相控阵雷达信号处理的基础

相控阵雷达信号处理的基础（精选3篇）

相控阵雷达信号处理的基础 篇1

相控阵雷达信号处理的基础

摘要

本文节给出了一个关于相控阵雷达原理和术语的简短的调查研究。波束形成、雷达探测与参数估计已经描述过了。子阵的概念，单脉冲与任意子阵的估计开发。作为一个自适应波束形成，这是在其他几个部分处理的准备，关于模型塑造的确定性加权的主题将会进行详细的介绍。

1.0 引言

当今阵列在许多应用程序、视图和术语中的运用是完全不同的。我们在这里介绍几个相控阵雷达天线和相关信号处理的具体特点。首先，雷达原理和术语的解释。大量阵列单元的波束形成是典型雷达天线的特点和问题，在其他应用程序众所周知。因此，我们讨论了阵列填满、大光圈和带宽的特殊问题。为了降低成本和空间，天线的输出通常归结于子阵。数字化处理只能靠子阵输出解决。等部分模拟和数字波束形成的问题，特别是光栅的问题进行了讨论。本主题将重新考虑自适应波束形成，空时自适应处理（STAP），和SAR。

雷达探测范围和方向估计由统计假设检验和参数估计理论进行计算。这一理论的主要应用将在下一章的自适应波束形成中进行讨论。在这个章中，我们提出了单脉冲估计的应用，并且在下一章中扩展到自适应阵列或STAP的单脉冲估计。

由于波束形成在相控阵中起着核心作用，也为各种自适应波束形成做了准备，并且为确定性天线波束形成和和相关通道精度要求做了详细介绍。

2.0雷达和阵列的基础

2.1基本概念

雷达原理在图1中进行了描述。一个长度为τ的脉冲被传输，被反射在目标上和在t0时刻雷达再次收到该脉冲。这个信号的传输时间经计算为

R0ct0/2。这个过程中脉冲重复间隔为（PRI）T。因此，最大的明确范围为

RmaxcT/2。

比之/T称为占空比。

1PSignalPnoisePmGt.0.Gr2.244RkT0FB.L1接收到的信号与噪声功率比（SNR）由雷达方程描述。

SNR4R22. 波长(cm)kT0 =4*10-21 Ws(W/Hz)F 噪声系数(dim-less)B 带宽(Hz)L 损耗(dim-less)

这是的1/R规则要求雷达设计师必须尽可能增加传送或接收的能量。快速实时处理：过滤接收到的脉冲使得信号能量能够最大限度地提取（匹配滤波，脉冲压缩）。这是实现卷积接收到的数据样本yk4zk发射波的形式sk，k1..L,szr1Lkr。脉冲压缩后距离分辨率为Rc/2，其中τ是脉冲压缩后的有效脉冲长度。通过压缩后较短的长度对长发射脉冲进行适当的编码，因此可以实现很高的分辨率。这需要一个更大的带宽。脉冲之前的么长度和压缩后的长度之比称为压缩比K，与时间带宽积类似，K=before/afterBbefore。模拟波形，如用于脉冲压缩的线性频率调制（调频），或通过某种子脉冲切换的离散码，例如：二进制代码或多相码。脉冲压缩后的雷达旁瓣对于避免假目标非常重要。此外，压缩脉冲必须适应多普勒频移，多普勒频移是一个典型的目标重复移动的频率。

慢时处理：接收信号能量可以增加整合电源脉冲。由于多普勒效应，具有一定径向速度R的目标回波经历了一个fD2R/的频移。从脉冲间隔时间T，我们可以观察到一次相移

D2fDT。如果这次变换得到补偿就能收集到最大

yej2fDkTykk1K能量。正确的相位补偿的总和被称为连贯整合，向速度和因此导致的多普勒频为相干处理间隔，CPI。

fD。当然，径

是未知的，必须进行估计。积分时间KT被称此外，也可以只对幅度进行相加，叫做非相干积分，yy2k1K2k。在一

个雷达的固定观察方向（例如若干CPI）上的所有处理时间称为延时。

2.2相控阵原理

相控阵的原理是从大量的基本球面波形如图2所示，生成一个波前平面。一些阵列天线的技术实现也显示在图中。球面波通过基本天线单元的全方位特征来近似实现。在基本天线上应用适合的激励和接收的所有信号的总和被称为波束形成。

为什么人们对相控阵天线如此感兴趣?它的主要优点是几乎是无限快速地转换阵列的观察方向。这使得我们可以根据一些最优准则，而不是根据一个连续的41R机械运动来阐明搜索空间。回顾准则，这迫使我们集中传输能量。优化目标接收的能量的各个方面都可以用关键词——能量管理来表示，这是相控阵的本质上的优势。特定的能源管理组成部分是

