09 新体制雷达和具体实现

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第一讲

本次内容

新体制雷达综述

LPI雷达基本原理和具体实现

天波超视距雷达基本原理和具体实现

SFW步进频雷达基本原理和具体实现

后续讲解SAR成像雷达以及MIMO雷达和相关最新雷达实现措施

一、新体制雷达综述

现代战争对雷达的作战性能和技术要求不断提高，伴随着现代科学技术的不断发展和电子技术的进步，雷达发展也飞快迅猛。

最新雷达不断朝着成像技术、新的系统海面探测技术、军民结合技术、对抗和新体制干扰技术、以及最新的光子和量子雷达技术发展。

常规脉冲雷达中的多种体制、脉冲压缩雷达、脉冲多普勒雷达、合成孔径雷达、相控阵雷达、捷变频雷达、多发多收等多种新型雷达体制

所有雷达工程都是以科学理论作为核心基础

国外优秀的理念要回借鉴、比如高端领域重视理论技术的结合、基础理论很重要：参数估计、概率论模型、多维动力学模型等基础课程

参数具体细致，创新实际是对基础理论的深刻理解和不断挖掘信息。

就像压缩感知CS算法的提出和学习，针对传统采样定律和带通采样定理，利用信号的带宽信息一样，可以不断挖掘信号的其他信息，在SNR足够高的情况下，可以利用其他维度的信息还原信息的一种方法。

二、LPI雷达基本原理和具体实现

传统体制的雷达存在一个固有的弱点，即采用常规波形发射，并辐射高功率的电磁波信号，很容易被敌方侦查设备所截获，从而使雷达面临两个威胁：

被敌方干扰设备干扰，从而无法正常工作。

被敌方反辐射武器打击摧毁，雷达战场生存能力降低。

这种反侦查能力弱的雷达称为暴露型雷达，而如果雷达发射的信号很难被敌方截获，就可以使雷达避免受到打击或干扰，从而提升其战场生存能力。

如何降低雷达信号被敌方截获的概率，成为为了雷达技术新的发展方向，一种新的雷达体制——低截获概率雷达也因此应运而生。低截获概率雷达具有良好的抗干扰性和隐蔽性，这使得侦察截获接收机难以发现，无法进行检测、识别、定位与跟踪，因而低截获概率雷达在战场上具有很高的生存率。

1979年Robert G Siefker发表的一篇名为“隐身雷达的截获”的文章揭开了国外低截获概率雷达研究的序幕，随后，英国伦敦大学的J R Forest在1983年发表的“低截概率雷达技术”一文中首次引入了低截获概率雷达方程。此外，Q Schrick和R G Wiley于1990年联合发表的有关雷达接收机灵敏度和电子截获接收机灵敏度间关系的文章也引起了大范围的关注。

西方发达国家在20世纪70年代就开始了LPI雷达的工程研究，目前有多种低截获概率雷达在实际运用中，美国的TWSQR、瑞典的PILOT雷达、以色列的M-2140和俄罗斯的“先知”以及“首领”雷达都是其中性能较好的代表。

近年来我国雷达界一直在倡导发展我国的低截获概率雷达，但是关于如何发展低截获概率雷达的技术路线，还处于一个探索阶段。目前，我国在载频捷变、波形捷变、长时宽、大带宽低峰值功率发射信号以及超低副瓣等雷达新技术的研究上取得了一定的成果。虽然上述技术的应用都可以提高LPI性能，但要达到真正实现的层面，还需要走较长的路。

低截获概率雷达的实质是利用各种措施使得雷达截获接收机能探测到雷达辐射信号的最大距离小于雷达对携带截获接收机平台的最大发现距离。

为定量分析低截获雷达的工作性能，施里海尔（Schleher）提出了截获因子()的定义：

为截获接收机能检测到雷达发射信号的最大距离；为雷达对携带截获接收机平台的目标的最大作用距离。

从截获因子的定义可以看出，当截获因子 >1时截获接收机可以判断雷达的存在，而雷达无法发现截获接收机平台，此时截获设备占有优势，雷达面临被干扰或被打击的危险；当截获因子 <1时表明雷达能发现截获接收机平台，而截获接收机无法判定雷达的存在，此时雷达占有优势，我们称这种雷达为低截获概率雷达。容易看出截获因子越小，雷达的反截获能力越强。当截获因子小于等于0.5的时候我们就称之为超低截获概率雷达。

