02 雷达信号处理类型和定义

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第一节

本次内容

DBF波束形成基本原理（一）

抗杂波基本处理和优化改进MTI及原理

MTI仿真

针对MTI总体雷达指标

硬件总体概述（三）

本专题后续讲解抗雷达干扰原理以及MTD、CFAR和硬件实现原理、PD雷达

一、DBF波束形成基本原理（一）

时域谱估计：讨论时域噪声背景下信号的频谱估计，从时域转换到频域进行的信号检测和估计；

空域谱估计：讨论噪声背景下空间阵列信号的空域谱估计，从空域进行的信号方向检测和估计；

时域谱估计方法

传统方法（线性）非参数（实际是直接的fourier变换）

BT法和周期图法

现代方法（非线性）

最大似然法

熵谱估计：

最大熵谱估计

最小交叉熵谱估计

模型参数法：

ARMA谱估计

AR谱估计

MA谱估计

空域谱估计方法

传统分辨力方法：

Bartlett波束形成器

Capon波束形成器

现代高分辨方法：

MUSIC；MN(Min-norm),

Root-MUSIC, ESPRIT，ML等

数字波束形成和智能天线的概念来源于军事上雷达所采用的自适应阵列天线，目的就是自适应产生雷达天线的波束主瓣，使其对准目标，产生雷达天线的零深，使其对准干扰目标。从而可以再强干扰环境下，使得雷达可以检测出目标，提高抗干扰能力。

自适应阵列天线的概念是1959年 VAN ATTA提出来的，到现在发展五十多年。

DBF在雷达中优点

自适应形成方向图零点，如果我们把这个零点对准干扰源的方向，那么就可以抑制这个干扰。

独立同时多波束。可以节约扫描的时间，波束也比较灵活，不像机械旋转有波束扫描的惯性。

低副瓣技术，这样我们可以雷达天线的增益用在一处。

超分辨角度估计技术

在雷达系统中，基于DBF的自适应天线又称为智能天线或者有源相控阵天线

DBF系统架构

天线辐射单元，用来接收或者发射回波。

微波TR组件通道，收发转换的作用。

ADC/DDC模块技术。

DBF信号处理板卡（大量乘法器）

预DBF基本阵列天线参数

单元方向图：各辐射元的方向图；

阵因子：设阵中所有辐射源都是全向的点元源，由这样的阵列天线所产生的辐射场的表示式；

主瓣：包含最大辐射方向的辐射波瓣；

栅瓣：阵元间距过大时候，方向图会出现几个主瓣，这些额外的主瓣就是；

副瓣：主瓣以外的波瓣都是副瓣；

二、抗杂波基本处理和优化改进MTI及原理

抑制固定杂波、实现动目标检测的方法主要有：

延时线对消器（动目标显示雷达）

广泛用于MTI雷达中

距离门多普勒滤波器

MTI基本原理

延时线对消器名称来源于早期MTI雷达中使用模拟延时线，这通常用声表面波器件完成。现在即使模拟延时线已被数字内存所取代，但其名称仍保留。

非递归滤波器：单延时线对消器、双延时线对消器、多次对消

递归滤波器：暂态响应比较长，这限制其应用

双延时线对消器（三脉冲对消器）

双延时线对消器由两个单延时线对消器级联构成，其输出为：

这样可将信号f(t)及其连续两个脉冲重复周期后的信号同时加到相加器上，一个脉冲重复周期后的信号加权系数为-2，然后再加上两个脉冲重复周期后的信号，此结构称为三脉冲对消器。显然两者具有相同的频率特性。

三、MTI仿真MATLAB演示

（待补充）

四、针对MTI总体雷达指标

损失程度：若以滤波器特性的-10dB作为发现目标的门限，并假定目标在多普勒频带范围内均匀分布，则两脉冲对消器将抑制掉目标的20%，三脉冲对消器抑制掉38%，四脉冲对消器抑制掉48%。

上述滤波器所基于的最佳准则与目标的信号特性无关，因此这并不一定是设计动目标显示滤波器恰当的准则。理想的滤波器应具有如下响应形式：能抑制零频及重复频率以及它的各次谐波周围的杂波，但在无杂波的范围内具有平坦的响应。

