01 雷达总体概括
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Sep 19, 2024 01:11 PM
AI summary
本文概述了中国雷达的发展历程，包括抗战胜利后的雷达整理、60年代的仿制阶段、70年代的自主研发及现代化进展。课程目标包括掌握MATLAB仿真、雷达信号处理和硬件设计。内容涵盖点目标回波模型、脉冲与连续波测距原理、雷达探测对象、雷达截面积及其与波长的关系、低小慢目标检测技术等，强调了硬件设计和调试的重要性。
第一节一、雷达定义二、雷达类型三、雷达种类四、 中国雷达五、课程目的第二节本次内容一、“点目标”回波的数学模型二、雷达要完成什么三、硬件设计第三节本次内容一、雷达探测对象二、雷达截面积三、目标RCS与波长关系四、典型目标的RCS：微波频段五、雷达威力总体参数（MATLAB）六、低、小、慢目标检测七、步进频成像雷达八、基于通道平滑的杂波去除九、硬件总体概述（二）
第一节
一、雷达定义
Radar: radio detection and ranging
雷达是一种电磁传感器，对反射性物体进行检测和定位
二、雷达类型
三、雷达种类
- 按照雷达波段频率
二战当中为了保密使用L/S/X等字母表示相应频段，现在使用到今天，已经成为
业内标准。
雷达频率 | 波段名称 | 备注 |
1---2GHz | L | 22CM |
2—4GHz | S | 10CM |
4—8GHz | C | 5CM |
8—12GHz | X | 3CM |
12-18GHz | KU | 2.2CM |
18-27GHz | K | |
27-40GHz | Ka | 8MM |
40-75GHz | V | |
75-110GHz | W |
- 按照功能用途
军事雷达：火控雷达 警戒雷达 PD雷达
民用雷达：气象雷达 汽车防撞雷达 地质勘查雷达
- 已经做过的一些雷达和硬件产品
雷达目标模拟器就是为了满足雷达在研制过程中的调试以及测试的需求而产生的，它的目的是为了仿真实际雷达工作的回波数据。可用来模拟48路相控阵产生的多种基带频率、带宽、时延、阵元间相位差、幅值的回波信号。可以很方便的提供雷达的测试数据，减少很大的人力财力，利于雷达的快速研制。电路设计采用大规模集成电路，工作可靠。
一种新体制FPGA杂波对消技术
四、 中国雷达
- 抗战胜利后，国民党政府整理了日本军的100部雷达。
- 1946年，南京建立特种电信器材研究所。1950年改为雷达研究所
- 60年代初，主要是仿制阶段，仿制苏联的雷达，54年第一部国产中程警戒雷达诞生！
- 70年代自主研制，60年中苏关系恶化。
- 现代快速发展，配合多种类型，军民结合，现代数字电路取代晶体管，参与国际市场竞争！
五、课程目的
- 算法：采用MATLAB仿真，分别对具体的目标速度，距离，角度等有一个深刻的认识，掌握如何检测判别目标，升华到如何进行一维距离像的识别，雷达总体参数设计。
- 软件：熟练掌握MATLAB雷达信号处理仿真算法设计和最新软件VIVADO的使用（结合ISE软件进行过渡），以及如何使用altium designer或者CADENCE
- 硬件：掌握XILINX FPGA和周围硬件配套雷达信号处理的具体设计电路。
第二节
本次内容
- 点目标回波模型
- 连续波和脉冲测距基本原理
- 测距matlab仿真（FPGA可以直接用）
- 测距指标分析
- 测速原理和分析
- 测速指标分析
- 硬件总体概述（一）
一、“点目标”回波的数学模型
点目标：目标尺寸远小于雷达分辨单元。
分析条件：①传播无衰减；②不考虑天线方向性（回波强度不变）；③径向速度为正。
一、静止点目标
发射信号：
回波信号：
二、运动点目标
发射信号：
回波信号：
经过推导有：
运动目标的影响：① 压缩/展宽；②多普勒偏差。
考虑到 有：
说明： (声纳等除外)
二、雷达要完成什么
- 脉冲测距
- 连续波测距
该图展示了连续波检测中的频率调制过程，典型地反映了调频连续波雷达（FMCW）中的频率随时间线性上升和下降的过程，即“啁啾信号”。通过发射频率不断变化的信号，雷达可以通过分析接收信号与发射信号之间的频率差来测量目标的距离和速度。这种频率差异（拍频）反映了信号传播的时间延迟，进而可用于精确定位目标。
图中的底部虚线代表雷达信号在时间轴上的回波延迟。这些虚线与上方的频率调制线条相对应，表示目标物体的回波信号到达雷达接收端的时间差。由于信号传播需要时间，目标距离越远，回波信号的时间延迟就越长，虚线就越靠后。这种延迟可以通过与发射信号的对比来计算目标的距离，同时通过拍频来估算目标的速度。
