第一篇：多普勒雷达原理

汽笛声变调的启示--多普勒雷达原理

1842年一天，奥地利数学家多普勒路过铁路交叉处，恰逢一列火车从他身旁驰过，他发现火车由远而近时汽笛声变响，音调变尖（注：应为“汽笛声的音 频频率变高”）；而火车由近而远时汽笛声变弱，音调变低（应为“汽笛声的音频频率降低了”）。他对这种现象感到极大兴趣，并进行了研究。发现这是由于振源 与观察者之间存在着相对运动，使观察者听到的声音频率不同于振源频率的缘故，称为频移现象。因为这是多普勒首先提出来的，所以称为多普勒效应。

由于缺少实验设备，多普勒当时没有用实验进行验证。几年后有人请一队小号手在平板车上演奏，再请训练有素的音乐家用耳朵来辨别音调的变化，验证了该效应。

为了理解这一现象，需要考察火车以恒定速度驶近时，汽笛发出的声波在传播过程中表现出的是声波波长缩短，好像波被“压缩”了。因此，在一定时间间隔内传播的波数就增加了，这就是观察者为什么会感受到声调变高的原因；相反，当火车驶向远方时，声波的波长变大，好像波被“拉伸”了。因此，汽笛声听起来就 显得低沉。

用科学语言来说，就是在一个物体发出一个信号时，当这个物体和接收者之间有相对运动时，虽然物体发出的信号频率固定不变，但接收者所接收到的信号频 率相对于物体发出的信号频率出现了差异。多普勒效应也可以用波在介质中传播的衰减理论解释，波在介质中传播，会出现频散现象，随距离增加,高频向低频移动。

多普勒效应不仅适用于声波,它也适用于所有类型的波，包括电磁波。

多普勒效应被发现以后，直到1930年左右，才开始应用于电磁波领域中。常见的一种应用是医生检查就诊人用的“彩超”，就是利用了声波的多普勒效应。简单地说，“彩超”就是高清晰度的黑白Ｂ超再加上彩色多普勒。超声振荡 器产生一种高频的等幅超声信号，向人体心血管器官发射，当超声波束遇到运动的脏器和血管时，便产生多普勒效应，反射信号为换能器所接受，根据反射波与发射 波的频率差可以求出血流速度，根据反射波的频率是增大还是减小判定血流方向。

20世纪40年代中期，也就是多普勒发现这种现象之后大约100年，人们才将多普勒效应应用于雷达上。多普勒雷达就是利用多普勒效应进行定位，测速，测距等的雷达。当雷达发射一固定频率的脉冲波对空扫描时，如遇到活动目标，回波的频率与发射波的频率出现频率差（称为多普勒频率），根据多普勒频率的 大小，可测出目标对雷达的径向相对运动速度；根据发射脉冲和接收的时间差，可以测出目标的距离。20世纪70年代以来，随着大规模集成电路和数字处理技术的发展，多普勒雷达广泛用于机载预警、导航、导弹制导、卫星跟踪、战场侦察、靶场测量、武器火控和气象探测等方面，成为重要的军事装备以及科学研究、业务 应用装置。

多普勒天气雷达，是以多普勒效应为基础，当大气中云雨等目标物相对于雷达发射信号波有运动时，通过测定接收到的回波信号与发射信号之间的频率差异就 能够解译出所需的信息。它与过去常规天气雷达仅仅接收云雨目标物对雷达发射电磁波的反射回波进了一大步。这种多普勒天气雷达的工作波长一般为5～10厘 米，除了能起到常规天气雷达通过回波测定云雨目标物空间位置、强弱分布、垂直结构等作用，它的重大改进在于利用多普勒效应可以测定降水粒子的运动速度，从而推断降水实体速度分布、风场结构特征、垂直气流速度等，这对研究降水的形成、分析中小尺度天气系统、警戒强对流天气等具有重要意义，这是以往天气雷达做不到的。因此，被称为智能型探测系统。

多普勒频移

定义

主要内容为：物体辐射的波长因为波源和观测者的相对运动而产生变化。在运动的波源前面，波被压缩，波长变得较短，频率变得较高（蓝移blue shift）。多普勒频移，当运动在波源后面时，会产生相反的效应。波长变得较长，频率变得较低（红移 red shift）。

物理现象

概述

多普勒效应示意图

多普勒频移，当运动在波源后面时，会产生相反的效应。波长变得较长，频率变得较低（红移red shift）。波源的速度越高，所产生的效应越大。根据光波红（蓝）移的程度，可以计算出波源循着观测方向运动的速度