 相干积分几乎可以达到任意长。这可以做到更好的杂波抑制（多普勒分辨力），通过提取光谱的特征来进行目标分类，并最终进行SAR和ISAR处理。

 时分复用的不同雷达的任务，如搜索和跟踪多个目标的性能。这允许使用单相位阵列雷达作为多功能雷达。

 个别的雷达任务的优化：优化搜索，采集和跟踪波形，需要时的高精度测量，变量的光束形状，跟踪优化算法（雷达通过跟踪算法和一个先验信息来进行控制）。

 较低的主要能量消耗（仅适用于主动阵列，节省约2倍）

 高故障间的平均时间间隔（MTBF）由于优美的退化（只对于主动阵列） 如果在天线孔径的空间样本可供选择：自适应波束形成（ABF）的时空自适应处理（STAP），超高分辨率

2.3 波束形成

相控阵的关键技术问题之一是波束形成的操作。为了连贯地总结所有信号，在位置rx,y,zT的天线单元的接收信号的时间延迟必须进行补偿。我们通过如图3所示的天线坐标系统U中的单位方向向量（有时也被称为“方向余弦”），来表示入射波平面的入射角。绿色的平面可能代表一个平面天线的口径。公式对于三维阵列也有效。位置r的元素和原点之间的路径长度是

对于如图3左边子图所示的线性天线，它等于xsin。在元素r处的信号可写为

其中，f是发射频率，c是光速。相应地，我们在方向U0上用N个天线单元形成一个波束，通过补偿这些延迟

上标H表示共轭转置。我们称有等距单元的线性天线在众所周知的函数。

au0为控制向量。对于一个特殊的情况下的xd/2xkkd/2（此单元被k分开），此结果导致了

相控阵雷达信号处理的基础 篇2

1 系统组成

雷达中频信号模拟器由模拟器组合和电源组合组成,中频信号模拟器组合组成框图如图1所示。

2 中频信号模拟器总体设计

中频模拟器主要由反射波形模拟单元、和差支路模拟单元、模拟控制处理器及通信接口几部分组成。

系统工作原理:模拟控制处理器实时接收雷达主控机的控制字,按雷达天线波束指向,判断当前目标是否在波束内,若在波束内,则按目标距离和工作模板产生相应距离和波形的模拟回波[2]。模拟回波经过四功分后,按天线方向图、目标距离、速度等控制模拟回波的多普勒频率、各路信号幅度、差支路相位,从而模拟出近似真实的雷达回波信号。

模拟波形产生采用数字正交调制和高速D/A转换器实现,距离衰减模拟和角度衰减模拟采用高精度数控衰减器,相位跳变采用0/π转换器,系统控制和目标参数计算采用CP6000计算机,系统总线采用CPCI总线。

3 模拟器中频组合

3.1 组成及功能

模拟器中频组合是中频模拟器的关键,其功能是完成反射波形产生、反射支路角度模拟。信号模拟组合的插件主要有:1块模拟器控制器主板、2块信号产生插件、1块杂波产生插件,2块数控衰减插件、CPCI总线底板、电源插板、1块同步信号传输插件,3块功率分配插件,2块合成器插件等。

3.2 模拟器控制器主板

3.2.1 主板功能

模拟器控制处理器是模拟器的控制中心,其主要功能是接收雷达主机发送的控制字,实时计算出目标距离、多普勒频移、距离衰减量、角度衰减量等,并按时间顺序送出这些控制量,控制系统硬件电路工作,产生相应的模拟回波。

3.2.2 软件工作流程

模拟器的主要功能由各单元电路和相应的软件来实现。软件主要模块有:系统初始化模块、目标参数计算及波束内目标查找模块、目标参数输出模块、控制字接收模块等。主程序流程图如图2所示。

3.3 信号产生插件

3.3.1 功能

反射信号产生插件产生线性调频波形,同时实现距离延迟模拟和多普勒频率调制。

3.3.2 波形产生原理

波形产生采用数字正交调制技术实现。

首先模拟器主控板CP6000计算各种线性调频基带波形数据,在模拟器加电初始化过程中将波形数据I(n),Q(n)送入信号产生插件双端口RAM,在模拟器工作中,信号产生插件将双端口RAM中的数据取出,送DAC5686芯片,在DAC5686芯片中完成数字基带波形数据I(n),Q(n)与DDS产生的正交载波信号cos(2π(f0+fd)n Ts),sin(2π(f0+fd)n Ts)相乘,然后相加再经过D/A转换,得到cos(2π(f0+fd)t)波形,即带多普勒调制的中频回波信号,DDS载波频率为f0+fd,这样实现了波形模拟和多普勒频率调制。对不同的信号模型采样,即产生不同要求的模拟波形。

3.3.3 波形产生器件选用

波形产生采用DAC5686芯片实现。它内部集成有数字正交调制器、32位的DDS、16位的高速D/A变换器,DDS工作时钟可达320 MHz,最高输入数据率可达160 MHz。

3.3.4 距离延迟实现原理[3]

距离延迟单元产生相对发射脉冲具有一定时间延迟的目标距离回波脉冲。按技术指标的要求,目标的径向距离R与延迟时间τ之间有以下关系:

式中C=2.997 924 58×108m/s为电波在空气中的传播速度。

3.3.5 实现方法

距离延迟采用高速数字计数器实现。由计数器产生的距离延迟脉冲启动正交调制器产生中频脉冲信号。同步信号到来后并以此为基准,计数器开始计时,当计数器计数到达模拟器计算机送来的距离延迟码后,输出目标脉冲信号,实现目标距离延迟。计数器采用高速可编程逻辑器件EP1C12,计数器长度23位,可以满足16个仓的距离模糊延迟需要。