从上面的分析我们可以知道，截获因子和雷达系统的许多参数有关，在低截获概率雷达的参数设计中最为重要的是“雷达发射功率”这个核心参数，它直接涉及到截获接收机能否判断雷达的存在，同时也关系到雷达的作用距离或跟踪距离等战术设计要求。为达到低截获的要求，需要将雷达发射功率在空域、时域、频域这三域上分散开来，使得截获接收机难以发现雷达；而雷达本身要通过各种手段将发射出去的信号功率经目标反射形成的回波检测出来。围绕“雷达发射功率”这个核心参数，我们从时域、频域、空域、功率管理等几个方面来研究实现低截获雷达的技术途径。

三、天波超视距雷达基本原理和具体实现

天波超视距雷达工作在短波波段(3—30MH），利用电离层对高频电磁波折射的机理实现超视距探测，可对覆盖厦域内．地海表面以上、电离层以下的各类运动目标实施预警监视

天波超视距雷达具有以下工作特点

（1）探测距离远典型的可以800—3000km

（2）探测目标类型多

（3）隐身性好

（4）探测性能不稳定受电离层影响

超视距雷达主要用于早期预警和战术警戒，是对地地导弹(特别是低弹道的洲际导弹和潜地导弹)、部分轨道武器（包括低轨道卫星）和战略轰炸机的早期预警手段。它能在导弹发射后1分钟发现目标，3分钟提供预警信息，预警时间可长达30分钟。超视距雷达在警戒低空入侵的飞机、巡航导弹和海面舰艇时，可以在200~400公里的距离内发现目标。与微波雷达相比,超视距雷达对飞机目标的预警时间约可增加10倍;对舰艇目标的预警时间可增加30~50倍。它还能探测4000公里以内的核爆炸，通过测量电离层的扰动情况估计核爆炸的当量和高度。

四、SFW步进频雷达基本原理和具体实现

频率步进(Stepped Frequency，SF)信号是一种最重要的高分辨率雷达信号，它通过相参脉冲串中各个载频的线性跳变获得大的累积带宽，然后通过IDFT相参处理获得目标高分辨的一维距离像。

这种信号的主要问题是存在距离一多普勒耦合，目标的运动会使回波信号产生附加相位项，使得一维距离像产生时移、衰减、发散、波形展宽、散射点分裂等现象，导致一维距离像严重失真，影响目标的检测、识别和精确测距。

目前，主要采用对回波信号进行速度补偿的方法来消除附加相位项的影响，但这种方法一般只能在一定的速度范围内取得比较好的补偿效果，对于高速目标效果不好。为了解决这个问题。

运动特征是导弹目标识别所依据的主要特征之一。通过目标运动分辨（TMR）处理，可以得到目标的飞行姿态、轨道特征、速度与加速度等特征。根据窄带跟踪滤波信息研究了导弹运动特性的提取，但其未能提取出目标的章动信息。而章动特性是区分真假的重要特征之一。目标的高分辨距离像序列包含着目标运动的丰富信息，通过一维像序列提取目标的运动特征将是一种有效的运动特征提取途径

硬件实现新体制雷达考虑要点：

（1）信号数据率，可不可以实现信号流的处理，或者波门内的信号处理。

（2）硬件实现的存储量设计。

（3）算法实施的复杂程度

（4）器件的功耗和现有的技术水平

（5）空间和价格因素

实际是对算法的深刻挖掘的分析基础上

步进频合成宽带要考虑的关键参数：

（1）子脉冲调制带宽B：决定T/R组件的能力和需要看的目标的尺寸大小

（2）一帧处理总的带宽数目：需要的真正距离分辨率和硬件处理数据量大小

（3）脉冲重复周期：硬件存储数据量和所要看的距离，当然T越大，高分辨距离像的峰值的发散和时移将会越严重

（4）脉冲宽度：结合系统的距离盲区和发射机的功率要求，组件的散热和功耗要求

第二讲

本次内容

SAR雷达研究背景（ISAR INSAR 三维SAR）

SAR的基本原理

SAR具体硬件实现

SAR的具体仿真和干扰介绍

一、SAR雷达研究背景(ISAR INSAR 三维SAR)