多普勒频移及信号幅度的变化等如图2所示。当火车迎面驶来时，鸣笛声的波长被压缩（如图2右侧波形变化所示），频率变高，因而声音听起来尖利刺耳。当火车远离时，声音波长就被拉长（如图2左侧波形变化所示），频率变低，从而使得声音听起来减缓且低沉。

图2 声波的多普勒效应引起的多普勒频移

这种现象也存在于其他类型的波中，例如光波和电磁波。科学家们观察发现，从外太空而来的光波，其频率在不断变低，既向频率较低的红色波段靠拢，这是光波遵从多普勒效应从而引起多普勒频移的例证。对于电磁波，高度运动的物体上（例如高铁）进行无线通信，会出现信号质量下降等现象，就是电磁波存在多普勒频移现象的实例。多普勒频移导致无线通信中发射和接收的频率不一致，从而使得加载在频率上的信号无法正确接收，甚至无法接收到。发生原因

把声波视为有规律间隔发射的脉冲，可以想象若你每走一步，便发射了一个脉 冲，那么在你每走一步时，面前的声源发出的脉冲相对于你的传播距离比你站立不动时近了一步，而在你后面的声源则比原来不动时远了一步。或者说，在你之前的 脉冲频率比平常变高，而在你之后的脉冲频率比平常变低了。

所谓多普勒效应就是当发射源与接收体之间存在相对运动时，接收体接收的发射源发射信息的频率与发射源发射信息频率不相同，这种现象称为多普勒效应，接收频率与发射频率之差 称为多普勒频移。声音的传播也存在多普勒效应，当声源与接收体之间有相对运动时，接收体接收的声波频率f'与声源频率f存在多普勒频移 Δf(doppler shift)即 Δf=f'-f 当接收体与声源相互靠近时，接收频率f'大于发射频率f即：Δf>0 当接收体与声源相互远离时，接收频率f'小于发射频率 即： Δf<0

可以证明若接收体与声源相互靠近或相互远离的速度为v，声速为c，则接收体接收声波的多普勒频率为： f'= f·(c+-v1)/(c-+v2)括号中分子和分母的加、减运算分别为“接近”和“远离”之意。多普勒频移最基本的计算公式是：

多普勒频移基本公式

例如在一个运动速度为100 km/h的列车上，使用GSM 900 MHz的手机进行通话，假设发射频率为900 MHz，则最大的多普勒频移为fm=100000/3600/300*900*1=83 Hz，此时列车移动的方向与无线电波发射的方向一致。如果列车运动的方向与发射方向成90°角，则无多普勒频移，夹角在两者之间时，为0~83 Hz的范围值。如列车移动方向与无线电波发射的方向相反或呈90°~180°角，则频移为负值，范围为-83 Hz~0。无线通话中频率误差的标准一般为0.05 ppm，即百万分之0.05，则900 MHz允许的频率误差为900*0.05=45 Hz。

从而可以看出，列车运动时通话的接收频率的误差经常会超过频率误差，多普 勒频移已经影响到了通话质量。因此消除或降低多普勒频移对无线通信的影响，是高速运动中进行无线通信必须解决的问题。解决这个问题通常采用的方法是：估算 多普勒频移，并对估算的频率偏差进行补偿。尤其是多普勒效应影响非常大的水中无线通信，业界和学术界已经有很多研究成果，采用的方法大多都是通过某些算法 进行多普勒频移的消除或补偿。

多普勒频移

当移动台以恒定的速率v在长度为d，端点为X和Y的路径上运动时收到来自远端源S发出的信号，如下图所示。

多普勒效应示意图

无线电波从源S出发，在X点与Y点分别被移动台接收时所走的路径差为：

由于路径差造成的接收信号相位变化值为：

由此可得出频率变化值，即多普勒频移为：

由此可知，多普勒频移与移动台运动速度及移动台运动方向以及无线电波入射 方向之间的夹角有关。若移动台朝向入射波方向移动，则多普勒频移为正，导致接收频率上升。若移动台背向入射波方向运动，则多普勒频移为负，接收频率下降。信号经不同方向传播，其多径分量造成接收机的多普勒扩散，因而增加了信号带宽。

