HotZ-雷達(dá)系統(tǒng)(第一章)課件

第一章雷達(dá)系統(tǒng)基礎(chǔ)2023/1/1411.1常見雷達(dá)波形1.2雷達(dá)信號模糊函數(shù)背景雷達(dá)依賴天線向空間輻射電磁波，并接收由目標(biāo)散射的電磁波，以確定目標(biāo)的存在。2023/1/142雷達(dá)發(fā)射的電磁波具有一定的形式：連續(xù)波或脈沖串，單頻的或調(diào)頻、調(diào)幅或相位編碼的雷達(dá)波形要求要實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的有效檢測，雷達(dá)信號波形必須同時(shí)滿足以下條件：足夠的能量足夠的目標(biāo)分辨率對需要的回波有很好的選擇、屏蔽能力2023/1/143（看得準(zhǔn)）（看得見）（選擇、對抗能力）選擇的雷達(dá)波形要與雷達(dá)用途、目標(biāo)類型、目標(biāo)環(huán)境“匹配”雷達(dá)系統(tǒng)及其波形雷達(dá)波形及其指標(biāo)是決定任何雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與性能的基本部分雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮：2023/1/144長度參數(shù)目標(biāo)識別工作頻率應(yīng)用類型、雷達(dá)硬件峰值功率脈沖時(shí)寬脈沖帶寬重復(fù)頻率調(diào)制類型極化方式連續(xù)波或脈沖硬件復(fù)雜程度

作用距離、系統(tǒng)靈敏度

待測目標(biāo)尺寸

距離像

動目標(biāo)檢測多目標(biāo)檢測雷達(dá)成像

波形、環(huán)境匹配常見雷達(dá)波形介紹連續(xù)波（ContinuousWave，CW）頻率調(diào)制連續(xù)波（FrequnceyModulatedCW，F(xiàn)MCW）脈沖（Pulsed）2023/1/145常見雷達(dá)波形介紹CWRadar

發(fā)射連續(xù)的單頻正弦波信號發(fā)射機(jī)與接收機(jī)始終處于工作狀態(tài)通過多普勒頻移發(fā)現(xiàn)目標(biāo)

－可有效測量目標(biāo)的距離變化率單基系統(tǒng)存在收發(fā)隔離問題，雙基系統(tǒng)較好簡單的CW雷達(dá)無法測量距離

－波形缺乏“時(shí)間標(biāo)志”2023/1/146常見雷達(dá)波形介紹FMCWRadar

發(fā)射被一頻率序列調(diào)制的連續(xù)正弦波發(fā)射機(jī)與接收機(jī)始終處于工作狀態(tài)通過頻差發(fā)現(xiàn)目標(biāo)

－可有效測量固定目標(biāo)距離和速度單基系統(tǒng)存在收發(fā)隔離問題，雙基系統(tǒng)較好2023/1/147常見雷達(dá)波形介紹PulsedRadar

發(fā)射機(jī)由發(fā)射脈沖開、關(guān)當(dāng)發(fā)射機(jī)關(guān)閉時(shí)，接收機(jī)打開在脈沖間的距離門上感知目標(biāo)

－可有效測量目標(biāo)距離和速度單基地系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)與接收機(jī)隔離不是問題可以測量距離變化率2023/1/148脈沖串是一種常見雷達(dá)波形

常見雷達(dá)波形介紹2023/1/149

脈沖重復(fù)頻率：占空比：平均功率：發(fā)射脈沖串波形時(shí)可能產(chǎn)生距離模糊

常見雷達(dá)波形介紹2023/1/1410脈沖雷達(dá)的最大無模糊距離：Rmax=cTr/2發(fā)射脈沖串波形時(shí)可能產(chǎn)生速度模糊