距离计数器时钟为120 MHz,距离精度为1.25 m。

3.4 功率分配器插件设计

3.4.1 功能

完成对反射信号四功分,三路用来产生和差信号,一路用来自检。功率分配插件只有一个功分器组成,将输入信号进行四功分。

3.4.2 设计原理

该插件由功分器组件以及供电电路组成。设计方法如下:首先确定相对带宽,根据频率计算中心频率fm=(fa+fb)2(fa,fb分别为上、下限频率),确定各端口的波纹系数:

输入端口波纹系数:ρ0 max=设计频带内波纹大小ρm;

输出端口波纹系数:ρi=1+0.2(ρm-1);

输出端口最小隔离度:Imin=20 log 2.35ρm-1;

T型节处阻抗变换比为4。

3.5 数控衰减插件

3.5.1 功能

对中频调制信号进行幅度衰减加权,加权的内容为距离衰减加权,距离衰减加权应符合雷达作用距离方程。

对方位差支路、俯仰差支路幅度加权,加权符合目标偏离波束指向的方向和大小。

3.5.2 工作原理

数控衰减插件工作原理是模拟回波信号经四功分器后,一路送自检,另三路信号分别经过相移数控衰减器形成和支路、方位差支路、俯仰差支路的模拟信号,两个差支路有0/π转换器,用于模拟目标偏离波束的方向。

3.5.3 和支路距离因子模拟设计

目标回波随距离的衰减特性可由雷达方程确定,将雷达方程化简为式(2):

式中:C0为由雷达参数确定的常数;Pr为目标回波的功率,单位:W;R为目标到雷达的距离,单位:m。

由此可见雷达接近目标回波的功率与目标到雷达的距离R4成反比。

距离因子的模拟是通过相移数控衰减器来控制中频脉冲幅度变化进行的。由于目标距离不同,接收信号强弱变化。距离因子衰减码的算法为式(3):

式中:ΔA为距离因子衰减码;RX为目标距离;Rmin为目标最小距离。

3.5.4 目标角度模拟

目标角度模拟是实时模拟由于天线扫描或目标运动,使天线波束相对目标位置不断改变而造成接收雷达回波信号变化。角度模拟主要是对雷达天线方向性图的模拟。所以角度模拟输出Uθ可用式(4)表示[4]:

式中:E0为波束对准目标时接收信号归一化值;Fθ为雷达天线方向性图函数。目标角度模拟是按目标角度特性对回波信号进行方向幅度加权及相位变化来逼真地模拟目标角度信息。

方位俯仰信号的衰减码的算法见式(5):

式中:Δα为主阵方位与目标方位的差,单位:(°)。

角度模拟原理框图如图3所示。

数控衰减器采用的数控衰减组件,衰减范围为63 d B,衰减精度为0.5 d B,衰减量改变时相位变化小于2°;0/π转换精度小于2°,可以保证输出和差三路相位一致性不大于5°。

3.6 信号合成插件

3.6.1 功能

信号合成插件实现将两路和差信号合并为一路送中频接收机。

3.6.2 设计原理

该插件由合成器组件以及供电电路组成。合成器组件由加法电路组成,相应的输入电阻决定了输入电压对电路的作用,反馈电阻的比例决定增益的大小,将输入电阻设计为相等,为避免静态偏移,将相同端用电阻接地。实现对同波束两目标三路信号共6路信号(和1、和2、差11、差12、差21、查22)的合成。

4 结语

中频模拟器主要由反射波形模拟单元、和差支路模拟单元、模拟控制处理器及通信接口几部分组成。模拟器产生了带有航迹参数(R,A,E及VR)调制的中频回波信号波形。实现了雷达各分系统对接试验和模拟试验、雷达系统的功能测试和检查功能。该设计方法适用于设计和研制其他相控阵雷达的中频模拟器。

参考文献

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[9]殷连生.相控阵雷达馈线技术[M].北京:国防工业出版社,2008.

频率步进雷达数字信号处理 篇3

频率步进雷达数字信号处理

摘要：综述了频率步进雷达系统设计与信息处理中的主要问题,包括系统参数设计、目标抽取算法、与Chirp子脉冲的.兼容性、与圆锥扫描体制的兼容性等等,并论述了不同情况下多普勒效应的影响及其解决方法,提出了相应的数字信号处理方案. 作者： 毛二可龙腾韩月秋 Author： 作者单位： 北京理工大学电子工程系雷达技术研究所, 期 刊： 航空学报 ISTICEIPKU Journal： ACTA AERONAUTICA ET ASTRONAUTICA SINICA 年，卷(期)： ,22(z1) 分类号： V243 关键词： 雷达 距离高分辨 频率步进 信息处理 机标分类号： TN9 V44 机标关键词： 频率步进雷达数字信号处理STEPPED FREQUENCY系统参数设计目标抽取算法兼容性多普勒效应圆锥扫描信息处理系统设计处理方案子脉冲体制方法 基金项目： 国防预研基金