电子对抗原理 3 雷达系统结构 信号处理

1、一种典型的雷达系统原理框图一种典型的雷达系统原理框图超外差式接收机原理框图超外差式接收机原理框图 接 收 机保 护 器低 噪 声放 大 器混 频器正 交 相 位检 波 器视 频放 大 器射频信号至 信 号处 理 机射 频 部 分中 频放 大 器中 频滤 波 器中 频衰 减 器中 频 部 分中频信号中频信号低 通 滤波 器IIIQQQ正 交 相 位检 波 信 号视 频 部 分滤 波器中 频滤 波 器本 振数字中频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主要技术指标n接收机保护接收机保护n接收机的工作频率范围、带宽接收机的工作频率范围、带宽n中心频率中心频率n噪声系数、灵敏度噪

2、声系数、灵敏度 n动态范围动态范围n增益、增益控制增益、增益控制n镜像频率抑制比镜像频率抑制比接收机保护接收机保护 n雷达系统工作时，可能会受到各种其它设备的雷达系统工作时，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，干扰，而接收机一般只能正常接收微弱信号，过强的信号会损坏过强的信号会损坏接收机；特别是前级低噪声接收机；特别是前级低噪声放大器（放大器（LNA）比较脆弱，因此输入部分应加比较脆弱，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保护，对较强干扰信号（外部干扰或发射机泄漏）到保护作用漏）到保护作用n采用限幅器或开关采用限幅器或开关工作频率范围工作频率范围

3、n表示接收机正常工作时能接收的信号频率范围，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（主要由射频部分器件（LNA、混频器）的性能、混频器）的性能决定决定接收机带宽接收机带宽接收机中心频率（接收机中心频率（IF） n超外差式接收机中频部分的中心频率称为中心超外差式接收机中频部分的中心频率称为中心频率（频率（IF），），简称中频，中频的选择和发射波简称中频，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；说，接收机的带宽越宽，要求中频越高； n接收机带宽接收机带宽一般是指一般是指3dB带宽，即

4、接收机输出视带宽，即接收机输出视频信号的频信号的3dB带宽带宽n中频中频一般在一般在10MHz至至1GHz之间，常用的中频有之间，常用的中频有6.5MHz（TV伴音中频）、伴音中频）、10.7MHz（调频广播（调频广播中频）、中频）、21.4MHz、30MHz、 38MHz（TV图图像中频）、像中频）、 40MHz、60MHz、70MHz、140MHz、210MHz等等n通信系统最常用的中频是通信系统最常用的中频是70MHzn雷达接收机噪声的来源主要分为两种：雷达接收机噪声的来源主要分为两种：内部噪声内部噪声外部噪声外部噪声n内部噪声主要由接收机中的馈线、放电保护器、内部噪声主要由接收机中的馈

5、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，在时间上是连续的，而振幅和相位是随机的，通常称为通常称为“起伏噪声起伏噪声”。n外部噪声是由雷达天线进入接收机的各种人为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。热噪声等，其中以天线热噪声影响最大。接收机噪声接收机噪声噪声系数噪声系数 n接收机输入端信号噪声比与输出端信号噪声比接收机输入端信号噪声比与输出端信号噪声比的比值。的比值。iiooSNFS

6、N接收机灵敏度接收机灵敏度 n表示接收机接收微弱信号的能力。灵敏度用接收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。机输入端的最小可检测信号功率来表示。 minmin)/(ooiNSKTBFP 式中式中 为接收机不发生过载允许输入的最大信为接收机不发生过载允许输入的最大信号功率，号功率， 为最小可检测信号功率。为最小可检测信号功率。maxiPminiPmaxmin()10lgiiPD dBPn表示接收机能够正常工作所容许的输入信号强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，信号太度范围。信号太弱，它不能检测出来，信号太强，接收机

7、会发生过载饱和。强，接收机会发生过载饱和。接收机的动态范围接收机的动态范围接收机增益接收机增益n接收机增益指输出信号功率与输入信号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：功率之比，如下式所示： 式中式中 、 分别为输出信号功率和输入分别为输出信号功率和输入信号功率。信号功率。ioppG opip接收机增益控制接收机增益控制n为了防止强信号引起过载，需要增大接收机的动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。一般雷达都态范围，就必须要有增益控制电路。一般雷达都有增益控制。有增益控制。n 自动增益控制（自动增益控制（AGC）n 灵敏度时间控制灵敏度时

