雷达信号处理技术汇总

系列文章目录

《雷达简单介绍》

《信号类型（雷达）——雷达波形认识（一）》

《信号类型（雷达）——连续波雷达（二）》

《信号类型（雷达）——脉冲雷达（三）》

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文章目录

前言

一、脉冲雷达信号处理流程示例

二、相应的雷达技术

2.1、信号调节

2.2、信号成像

2.3、信号检测

2.4、信号跟踪

总结

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前言

       《雷达简单介绍》主要介绍了雷达的基本功能以及简单的应用场景，并简单介绍了相参体制雷达系统的硬件组成以及对应实现的功能，《信号类型（雷达）——脉冲雷达（三）》等系列文章主要介绍了雷达系统的波形设计以及对应的设计依据，这篇文章将介绍处理目标回波信号的基本信号处理技术以及他们之间的关联。考虑到绝大多数雷达是按照单基地（可以认为收发一体化）、脉冲体制（可以实现距离多普勒信息的独立获取）进行设计的，本文介绍的雷达信号处理技术以单基地脉冲体制雷达为例进行分析。

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一、脉冲雷达信号处理流程示例

       上图为常规雷达信号处理的一般流程示意图，大致分类为：信号调节模块、成像模块、检测模块和后处理模块。

       首先接收机接收雷达照射到目标后的回波信号，即图示中到达接收机的信号，这个信号是由雷达自身特性（包括发射波形、极化方式、天线增益）和反射回波的实际物体的特性（物体尺寸，相对于雷达的方向、姿态、速度）共同决定。信号调节模块的目的一方面通过A/D变换，将接收的模拟信号转换为数字信号，这样可以很方便的运用先进的计算机网络技术，甚至和大数据方面的理论技术相结合；除了目标反射的雷达回波信号，信号中必然存在接收机本身的热噪声，可能存在传播空间中的有意或无意干扰，所以信号调节模块另一方面通过波束形成、脉冲压缩、杂波滤除、多普勒处理等相关信号处理技术抑制接收机接收信号的噪声以及各种干扰。

       经过信号调节模块后，信号的信噪比可能会得到提升，即噪声得到抑制，信号中的干扰可以根据干扰相关的先验信息得到高效滤除。此时，可以基于最优检测理论以及CFAR处理，直接进行信号的检测，判断目标是否存在；当然也可以进一步进行成像处理然后再对目标进行检测，这里的成像一般指SAR成像，具体是对雷达信号的慢时间维进行合成孔径处理，使得目标位置在雷达飞行的方向上聚焦，而距离上的能量聚焦通过脉冲压缩实现，由于信号在慢时间维上相干处理，使得成像后的信噪比得到进一步提升，检测性能也能得到提升。

        在判断目标存在后，需要对目标的相关参数进行估计，即信号后处理模块。基于最优估计，能够实现目标位置、速度等信息的估计，对多个驻留时间内估计的位置进行卡尔曼滤波，可以得到目标运动的轨迹估计信息，实现对目标的跟踪。通过对SAR成像的物体形状对目标进行识别，通过目标的极化特性识别目标。

二、相应的雷达技术

       从第一部分的流程图可以发现，常规雷达系统的基本功能包括：检测、跟踪和成像。目标的检测主要判断目标有无，核心理论为线性滤波和统计检测理论；目标跟踪主要实时定位目标位置，核心理论为参数估计和卡尔曼滤波理论；成像主要形成目标散射特性的图像，核心理论为脉冲压缩和合成孔径理论。下面表格简单总结了不同功能下关注的性能指标以及对应的影响因素。

雷达功能	指标	影响因素	描述
检测	检测概率 虚警概率	单目标由信号和干扰的统计特性SNR决定； 多目标检测还受分辨率以及旁瓣特性影响；	分辨率以及旁瓣特性取决于雷达波形（距离向）以及天线方向图（角度域）；
跟踪	定位精度 速度精度	位置精度（目标的距离、角度）取决于信干比SNR	分辨率可以作为跟踪精度的一个粗略上界
成像	空间分辨率 动态范围	空间分辨率取决于天线口径以及信号波形带宽； 动态范围取决于SNR	空间分辨率决定可分辨物体尺寸；动态范围决定图像的对比度

       雷达相关技术研发目标是为了更快、更稳定、更精准地实现雷达功能。为了更好地实现上述雷达功能，需要改善对应的指标，可以看出，雷达功能的性能指标普遍受信噪比SNR影响，而实际环境中随机噪声以及干扰的影响不可避免，为了抑制这方面的影响，相关理论得到研究，如噪声干扰信号的建模以及噪声干扰对性能指标影响的机理，相关的雷达信号技术得到开发，包括波束形成形成，脉冲压缩（原本是为了实现距离高分辨，但也能提升信噪比），杂波滤波等技术。