第二次世界大战以来，雷达无论在理论上还是在技术上都得到了飞速发展。新技术，新理论不断涌现。其中综合孔径原理和综合孔径雷达便是突出的进展之一。

Synthetic Aperture Radar 简称SAR是一种高分辨成像雷达，（高分辨：即可以区分距离比较小的目标）。可以在能见度极差的气象条件下得到类似光学照相的高分辨率雷达图象。

SAR分类

实孔径成像

虚拟孔径成像（1）处理方式：聚焦、非聚焦（2）照射区域：条带测绘（正或者斜侧视）、多普勒锐化、聚束照射（3）运动方式：雷达目标各自动或者都动

微波全息

雷达干涉

SAR的三维成像：

距离和方位成像是普通的SAR成像过程，而目标高度是利用两套天线接收信号相干涉（差拍）获得。

SAR的高分辨率：

高的角分辨率（即方位向分辨率）和足够高的距离向分辨率。SAR采用综合孔径原理提高雷达的角分辨率；而距离向分辨率的提高则有助于脉冲压缩技术。

SAR应用：

在地形测绘与地质研究中的应用实现对一些气候恶劣、地形复杂、交通不便的地区的探测。分辨出山区、水域、高原、丘陵以及它们的走向和覆盖面积，或在细的方面给出海拔高度、坡度、坡向、位置精确定位。实现地质普查和矿产资源勘探。测量地质构造中的断层、断裂轮廓和走向，例如从雷达图像上可以看到撒哈拉沙漠下的古河道。

成像雷达在农业和林业中的应用

进行土地利用调查，土壤水分测量，作物树木分类，作物或树木长势监测，农作物产量或树木积蓄量估计等。

成像雷达在海洋研究和监测方面的应用利用机载或星载成像雷达实现海洋污染的监测和矿藏的探测。海洋面积大，人们不易到达，另外有许多有待开发利用的宝藏。

测量浅海水下地形对浅海的勘探与开发，海底油气管道和通信电缆或光缆的埋设，海上运输，海上养殖业，近海气候有重要意义。海面上的薄油膜可以使后向散射回波减弱，对海冰的监测为全球气象趋势提供有用信息。

利用雷达图像研究海浪，为航海和海洋气象预报提供更准确的信息。

成像雷达在军事方面的应用

用于发现和识别军事目标

ISAR：对飞机、导弹进行成像识别，配合武器系统对敌目标实施拦截和攻击

SAR：对飞机、坦克群、机场、停机坪，各种车辆、桥梁、铁路、公路、堤坝和各种军事建筑成像，利用视觉就能作出准确的判断和识别。

在减灾和防灾方面的应用星载合成孔径雷达利用森林火灾地区散射特性的不同，发现识别火灾出现的位置，面积。水灾地区的水势的涨落和受灾面积的监测。观测和识别海上强台风。对地震的灾害破坏程度的评估。

未来发展方向

FDA 阵列成像

三维SAR

量子纠缠态SAR成像

二、SAR的基本原理

装载着雷达的飞行器沿x坐标方向以速度v匀速直线前进。雷达向正侧方向发射并接收波束，航向波束角，垂直波束角。图中阴影区即为波束与地平面的交界面。随着雷达匀速前进，将在地面形成带状辐照带（即测绘带），这就是雷达成像的对象。

雷达一面以匀速直线前进，一面以固定的重复频率发射并接收信号。如果把接收信号的幅度和相位信息存储起来并与以前的接收信号叠加，则随着雷达的前进将形成等效的线性阵列天线合成孔径雷达的概念是采用相干雷达系统和单个移动天线模拟真实线性天线阵中所有天线的功能。单个天线依次占据合成阵列空间的位置。在合成阵里，在每个天线位置上发射并接收信号。把天线的角度和接收信号存储起来，这些被存储的数据经过处理，再成像为被雷达的所照射区域的图像。

