雷达原理及系统课件：hotz-雷达系统-第一章.pptx

,第一章 雷达系统基础,2021/8/1,1,1.1 常见雷达波形 1.2 雷达信号模糊函数,背景,雷达依赖天线向空间辐射电磁波，并接收由目标散射的电磁波，以确定目标的存在。,2021/8/1,2,雷达发射的电磁波具有一定的形式：连续波或脉冲串，单频的或调频、调幅或相位编码的,雷达波形要求,要实现目标的有效检测，雷达信号波形必须同时满足以下条件： 足够的能量 足够的目标分辨率 对需要的回波有很好的选择、屏蔽能力,2021/8/1,3,（看得准）,（看得见）,（选择、对抗能力）,选择的雷达波形要与雷达用途、目标类型、目标环境“匹配”,雷达系统及其波形,雷达波形及其指标是决定任何雷达系统设计与性能的基本部分 雷达系统设计考虑：,2021/8/1,4,常见雷达波形介绍,连续波（Continuous Wave，CW） 频率调制连续波（Frequncey Modulated CW，FMCW） 脉冲（Pulsed）,2021/8/1,5,常见雷达波形介绍,CW Radar 发射连续的单频正弦波信号 发射机与接收机始终处于工作状态 通过多普勒频移发现目标 可有效测量目标的距离变化率 单基系统存在收发隔离问题，双基系统较好 简单的CW雷达无法测量距离 波形缺乏“时间标志”,2021/8/1,6,常见雷达波形介绍,FMCW Radar 发射被一频率序列调制的连续正弦波 发射机与接收机始终处于工作状态 通过频差发现目标 可有效测量固定目标距离和速度 单基系统存在收发隔离问题，双基系统较好,2021/8/1,7,常见雷达波形介绍,Pulsed Radar 发射机由发射脉冲开、关 当发射机关闭时，接收机打开 在脉冲间的距离门上感知目标 可有效测量目标距离和速度 单基地系统的发射机与接收机隔离不是问题 可以测量距离变化率,2021/8/1,8,脉冲串是一种常见雷达波形,常见雷达波形介绍,2021/8/1,9,脉冲重复频率：,占空比：,平均功率：,发射脉冲串波形时可能产生距离模糊,常见雷达波形介绍,2021/8/1,10,脉冲雷达的最大无模糊距离：Rmax=cTr/2,常见雷达波形介绍,两大类脉冲串波形：相参脉冲串和非相参脉冲串,2021/8/1,11,常见雷达波形介绍,相参脉冲串频谱,2021/8/1,12,相参脉冲串频谱,非相参脉冲串频谱,常见雷达波形介绍,相参脉冲串雷达的速度模糊问题,2021/8/1,13,有多普勒频移的 CW信号的频谱图,相干脉冲串频谱 (固定目标无多普勒频移),中心波瓣 滤波器,有多普勒频移 的目标回波,将含有多普勒频移目标的中心波瓣区域展开,常见雷达波形介绍,脉冲重复频率(PRF),2021/8/1,14,不同类型PRF的距离、多普勒频率模糊特性,PRF参差,PRF交织,在一个停留时间 内有多种PRF,常见雷达波形介绍,连续波信号 相参脉冲串信号 PRI捷变波形 频率捷变信号 频率分集信号 极化捷变信号 双脉冲信号 双路信号 脉冲压缩信号 分布频谱信号 沃尔什函数信号 冲激信号 (雷达系统,向敬成.表1-1),2021/8/1,15,1.1 常见雷达波形 1.2 雷达信号模糊函数,第一章 雷达系统基础,2021/8/1,16,基本概念,雷达分辨力 在多目标环境中，雷达区分两个或两个以上邻近目标的能力（距离、速度、角度进行分辨）。,2021/8/1,17,发射信号波形决定,波形设计,理论依据、工具,天线方向图（波束）,基本概念,模糊函数 研究雷达波形的数学工具，反映了雷达波形在距离和径向速度二维上的精度和分辨力 波形性能可通过所定义的分辨常数和模糊函数进行比较 模糊与分辨是对立概念。