应用实例

多普勒效应不仅仅适用于声波，它也适用于所有类型的波形，包括光波。科学家Edwin Hubble使用多普勒效应得出宇宙正在膨胀的结论。他发现远处银河系的光线频率在变低，即移向光谱的红端。这就是红色多普勒频移，或称红移。若银河系正移向蓝端，光线就成为蓝移。在卫星移动通信中，当飞机移向卫星时，频率变高，远离卫星时，频率变低，而且由于飞机的速度十分快，所以我们在卫星移动通信中要充分考虑“多普勒效应”。另外一方面，由于非 静止卫星本身也具有很高的速度，所以现在主要用静止卫星与飞机进行通信，同时为了避免这种影响造成我们通信中的问题，我们不得不在技术上加以各种考虑。也 加大了卫星移动通信的复杂性。

声波的多普勒效应也可以用于医学的诊断，也就是我们平常说的彩超。彩超简单的说就是高清晰度的黑白B超再加上彩色多普勒，首先说说超声频移诊断法，即D超，此法应用多普勒效应原理，当声源与接收体（即探头和反射体）之间有相对运动时，回声的频率有所改变，此种频率的变化称之为频移，D超包括脉冲多普勒、连续多普勒和彩色多普勒血流图像。彩色多普勒超声一般是用自相关技术进行多普勒信号处理，把自相关技术获得的血流信号经彩色编码后实时地叠加在二维图像上，即形成彩色多普勒超声血流图像。由此可见，彩色多普勒超声（即彩超）既具有二维超声结构图像的优点，又同时提供了血流动力学的丰富信息，实际应用受到了广泛的重视和欢迎，在临床上被誉为“非创伤性血管造影”。

第二篇：脉冲多普勒雷达测速仿真汇总

脉冲多普勒雷达测速仿真

任务书

雷达进行PD测速主要是利用了目标回波中携带的多普勒信息，在频域实现目标和杂波的分离，它可以把位于特定距离上、具有特定多普勒频移的目标回波检测出来，而把其他的杂波和干扰滤除。因此要求雷达必须具备很强的抑制杂波的能力，能在较强的杂波背景中分辨出运动目标的回波。

如今，不管是在军用还是民用上，雷达都在发挥着它很早重要的作用，与早期雷达采用距离微分方法测速相比，基于脉冲多普勒理论的雷达测速技术具有实时性好、精度高等优点。特别是现代相控阵技术在雷达领域的应用，实现了波束的无惯性扫描和工作方式的快速切换，更便于应用脉冲多普勒技术进行雷达测速。

本篇课程设计目的在于介绍脉冲多普勒雷达测速的原理，并对这种技术进行介绍和仿真。

脉冲多普勒雷达测速仿真

摘要

脉冲多普勒(PD)雷达以其卓越的杂波抑制性能受到世人瞩目。现代飞行器性能的改进和导航手段的加强，使其能在低空和超低空飞行，因此防御低空入侵己成重要问题，由此要求机载雷达，包括预警机雷达和机载火控雷达具有下视能力，即要求能在强 的地杂波背景中发现微弱的目标信号，所以现代的预警机雷达和机载火控雷达皆采用PD体制。脉冲多普勒雷达包含了连续波雷达和脉冲雷达两方面的优点，它具有较高的速度分辨能力，从而可以更有效地解决抑制极强的地杂波干扰问题;此外，脉冲多普勒雷达能够同时敏感地测定距离和速度信息;能够利用多普勒处理技术实现高分辨率的合成孔径图像;而且亦具有良好的抗消极干扰能力和抗积极干扰能力。

本文介绍了脉冲多普勒雷达测速的原理，信号处理。并用matlab简单的仿真了雷达系统对信号的处理.关键词：脉冲多普勒雷达 恒虚警 脉冲压缩 线性调频

Abstact

Pulse Doppler(PD)radar is famous for it`s outsdanding clutter suppression.Modern aircraft`s function and GPS has been strengthen.now.it makes the aircraft can fly lower and lower.So.nowadays,Defensing.Low altitude invasion has been an important problem.so we require airborne radar.Early warning radar and airborne fire control radar have the ability to look down.That is to say.The radar is be required the ability to find Weak target signal in the strong Groung clutter.So.The modern airborne early warning radar and airborne fire control radar use the PD system.Pulse Doppler(PD)radar concludes two adervantages of Continuous wave radar and impulse radar.It has a higher velocity resolution.thus it can effectively.soveing the problem of strong ground clutter.what`s more.Pulse Dppler(PD)radar can Sensitive text the Distance and speed on the same time.Itcan use Doppler processing technology to realise Synthetic aperture images with high resolution.This article sinply introduced principle of pulse Doppler radar and signal

脉冲多普勒雷达测速仿真

processing.Using matlab to simulation The signal processing of radar system.Linear frequency modulation.Keywords:Pulse Doppler(PD)radar.Constant false alarm rate.pulse compression.脉冲多普勒雷达测速仿真