MTI 主要目的是抑制杂波，通常使用三种质量图来评估MTI滤波质量。

（1）杂波衰减(CA)仅仅测量MTI滤波器的出输出杂波功率相对于输入杂波功率的减少量；理想条件可以得到20dB 或者更大但是杂波功率受条件而改变，和PRF也有关系；

（2）改善因子I量化了MTI滤波的信杂比改善，不仅考虑MTI对杂波的影响还考虑了对目标的影响；典型50dB左右

（3）杂波下可见度(SV、SCV)是一个比较复杂的参数，他还考虑了检测和虚警概率以及检测器的相关特性；杂波和信号之比

五、硬件总体概述（三）

双端口RAM

对双端口RAM产品的介绍以IDT公司的为例。不同公司生产的双端口RAM产品一般是兼容的。另一主要产品为CYPRESS公司。

IDT7133／7143

IDT7133和IDT7143是IDT公司的2K×16位的高速双端口RAM产品。它具有以下特点：

①高速：军品的最快速度达到25ns；工业品的速度可以达到20ns；商业级产品可以达到15ns。

②低功耗：IDT7133／7143SA系列的最大功耗为而1150mw， IDT7133／7143LA系列的最大功耗为1050mw。

当它们工作在省电模式时，功耗分别为5mw和 1mw。

③为写操作提供多种控制方式，对每一个端口可以进行高字节和低字节独立的写操作。

④通过与IDT7143相连，可以方便搭成32位或更宽的总线。

⑤IDT7133提供忙逻辑BUSY输出标志，而IDT7143则将其作为输入。

⑥可以对两个端口进行完全异步的操作。

⑦可以运行在备用电池状态，电池的最低电压为2V。

⑧完全兼容TTL电平，单5 V电源供电（现在为+3.3V）。

⑨采用68引脚PGA，Flatpack，PLCC或100引脚TQFP封装。

FIFO

FIFO是一种先进先出的存储器，即先读入的数据先读出。FIFO存储器自身的访问时间一般为ns数量级，主从CPU场合中的从CPU或CPU外设速度一般要比主DSP慢。如果采用FIFO，那么从CPU或外设可以先将数据送往FIFO。一旦FIFO满，FIFO再向CPU申请中断，这样可以省去CPU花在等待与查询的时间，而且中断次数也可以减少，从而提高了传输速度。以 SN74ALVC7806低功耗FIFO存储器为例来讲解。

💡

FIFO类型：异步、同步、双向

性能特点

使用先进的低功耗CMOS技术；

操作电压为3V～3.6V；

加载时钟和卸载时钟可以为异步或一致的；

采用全满、全空和半满标志；

接近全满／接近全空标志可编程；

带载50PF访问时间达18ns水平，所有数据输出同时切换；

数据率超过40 MB/s；

三态输出。

两/四倍数据速率SRAM (DDR、QDR_SRAM)