脈沖雷達(dá)的最大無模糊多普勒：fdmax=fr/2常見雷達(dá)波形介紹兩大類脈沖串波形：相參脈沖串和非相參脈沖串

2023/1/1411常見雷達(dá)波形介紹相參脈沖串頻譜2023/1/1412相參脈沖串頻譜非相參脈沖串頻譜常見雷達(dá)波形介紹

相參脈沖串雷達(dá)的速度模糊問題2023/1/1413有多普勒頻移的CW信號的頻譜圖相干脈沖串頻譜(固定目標(biāo)－無多普勒頻移)中心波瓣濾波器有多普勒頻移的目標(biāo)回波將含有多普勒頻移目標(biāo)的中心波瓣區(qū)域展開常見雷達(dá)波形介紹脈沖重復(fù)頻率(PRF)

2023/1/1414PRF距離多普勒低不模糊模糊中模糊模糊高模糊不模糊不同類型PRF的距離、多普勒頻率模糊特性PRF參差PRF交織在一個(gè)停留時(shí)間內(nèi)有多種PRF常見雷達(dá)波形介紹連續(xù)波信號相參脈沖串信號PRI捷變波形頻率捷變信號

頻率分集信號極化捷變信號雙脈沖信號雙路信號脈沖壓縮信號分布頻譜信號沃爾什函數(shù)信號沖激信號(《雷達(dá)系統(tǒng)》,向敬成.表1-1)2023/1/14151.1常見雷達(dá)波形1.2雷達(dá)信號模糊函數(shù)第一章雷達(dá)系統(tǒng)基礎(chǔ)2023/1/1416基本概念雷達(dá)分辨力

在多目標(biāo)環(huán)境中，雷達(dá)區(qū)分兩個(gè)或兩個(gè)以上鄰近目標(biāo)的能力（距離、速度、角度進(jìn)行分辨）。2023/1/1417發(fā)射信號波形決定波形設(shè)計(jì)理論依據(jù)、工具天線方向圖（波束）模糊函數(shù)信號固有分辨力基本概念模糊函數(shù)

研究雷達(dá)波形的數(shù)學(xué)工具，反映了雷達(dá)波形在距離和徑向速度二維上的精度和分辨力

波形性能可通過所定義的分辨常數(shù)和模糊函數(shù)進(jìn)行比較

模糊與分辨是對立概念。

2023/1/1418目標(biāo)分辨場景目標(biāo)分辨問題

有兩個(gè)相同的點(diǎn)目標(biāo)A和B，它們相對雷達(dá)是視角相同的鄰近目標(biāo)

從距離和徑向速度二維進(jìn)行分辨2023/1/1419發(fā)射信號為參考目標(biāo)A為基準(zhǔn),則：A的回波復(fù)包絡(luò)為B的回波復(fù)包絡(luò)為為兩個(gè)目標(biāo)距離差對應(yīng)的時(shí)間間隔為兩個(gè)目標(biāo)相對徑向速度差對應(yīng)的多普勒頻移

距離模糊函數(shù)與距離分辨率衡量兩個(gè)信號為“不同”的參數(shù)：均方差值2023/1/1420設(shè)信號是

維幾何空間中的點(diǎn)或矢量用兩點(diǎn)間的距離度量點(diǎn)和點(diǎn)的可分辨程度對誤差的均方，或均方差距離模糊函數(shù)與距離分辨率距離分辨問題描述2023/1/1421A、B相對雷達(dá)徑向速度相同僅有距離差時(shí)延以目標(biāo)A為基準(zhǔn)，則：A的回波信號為B的回波信號為當(dāng)時(shí)，A、B完全不可區(qū)分用兩個(gè)信號的均方差來衡量它們距離上的差別距離模糊函數(shù)與距離分辨率

均方誤差

2023/1/1422信號能量

取決于該積分式距離模糊函數(shù)定義：信號的復(fù)自相關(guān)函數(shù)數(shù)學(xué)上雷達(dá)上信號的距離模糊函數(shù)距離模糊函數(shù)與距離分辨率距離模糊函數(shù)分析：2023/1/1423兩個(gè)目標(biāo)從距離上越難分辨易分辨兩目標(biāo)完全重合在一起，無法分辨（誤認(rèn)為單目標(biāo)）顯然，值或既與時(shí)延有關(guān),也與波形函數(shù)有關(guān)要提高距離分辨率，在于設(shè)計(jì)一個(gè)信號函數(shù)使盡可能大，或盡可能小不可預(yù)知，不受雷達(dá)控制