目录

一．脉冲多普雷达简介··········································1 1,多普勒效应··············································1

二、多普勒测速原理············································2

三、多普勒雷达简介············································4

四、多普勒雷达工作原理········································6

五、PD雷达信号处理仿真·······································8 5.1、正交双通道处理·······································9 5.2、脉冲压缩·············································10 5.3、线性调频信号的脉冲压缩·······························12 5.4、巴克码信号的脉冲压缩·································14 5.5、恒虚警处理···········································14 5.5.1、单元平均恒虚警处理(CA-CFAR)····················16 5.5.2、平均选大恒虚警处理(GO-CFAR)····················16 5.6、动目标检测(MTD)模型··································19

六、总结与展望················································20 参考文献······················································21

脉冲多普勒雷达测速仿真

二、脉冲多普雷达简介

1,多普勒效应

多普勒效应是指当发射源和接收者之间有相对径向运动时，接收到的信号将发生变化。这一物理现象首先由奥地利物理学家多普勒于1842年发现的。多普勒雷达的工作原理是以多普勒效应为基础的，多普勒效应不仅仅适用于声波，它也适用于所有类型的波，包括光波、电磁波。

当无线电波在行进的过程中碰到物体时，该无线电波会反弹，而且反弹回来的波其频率以及振幅会随着碰撞物体的运动状态而变化。若无线电波是固定不动的，那么反弹回来的电波频率是不会发生改变的，然而，若物体是朝着无线电发射的方向前进，此时所反弹回来的电波会被压缩，因此该电波的频率也会随之增加。反之，若远离波源运动时，接收到的频率较波源的实际频率降低。频率升高或者降低的数值为多普勒频率，多普勒效应的数学推理如下: 设某一波源的频率为f，波长为入，它们与波的传播速度的关系为: f  v

收

（1.1）

若波源以速度W向静止的接物体运动时，在接收物体处所接收到的频率为: f'v'vf

vw

(1.2)若波源以速度W背向静止的接收物体运动时，在接收物体处所接收到的频率为: vvf“f”vw到的频率为:

(1.3)同理，当波源不动时，若物体以速度W向波源运动时，在接收物体处所接收f'v'vwf v

(1.4)当波源不动时，若物体以速度W背向波源运动时，在接收物体处所接收到的频率为：

脉冲多普勒雷达测速仿真

vvwf“f ”v

(1.5)由上述的数学分析可知，若波源与接收物体之间存在相对运动时，接收的频率就不同与发射的频率。即两者之间的距离缩短(相向运动)时，接收频率高于发射频率;两者之间的距离增大时(反向运动)，接收频率低于发射频率。这种由于相对运动引起的频率变化，称为“多普勒效应”。

二、多普勒测速原理

假若有一个运动目标，利用多普勒效应，在天线场的有效范围内，如图2.1所示:

图2.1多普勒运动信号模型

天线1发射电磁波到运动物体上，发射频率为f0，速度为光速C，运动物体的速度为V，则运动物体实际接收到的频率为: f1cvf0 v

（2.1）

同理，由多普勒效应知，电磁波从运动物体反射回来，天线2所接收到的频率为: f2vf1

cv

（2.2）

所以，天线2接收到的频率与发射频率之间的关系如下:

脉冲多普勒雷达测速仿真

f2vcvcvf0f0

cvvcv

（2.3）

式(2.3)说明:由发射天线1发射的频率为fo的电磁波，相对天线以径向速度V作离向动，由于多普勒效应，接收天线2接收到的电磁波的频率将是发生两次多普勒效应后的频率，即变为f 2。将相对运动所引起的接收频率与发射频率之间的差频称为多普勒频率，用fa表示，则: fdf0f22v2vf0