优点：数据吞吐率成倍增加。

DDR_SSRAM读写翻转时，时钟利用率高，是普通的两倍。

QDR_SSRAM为两条总线，读写分开，又提高两倍。

缺点：价格昂贵、存储容量较小、容量增加地址线/数据线/控制线增加，但逻辑控制简单，速度相对较快。

第二节

本次内容

DBF波束形成基本原理（二）

抗杂波基本处理和优化改进MTD及原理

MTD仿真

针对MTD总体雷达指标

MTI和MTD本质区别

硬件总体概述（四）

一、DBF波束形成基本原理（二）

DBF天线参数

天线功率增益：当输入功率相同时，天线在某空间方向上的辐射强度与理想点源的辐射强度之比。

方向性系数：天线最大的方向性增益。

天线效率：总的辐射功率与总的输入功率之比

有效面积：是指一个理想天线的面积，该面积从空间传来电磁波中所吸取的功率等于所求天线在该出吸收的功率。

面积利用系数：孔径效率：有效面积和实际面积之比。

：阵元数

：发射时为激励的幅度、相位；接收时为幅、相权重

实际天线的方向图 = 单位方向图 * 阵因子

考虑接收的情况，幅相权重写成

令：，则在处取得最大值。

相当于波束主瓣对准了

当阵元方向图，阵元数目，阵元间隔固定后，改变权重系数的幅度和相位就可以改变方向图的指向和形状

通道接收机接收天线中频信号，ADC转换器负责中频带通采样，然后DDC后，进行权重，最后加起来，就得到了期望波束的输出信号。

同时多波束，主要是将数字基带信号存储在数字存储器中，通过不同权重加权，得到同时多波束。

N元线性阵列的归一化方向函数

（1）零点：，

（2）最大值点：求导数，洛必达法则，也就是

（3）当时候，方向图主瓣，，当时候，方向图栅瓣，

作用：估计阵列波束宽度

以上是阵列法线方向的归一化方向函数，如果偏离法线一定角度，远场某点的场强为：

当条件满足时候，物理上，对应的就是移相器引入的相位差和波程差抵消，这样才能有方向的同相位面

波束在方向的方向图函数为：

为了避免测角的多样性，应该避免栅瓣的出现角度

二、抗杂波基本处理和优化改进MTD及原理

引入：MTI雷达只能有效滤除固定地物杂波，但是没法利用相参积累，改善目标的信噪比，无法区分不同径向速度的目标。

输入N个脉冲的横向滤波器组有N-1根延迟线，每根延迟时间，经过各脉冲不同的加权并求和后，可以做成N个相邻的窄带滤波器组，频率覆盖0到。

设加在第k个滤波器的第i个输出端头的加权值为：

k表示标号从0到N-1的滤波器,每一个k值对应一组不同的加权值，相应地对应一个不同的多普勒滤波器响应。

k取0-7。第2个滤波器，即当k=1时，峰值响应产生在、、

三、MTD仿真MATLAB演示

（待补充）

四、针对MTD总体雷达指标

MTD滤波器

MTD滤波器组对于动杂波的抑制效果较好。由于MTD滤波器组中每个窄带滤波器的主瓣宽度只占对消器通频带的1/N宽度，因而输出端的信噪比有相应提高：白噪声提高近N倍；有色杂波各滤波器输出的信噪比提高程度因距离杂波中心及杂波谱宽的不同而不同。

MTD 主要目的是抑制杂波，通常使用三种质量图来评估MTD滤波质量。

（1）杂波衰减(CA)仅仅测量MTD滤波器的出输出杂波功率相对于输入杂波功率的减少量；理想条件可以得到20dB 或者更大但是杂波功率受条件而改变，和PRF也有关系；

（2）改善因子I量化了MTD滤波的信杂比改善，不仅考虑MTD对杂波的影响还考虑了对目标的影响；典型50dB左右

（3）杂波下可见度(SV、SCV)是一个比较复杂的参数，他还考虑了检测和虚警概率以及检测器的相关特性；杂波和信号之比

五、MTI和MTD本质区别

（待补充）

六、硬件总体概述（四）

随着现代信号处理技术对处理机性能要求的不断提高，单片处理机已经满足不了处理任务的要求了，必须应用多片处理器进行计算，处理器的数量在不断增大。处理器的内核处理速度的不断加快，使得单个处理器的通信瓶颈已经凸现，多处理器的通信瓶颈更加突出。目前又无好的并行处理开发工具，数据通信难以单纯用程序完成。

解决I／O瓶颈的硬件途径

增加数据通路

①增加总线带宽

②增加其他通信口

③增加板卡输入／输出连线

提高通信速率（ISA→PCI → PCI-E）

采用新技术（LVDS、光纤、 SERDES

总线的性能

四个指标

数据宽度(data width)、

速率(cycle rate)、

设备管理(device management)

类型(device type)

三个参数

总线的带宽

总线的位宽

总线的工作时钟频率

LVDS(Low Voltage Differential Signaling)是一种小振幅差分信号技术，它使用非常低的幅度信号(约350 mV)，通过一对差分PCB。走线或平衡电缆传输数据。它允许单个信道传输速率达到数百兆比特每秒，其特有的低振幅及恒流源模式驱动只产生极低的噪声，消耗非常小的功率。同时，LVDs也是高速／低功耗数据传输的一个多任务接口标准。LVDS标准从1996年诞生以来，迅速被业界所接受，数量众多的供应商提供了各种不同的接口方案，允许信号速率高达1 GHz，传输距离达到数十米，而其功耗很小。