（2）原理简介
（3）填空 画出数据流,体现硬件资源
同样一个图 但是每次理解的层次不一样
- 仿真实现
（1）参数设定
信号带宽：4MHz
信号时间宽度：200us
信号采样率：5MHz
幅度量化：16bit
硬件实现资源评估：
存储器：N=5e6*200us=1000*16bit=1000B
乘法器：N=1000，如果使用100MHz处理时钟
可以复用20次，节省950个乘法器资源
（2）MATLAB 程序实现
- 雷达测距指标分析
距离分辨力：径向距离分辨力，能够区分同方向两个目标的最小距离。
注意区别距离分辨率：C/2/B：
实际工程计算一般按照C/B
- 雷达测速
- 测速指标
定义：把不同速度的目标正确分辨出来的能力
引出多普勒的概念
Fd=2v/lamda
一般FFT方法：
FFT :fs/N 分辨力
三、硬件设计
- 设计硬件实现方案 所谓硬件实现方案是指根据性能指标、工期、成本等，确定最优硬件实现方案（考虑到实际的工作情况，最理想的方案不一定是最优的方案），并画出其硬件系统框图。这时对于具体器件的要求应该已经比较明确。
- 进行器件的选型
- Serial Communication Interface (SCI) - UART：RS232、RS422
- Serial Peripheral Interface (SPI)
- Inter Integrated Circuit (I2C) – Bus
- Controller Area Network (CAN)
- Local Interconnect Network (LIN)
- Universal Serial Bus (USB)
- Local / Wide Area Networks (LAN, WAN)
一般系统中常用 ADC、DAC、内存、电源、逻辑控制、通信、人机接口、总线等基本部件。下面将大致介绍它们的确定原则，至于具体的介绍详见后续各章。
A／D：根据采样频率、精度来确定A／D型号，是否要求片上自带采保、多路器、基准电源等。
D／A：信号频率、精度是否要求自带基准电源、多路器、输出运放等。
存储器：包括SRAM，EPROM（或 EEPROM或 FLASH MEMORY），在 TMS320C6X等一些产品中还有SDRAM，SBSRAM。所有这些的选型主要考虑工作频率、内存容量位长（8位／16位／32位）、接口方式（串行还是并行）、工作电压是5 V还是3.3 V或2.5V。
逻辑控制：首先是确定用PLD，EPLD，还是用FPGA。其次根据自己的特长和公司芯片的特点决定采用哪家公司的哪一系列的产品。最后还须根据DSP的频率决定芯片的工作频率以确定使用的芯片。
数据交换：根据数据交换的速率决定采用交换方式。
Network Interface Units:
如果还有更高的要求则应考虑通过总线进行数据交换。再高则可采用 LVDS、FPDP和光纤。
总线：一般有ISA、PCI、VME等。采用哪一种总线主要看使用的场合、数据传输速率的高低（总线宽度、频率高低、同步方式等）。
人机接口：有键盘、显示器等它们可以通过与80C51等通用单片机的通信来构成，也可以在DSP的基础上直接构成，视情况而定。
电源：主要是电压的高低以及电流的大小。电压高低要匹配，电流容量要足够。
上述这些部件的选择可能会相互有些影响。同时，在选型时还必须充分考虑到供货能力、性能价格比、技术支持、使用经验等因素。
- 原理图设计
在这一步之前的工作基本上是分析工作。而从这一步起，则开始综合的工作，逐步开始系统的集成。在所有的综合工作中，原理图的设计是关键的一步。在原理图的设计时必须清楚了解器件的使用和系统的开发，对于一些关键的环节有必要做一定的仿真。随着大规模集成芯片和可编程逻辑芯片的发展，使硬件原理设计的难度得以降低，但它依然是DSP系统集成中关键的一步。原理图设计的成功与否是DSP系统能否正常工作的最重要的一个因素。
- PCB设计
PCB图的设计要求DSP系统的设计人员既要熟悉系统工作原理，还要清楚布线工艺和系统结构设计。高速PCB的设计后面章节详细介绍。
- 硬件调试
后面我将结合具体项目，将围绕硬件方案的确定、器件的选型、原理设计和硬件调试进行深入浅出的阐述。
第三节
本次内容
- 雷达探测对象
- 雷达截面积
- 目标RCS与波长关系
- 典型目标的RCS :微波频段
- 雷达威力总体参数（MATLAB）
- 低、小、慢目标检测