距離模糊函數(shù)特殊情況當(dāng)時(shí)，距離模糊函數(shù)與距離分辨率最理想的2023/1/1424時(shí)，最大化實(shí)際的在處最大；在位置，迅速降低沖激函數(shù)實(shí)際

距離模糊函數(shù)與距離分辨率衡量波形距離分辨力的參數(shù)有：

－固有(或名義)距離分辨力

－延時(shí)分辨常數(shù)信號固有分辨力常用模糊函數(shù)的主瓣寬度定義。

如：3dB(半功率)主瓣寬度

對Sinc型模糊函數(shù)，還常采用4dB主瓣寬度采用固有分辨力定義的缺陷:

只考慮了主瓣內(nèi)鄰近目標(biāo)的分辨能力，沒有考慮旁瓣干擾對目標(biāo)分辨的影響2023/1/1425距離模糊函數(shù)與距離分辨率時(shí)延分辨常數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式定義為：

2023/1/1426將主瓣、基底旁瓣和模糊瓣的全部能量都計(jì)算在內(nèi)，再除以主瓣頂點(diǎn)的功率所得的時(shí)間寬度表示信號能量集中在區(qū)域的能力越趨近于沖激函數(shù)分辨力距離模糊函數(shù)與距離分辨率時(shí)延分辨常數(shù)的頻域形式2023/1/1427的自相關(guān)函數(shù)

：信號的自相關(guān)函數(shù)和功率譜是一對傅立葉變換對：帕斯瓦爾關(guān)系式頻域形式為：距離模糊函數(shù)與距離分辨率有效相關(guān)帶寬定義：2023/1/1428時(shí)域:反映了

的能力逼近頻域

：反映了

1(均勻譜)（信號功率譜逼近均勻譜的能力）

表明信號距離模糊函數(shù)與沖激函數(shù)相似的程度。

表明波形

的頻譜與沖激函數(shù)的頻譜（均勻譜）的相似程度，故稱頻譜持續(xù)寬度。分辨力★有效相關(guān)帶寬距離分辨力距離模糊函數(shù)與距離分辨率距離分辨常數(shù)為：2023/1/1429★

用信號的有效相關(guān)帶寬或延時(shí)分辨常數(shù)來表示，而不是脈沖寬度★

寬脈沖與高距離分辨力不是不相容的，★關(guān)鍵在于信號的有效相關(guān)帶寬★

寬的有效相關(guān)帶寬反映高距離分辨力距離模糊函數(shù)與距離分辨率注意

至今尚無一個(gè)統(tǒng)一的參數(shù)能夠完全反映信號的分辨特性

匹配濾波器輸出的波形有三種：

1）單瓣響應(yīng)

2）周期性旁瓣

3）基底旁瓣2023/1/1430速度模糊函數(shù)與速度分辨率速度分辨問題描述2023/1/1431A、B相對雷達(dá)距離相同

只有徑向速度差多普勒頻移以目標(biāo)A為基準(zhǔn)，則：A的回波信號為B的回波信號為仿照距離分辨率推導(dǎo)均方差速度模糊函數(shù)與速度分辨率速度模糊函數(shù)定義2023/1/1432易分辨①波形主瓣寬度②多普勒分辨常數(shù)描述波形對相鄰速度目標(biāo)分辨力的參數(shù)：速度模糊函數(shù)與速度分辨率多普勒分辨常數(shù)定義2023/1/1433反映速度模糊函數(shù)逼近沖激函數(shù)形狀的能力速度模糊函數(shù)與速度分辨率多普勒分辨常數(shù)的時(shí)域表示形式2023/1/1434根據(jù)帕斯瓦爾關(guān)系式、的頻譜、頻移特性：用頻譜表示為：信號的頻率自相關(guān)函數(shù)再根據(jù)對偶關(guān)系：速度模糊函數(shù)與速度分辨率2023/1/1435以及帕斯瓦爾關(guān)系式，則：對偶速度模糊函數(shù)與速度分辨率有效相關(guān)時(shí)間定義2023/1/1436頻域：反映了的能力逼近時(shí)域：1(直流，時(shí)寬無限長)有效相關(guān)時(shí)間反映了速度分辨力★信號在時(shí)域上持續(xù)寬度越大，速度分辨能力越強(qiáng)速度模糊函數(shù)與速度分辨率速度分辨常數(shù)定義2023/1/1437關(guān)于距離、徑向速度分辨力的結(jié)論結(jié)論1：信號頻譜越寬，距離分辨力越高結(jié)論2：信號時(shí)域持續(xù)期越寬，速度分辨力越好2023/1/1438對一般信號而言：時(shí)寬