,2021/8/1,18,目标分辨场景,目标分辨问题 有两个相同的点目标A和B，它们相对雷达是视角相同的邻近目标 从距离和径向速度二维进行分辨,2021/8/1,19,发射信号为参考,目标A为基准,则：,距离模糊函数与距离分辨率,衡量两个信号为“不同”的参数：均方差值,2021/8/1,20,设信号是 维几何空间 中的点或矢量,用两点间的距离 度量点 和点 的可分辨程度,距离模糊函数与距离分辨率,距离分辨问题描述,2021/8/1,21,A、B相对雷达径向速度相同,仅有距离差,时延,以目标A为基准，则： A的回波信号为 B的回波信号为,当 时，A、B完全不可区分,用两个信号的均方差来衡量它们距离上的差别,距离模糊函数与距离分辨率,均方误差,2021/8/1,22,距离模糊函数定义：,距离模糊函数与距离分辨率,距离模糊函数分析：,2021/8/1,23,两个目标从距离上越难分辨,易分辨,两目标完全重合在一起，无法分辨（误认为单目标）,距离模糊函数 特殊情况,当 时，,反映了信号在距离上分辨能力,2021/8/1,24,距离模糊函数与距离分辨率,显然， 值或 既与时延 有关,也与波形函数 有关,要提高距离分辨率，在于设计一个信号函数 使 尽可 能大，或 尽可能小,不可预知，不受雷达控制,实际,距离模糊函数与距离分辨率,最理想的,2021/8/1,25,时，,最大化,实际的,在 处 最大；在 位置， 迅速降低,冲激函数,距离模糊函数与距离分辨率,衡量波形距离分辨力的参数有： 固有(或名义)距离分辨力 延时分辨常数 信号固有分辨力常用模糊函数的主瓣宽度定义。 如：3dB(半功率)主瓣宽度 对Sinc型模糊函数，还常采用4dB主瓣宽度 采用固有分辨力定义的缺陷: 只考虑了主瓣内邻近目标的分辨能力，没有考虑旁瓣干扰对目标分辨的影响,2021/8/1,26,距离模糊函数与距离分辨率,时延分辨常数的数学表达式定义为：,2021/8/1,27,将主瓣、基底旁瓣和模糊瓣的全部能量都计算在内，再除以主瓣顶点的功率所得的时间宽度,表示信号能量集中 在 区域的能力,越趋近于冲激函数,分辨力,距离模糊函数与距离分辨率,时延分辨常数 的频域形式,2021/8/1,28,：信号的自相关函数和功率谱是一对傅立叶变换对,：帕斯瓦尔关系式,频域形式为：, + () = + () ,距离模糊函数与距离分辨率,有效相关带宽定义：,2021/8/1,29,（信号功率谱逼近均匀谱的能力）,表明波形 的频谱与冲激函数的频谱（均匀谱）的相似程度，故称频谱持续宽度。,分辨力,有效相关带宽,距离分辨力,表明信号距离模糊函数与冲激函数相似的程度。,距离模糊函数与距离分辨率,2021/8/1,30, 用信号的有效相关带宽或延时分辨常数来表示，而不是脉冲宽度, 宽脉冲与高距离分辨力不是不相容的，关键在于信号的有效相关带宽 (如脉冲压缩信号) 宽的有效相关带宽反映高距离分辨力,速度模糊函数与速度分辨率,速度分辨问题描述,2021/8/1,31,A、B相对雷达距离相同,只有径向速度差,多普勒频移,以目标A为基准，则：,A的回波信号为,B的回波信号为,仿照距离分辨率推导均方差,速度模糊函数与速度分辨率,速度模糊函数定义,2021/8/1,32,易分辨, 波形主瓣宽度,多普勒分辨常数,描述波形对相邻速度目标 分辨力的参数：,速度模糊函数与速度分辨率,多普勒分辨常数定义,2021/8/1,33,反映速度模糊函数逼近冲激函数形状的能力,速度模糊函数与速度分辨率,多普勒分辨常数的时域表示形式,2021/8/1,34,根据帕斯瓦尔关系式、 的频谱 、频移特性：,有效相关时间定义,信号在时域上持续宽度越大，速度分辨能力越强,关于距离、径向速度分辨力的结论,结论1：信号频谱越宽，距离分辨力越高 结论2：信号时域持续期越宽，速度分辨力越好,2021/8/1,35,对一般信号而言：时宽 频宽,有没有时宽、频宽都大的信号？,如，LFM脉冲信号,距离-速度模数函数与其联合分辨力,距离-速度二维联合分辨问题定义,2021/8/1,36,点目标A和B同时存在距离差和速度差，即,以目标A为基准，则：,A的回波信号复包络为,B的回波信号复包络为,同理，可得均方差误差为：,信号复包络的时间-频率复合自相关函数,距离-速度模数函数与其联合分辨力,距离-速度二维模糊函数定义,2021/8/1,37,目标易分辨,目标的距离-速度联合分辨力,距离-速度模数函数与其联合分辨力,高斯信号举例：模糊图、模糊度图,2021/8/1,38,模糊图,模糊度图,高斯信号的模糊图,高斯信号的模糊度图,距离、速度均无法分辨,距离可分辨、速度无法分辨,距离、速度均可分辨,距离-速度模数函数与其联合分辨力,用模糊度图判别两个目标可分辨的方法,2021/8/1,39,通常以一个目标为参考，即位于原点处，另一目标以相对 为变量进行绘制。