第三节

本次内容

DBF波束形成基本原理（三）

CFAR类型和基本原理

CFAR仿真

PD雷达综述

硬件总体概述（五）

一、DBF波束形成基本原理（三）

自适应DBF定义：自适应波束形成就是通过调整天线阵元的权重来自动的优化阵列天线的方向图，直至一个指定的目标函数满足要求为止。

期望信号与干扰信号（频域重叠空域分开）

可以通过自适应波束形成器分离期望信号和干扰信号

已经发展五十多年，并且趋向现代信号处理

工程实践用到一定（主要像CS算法，要求SNR很高，实际工程难以满足）

一、主波束自适应控制优化准则

最大信噪比准则

二、方向图零点自适应控制的优化准则

最大输出信干比准则(MSIR)

最小均方误差准则（Least Mean Squares LMS）

最大似然准则（Maximum Likelihood -ML）

噪声方差最小准则（Minimum Variance-MV）

自适应波束所要解决的第一个问题就是主波束的自适应控制问题。从天天线方向图的观点可以知道，人们希望主波束可以跟踪目标的方位变化。

信噪功率比：

根据施瓦茨不等式可以得到：

并且知道：当满足

上式才能达到最大值

阵列输出最大信噪功率比是：

阵元的信噪功率比

我们知道天线方向图是

当时候，天线方向图达到最大值N

没有噪声时候，

是方向来波时，由于波程差导致的各个阵元输出的相位差

与中的各元素相位相反，正好补偿了各阵元输出的相位差，使得各阵元信号经过加权后同相相互叠加。

所以这个算法的核心就是使得期望方向的信号相位相同，同相叠加最大输出

方向图零点自适应控制的优化准则

最大输出信干比准则(MSIR)

首先根据公式计算信号和噪声干扰功率比，然后根据施瓦茨不等式和矩阵公式计算作用权矩阵矢量，然后工程主要在逆程时间求得，实际考虑矩阵求逆，共轭等运算

以下三个同理类似：

最小均方误差准则（Least Mean Squares LMS）

最大似然准则（Maximum Likelihood -ML）

噪声方差最小准则（Minimum Variance-MV）

二、CFAR类型和基本原理

在现代雷达信号处理中，为了提高雷达的性能，首先需要提高检测器输入端的信噪比及信干比，其措施是降低接收机的噪声系数，采用各种抑制杂波和抗干扰的措施等。但是即使采用了上述方法，检测器输入端还会有噪声、杂波和干扰的剩余分量。由于接收机内部噪声电平因模拟器件的影响而缓慢时变，杂波和干扰剩余也是时变的，且在空间非均匀分布，所以仍需要采用各种恒虚警方法来保证雷达信号检测具有恒虚警特性。

杂波在空间的分布是非同态的，有些还是时变的，不同区间的杂波强度也有大的区别。因而杂波背景下的恒虚警检测器与噪声背景下的恒虚警检测器有着明显的差别，其杂波的平均值只能通过被检测点的邻近单元计算得到。所以采用单元平均恒虚警检测器。

目前常用的雷达信号的恒虚警处理分为两大类，即噪声环境的恒虚警处理和杂波环境的恒虚警处理。噪声环境的恒虚警处理适用于热噪声环境。杂波环境的恒虚警处理既适用于热噪声环境，也适用于杂波干扰环境。由于杂波环境的恒虚警处理存在恒虚警损失，所以目前的雷达信号恒虚警处理一般都有两种处理方式，根据干扰性质自动转换。

横虚警率处理器主要有两个性能指标：（1）恒虚警率性能，表明了恒虚警率处理器在相应的环境中实际所能达到的恒虚警率情况；（2）恒虚警率损失，雷达信号经过恒虚警率处理后，为了达到原信号的检测能力所需的信噪比的增加量。