我们不用这么多的实际小天线，而只是用一个小天线，让这个小天线在一条直线上移动。小天线发出第一个脉冲并接收从目标散回来的第一个回波脉冲，把它存储起来后，就按理想的直线移动一定的距离到第二个位置，小天线在第二个位置上再发射一个同样的脉冲波（这个脉冲的初相位，认为和第一个脉冲是一样的。这在不同的位置上回波的相位差仅由目标离阵元位置差别决定，这正是阵列处理的机理），并把第二个脉冲波回波接收后也存储起来。依次类推，一直到这个小天线移动的直线长度相当于阵列大天线的长度时为止。这时候把存储起来的所有回波（也是N个）都取出来，同样按矢量相加。

结论

横向距离分辨力与距离无关。

这是由于天线的长度Ls和R 成线性关系。因而长距离目标比短距离目标的合成孔径更大。

横向距离分辨力和合成天线波束宽度不随波长而变。

单个天线更小，则分辨力就会更好一些。

仅仅针对单通道sar

三、SAR具体硬件实现

该模块主要负责完成一路数据的采集。该路采样率为1.6GHz，位宽为8bit，采集中频为1.2GHz的信号。FPGA将AD采集到的数据进行排序及一些预处理后送到外部双口RAM存储。

SAR硬件关键：

采集带宽

存储数据量

实时性

硬件成本功耗

四、SAR的具体仿真和干扰介绍

探讨了随机噪声SAR的相干斑。对同一场景的随机噪声SAR幅度图像和线性调频SAR幅度图像的相干斑，利用拖尾Rayleigh分布和等效视数对它们的相干斑进行了评价，结果显示随机噪声SAR的相干斑弱于线性调频SAR。

随机噪声合成孔径雷达自聚焦技术研究。首先研究了基于图像的最小熵准则和图像对比度对多普勒调频率估计，提出了对最小熵算法的优化和基于对比度给出图像强度的平方和最大化方法及其优化方法，通过实测数据处理验证了这些方法的有效性；接着给出了条带式随机噪声SAR的相位曲率算法，其避免了对条带式SAR方位向分块处理，并通过原始数据处理验证了该算法的有效性。

随机噪声信号雷达采用射频噪声或者噪声调制信号作为发射波形。由于其发射信号的随机性，随机噪声雷达具有十分优异的低截获概率性(LowProbability of Intercept，LPI)、电子反对抗能力(Electronic CounterCounterMeasure，ECCM)、电磁兼容性，同时其模糊函数接近理想的“图钉形”外，还具有很高的无模糊测距、测速性能和良好的距离、速度分辨率。利用随机噪声体制雷达，可以有效地提高雷达的反截获性能和抗干扰能力，进而增强雷达在复杂战争环境下的生存能力。因此随机噪声体制的雷达日益受到国内外的广泛关注。将随机噪声雷达技术与合成孔径雷达技术相结合，形成随机噪声合成孔径雷达。这类雷达不仅具有低截获性能和抗干扰能力，同时还具有很高的无模糊测距、良好的距离分辨率和高分辨等性能，而且是现代高科技战争中生存能力较强的雷达。

合成孔径雷达是典型的相参体制雷达，其信号接收及处理兼有脉冲压缩雷达和脉冲多普勒雷达的特点。这些特点，使一般的有源干扰技术很难奏效。但从另一方面来说，由于它的脉冲重复频率不能太高,脉冲多普勒频移范围很小，所以多普勒滤波器的带宽相对而言是很窄的，雷达需要积累相当长的时间才能形成一幅电子镶嵌图，这给有源干扰提供了可能。

在距离向上，为了提高距离分辨力，SAR 采用脉冲压缩技术，发射线性调频信号。对于目标反射的回波信号，接收机内线性调频匹配滤波器能对它实现匹配接收，而对于噪声干扰信号，接收机内线性调频匹配滤波器对它为非匹配接收，所以干扰噪声要比目标回波信号少获得γr (距离压缩比) 倍的信号处理增益(一般在30dB 左右)。