       除了噪声干扰的问题，雷达信号还存在强弱信号共存导致的信号动态范围大的问题，频谱资源紧张的问题等。这里以实现功能为标准将现有雷达技术分为：信号调节模块、成像模块、检测模块和后处理模块。其中成像模块、检测模块、后处理模块是与雷达功能直接相关。信号调节模块主要目标是为了使后续功能技术的性能指标能大幅提升，以致在实际工程应用能够取得良好效果。后处理模块包括目标跟踪、目标识别，可以归结为目标相关参数的估计理论。

      一个雷达系统需要信号调节模块+至少一个功能模块（包括成像模块、检测模块、后处理模块）。比如一个简单的预警雷达系统的信号处理包括：信号调节模块、检测模块，这样预警系统可以判断是否有敌对目标出现在防空领域，如果雷达系统增加目标参数的估计模块，则雷达系统还能够给出目标位置和速度信息，为跟踪监视目标提供依据，如果再加上成像模块，则可以得到目标形成，识别目标类型，进而判断目标危险等级。

2.1、信号调节模块

        信号调节，可以理解为信号预处理，是为了提高成像、检测和后处理等功能的性能指标而形成的技术，主要功能是降低噪声干扰对后续功能的影响。当然也会解决信号高动态范围、强弱信号共存等问题。不同雷达系统以及对应的探测场景可以根据实际存在的问题以及所需的性能指标选择对应的技术来构造信号调节模块。

• 接收机设计

       雷达系统中的接收机的噪声系数影响接收输出的雷达回波信号中噪声的噪底，而由于整个射频电路的噪声主要由第一个器件的噪声系数决定，为了减低接收机热噪声的影响，一般会在接收天线之后接上一个低噪声放，提高信号的信噪比。此外，还存在与具体器件相关的技术，这属于射频电路方面的技术，不是我关注的点，就不具体展开。

• 带通滤波（高速的A/D转换器）

       一般认为数字信号处理效果比模拟信号处理效果更好（具体原因感兴趣的可以评论区讨论）。一般会将模拟信号通过AD转化器转化为数字信号。信号采样率满足奈奎斯特定理，而距离高分辨的雷达信号带宽大，所需采样率高，导致高速率的数据吞吐量，因此工程上需要设计非常高速的A/D转换器。

• IQ技术

       我们知道实信号的频谱关于零频对称，也就是说我们知道信号的一半频谱，就可以知道信号另一边频谱，这样实际发射的信号可以采用半边频谱的复信号进行波形设计，这样降低一半的带宽，这样能降低信号的采样率，降低数据率，同时降低频带所用宽度，节约频带资源。但是实际传输的信号只能是实信号，为了实现等效的复信号发射功能，设计了IQ两路正交的信号，分别对应复信号的实部和虚部。

• 波束形成技术

       波束形成技术可以从阵列天线理论来理解，我们通过给予不同阵列单元不同的相移来在空间形成特定波束指向的方向图（当波束指向确定，方向图展示了在不同方向阵列天线辐射的信号强度，在波束指向的方向，辐射信号强度最强），不同阵列单元下相移构造的等幅值复数组成导向矢量，接收多路信号（每个阵元接收的信号）受这个导向矢量的加权影响会使得合成后的信号在波束形成的方向得到增强，在其他方向得到减弱。当已知干扰信号的方向，可以通过控制导向矢量控制波束形成方向，进而抑制波束形成方向外的干扰信号。当已知目标方向，可以自适应调整导向矢量，控制波束指向目标，降低波束外信号干扰的影响。

• 脉冲压缩

        脉冲压缩是为了解决分辨率和探测距离之间的矛盾，从波形设计的角度通过设计大时宽带宽积的信号波形，通过匹配滤波的方式实现距离维的高分辨，同时不影响雷达探测距离。由于脉冲压缩利用了匹配滤波手段，实际也能改善信号信噪比。

• 杂波滤除

        波束形成是从信号的空域特性实现杂波干扰的抑制，而MTI等杂波抑制技术是基于杂波的频域特性去除杂波的，针对运动目标，接收的雷达回波信号存在多普勒信号，而地面产生的杂波由于反射物体静止，基本不产生多普勒信号，根据这一差异，可以设计MTI滤波器很好的抑制地杂波。MTI雷达主要运用该技术实现动目标显示。

• 多普勒处理

       多普勒处理是将慢时间维的多普勒信号通过一系列的滤波器组实现相干累加，进而实现动目标的检测。MTD雷达主要运用该技术实现动目标距离速度的检测。

• 旁瓣控制技术

      上述技术按照实际信号处理流程来叙述，能够解决大部分噪声干扰影响。下面补充一些其他技术。由于波束方向图、距离维匹配滤波器以及方位维匹配滤波器旁瓣存在（分别对应空间角度分辨性能、距离分辨性能以及方位/速度分辨性能），此时弱目标易被空间角度、距离或方位/速度相近的强目标遮蔽，通过加窗可以改善雷达的旁瓣特性。

• 自动增益控制

      雷达信号具有非常高的动态范围，通常可达几十分贝，极端能达到100dB。自动增益控制电路是在输入信号幅度变化较大时，能使输出信号幅度稳定不变或限制在一个很小范围内变化的特殊电路，使得接收机能够适应大动态范围的信号环境。