頻寬有沒有時(shí)寬、頻寬都大的信號？如，LFM脈沖信號距離-速度模數(shù)函數(shù)與其聯(lián)合分辨力距離-速度二維聯(lián)合分辨問題定義2023/1/1439點(diǎn)目標(biāo)A和B同時(shí)存在距離差和時(shí)間差，即：以目標(biāo)A為基準(zhǔn)，則：A的回波信號復(fù)包絡(luò)為B的回波信號復(fù)包絡(luò)為同理，可得均方差誤差為：信號復(fù)包絡(luò)的時(shí)間-頻率復(fù)合自相關(guān)函數(shù)距離-速度模數(shù)函數(shù)與其聯(lián)合分辨力距離-速度二維模糊函數(shù)定義2023/1/1440決定了二維分辨能力目標(biāo)易分辨常用來衡量對目標(biāo)的距離-速度聯(lián)合分辨力越接近1時(shí)，目標(biāo)越難分辨距離-速度模數(shù)函數(shù)與其聯(lián)合分辨力什么是模糊圖函數(shù)？什么是模糊圖？什么是模糊度圖？2023/1/1441由繪成的時(shí)延-頻移-功率幅度三維空間圖形模糊圖在某一高度上的截面(即二維模糊圖)(完全描述了相鄰目標(biāo)的模糊度或可分辨性)距離-速度模數(shù)函數(shù)與其聯(lián)合分辨力高斯信號舉例：模糊圖、模糊度圖2023/1/1442模糊圖模糊度圖高斯信號的模糊圖高斯信號的模糊度圖距離、速度均無法分辨距離可分辨、速度無法分辨距離、速度均可分辨距離-速度模數(shù)函數(shù)與其聯(lián)合分辨力用模糊度圖判別兩個(gè)目標(biāo)可分辨的方法2023/1/1443通常以一個(gè)目標(biāo)為參考，即位于原點(diǎn)處，另一目標(biāo)以相對為變量進(jìn)行繪制。若另一目標(biāo)的相對值落入著色區(qū)域之外，則認(rèn)為兩目標(biāo)可分辨。若另一目標(biāo)的相對值落入著色區(qū)域之內(nèi)，則認(rèn)為兩目標(biāo)不可分辨。如，目標(biāo)B或C如，目標(biāo)D模糊度圖判別模糊很直觀距離-速度模數(shù)函數(shù)與其聯(lián)合分辨力延時(shí)-多普勒分辨常數(shù)定義2023/1/1444用平面上的等價(jià)面積來衡量延時(shí)和多普勒頻移聯(lián)合分辨力等效模糊面積說明延時(shí)和多普勒聯(lián)合分辨率的限制。無論怎樣使在或的某一方減小，其結(jié)果將帶來另一方的增大。注意：(雷達(dá)模糊原理)距離-速度模數(shù)函數(shù)與其聯(lián)合分辨力模糊函數(shù)性質(zhì)(5個(gè))2023/1/1445性質(zhì)①原點(diǎn)對稱性模糊曲面關(guān)于原點(diǎn)中心對稱物理意義性質(zhì)②

原點(diǎn)極大值模糊圖函數(shù)