8、间控制（STC）电路用于雷达接收机）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，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。远距离回波信号增益高。 n 灵敏度频率控制（灵敏度频率控制（SFC）n 杂波图（杂波图（Clutter Map）增益控制增益控制增益控制方式增益控制方式接收机的非线性失真接收机的非线性失真 非线性失真，如互调失真，交调失真，产非线性失真，如互调失真，交调失真，产生生2次及高次谐波，次及高次谐波，3阶交调，高阶交调等阶交调，高阶交调等有害信号。有害信号。 输入信号频率：输入信号频率：f1、f2 ； 谐波谐波: 2f1 2f2 3f1 3f

9、2 ； 3阶交调：阶交调： 2f1f2 ， 2f2 f1 ； 1dB压缩点概念。压缩点概念。镜像频率抑制比镜像频率抑制比 n理想情况下理想情况下，I、Q两路信号组成复信号，其傅两路信号组成复信号，其傅立叶变换在频域不存在镜像。但实际立叶变换在频域不存在镜像。但实际I、Q两路两路信号很难做到理想正交，这时会导致镜像频率信号很难做到理想正交，这时会导致镜像频率的存在，的存在，I、Q两路信号理想部分与其镜像部分两路信号理想部分与其镜像部分功率功率之比定义为镜像频率抑制比，简称镜频抑之比定义为镜像频率抑制比，简称镜频抑制比。制比。 5 信号处理机信号处理机n雷达信号处理流程雷达信号处理流程n信号处理机

10、结构信号处理机结构n信号处理机指标信号处理机指标5.1 雷达信号处理流程雷达信号处理流程 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、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）方位角、高低角、径向速度等） 5.2 雷达雷达信号处理机结构信号处理机结构n一般结构一般结构n 总线结构总线结构 自定义自定义 CPCI：并行总线，总线速度高：并行总线，总线速度高 VME：机箱槽多，：机箱槽多， 系统可靠性好系统可靠性好 VXS：P0口为高速插头，高速交换架构口为高速插头，高速交换架构 VPX：高速交换架构，：高速交换

11、架构，7排高达排高达6.25 Gb/s的高的高速速I/O连接器，支持多种互联标准连接器，支持多种互联标准RapidIO、PCIE、Advanced Switching, InfinBand 其它：其它：PCIE为串行总线，速度高为串行总线，速度高信号处理机结构（例信号处理机结构（例1）信号处理机结构（例信号处理机结构（例2）5.3 信号处理机信号处理机指标指标nA/D器件关键指标：采样速率、小信号带宽、有器件关键指标：采样速率、小信号带宽、有效位数（或动态范围）、谐波失真、杂散效位数（或动态范围）、谐波失真、杂散nA/D器件电器指标：电源电压、时钟（单端或差器件电器指标：电源电压、时钟（单端或

12、差分）、数据输出（并行、串行，单端或差分）分）、数据输出（并行、串行，单端或差分）n有效位数和动态范围的关系有效位数和动态范围的关系nA/D动态范围动态范围的计算的计算n动态范围和时钟抖动、频率的关系动态范围和时钟抖动、频率的关系 n无杂散动态范围（无杂散动态范围（SFDR） n通道隔离度、通道一致性通道隔离度、通道一致性n典型典型A/D芯片指标介绍及测试：芯片指标介绍及测试： AD公司公司14位位AD，最高采样速率，最高采样速率400MHz，小信小信号带宽号带宽1.4GHz，动态范围，动态范围60dB， 谐波失真谐波失真 400小时小时n电磁兼容性电磁兼容性n环境适应性环境适应性n体积、重量

13、体积、重量n机动性能（架设、撤收时间）机动性能（架设、撤收时间）雷达面临的威胁及对抗措施雷达面临的威胁及对抗措施n电子干扰电子干扰n反辐射武器反辐射武器： 反辐射导弹、反辐射无人驾驶飞机反辐射导弹、反辐射无人驾驶飞机n超低空飞行器超低空飞行器： 具有掠地、掠海能力的低空、超低空飞机和巡航具有掠地、掠海能力的低空、超低空飞机和巡航导弹导弹n隐身飞行器隐身飞行器： 隐身飞机、隐身无人机、隐身巡航导弹、隐身舰隐身飞机、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船等，雷达散射面积比常规兵器小2030dBn低截获概率低截获概率： 低截获概率雷达（伪随机信号，降低发射功率）、低截获概率

14、雷达（伪随机信号，降低发射功率）、双（多）基地雷达双（多）基地雷达 波形捷变、频率捷变、极化捷变、超低副瓣波形捷变、频率捷变、极化捷变、超低副瓣 超宽带（超宽带（UWB）雷达、毫米波雷达）雷达、毫米波雷达n对抗电子干扰对抗电子干扰：空域滤波、副瓣对消、副瓣逆影：空域滤波、副瓣对消、副瓣逆影n对抗反辐射武器对抗反辐射武器： 控制开关机时间、使用雷达诱饵、双（多）基地雷控制开关机时间、使用雷达诱饵、双（多）基地雷达达n对抗对抗超低空飞行器超低空飞行器： 机载雷达、气球载雷达、毫米波雷达等机载雷达、气球载雷达、毫米波雷达等n对抗对抗隐身飞行器隐身飞行器： 米波雷达、米波雷达、 双（多）基地雷达双（多