2.2、成像模块

       成像，利用调节好的信号形成照射区域的雷达图像，关注的是目标图像能量的聚焦性能，即目标距离方位的分辨率。这里不考虑MTD处理形成的距离速度图像，MTD处理所形成的图像描述的是目标距离和速度的分布情况，只涉及到一个空间位置变量。

• 合成孔径技术

      初始距离对应的固定相位以及速度引起的多普勒频率相位，可以构造目标相位历程。利用多普勒信号展宽实现方位维的高分辨。和脉冲压缩技术实现距离维的高分辨共同形成目标区域的高分辨图像。

• 自聚焦技术

      机载平台受运动误差、大气传播误差、地面曲率误差等影响，使得接收的多普勒信号存在二次相位误差，而这会导致方位维合成孔径散焦，需要设计相应的补偿算法去除这部分的影响，这部分了解不是很多，暂且不展开。

• 多视处理技术

       实际SAR图像是由多个分辨单元构成，而每个分辨单元是具有一定的空间寸尺的，并且空间尺寸内的物体的散射特性会随着位置不同而变化，这种变化具有随机特性，每个地面分辨单元内散射点的回波被 SAR 接收后进行相干叠加，在该分辨单元内会出现振幅和相位随机衰落的情况，在 SAR 图像上会出现为明暗交错的相干斑噪声。针对这个问题，可以通过多个子孔径所成SAR图像的非相干累加得到抑制，每个子孔径所成SAR图像的视角不同，因此这种技术叫做多视处理。

2.3、检测模块

      检测，指基于调节后的信号或合成孔径所成图像，利用检测理论判断目标是否存在，关注的是检测概率以及虚警率。

• 脉冲累加

       雷达的单个脉冲能量有限，通常不采用单个接收脉冲来进行检测判决，在判决前，我们需要对多个脉冲进行处理，提提高信噪比。其中脉冲累加分为相干累加和非相干累加。相干累加，对复（幅度和相位）数据进行积累，SNR提高N倍（N为数据点数）。非相干累加 （信号与噪声的交叉项），对数据幅度（或幅度平方、或对数幅度）进行累加（N^a，N较小时，a为0.7或0.8；N较大时，a为0.5)。

• 最优检测

      基于线性滤波理论和统计检测理论实现目标检测，根据不同的检测准则设计对应的最优检测器。

• 恒虚警检测CFAR

       恒虚警检测是基于实际应用需求设计的检测器，当实际没有敌对目标，我们判断存在目标时，我们会根据错误的判断结果而采取一些错误措施，这些错误措施一方面会造成相应资源的浪费，另一方面导致后续新的问题。根据检测理论，我们知道，检测概率和虚警率是受检测门限影响的，检测门限越高，检测概率越低，虚警概率也越低。而实际我们需要高的检测概率和低的虚警概率，因此我们可以根据实际需要固定虚警概率，然后和虚警概率计算相应的检测门限，进而确保虚警概率满足实际需求。

2.4、后处理模块

       后处理模块包括目标跟踪、目标识别。目标跟踪基于估计理论得到目标不同驻留时间下的位置，之后利用卡尔曼滤波降低轨迹的波动。目标识别是根据目标的极化特性、SAR图像外形特征，利用模式识别技术来取分不同目标，并对目标类型以及威胁等级做出判断。

• 最优估计

       目标的跟踪主要是对不同驻留时刻位置的估计，基于最优估计理论能够得到接近克拉美罗界的估计位置。此外，最优估计可以根据不同标准设计不同的代价函数。

• 卡尔曼滤波

       卡尔曼滤波是一种高效的自回归滤波器，它能在存在诸多不确定性情况的组合信息中估计动态系统的状态。

• 插值技术/增大SIR

       由于数据离散，实际可能未采到最高点，可以通过插值提高测量精度。

• 模式识别技术

       通过计算机用数学技术方法来研究模式的自动处理和判读。我们把环境与客体统称为“模式”。根据目标的极化特性、SAR图像外形特征，利用模式识别技术来取分不同目标，并对目标类型以及威胁等级做出判断。

2.5、信号质量指标

• 信干比SIR

        SIR越大，检测概率越高；参数估计精度越高；图像对比度或动态范围越好；

• 分辨率

       距离、横向、多普勒频移、速度和到达角，描述两目标在某个维度的分辨性能； 分辨率单元体积为俯仰横向、方位横向以及距离向分辨单元的乘积，与距离平方成正比。

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总结

       本文结合常规雷达信号处理流程简单介绍了雷达领域的相关技术，文章内容主要参考Mark A. Richards著，邢孟道等译的《雷达信号处理基础》（第二版）。内容上根据自己的理解有些许改变，如有问题可评论区留言，另外相关内容后续会完善补充。转载请附链接【杨（_> <_)】的博客_CSDN博客-信号处理,SAR,代码实现领域博主