最大值位于處物理意義模糊圖函數(shù)最大點(diǎn)就是均方差準(zhǔn)則的最小點(diǎn)，即最難分辨點(diǎn)物理意義距離-速度模數(shù)函數(shù)與其聯(lián)合分辨力2023/1/1446性質(zhì)③模糊體積不變性(模糊原理)模糊曲面下的總體積只取決于信號能量，而與信號形式無關(guān)。物理意義物理意義短脈沖長脈沖在信號能量相同的情況下，適當(dāng)選擇信號形式滿足雷達(dá)工作環(huán)境及功能的要求。例如，在需要分辨目標(biāo)的區(qū)域內(nèi)使模糊圖的體積分布小些，從而提高分辨力。折衷線性調(diào)頻脈沖壓縮技術(shù)距離-速度模數(shù)函數(shù)與其聯(lián)合分辨力2023/1/1447性質(zhì)④

變換性——波形變化對模糊函數(shù)的影響時(shí)域平方相位項(xiàng)模糊函數(shù)相對于

軸旋轉(zhuǎn)、拉長頻域平方相位項(xiàng)模糊函數(shù)相對于

軸旋轉(zhuǎn)、拉長時(shí)間比例變化的影響頻率比例變化的影響距離-速度模數(shù)函數(shù)與其聯(lián)合分辨力2023/1/1448性質(zhì)⑤

軸切割性距離模糊函數(shù)速度模糊函數(shù)幾種典型信號的模糊函數(shù)恒載頻矩形脈沖信號2023/1/1449復(fù)包絡(luò)：(單位能量)將上式代入模糊函數(shù)定義式中，得：首先確定積分限

和，把上面的積分劃分為三個(gè)區(qū)域：(1)(2)(3)幾種典型信號的模糊函數(shù)恒載頻矩形脈沖信號2023/1/1450(1)(2)幾種典型信號的模糊函數(shù)恒載頻矩形脈沖信號2023/1/1451(3)綜合(1)、(2)和(3)，得：幾種典型信號的模糊函數(shù)恒載頻矩形脈沖信號2023/1/1452根據(jù)模糊函數(shù)性質(zhì)⑤的軸切割特性，得：距離模糊函數(shù)：速度模糊函數(shù)：幾種典型信號的模糊函數(shù)恒載頻矩形脈沖信號2023/1/1453恒載頻矩形脈沖信號模糊圖“刀刃型”模糊函數(shù)幾種典型信號的模糊函數(shù)恒載頻矩形脈沖信號2023/1/1454恒載頻矩形脈沖信號模糊度圖幾種典型信號的模糊函數(shù)恒載頻矩形脈沖信號2023/1/1455軸的切割圖形軸的切割圖形幾種典型信號的模糊函數(shù)恒載頻矩形脈沖信號模糊函數(shù)特點(diǎn)2023/1/1456a.模糊度圖近似為橢圓;b.長軸()為，取決于信號時(shí)寬;c.短軸()為，取決于信號帶寬。信號時(shí)寬

軸距離分辨力軸多普勒分辨力恒載頻矩形脈沖信號難以使分辨同時(shí)達(dá)到最佳。幾種典型信號的模糊函數(shù)線性調(diào)頻矩形脈沖信號2023/1/1457復(fù)包絡(luò)：

是線性調(diào)頻的頻率變化率，單位為模糊函數(shù)性質(zhì)④:關(guān)于恒載頻矩形脈沖信號的結(jié)果:線性調(diào)頻脈沖信號的模糊函數(shù)：脈沖寬度內(nèi)的調(diào)頻帶寬為：幾種典型信號的模糊函數(shù)線性調(diào)頻矩形脈沖信號2023/1/1458線性調(diào)頻脈沖信號的模糊函數(shù)：軸切割特性：幾種典型信號的模糊函數(shù)線性調(diào)頻矩形脈沖信號V.S.恒載頻矩形脈沖信號2023/1/1459信號時(shí)寬：調(diào)頻斜率：設(shè)幾種典型信號的模糊函數(shù)線性調(diào)頻矩形脈沖信號V.S.恒載頻矩形脈沖信號2023/1/1460恒載頻矩形脈沖信號模糊圖線性調(diào)頻矩形脈沖信號模糊圖幾種典型信號的模糊函數(shù)線性調(diào)頻矩形脈沖信號V.S.恒載頻矩形脈沖信號2023/1/1461線性調(diào)頻矩形脈沖信號模糊度圖恒載頻矩形脈沖信號模糊度圖幾種典型信號的模糊函數(shù)線性調(diào)頻矩形脈沖信號V.S.恒載頻矩形脈沖信號2023/1/1462線性調(diào)頻矩形脈沖信號——軸的切割圖恒載頻矩形脈沖信號——軸的切割圖幾種典型信號的模糊函數(shù)線性調(diào)頻矩形脈沖信號V.S.恒載頻矩形脈沖信號2023/1/1463恒載頻矩形脈沖信號——軸的切割圖線性調(diào)頻矩形脈沖信號——軸的切割圖幾種典型信號的模糊函數(shù)線性調(diào)頻矩形脈沖信號V.S.恒載頻矩形脈沖信號2023/1/1464總結(jié)：