,若另一目标的相对 值落入着色区域之外，则认为两目标可分辨。,若另一目标的相对 值落入着色区域之内，则认为两目标不可分辨。,如，目标B或C,如，目标D,模糊度图判别模糊很直观,距离-速度模数函数与其联合分辨力,延时-多普勒分辨常数定义,2021/8/1,40,用 平面上的等价面积来衡量延时和多普勒频移联合分辨力,等效模糊面积,说明延时和多普勒联合分辨率的限制。,无论怎样使 在 或 的某一方减 小，其结果将带来另一方的增大。,注意：,(雷达模糊原理),距离-速度模数函数与其联合分辨力,模糊函数性质(5个),2021/8/1,41,性质 原点对称性,模糊曲面关于原点中心对称,物理意义,性质 原点极大值,模糊图函数 最大值位于 处,物理意义,模糊图函数最大点就是均方差准则的最小点，即最难分辨点,物理意义,距离-速度模数函数与其联合分辨力,2021/8/1,42,性质 模糊体积不变性,(模糊原理),模糊曲面下的总体积只取决于信号能量，而与信号形式无关。,物理意义,物理意义,短脉冲,长脉冲,在信号能量相同的情况下，适当选择信号形式满足雷达工作环境及功能的要求。例如，在需要分辨目标的区域内使模糊图的体积分布小些，从而提高分辨力。,折衷,线性调频脉冲 压缩技术,距离-速度模数函数与其联合分辨力,2021/8/1,43,性质 变换性,波形变化对模糊函数的影响,时间比例变化的影响,频率比例变化的影响,距离-速度模数函数与其联合分辨力,2021/8/1,44,性质 轴切割性,距离模糊函数,速度模糊函数,几种典型信号的模糊函数,恒载频矩形脉冲信号,2021/8/1,45,复包络：,(单位能量),将上式代入模糊函数定义式中，得：,首先确定积分限 和 ，把上面的积分划分为三个区域：,(1) (2) (3),几种典型信号的模糊函数,恒载频矩形脉冲信号,2021/8/1,46,(1),(2),几种典型信号的模糊函数,恒载频矩形脉冲信号,2021/8/1,47,(3),综合(1)、(2)和(3)，得：,几种典型信号的模糊函数,恒载频矩形脉冲信号,2021/8/1,48,根据模糊函数性质的轴切割特性，得：,距离模糊函数：,速度模糊函数：,几种典型信号的模糊函数,恒载频矩形脉冲信号,2021/8/1,49,恒载频矩形脉冲信号模糊图,“刀刃型”模糊函数,几种典型信号的模糊函数,恒载频矩形脉冲信号,2021/8/1,50,恒载频矩形脉冲信号模糊度图,几种典型信号的模糊函数,恒载频矩形脉冲信号,2021/8/1,51,轴的切割图形,轴的切割图形,几种典型信号的模糊函数,恒载频矩形脉冲信号模糊函数特点,2021/8/1,52,a.模糊度图近似为椭圆;,b.长轴( )为 ，取决于信号时宽;,c.短轴( )为 ，取决于信号带宽。,信号时宽,轴,距离分辨力,轴,多普勒分辨力,恒载频矩形脉冲信号难以使 分辨同时达到最佳。,几种典型信号的模糊函数,线性调频矩形脉冲信号,2021/8/1,53,复包络：,是线性调频的频率变化率， 单位为,模糊函数性质:,关于恒载频矩形脉冲信号的结果:,线性调频脉冲信号的模糊函数：,脉冲宽度 内的调频带宽为：,几种典型信号的模糊函数,线性调频矩形脉冲信号,2021/8/1,54,线性调频脉冲信号的模糊函数：,轴切割特性：,几种典型信号的模糊函数,线性调频矩形脉冲信号V.S.恒载频矩形脉冲信号,2021/8/1,55,信号时宽：,调频斜率：,设,几种典型信号的模糊函数,线性调频矩形脉冲信号V.S.恒载频矩形脉冲信号,2021/8/1,56,恒载频矩形脉冲信号模糊图,线性调频矩形脉冲信号模糊图,几种典型信号的模糊函数,线性调频矩形脉冲信号V.S.恒载频矩形脉冲信号,2021/8/1,57,线性调频矩形脉冲信号模糊度图,恒载频矩形脉冲信号模糊度图,几种典型信号的模糊函数,线性调频矩形脉冲信号V.S.恒载频矩形脉冲信号,2021/8/1,58,线性调频矩形脉冲信号 轴的切割图,恒载频矩形脉冲信号 轴的切割图,几种典型信号的模糊函数,线性调频矩形脉冲信号V.S.