目錄TOC\o"1-3"\h\u26883測量雷達信號處理算法概述 131151.1雷達測量原理 1318501.1.1距離測量 1109411.1.2角度測量 2158751.1.3速度測量 459231.2測量雷達信號處理流程概述 4189121.2.1信號調節(jié)和干擾抑制 5211211.2.2目標檢測 611551.2.3目標跟蹤 7雷達測量原理首先，雷達發(fā)射機產(chǎn)生特定頻率的電磁波，經(jīng)天線開關傳輸給天線，再由天線定向發(fā)射至大氣中。在單天線雷達中，發(fā)射脈沖與接收目標回波信號共用一根天線，需要用天線開關來完成收發(fā)轉換功能。若目標在定向天線的波束內，則它將截取一部分電磁能，并將這部分電磁能散射出去，其中部分能量會被雷達天線收集，這部分能量就是目標的回波信號。目標的回波信號會經(jīng)過天線開關傳遞至接收機，接收機接收到該能量后會首先做信號放大，因為回波信號一般會極其微弱，然后會進行后續(xù)的信號處理，最后獲得目標信息，并在終端展示。目標信息包括目標的距離，角度和速度。距離測量在雷達工作時，發(fā)射機經(jīng)天線以固定周期不斷向空間發(fā)射高頻信號。在高頻信號的傳播途徑中，如果有目標或其他干擾物存在，會使該信號被反射，產(chǎn)生回波。而雷達天線可以接收回波，經(jīng)天線開關傳至接收機，再經(jīng)信號處理系統(tǒng)抑制大部分雜波，篩選出所需要的目標回波信號，最后再處理得到所需目標信息。在發(fā)射脈沖和回波信號的接收中間會有一個時間差tτ，而電磁波的傳播速度是光速，假設目標與雷達間的距離為R，則電磁波傳播的總距離2R等于光速乘以時間間隔t2R=c×或R=根據(jù)式2.2可知，得到時間差tτ雷達既能測量遠距離目標的距離，又能測量近距離目標的距離，并且較少受氣候等條件的影響，對比其他傳感器有極大的優(yōu)勢。距離測量的精度主要與回波延時誤差有關，距離分辨力與發(fā)射信號帶寬(或處理后的脈沖寬度)有關，脈沖越窄，距離分辨力越高。角度測量由角坐標知識可知，若已知目標與雷達間的距離，為確定目標的空間位置，還要確定目標的角度，包括目標的方位角和俯仰角。測角方法有兩種，分別是相位法和振幅法，下面分別介紹。相位法是利用多個天線所接收到的回波信號之間的相位差來測角。如REF_Ref70587128\h圖21所示，設在θ方向有極遠目標，則目標所反射的電磁波近似為平面波，目標到接收機兩天線的電磁波的入射角度近似相同。設兩天線間距為d，它們所收到的信號存在波程差△R，進而產(chǎn)生相位差φ，即φ=式中，λ為回波信號波長。對兩天線接收到的信號做比相操作，測出其相位差φ，反過來就可以確定目標角度θ。圖STYLEREF\s碩-1級2SEQ圖\*ARABIC\r11相位法測角圖振幅法測角是利用天線收到的回波信號幅度值來確定角度的。振幅法測角可分為最大信號法和等信號法兩類，下面分別介紹。最大信號法：對單天線脈沖雷達而言，當天線波束做圓周掃描或在一定扇形范圍內做勻角速度掃描時，可得到雷達的波束方向圖。找出方向圖中的最大值（中心值），確定該時刻波束軸線指向即為目標所在方向，示意圖如REF_Ref71727695\h圖22所示。圖STYLEREF\s碩-1級2SEQ圖\*ARABIC\s12最大信號測角法示意圖等信號法：釆用兩個相同且彼此部分重疊的波束，兩個天線方向圖會產(chǎn)生交疊，如REF_Ref71729171\h圖23所示，當兩個波束收到的回波信號相等時，等信號軸所指方向即為目標方向。REF_Ref71729171\h圖23中的OA方向就是目標方向。圖STYLEREF\s碩-1級2SEQ圖\*ARABIC\s13等信號測角法示意圖速度測量對于靜態(tài)目標來說，只需確定空間位置。但對于動目標，還需確定它的速度。當目標與雷達間存在相對速度時，接收到的回波信號的載頻與發(fā)射信號的載頻將會有一個頻率差，該頻率差就是多普勒頻移，它是由多普勒效應造成的發(fā)射和接收的頻率之差，計算如下：f式中，fd為多普勒頻移，單位為Hz；νr為雷達與目標之間的相對速度，單位為m/s；由式2.4可知，只要得到回波信號的多普勒頻移fd，就可以確定目標與雷達之間的相對速度。方向由νr確定，νr徑向速度也可以通過計算距離的變化率求得，即求距離關于時間的微分，不會產(chǎn)生模糊但是精度不高。對于速度測量來說，測量時間越長，精度越高。測量雷達信號處理流程概述REF_Ref68511551\h圖24給出了測量雷達信號處理運算流程。信號處理的運算可以大致分類為：信號調節(jié)和干擾抑制、自動檢測、跟蹤與目標識別及后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。本節(jié)將對信號處理中的各個步驟的功能實現(xiàn)進行分析。