电子对抗原理 3 雷达系统结构 信号处理演示幻灯片

一种典型的雷达系统原理框图,超外差式接收机原理框图,数字中频接收机原理框图,接收机主要技术指标,接收机保护接收机的工作频率范围、带宽中心频率噪声系数、灵敏度动态范围增益、增益控制镜像频率抑制比,接收机保护,雷达系统工作时，可能会受到各种其它设备的干扰，而接收机一般只能正常接收微弱信号，过强的信号会损坏接收机；特别是前级低噪声放大器（LNA）比较脆弱，因此输入部分应加保护，对较强干扰信号（外部干扰或发射机泄漏）到保护作用采用限幅器或开关,工作频率范围,表示接收机正常工作时能接收的信号频率范围，主要由射频部分器件（LNA、混频器）的性能决定,接收机带宽,接收机中心频率（IF）,超外差式接收机中频部分的中心频率称为中心频率（IF），简称中频，中频的选择和发射波形、接收机的带宽以及射频频率有关。一般来说，接收机的带宽越宽，要求中频越高；,接收机带宽一般是指3dB带宽，即接收机输出视频信号的3dB带宽,中频一般在10MHz至1GHz之间，常用的中频有6.5MHz（TV伴音中频）、10.7MHz（调频广播中频）、21.4MHz、30MHz、38MHz（TV图像中频）、40MHz、60MHz、70MHz、140MHz、210MHz等通信系统最常用的中频是70MHz,雷达接收机噪声的来源主要分为两种：内部噪声外部噪声内部噪声主要由接收机中的馈线、放电保护器、高频放大器或混频器等产生。接收机内部噪声在时间上是连续的，而振幅和相位是随机的，通常称为“起伏噪声”。外部噪声是由雷达天线进入接收机的各种人为干扰、天电干扰、工业干扰、宇宙干扰和天线热噪声等，其中以天线热噪声影响最大。,接收机噪声,噪声系数,接收机输入端信号噪声比与输出端信号噪声比的比值。,接收机灵敏度,表示接收机接收微弱信号的能力。灵敏度用接收机输入端的最小可检测信号功率来表示。,式中为接收机不发生过载允许输入的最大信号功率，为最小可检测信号功率。,表示接收机能够正常工作所容许的输入信号强度范围。信号太弱，它不能检测出来，信号太强，接收机会发生过载饱和。,接收机的动态范围,接收机增益,接收机增益指输出信号功率与输入信号功率之比，如下式所示：式中、分别为输出信号功率和输入信号功率。,接收机增益控制,为了防止强信号引起过载，需要增大接收机的动态范围，就必须要有增益控制电路。一般雷达都有增益控制。,自动增益控制（AGC）灵敏度时间控制（STC）电路用于雷达接收机克服近程杂波干扰，使近距离回波信号增益低，远距离回波信号增益高。灵敏度频率控制（SFC）杂波图（ClutterMap）增益控制,增益控制方式,接收机的非线性失真,非线性失真，如互调失真，交调失真，产生2次及高次谐波，3阶交调，高阶交调等有害信号。输入信号频率：f1、f2；谐波:2f12f23f13f2；3阶交调：2f1f2，2f2f1；1dB压缩点概念。,镜像频率抑制比,理想情况下，I、Q两路信号组成复信号，其傅立叶变换在频域不存在镜像。但实际I、Q两路信号很难做到理想正交，这时会导致镜像频率的存在，I、Q两路信号理想部分与其镜像部分功率之比定义为镜像频率抑制比，简称镜频抑制比。,5信号处理机,雷达信号处理流程信号处理机结构信号处理机指标,5.1雷达信号处理流程,雷达信号处理机的任务是对感兴趣的目标信号进行检测并提取出目标参数（距离、方位角、高低角、径向速度等）,5.2雷达信号处理机结构,一般结构总线结构自定义CPCI：并行总线，总线速度高VME：机箱槽多，系统可靠性好VXS：P0口为高速插头，高速交换架构VPX：高速交换架构，7排高达6.25Gb/s的高速I/O连接器，支持多种互联标准RapidIO、PCIE、AdvancedSwitching,InfinBand其它：PCIE为串行总线，速度高,信号处理机结构（例1）,信号处理机结构（例2）,5.3信号处理机指标,A/D器件关键指标：采样速率、小信号带宽、有效位数（或动态范围）、谐波失真、杂散A/D器件电器指标：电源电压、时钟（单端或差分）、数据输出（并行、串行，单端或差分）有效位数和动态范围的关系A/D动态范围的计算动态范围和时钟抖动、频率的关系无杂散动态范围（SFDR）通道隔离度、通道一致性典型A/D芯片指标介绍及测试：AD公司14位AD，最高采样速率400MHz，小信号带宽1.4GHz，动态范围60dB，谐波失真400小时电磁兼容性环境适应性体积、重量机动性能（架设、撤收时间）,雷达面临的威胁及对抗措施,电子干扰反辐射武器：反辐射导弹、反辐射无人驾驶飞机超低空飞行器：具有掠地、掠海能力的低空、超低空飞机和巡航导弹隐身飞行器：隐身飞机、隐身无人机、隐身巡航导弹、隐身舰船等，雷达散射面积比常规兵器小2030dB,低截获概率：低截获概率雷达（伪随机信号，降低发射功率）、双（多）基地雷达波形捷变、频率捷变、极化捷变、超低副瓣超宽带（UWB）雷达、毫米波雷达对抗电子干扰：空域滤波、副瓣对消、副瓣逆影对抗反辐射武器：控制开关机时间、使用雷达诱饵、双（多）基地雷达对抗超低空飞行器：机载雷达、气球载雷达、毫米波雷达等对抗隐身飞行器：米波雷达、双（多）基地雷达,雷达对抗措施,雷达探测基本理论和基本定位技术,主要内容,1目标雷达特性2模糊函数3匹配滤波4脉冲压缩技术5检测准则6恒虚警处理技术7雷达距离方程8基本参数测量技术9基本定位方法,1目标雷达特性,指目标在雷达发射电磁波作用下所表现出来的物理性质。