。

                                                                                           

多普勒滤波器组

多普勒频移可以利用连接的窄带匹配滤波器进行计算，包含目标多普勒频移的多普勒滤波器得到的信号具有有很高的信噪比，其他的多普勒滤波器包含的只有接收机噪声。在阈值检测阶段，会遍历每一个多普勒滤波器，从而得到速度的测量。

通常情况下，多普勒滤波器会重叠相邻滤波器大约半功率的带宽，连续相邻的多个多普勒滤波器称为多普勒滤波器组，它可以覆盖目标的整个多普勒频移带。对于目标监视雷达而言，所需要的多普勒滤波器数量会很多

速度分辨率

窄带滤波器是通过对某段时间输出信号的积分来实现选择，积分时间越长，多普勒滤波器带宽越小。这个积分时间称为脉冲串周期或者相干处理间隔(CPI)。速度分辨率是一个关于多普勒滤波器带宽的函数。

                                                                                                                              

多普勒滤波器带宽与雷达积分时间的关系。速度分辨率本质上是基于最好的多普勒频移，这个频移等于多普勒滤波器带宽。例如， 多普勒滤波器的带宽为200Hz，雷达发射信号波长为0.03m，那么，雷达的速度分辨率是3m/s。

 

 

 

如图所示，每单位多普勒滤波器带宽的速度分辨率是关于雷达载波频率的函数。雷达载波频率越高，对于给定相同多普勒滤波器带宽条件下的速度分辨率越好，这也是为什么大多数多普勒雷达都是高频的原因，脉冲串波形可以允许任何好的多普勒分辨率，并且其周期可以根据需求而改变，所以说，雷达是一个大的系统工程问题。

速度模糊

脉冲串波形存在频域模糊，雷达系统利用多普勒滤波器组来测量多普勒频移，多普勒滤波器组的频率范围一般就是脉冲重复频率(PRF)，因此，当多普勒频移在±PRF/2的范围内，就不会产生速度模糊。

但当多普勒频移在±PRF/2的范围外，通过减去一个整数倍数的PRF就可以使其出现在-PRF/2〜+PRF/2。从频域转换到速度域带来不模糊速度，与多普勒频移为±PRF/2存在一定的关系。

一般来说，设计多PRF可以使回波在一个测量区域内模糊，而在另一个测量区域不模糊。另外，有一些雷达系统通 过使用连续PRF来解决距离或速度模糊问题，即距离PRF后紧跟速度PRF，反之亦然。

速度跟踪

速度跟踪作为时间的函数表示对目标的速度进行跟随，即测算连续的速度变化量。“跟踪门”可以对周围指定速度的目标进行跟踪。雷达系统可以通过闭环控制系统自动跟踪目标，也可以通过操作者进行手动跟踪，或者两者结合起来使用。另外，可以选择性地对雷达系统多普勒滤波器组的输出进行监视查看。

速度测量跟踪是通过在时域上跟随目标的多普勒移动来实现的。当单个目标被跟踪时，这个常用的速度跟踪技术就是“速度门”。这个技术可以在两个窄带多普勒滤波器之间区分接收目标。

1.4.3 角度测量

1. 角度测量的方法
   1. 振幅法测向
   2. 相位法测向
2. 天线方向图

相位法测角

1. 两天线相位法测角基本原理
   相位法测角利用多个天线所接受回波信号之间的相位差进行测角

多基线测角

间距大的1、3天线用来得到高精度测量，间距小的1、2天线用来保证大的无模糊测角范围

振幅法测角
        振幅法测角是用天线收到的回波信号幅度值来做角度测量的，该幅度值的变化规律取决于天线方向图以及天线扫描方式
       最大信号法
       当天线波束做圆周扫描或在一定扇形范围内做匀角速扫描时，对收发公用天线的单基地脉冲雷达而言，接收机输出的脉冲串幅度值被天线双程方向图函数所调制。找出脉冲串的最大值，确定该时刻波束轴线直线即为目标所在方向。
        波束扫描的图：
 

扫描得到的幅度值

        

测角误差与天线波束宽度和中心脉冲的信噪比

1. 优点：信噪比比较好，设备简单
2. 缺点：测量时测量精度不高、不能用于自动测角

后面的测角方案还有等 信号法以及自动测角这里不再赘述