三、CFAR仿真

四、 PD雷达综述

PD雷达

（1）雷达采用相参发射和接收，即发射脉冲和接收机本振信号都与一个高稳定的自激振荡器信号同步；

（2）雷达的PRF足够高，距离是模糊的。

（3）雷达采用相参处理来抑制主瓣杂波，以提高目标的检测能力和辅助进行目标识别或分类。

MTD 主要目的是抑制杂波，通常使用三种质量图来评估MTD滤波质量。

（2）改善因子I量化了MTD滤波的信杂比改善，不仅考虑MTD对杂波的影响还考虑了对目标的影响；典型50dB左右

（3）杂波下可见度(SV、SCV)是一个比较复杂的参数，他还考虑了检测和虚警概率以及检测器的相关特性；杂波和信号之比

雷达应用	要求
机载或空间监视	探测距离远；距离数据精确
机载截击或火控	中等探测距离；距离和速度数据精确
地面监视	中等探测距离；距离数据精确
战场监视（低速目标检测）	中等探测距离；距离和速度数据精确
导弹寻的头	可以不要真实的距离信息
地面武器控制	探测距离进；距离和速度数据精确
气象	距离和速度数据分辨力高
导弹告警	探测距离近；非常低的虚警率

Type	优点	缺点
MTI雷达低PRF	1. 根据距离网区分目标和杂波； 2. 无距离模糊； 3. 前端STC抑制了副瓣检测和降低对动态范围的要求。	1. 由于多普勒重叠，多普勒分辨度低； 2. 对慢速目标抑制能力低； 3. 不能测量目标的径向速度。
PD雷达中PRF	1. 在目标的多个视角都有良好的性能； 2. 有良好的慢速目标抑制能力； 3. 可以测量目标的径向速度； 4. 距离遮挡比高PRF时小。	1. 有距离幻影； 2. 副瓣杂波限制了雷达性能； 3. 由于有距离重叠，导致稳定性要求高。
PD雷达高PRF	1. 在目标的某些视角上可以无副瓣杂波干扰； 2. 唯一的多普勒盲区在前视； 3. 有良好的慢速目标抑制能力； 4. 可以测量目标的径向速度； 5. 仅检测到速度可提供探测距离。	1. 副瓣杂波限制了雷达性能； 2. 有距离遮挡； 3. 有距离幻影； 4. 由于有距离重叠，因此导致稳定性要求高。

五、硬件总体概述（四）

常见的有5 V、3.3 V、2.5 V、1.8 V、1.2 V等。一般来说，1.8 V、1.2 V等是DSP或FPGA的内核电源，5 V、3.3 V、2.5 V为I／O电源。数字电源的电流通常较大，一片高速DSP需要1～2 A，FPGA需要1 A，存储器需要0.2 A，所以一块电路板的平均电流常达到6 A以上。数字电源一般要求误差范围不超过10％，而对于1.2 V等低压，要求误差范围不超过5％。对纹波的要求较宽松，对于60 mV以下的纹波，数字元件都可正常工作。纹波和噪声是电源质量的直接反映。

模拟电路如A／D、运放、D／A等需要线性电源，常见的线性电源有±5 V、 ± 12 V、± 15 V、 ± 18V等。模拟电源的电流不大，但要求有较高的精度和质量，纹波和噪声要很低。在较高速的运放、D／A等模拟器件上，都对电源进行了处理，对低频的纹波可以达到60～110 dB的衰减，但对10 kHz以上的纹波或噪声，衰减作用就很有限。

化学电源：如电池

线性稳压电源（低压差线性稳压器LDO ）

优点：稳定性高，纹波小，可靠性高，易做成多路、输出连续可调的模块。缺点：体积大，较笨重，效率相对较低。

开关型直流稳压电源（PWM 、PFM ）

优点：体积小，重量轻，稳定可靠；可以升压、降压或转换电压极性。缺点：纹波较大，纹波峰峰值一般为输出电压的1％。

开关电源分类：

①AC／DC电源

②DC／DC电源

③模块电源

输入电压允许范围和输出电压允许范围

需求电流大小

电源稳定性

电压纹波

损耗

加电顺序

体积

辐射

保护电路

慎重加电

负载电流的变化对电压的影响

多电源系统和多电源芯片，注意上电次序

浪涌电压保护、EMI／RFI抑制、散热问题

电源电流的裕量设计常取15％～40％