恒载频矩形脉冲信号,2021/8/1,59,恒载频矩形脉冲信号 轴的切割图,线性调频矩形脉冲信号 轴的切割图,几种典型信号的模糊函数,线性调频矩形脉冲信号V.S.恒载频矩形脉冲信号,2021/8/1,60,总结： 线性调频矩形脉冲信号的模糊(度)图是恒载频矩形脉冲信号的模糊(度)图旋转了一个角度，或认为进行了如下的坐标变换：,当 为正值时，旋转角度是逆时针方向的； 当 为负值时，旋转角度是顺时针方向的。,几种典型信号的模糊函数,线性调频矩形脉冲信号模糊函数特点,2021/8/1,61,a.模糊度图近似为椭圆，但是旋转了一个角度;,b.坐标原点附近两个坐标轴宽度可分别由信号带宽和 信号时宽加以控制,几种典型信号的模糊函数,恒载频矩形脉冲串信号均匀脉冲串,2021/8/1,62,复包络：,，其中,其模糊函数为：,表示脉冲之间的间隔,几种典型信号的模糊函数,恒载频矩形脉冲串信号均匀脉冲串,2021/8/1,63,几种典型信号的模糊函数,恒载频矩形脉冲串信号均匀脉冲串,2021/8/1,64,均匀脉冲串信号模糊图（板钉型）,几种典型信号的模糊函数,恒载频矩形脉冲串信号均匀脉冲串,2021/8/1,65,均匀脉冲串信号模糊度图,形状为椭圆形,几种典型信号的模糊函数,恒载频矩形脉冲串信号均匀脉冲串,2021/8/1,66,轴切割图形,轴切割图形,周期,周期,包络,包络,几种典型信号的模糊函数,均匀脉冲串信号模糊图特点,2021/8/1,67,几种典型信号的模糊函数,均匀脉冲串信号模糊图特点,2021/8/1,68,a.在中心处 有一个主峰，横截面是椭圆形，其 长轴与 成正比，短轴与 成正比；,b.除了主峰，还有许多副峰，在 方向，相邻两峰间隔为 重复周期 ；在 方向，相邻两峰间隔为 ；,c.多脉冲序列使模糊函数分成一个为主的中心椭圆和许多 小椭圆，彼此间有了空隙，所以速度分辨力提高了；,d.出现了测距和测速的周期性模糊；,几种典型信号的模糊函数,均匀脉冲串信号模糊图特点,2021/8/1,69,脉冲时宽,脉冲带宽,主峰,副峰,几种典型信号的模糊函数,均匀脉冲串信号模糊图特点,2021/8/1,70,优点：大部分模糊体积移至远离原点的“模糊瓣”内，使 原点处的主瓣变得尖窄，因此同时具有较高的距离 和速度分辨力。,缺点：目标的距离和速度分布存在一定的清晰区，若超出 这个范围，就存在距离和速度模糊。,解决办法：1）牺牲一维，保证另一维； 2）对脉冲串附加幅度、相位、脉冲位置调制，抑 制多普勒旁瓣; 3）脉间相位、频率编码，重复频率参差，抑制距 离旁瓣。,几种典型信号的模糊函数,恒载频矩形脉冲串信号参差脉冲串,2021/8/1,71,复包络：,以均匀脉冲串每个脉冲应有的位置作为基准，在参差脉冲串中第个脉冲的位置偏离基准位置的量记为 ，一般,优点：提高了距离和速度分辨力，副瓣压低，较均匀 分布在 轴,几种典型信号的模糊函数,恒载频矩形脉冲串信号参差脉冲串,2021/8/1,72,几种典型信号的模糊函数,恒载频矩形脉冲串信号参差脉冲串,2021/8/1,73,几种典型信号的模糊函数,恒载频矩形脉冲串信号参差脉冲串,2021/8/1,74,几种典型信号的模糊函数,恒载频矩形脉冲串信号参差脉冲串,2021/8/1,75,轴切割图形,轴切割图形,几种典型信号的模糊函数,伪随机序列相位编码信号,2021/8/1,76,其中 幅度为1，宽度为 ， 为0或,令,几种典型信号的模糊函数,伪随机序列相位编码信号模糊函数特点,2021/8/1,77,a. 轴主峰宽度为 ( 为等效带宽)；,a. 轴主峰宽度为 ( 为等效时宽)；,c.主峰似针状（图钉型模糊图，逼近程度随 增大而 提高），距离和速度分辨力良好（主峰决定的分辨单 元为 ）。,几种典型信号的模糊函数,伪随机序列相位编码信号巴克码,2021/8/1,78,几种典型信号的模糊函数,伪随机序列相位编码信号巴克码,2021/8/1,79,几种典型信号的模糊函数,伪随机序列相位编码信号巴克码,2021/8/1,80,几种典型信号的模糊函数,恒载频矩形脉冲串信号参差脉冲串,2021/8/1,81,轴切割图形,轴切割图形,