線性調(diào)頻矩形脈沖信號的模糊(度)圖是恒載頻矩形脈沖信號的模糊(度)圖旋轉(zhuǎn)了一個(gè)角度，或認(rèn)為進(jìn)行了如下的坐標(biāo)變換：當(dāng)為正值時(shí)，旋轉(zhuǎn)角度是逆時(shí)針方向的；當(dāng)為負(fù)值時(shí)，旋轉(zhuǎn)角度是順時(shí)針方向的。幾種典型信號的模糊函數(shù)線性調(diào)頻矩形脈沖信號模糊函數(shù)特點(diǎn)2023/1/1465a.模糊度圖近似為橢圓，但是旋轉(zhuǎn)了一個(gè)角度;b.坐標(biāo)原點(diǎn)附近兩個(gè)坐標(biāo)軸寬度可分別由信號帶寬和

信號時(shí)寬加以控制結(jié)論：距離分辨力不一定與寬脈沖不相容，關(guān)鍵是

信號帶寬()距離分辨力時(shí)寬、帶寬分別獨(dú)立設(shè)計(jì)(LFM)距離分辨與速度分辨幾種典型信號的模糊函數(shù)恒載頻矩形脈沖串信號——均勻脈沖串2023/1/1466復(fù)包絡(luò)：，其中其模糊函數(shù)為：表示脈沖之間的間隔幾種典型信號的模糊函數(shù)恒載頻矩形脈沖串信號——均勻脈沖串2023/1/1467幾種典型信號的模糊函數(shù)恒載頻矩形脈沖串信號——均勻脈沖串2023/1/1468均勻脈沖串信號模糊圖（板釘型）幾種典型信號的模糊函數(shù)恒載頻矩形脈沖串信號——均勻脈沖串2023/1/1469均勻脈沖串信號模糊度圖形狀為橢圓形幾種典型信號的模糊函數(shù)恒載頻矩形脈沖串信號——均勻脈沖串2023/1/1470軸切割圖形軸切割圖形周期周期包絡(luò)包絡(luò)幾種典型信號的模糊函數(shù)均勻脈沖串信號模糊圖特點(diǎn)2023/1/1471幾種典型信號的模糊函數(shù)均勻脈沖串信號模糊圖特點(diǎn)2023/1/1472a.在中心處有一個(gè)主峰，橫截面是橢圓形，其

長軸與成正比，短軸與成正比；b.除了主峰，還有許多副峰，在方向，相鄰兩峰間隔為

重復(fù)周期；在方向，相鄰兩峰間隔為；c.多脈沖序列使模糊函數(shù)分成一個(gè)為主的中心橢圓和許多

小橢圓，彼此間有了空隙，所以速度分辨力提高了；d.出現(xiàn)了測距和測速的周期性模糊；幾種典型信號的模糊函數(shù)均勻脈沖串信號模糊圖特點(diǎn)2023/1/1473脈沖時(shí)寬脈沖帶寬主峰副峰幾種典型信號的模糊函數(shù)均勻脈沖串信號模糊圖特點(diǎn)2023/1/1474優(yōu)點(diǎn)：大部分模糊體積移至遠(yuǎn)離原點(diǎn)的“模糊瓣”內(nèi)，使

原點(diǎn)處的主瓣變得尖窄，因此同時(shí)具有較高的距離

和速度分辨力。缺點(diǎn)：目標(biāo)的距離和速度分布存在一定的清晰區(qū)，若超出

這個(gè)范圍，就