- 步进频成像雷达
- 基于通道平滑的杂波去除
- 硬件总体概述（二）
一、雷达探测对象
雷达探测的对象一般称为雷达目标。凡能散射电磁波的物体都可以作为雷达的目标。
空中交通管制雷达以飞机作为目标；舰载雷达以船舰、浮标、海岸线等作为目标；
地图测绘雷达以地面作为目标；
气象雷达以暴风雨等气象现象作为目标。
在雷达目标环境中，目标以外的其他散射体的回波使雷达显示器上的图像（或其他形式的雷达输出信号）变得杂乱，妨碍对目标回波的检测，称为雷达杂波。
雷达目标和杂波的含义具有相对性，视雷达的用途而定。例如，地面回波对于防空雷达是杂波，而对地形测绘雷达则属于目标；云、雨几乎对所有雷达都是杂波，但对于气象雷达则属于目标。
二、雷达截面积
雷达目标截面积：radar cross section
目标的有效散射面积：在目标无损耗地向各方向均匀散射全部入射电磁功率假设下，算出的垂直于散射传播方向的目标电磁面积。（不等于物理面积，F22军事评论）
面积量纲 m2 或者 dBsm（10*log10（S/1m2））
雷达目标截面积反映了目标散射电磁波的能力，是目标本身的特征函数，与波长、视角、极化等目标特性相关。
目标RCS反应目标本身特性，和目标的距离没有关系
电磁理论：远场条件下：
P - 目标后向反射功率（？）
P - 照射到目标的功率（？）
E - 电场强度正比关系
三、目标RCS与波长关系
任意目标的RCS都可以等效为理想球体的RCS
理想球体RCS~（投影截面周长=）
- 瑞利区：，，绕射为主
- 光学区：，，后向散射为主
- 振荡区：，减幅震荡，绕射+散射
米波雷达：F22 不同频段
四、典型目标的RCS：微波频段
类型 | / |
普通带翼导弹 | 0.5 |
小型单引擎飞机 | 1 |
小型歼击机或四座喷气机 | 2 |
大型歼击机 | 6 |
中型轰炸机或中型喷气客机 | 20 |
大型轰炸机或大型喷气客机 | 40 |
小船（艇） | 0.02~2 |
巡逻艇 | 10 |
五、雷达威力总体参数（MATLAB）
雷达威力就是雷达作用距离和雷达方向图的乘积（作用距离大于威力）
自由无损耗 理想空间中雷达方程（接收功率等于最小可检测信号Smin）
地面、海面有损耗时雷达方程
六、低、小、慢目标检测
该雷达具有强地杂波下高概率检测“低、小、慢”目标的突出能力，可有效探测、跟踪任意方位来袭的目标的能力，对机场、要害部位低空、高低速、各类大小空中目标预警探测提供全面解决方案。具有全天候、全天时工作和快速架设撤收的特点。
空域网络低小慢目标探测技术（无人机监管、机场探鸟、低空防御等领域）
七、步进频成像雷达
八、基于通道平滑的杂波去除
九、硬件总体概述（二）
工作过程：采样、保持、量化、编码、输出。
主要性能指标：转换位数、转换速率、转换灵敏度、信噪比、无杂散动态范围、孔径抖动、微分非线性和积分非线性等。
- 转换灵敏度（量化电平）：
- 信噪比（SNR）
信号功率和各种误差功率之比，误差包括量化噪声、随机噪声以及非线性失真。
信噪比与ADC转换位数默认采用6倍左右的动态关系
（过采样）
- 无杂散动态范围（SFDR）
信号功率与最大杂散分量功率之比。它反映的是ADC输入端存在大信号时，能辨别有用小信号的能力。
- 孔径抖动
孔径不确定性是噪声调制采样时钟的结果。孔径抖动造成非均匀采样，引起误差。采样时钟抖动取决于提供时钟的振荡器的频谱纯度。在带通采样中更为重要。
①内部采样保持电路或带锁存比较器取样时，样本时间延迟的变化；
②采样时钟本身上升、下降沿触发抖动。
- 非线性误差（微分和积分非线性Differential，Integral Non-Linearity）
理论转换值与其实际特性之间的差别。
高速ADC（不仅仅是高速ADC，对高精度ADC也一样）的布局、接地和去耦对实现ADC指标要求十分重要，归纳起来为：
（1）采用多层 PCB板。大面积地线（地平面）与大面积电源线对 ADC转换都是有利的。
（2）模拟地与数字地分离，最后就近接于平面地。（例如，数字地和模拟地之间串接0805电阻）
（3）用1～20uF的电解电容和0.01～0.1uF的无极性电容对每组电源分别去耦。去耦元件应尽可能地接在靠近 ADC器件处。模拟电源去耦要先接到模拟地线点，数字电源去耦要先接到数字地线点。
（4）模拟电源与数字电源分开供电。如果采用单一电源，也应在进入电路板处分离出来，并分别加以去耦（LC瓷珠、3端电源滤波器）。
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