圖STYLEREF\s碩-1級2SEQ圖\*ARABIC\s14測量雷達信號處理器運算流程圖信號調節(jié)和干擾抑制在REF_Ref68511551\h圖24中，回波信號經(jīng)過接收機及模數(shù)轉換變?yōu)閿?shù)字信號，進行數(shù)字信號處理。接下來對該數(shù)字信號做波束成形、脈沖壓縮、雜波濾波和多普勒處理。該過程的目的是提高目標檢測、參數(shù)測量或目標成像等操作前數(shù)據(jù)的SIR，獲得更純凈的信號。若雷達采用陣列天線，則雷達可以得到多個相位的中心信號(或通道)，可以采用波束成形技術。波束成形可以看成空間域濾波，通過對陣元接收的信號進行加權相加等處理，用于將波束輻射方向圖引導至具有固定響應的所需方向。天線陣列的波束成形和波束掃描可通過相移系統(tǒng)或時滯系統(tǒng)實現(xiàn)。對于雷達系統(tǒng)來說，在保持獲得檢測目標所需的高靈敏度的同時，也想獲得高的距離分辨力(將空間上十分靠近的兩個目標區(qū)分開的能力)。雷達的目標檢測性能隨發(fā)射能量的增大而提高，而距高分辨力則隨發(fā)射波形瞬時帶寬的增加而提高。如果雷達采用一個簡單的、固定頻率的、矩形包絡的脈沖作為其發(fā)射波形，在一定功率水平下，增加發(fā)射能量將要增加脈沖的寬度，但這樣會使瞬時帶寬降低，降低雷達的距離分辨力。這樣看來，系統(tǒng)靈敏度和距離分辨力無法同時提高。脈沖壓縮提供了一種擺脫這種矛盾的方法，它可以使發(fā)射波形的帶寬和時間寬度解耦合，使這兩個參數(shù)可以獨立設定。具體是放棄脈沖的固定頻率，重新設計調制波形。例如最常見的線性調頻，可在增大射頻脈沖寬度、提高平均發(fā)射功率、加大通信距離同時又保持足夠的信號頻譜寬度，不降低雷達的距離分辨率。雜波濾波和多普勒處理相似點特別多，它們都是抑制雜波(通常是雷達天線散射信號接觸地形產(chǎn)生的雜波)、提高運動目標檢測性能的技術。由于地雜波的回波和我們感興趣目標的回波存在不同的多普勒頻移，它們可以利用這點來抑制雜波。動目標顯示(MTI)技術是雜波濾波的常用方法，它是對雷達的回波進行高通濾波，抑制其中的常數(shù)分量，這些常數(shù)分量是不運動的雜波。MTI是一種頻域濾波器，它是對多組脈沖回波的同一個距離單元加權求和，得到一個結果；也就是多個輸入一個輸出；相當于一個高通濾波器，用來抑制固定目標和慢速雜波。就一次對消MTI濾波器來說，就是將第一個發(fā)射脈沖的回波與第二個發(fā)射脈沖的回波相減，除去固定目標和慢速雜波，而保留了運動目標的信息，通過視頻顯示器可以看到幅度上下振動的波形。多普勒處理通常意味著采用快速傅里葉變換算法(或者其他譜估計技術)，直接計算多個脈沖的回波數(shù)據(jù)頻譜。由于運動目標和雜波的多普勒頻移不同，能量集中在譜的不同部分，使我們能夠對目標進行檢測和分離。相對于MTI濾波處理，多普勒處理可以從雷達信號中獲得更多的信息，例如目標的數(shù)目和近似速度；而代價則是需要更多的脈沖，會消耗更多的能量和時間資源，處理起來也更加復雜。很多雷達系統(tǒng)也將這兩種技術級聯(lián)使用。目標檢測測量雷達信號處理最基本的功能是檢測目標，目標的信息包含在回波中。但是回波中不但會有目標回波，還會有各種噪聲，雜波信號，甚至還會有有意的、無意的干擾。信號處理系統(tǒng)會對這些接收回波中進行信號處理，在噪聲中找出所要的目標信號信息。由于雷達信號極為復雜，為了判斷信號回波中是否有目標存在，需要通過一個判決門限來進行判決。也就是說將經(jīng)過脈沖壓縮、MTI等一系列信號處理后的輸出信號與判決門限相比較，若輸出信號大于判決門限，可認為有目標，否則認為沒有目標。但是使用閾值判決算法仍有將雜波或干擾誤判為目標的可能，也就說存在虛警概率。如果目標的信號比噪聲、干擾背景信號突出很多，即SIR非常大，就可以減少這種錯誤。這時可以將閾值設置的相對較高，就可以在保持較少虛警的同時仍能檢測到大多數(shù)的目標。在雷達信號檢測中，當外界干擾強度變化時，雷達能自動調整其靈敏度，使雷達的虛警概率保持不變，這種特性稱為恒虛警率特性。目標跟蹤在目標檢測環(huán)節(jié)之后，雷達系統(tǒng)可以采用各種各樣的后處理。目標跟蹤是測量雷達系統(tǒng)的基本組成部分，是最常見的檢測后處理步驟之一。雷達信號處理器利用閾值檢測法檢測目標后，會連續(xù)跟蹤一個目標并測量目標坐標，還可以提供目標的運動軌跡。測量雷達的跟蹤模塊一般由距離跟蹤支路、方位角跟蹤支路和仰角跟蹤支路組成。它們各自完成對目標的距離、方位和仰角的自動跟蹤，并連續(xù)測量目標的距離、方位和仰角。相干脈沖多普勒跟蹤雷達還具有多普勒頻率跟蹤的能力，并能測量目標的徑向速度。測量雷達的跟蹤模塊對目標方位、仰角的自動跟蹤，就是雷達天線追隨目標運動而連續(xù)地改變其指向，使天線電軸始終指向目標。實現(xiàn)這一追隨過程，需要在雷達和目標之間建立閉環(huán)反饋