散射波的性质将不同于入射波的性质，这是由于目标对入射电磁波的调制效应所致。目标雷达特性主要取决于1）目标尺寸和雷达波长间的关系；2）目标结构形状；3）雷达发射信号的极化方式等。极化方式：水平、垂直、线极化、右圆极化、左圆极化、椭圆极化。目标隐身技术：吸波材料、外形隐身。,目标散射特性,瑞利区，波长目标尺寸，点目标谐振区，波长与目标尺寸相当，有谐振频率，谐振频率与目标尺寸结构有关，点目标光学区，波长目标尺寸，1）对光滑表面表现光学特性，散射强度与角度关系很大；2）金属表面不连续部分产生后向散射。带宽窄，仍是点目标大带宽，距离分辨率目标尺寸，线目标、面目标，一个目标在距离上/方位上占据多个单元，分辨率足够高，可分辨其多个强散射点。,半径r=17.85mm的金属球的RCS频域分布曲线,隐身飞机模型RCS-f曲线（迎头30度）,隐身飞机模型RCS-f曲线（迎头15度）,F117在35MHz和70MHz的RCS,目标起伏模型,Sweeling四种模型,莱斯型（Rice）分布,瑞利分布,2模糊函数,用均方差准则作为最佳分辨准则来分析模糊函数。以目标“1”为基准目标，具有时延x和多普勒频移y，回波信号表达式为,目标2相对于目标1具有时延和多普勒频移fd，其回波信号的表达式为,两个目标回波信号的均方差为,定义复模糊函数为,模糊函数决定相邻目标分辨力，它越大，均方差越小，两个目标就越难分辨，也就是模糊度越大。,定义模平方模糊函数为,模糊函数的特性,原点对称性，模糊函数关于时间轴和频率轴对称,在原点有极大值,模糊函数所包含的体积是不变的,模糊函数的特性,问题：我们希望雷达发射波形具有什么样的模糊函数？1）高的距离分辨力；2）高的多普勒分辨力；3）还有什么？,低副瓣：抑制杂波和其它干扰,巴克码信号,13位巴克码信号的模糊函数,巴克码信号模糊函数在时间轴切面,巴克码信号模糊函数在频率轴切面,线性调频信号,线性调频信号的模糊函数,思考：调频率为副还是正？,立体图平面投影图,模糊函数类似倾斜刀刃，距离分辨力取决于带宽，频率分辨力取决于时宽具有大时宽带宽积的线性调频信号，具有高的距离分辨力线性调频信号对多普勒速度不敏感，但多普勒速度的存在会引起距离估计偏差，这种现象称为时频耦合,线性调频信号特点,思考题：多普勒频率藕合距离如何计算？,相参脉冲序列（简单脉冲）的模糊函数,请用MATLAB计算并分析该图相参脉冲序列（chirp信号）的模糊函数有什么特点？,3匹配滤波,目的：使输出信噪比最大已知接收机的输入信号波形，设计接收机的传输函数，使接收机的输出信噪比最大,设线性非时变滤波器输入端的信号，其频谱为，则白噪声背景下匹配滤波器的传递函数为,匹配情况下滤波器输出的峰值信噪比为,设非白噪声功率谱为,匹配滤波器同相叠加,非白噪声背景下匹配滤波器的传递函数为,1匹配滤波如何理解？1）频域：幅频、相频特性；2）时域：卷积、相关。,2匹配滤波器的冲激响应是什么？,3简单脉冲经过匹配滤波器后输出信号具有什么样波形？如果对此信号采样（A/D变换），希望采到哪一点？,几个问题,如果用数字信号处理方法实现匹配接收卷积乘累加如何快速实现？,4脉冲压缩,起源：雷达采用简单脉冲有什么问题？脉冲压缩主要内容1）如何产生大时宽带宽积信号；2）如何将大时宽带宽积信号压缩成窄脉冲信号。重点介绍两种信号的脉压线性调频信号脉冲压缩；相位编码信号脉冲压缩。,大时宽带宽积信号,1）调频信号线性调频信号（LFM）非线性调频信号（NLFM）2）跳频信号步进频（频率步进）：锯齿波、三角波随机跳频（频率编码）3）相位编码信号（伪随机序列）二相码：巴克码、m序列（最长序列）、组合码多相码：Frank码、霍夫曼码、P1、P2、P3、P4码,4.1线性调频信号脉冲压缩,线性调频矩形脉冲信号的复数表达式可写成信号瞬时频率可以导出为,线性调频信号,（a）信号包络（b）瞬时频率随时间的变化,D=B=10、60、160时线性调频信号幅度谱,线性调频信号相位谱,线性调频信号特点,具有平方律的相频特性；具有可以选择的“时宽带宽乘积”；对多普勒频率不敏感时频藕合问题：多普勒频率藕合距离如何计算？,产生方式：1）模拟：SAW、VCO；2）数字：DDS、存储器D/A。脉冲压缩（匹配接收）：1）模拟：SAW；2）数