15、）基地雷达雷达对抗措施雷达对抗措施雷达探测雷达探测基本理论基本理论和基本定位技术和基本定位技术主要内容主要内容n1 目标雷达特性目标雷达特性n2 模糊函数模糊函数n3 匹配滤波匹配滤波n4 脉冲压缩技术脉冲压缩技术n5 检测准则检测准则n6 恒虚警处理技术恒虚警处理技术n7 雷达距离方程雷达距离方程n8 基本参数测量技术基本参数测量技术n9 基本定位方法基本定位方法1目标雷达特性目标雷达特性 n指目标在雷达发射电磁波作用下所表现出来的指目标在雷达发射电磁波作用下所表现出来的物理性质。物理性质。 n散射波的性质将不同于入射波的性质，这是由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

16、的调制效应所致。于目标对入射电磁波的调制效应所致。 n目标雷达特性主要目标雷达特性主要取决于取决于1）目标尺寸和雷达）目标尺寸和雷达波长间的关系；波长间的关系；2）目标结构形状；）目标结构形状；3）雷达发）雷达发射信号的极化射信号的极化方式等。方式等。n极化方式：水平、垂直、线极化、右圆极化、极化方式：水平、垂直、线极化、右圆极化、左圆极化、椭圆极化。左圆极化、椭圆极化。n目标隐身技术：吸波材料、外形隐身。目标隐身技术：吸波材料、外形隐身。目标散射特性目标散射特性n瑞利区，波长瑞利区，波长目标尺寸，目标尺寸， 点目标点目标n谐振区，波长与目标尺寸相当，有谐振频率，谐谐振区，波长与目标尺寸相当，

17、有谐振频率，谐振频率与目标尺寸结构有关，振频率与目标尺寸结构有关，点目标点目标 n光学区，波长光学区，波长目标尺寸，目标尺寸， 1）对光滑表面表现）对光滑表面表现光学特性，散射强度与角度关系很大；光学特性，散射强度与角度关系很大；2）金属表金属表面不连续部分产生后向散射。面不连续部分产生后向散射。 带宽窄，仍是点目标带宽窄，仍是点目标 大带宽，大带宽，距离分辨率距离分辨率目标尺寸目标尺寸，线目标、，线目标、面目标，面目标， 一个目标在距离上一个目标在距离上/方位上占据多个单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。元，分辨率足够高，可分辨其多个强散射点。 cf半径半径r=17.8

18、5mm的金属球的的金属球的RCS频域频域分布曲线分布曲线隐身飞机模型隐身飞机模型RCS-f曲线（迎头曲线（迎头30度）度） 隐身飞机模型隐身飞机模型RCS-f曲线（迎头曲线（迎头15度）度） F117在在35MHz和和70MHz的的RCS目标起伏模型目标起伏模型nSweeling 四种模型四种模型22/22( )AAp Ae023exp29)(202403AAAAAApTn莱斯型（莱斯型（Rice）分布）分布 n 瑞利瑞利分布分布 2 模糊函数模糊函数n用均方差准则作为最佳分辨准则来分析模糊函用均方差准则作为最佳分辨准则来分析模糊函数。数。n以目标以目标“1”为基准目标，具有时延为基准目标，具

19、有时延x和多普勒频和多普勒频移移y，回波信号表达式为回波信号表达式为)(210)()(xtyfjextutsn 目标目标2相对于目标相对于目标1具有时延具有时延和多普勒频移和多普勒频移fd，其回波信号的表达式为，其回波信号的表达式为)()(220)()(xtfyfjdextutsn两个目标回波信号的均方差两个目标回波信号的均方差为为 )(*) (Re22)(220dtetutueEtfjyfjddtetutuftfjdd2)(*)(),(n定义复模糊函数为定义复模糊函数为 n模糊函数决定相邻目标分辨力，它越大，均方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

20、差越小，两个目标就越难分辨，也就是模糊度越大。越大。2),(),(ddffAn 定义模平方模糊函数为定义模平方模糊函数为模糊函数的特性模糊函数的特性n原点对称性，原点对称性，模糊函数关于时间轴和频率轴对模糊函数关于时间轴和频率轴对称称 ),(),(ddfAfA)0 , 0(),(AfAd22)2()0 , 0()0 , 0(),(EAdfdfAddn在原点有极大值在原点有极大值 n模糊函数所包含的体积是不变的模糊函数所包含的体积是不变的 模糊函数的特性模糊函数的特性n 问题：我们希望雷达发射波形具有什么问题：我们希望雷达发射波形具有什么 样的模糊函数？样的模糊函数？ 1）高的距离分辨力；）高的