在方位向上，SAR 天线对噪声信号属于非相关接收，而对于目标反射的回波信号属相关接收。由此可知，目标回波信号经方位处理后，横向压缩得益为方位压缩比γa (一般也在30dB 左右) ，而噪声却无此得益。因此，用噪声干扰信号对SAR 进行干扰时，噪声总共要受到γr (γa 倍的抑制,即60dB 左右。

由以上分析可知，要对SAR 实施有效的噪声压制干扰，要克服相当高的雷达信号处理增益，加之SAR 会采用自适应滤波等一些抗干扰措施，利用一般的噪声干扰信号对付SAR 很难取得好的干扰效果。目前对SAR 实施压制式干扰，研究较多的是利用转发加频移的干扰技术。即由引导参数自主产生噪声信号，各干扰机产生实时的、覆盖整个时域的、散布于多普勒频移范围的一串串相干脉冲，这种相干脉冲串在波形上与SAR 雷达发射的线性调频信号极为相似。所以，相干脉冲串经雷达接收机处理后,可以获得距离信号处理增益，这样就大大减少了压制干扰所需的干扰功率。

第三讲

本次内容

MIMO雷达研究背景

MIMO雷达基本原理

MIMO雷达具体设计

MIMO雷达具体硬件实现

一、MIMO雷达研究背景

MIMO（Multiple Input Multiple Output）雷达是一种新型雷达，MIMO的技术引自于通信技术，在雷达领域一经提出就受到广泛关注，虽然MIMO雷达在实际应用中还有很多问题要考虑，但是作为新型高性能雷达，对MIMO雷达的深入研究有很大意义。

雷达的基本任务是在各种噪声背景和杂波干扰下检测出目标，这包括对目标的测速、测距、测角。在检测过程中，雷达截面积(Radar Cross Section，RCS)是一个影响目标检测的重要因素，不同目标的RCS不同，比如飞机、轮船、大地、海面等的RCS都是视角和雷达工作波长的复杂函数。在实际应用中，目标的RCS变化很多，对于运动目标，RCS是实时变化的，尤其对于高速运动目标，RCS起伏很大，目标闪烁特性对雷达的检测性能影响很大，所以为了解决这个问题，雷达工程师们从通信系统中借鉴了宝贵经验。

上个世纪90年代中期以来，贝尔实验室等在无线通信领域提出了多输入多输出(MIMO)系统理论。在无线通信系统中，基站和移动端均采用多个天线进行收发。无线信号在传播的过程中，由于会产生多径衰落，这种衰落会使得信道可靠性降低，影响了无线通信系统的正常工作。无线通信系统为了解决这个问题，在发射机端和接收机端采用间隔很大的天线来布阵布站，天线间隔大于天线的相关距离，这样可以使得各个发射阵元相互独立，各个接收阵元也相互独立，在空间每一个发射阵元和每一个接收阵元形成一个回路，形成了大的空间分集增益，解决了多径衰落对信道可靠性的影响。

在通常意义的现代通信系统中，通信系统通过信道的方式传播，在信道传输过程中衰落是必然发生的，同样在雷达系统中，目标RCS闪烁所导致的雷达传播信号衰落也是必然发生的事件，这严重影响了雷达对于目标的探测。在雷达工作过程中，目标相当于信道，目标闪烁等同于信道衰落。在无线通信中，通过相互独立分开的发射、接收天线可以避免信道衰落，同样，在雷达系统中，也可以通过对发射阵元和接收阵元在空间分集达到对目标闪烁抑制的效果。发射阵元及接收阵元阵元间距需要满足，其中是载波波长，是目标距离发射阵元或者接收阵元的距离，是目标径向尺寸。因此阵元间距要足够大，才能保证从不同角度检测目标的目的。

二、MIMO雷达基本原理

由于MIMO雷达收发阵列阵元的天线配置结构上的不同，MIMO雷达可以分为分布式MIMO雷达和集中式MIMO雷达两类。一般情况下的传统多基地雷达都是独立工作，相互之间并没有紧密联系，都是将各自得到的回波数据结果统一送到中央处理器进行处理，经过复杂的信号处理过程检测出目标的方位等信息，而分布式雷达是将各个接收站的回波进行联合处理，也就是先把各路回波进行合并，然后再进行信号处理，对目标进行检测，图是分布式MIMO雷达的结构示意图。