21、距离分辨力； 2）高的多普勒分辨力；）高的多普勒分辨力； 3）还有什么？还有什么？低副瓣：抑制杂波和其它干扰低副瓣：抑制杂波和其它干扰巴克码信号巴克码信号1313位巴克码信号的模糊函数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时间轴切面巴克码信号模糊函数在频率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线性调频信号的模糊函数线性调频信号的模糊函数 思考：调频率为副还是正？思考：调频率为副还是正？立体图立体图 平面投影图平面投影图n模糊函数类似倾斜刀刃，距离分辨力取决于带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宽，频率分辨力

22、取决于时宽n具有大时宽带宽积的线性调频信号，具有高的具有大时宽带宽积的线性调频信号，具有高的距离分辨力距离分辨力n线性调频信号对多普勒速度不敏感，但多普勒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，这种现象称速度的存在会引起距离估计偏差，这种现象称为时频耦合为时频耦合 线性调频信号特点线性调频信号特点思考题：多普勒频率藕合距离如何计算？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）的模糊函数相参脉冲序列（简单脉冲）的模糊函数 多普勒频率 时延 幅度 请用请用MATLAB计算并分析该图计算并分析该图 相参脉冲序列（相参脉冲序列（chirp信号信号）的模糊函

23、数有什么）的模糊函数有什么特点？特点？ 3 匹配滤波匹配滤波n目的：使输出信噪比最大目的：使输出信噪比最大n已知接收机的输入信号波形，设计接收机的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传输函数，使接收机的输出信噪比最大0)(*)(tjieKSHn 设线性非时变滤波器输入端的信号设线性非时变滤波器输入端的信号 ， 其频谱为其频谱为 ，则，则白噪声背景下匹配滤波器白噪声背景下匹配滤波器 的传递函数为的传递函数为)(tsi)(iSn 匹匹配情况下滤波器输出的峰值信噪比为配情况下滤波器输出的峰值信噪比为0/2NEn 设非白噪声功率谱为设非白噪声功率谱为 )(N)()(

24、*)(0NeKSHtj n 匹配滤波器同相叠加匹配滤波器同相叠加 01*2*1( )( )( )( )( )rj trHNKSeHN*( )( )( )rrNNNn 非白噪声背景下匹配滤波器的传递函数为非白噪声背景下匹配滤波器的传递函数为 n1 匹配滤波如何理解？匹配滤波如何理解？ 1）频域：幅频、相频特性；）频域：幅频、相频特性； 2）时域：卷积）时域：卷积、相关。、相关。n 2 匹配滤波器的冲激响应是什么？匹配滤波器的冲激响应是什么？n3 简单脉冲经过匹配滤波器后输出信号简单脉冲经过匹配滤波器后输出信号 具有什么样波形？具有什么样波形？ 如果对此信号采样（如果对此信号采样（A/D变换变换）

25、，希望），希望 采到哪一点？采到哪一点？几个问题几个问题 0( )( ) ()() ()()y thx tdKs ts tn tdn 如果用数字信号处理方法实现如果用数字信号处理方法实现匹配接收匹配接收 卷积乘累加卷积乘累加n 如何快速实现？如何快速实现？4 脉冲压缩脉冲压缩n 起源起源：雷达采用简单脉冲有什么问题？雷达采用简单脉冲有什么问题？n 脉冲压缩主要内容脉冲压缩主要内容 1）如何产生大时宽带宽积信号；）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如何将大时宽带宽积信号压缩成窄脉冲信号。号。n 重点介绍两种信号的脉压重点介绍两种信号的脉压 线性调频信号脉冲压缩；

26、线性调频信号脉冲压缩； 相位编码信号脉冲压缩。相位编码信号脉冲压缩。大时宽带宽积信号大时宽带宽积信号1）调频信号）调频信号n 线性调频信号（线性调频信号（LFM）n 非线性调频信号（非线性调频信号（NLFM） 2）跳频信号）跳频信号n 步进频（频率步进）：锯齿波、三角波步进频（频率步进）：锯齿波、三角波n 随机跳频（频率编码）随机跳频（频率编码）3）相位编码信号（伪随机序列）相位编码信号（伪随机序列）n 二相码：二相码： 巴克码、巴克码、 m序列（最长序列）、序列（最长序列）、 组合码组合码n 多相码：多相码：Frank码、码、霍夫曼码霍夫曼码、P1、P2、P3、P4码码4.1 线性调频信号脉冲压缩线性调频信号脉冲压缩 线性调频矩形脉冲信号的复