M路发射阵元与N 路接收阵元共组成了MN 路回波信号。分布式MIMO雷达的主要优点有：

由于目标的RCS闪烁在雷达信号处理系统中无法避免，分布式MIMO雷达可以有效降低目标闪烁带来的损失。

增强低速目标的探测性能，提高低截获性能，解决目标盲速现象带来的问题。

回波数据进行联合处理，这样可提取的信息量更大，更利于目标的检测。

虚拟阵元形成的孔径增大，提高目标的空间分辨能力，提高目标定位的精度。

集中式 MIMO 雷达的概念，集中式MIMO雷达也可以叫做共址MIMO雷达。集中式MIMO雷达的收发阵元间距较小，通常为半波长，可以看作“集中”的。集中式MIMO雷达的工作原理是通过发射正交波形，在接收端利用发射信号的正交性进行信号分离，形成一个大的虚拟阵列。集中式MIMO雷达在空间不能叠加形成高增益的窄波束，只能形成宽波束。集中式MIMO雷达可以分为单基地MIMO雷达和双基地MIMO雷达，图为两种模式的结构示意图。

集中式MIMO雷达不同于分布式MIMO雷达，它是通过发射正交波形实现波形分集，从实际应用的角度考虑，设计更加优化的正交波形比建立空间分集雷达站更加容易，所以集中式MIMO雷达在工程上更容易实现，也更具有研究的价值和意义。集中式MIMO雷达具有以下优点：

利用全向发射提高MIMO雷达的低截获性能。

在空间形成虚拟阵元，提高雷达自由度，增加可分辨的目标个数。

具有低旁瓣的波束方向图，扩大雷达阵列孔径，从而提高角度分辨力。

可以形成发射-接收联合波束形成，对目标的方位信息可以有更好的估计。

无论分布式MIMO雷达还是集中式MIMO雷达，都有比传统雷达性能优越的地方。MIMO雷达一经提出，就得到了国内外相关学者的广泛关注，分布式MIMO雷达是从空间分集方面改善了目标探测的性能，集中式MIMO雷达是从波形分集方面改善了雷达性能。

三、MIMO雷达具体设计

MIMO雷达与传统相控阵雷达的主要区别之一是发射的波形不同，多数相控阵雷达各阵元发射的信号是同一种信号，而MIMO雷达的各个发射阵元或者子阵发射阵元发射的是相互正交的信号。MIMO雷达在接收端利用发射信号的正交性，通过匹配滤波器组来恢复各个发射信号的分量，匹配滤波器组里的每一个参考信号与各个发射信号相互匹配，从而形成多路回波信号，提高对于目标的距离、速度、角度等的检测能力，因而设计高性能的正交波形是MIMO雷达实现的关键。

MIMO雷达中常用的正交波形是OFDM-LFM（正交频分复用-线性调频）信号、二相编码信号、随机多相编码信号等。OFDM-LFM信号是多普勒频率不敏感信号，而二相编码信号和随机多相编码信号则是多普勒敏感信号。根据现代雷达的波形设计要求，模糊函数是图钉型的信号是理想的雷达信号，而相位编码信号正满足了这个要求，在实际的雷达系统当中得到了广泛应用。相位编码信号利用码字对载频信号进行调相得到，并作为雷达发射波形，随机多相码信号通过相位的随机变化，由二相码信号演变成多相码信号，是二相码的特殊形式，具有多种可选择的信号形式，大大提高了波形设计的灵活性。

正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM）技术被广泛应用在无线通信技术中，它能够克服无线通信中的多径干扰，这使它在无线通信应用中有优越的性能。在MIMO雷达中，对不同阵元发射信号进行频率调制，形成相互正交的信号，通过接收机匹配滤波器处理，可以得到等效宽带效果，获得较高的距离分辨力。

四、 MIMO雷达具体硬件实现

在每个阵元接收处设置个匹配滤波器，这个滤波器组是用来分离各个发射信号，由于发射信号之间相互正交，所以通过匹配滤波器组，在每个接收阵元通道可以得到个独立的信号，图是MIMO雷达接收机的匹配滤波过程。