c

（2.4）

由式((2.4)分析得知，多普勒频率与相对天线的径向速度成正比，只要能测出fd就可以求出V，这就是多普勒测速雷达测速的基本原理。

根据前面的分析与推导，可以对多普勒频率作出这样的定义: 2vrfdf0（2.5）c式中:fd：多普勒频率

Vr：运动目标的速度 C：光速 f0：发射波频率 由式(2.5)我们可以得到: 2vrvrf0 c

（2.6）

从式(2.6)可以看到其它变量都是己知的，只要我们测出fd了，就可以计算出被测目标的速度。下面来分析当雷达与目标有相对运动时，雷达接收信号的特

脉冲多普勒雷达测速仿真

征。在这里我们设目标为理想“点”目标，即目标尺寸远小于雷达分辨单元。

三、多普勒雷达简介

脉冲多普勒雷达的应用和发展是雷达理论与技术的发展，特别是新型电子器件和数字信号处理技术发展的结果。目标环境变化，以及下视，下射，反低空突防任务的迫切需要，以及为了获得优良的抑制严重的杂波干扰的性能，对脉冲多普勒雷达信号源的稳定度，寄生调制提出了极高的要求，对其天线旁瓣电平提出甚严的限制，同时还要求具有高速运算能力和大存储空间的处理机。一部实际的脉冲多普勒雷达几乎包含了现代雷达的主要波形、测角体制和先进的信号处理技术，采用了各种现代优化的设计思想。因此，研制脉冲多普勒雷达是一个较为艰巨的工作。那么为了更好且更经济地研究其技术、战术性能和抗干扰性能，采用计算机仿真方式进行研究是最为合理地，因此，对脉冲多普勒雷达的计算机仿真成为一项迫切的任务。

关于PD雷达的精确定义，1970年M.I.斯科尔尼克曾以三点特征进行描述： 1)具有足够高的脉冲重复频率(PRF)，以致不论杂波或所观测的目标都没有速度模糊;2)能实现对脉冲串频谱单根谱线的多普勒滤波，即频域滤波;3)由于PRF很高，通常对所观测的目标产生距离模糊。

上述定义仅适用于高PRF的PD雷达，随着PD雷达技术的发展，对PD雷达的定义有所延伸。一些PD雷达的设计允许工作在低、中高频上来满足不同的需要。目前关于PD雷达的定义为:能实现对信号脉冲串频谱的单根谱线滤波，具有对目标进行速度分辨力的雷达称为PD雷达。

根据PD雷达的系统重复频率不同，可以对其进行分类，令雷达与目标的距离为RT，雷达与目标的相对速度为从，最大不模糊距离为R man，最大不模糊速度为Vmah，则可将PD雷达分为高、中、低PRF三类脉冲雷达:

脉冲多普勒雷达测速仿真

图3.1 脉冲多普勒雷达分类

可以看到，低PRF雷达无距离模糊，有速度模糊;中PFR既有距离模糊，也有速度模糊，高PRF无速度模糊，但有距离模糊。对于PD雷达，选择合适的PRF是一个十分重要的问题，需要考虑实际的应用和设备的复杂性。

PD雷达采用相参技术从相参到非相参，这是雷达技术的飞跃。相参，是从光学领域引申而来的术语，在雷达中的含义是指目标回波信号与发射信号之间应保持严格的相位关系，并用以提取目标的有关信息。早期的普通脉冲雷达都是非相参结构，它们只是利用发射脉冲与回波脉冲之间的时间差提取目标的距离信息，当与目标相等距离上，存在着大量的干扰物体的反射波(地物和海浪杂波，云雨气象杂波以及投放物金属箔条杂波等)时，微弱的目标回波淹没在其中，而使雷达失效。非相参的普通脉冲体制的雷达，无论架设在地面，舰船或是飞机上都无法对付这些来自低空的袭击。在光学中早己为人们所熟知的相参概念，此刻却为雷达技术带来了生机。当用时间差无法区别目标与背景干扰时，速度差却很容易把它们区别开来。

对于地面假设的雷达，与周围地物不存在相对运动，因此从这些地物来的雷达回波信号的频率与反射信号的频率相同;而从运动目标来的回波信号频率，则有别于发射信号，而且这种差别额大小正比于目标的速度。对于机载雷达，地物背景与雷达虽然存在着相对运动，但是这种相对运动的速度和方向是可知的，并有别于机载雷达和空中运动目标的相对速度。以雷达载机同运动目标和地物的速度差为基础发现运动目标的技术途径是可行的。但是要具体实现这种发射信号和

脉冲多普勒雷达测速仿真

回波信号的有效相参并不十分容易。它要求发射信号具有很高的稳定性，否则微小的回波频率变化是无法察觉的。主振放大式发射机就是目前广泛用来获得高功率、高稳定的发射信号的主要设备，尽管其成本高，构造复杂，但这是雷达实现全相参所必须的。雷达实现了全相参，它的性能和应用领域可能大为扩展。

四、多普勒雷达工作原理

由于目标和干扰物相对于雷达的径向速度不同，回波信号也有不同的多普勒频率，可用频域滤波的方法选出目标的多普勒频率谱线，滤除干扰杂波的谱线，使雷达从强杂波中分离和检测出目标信号。为实现这一目的，一方面PD雷达的发射脉冲信号必须有稳定的相参性能，通常采用主振放大式发射机，另一方面在接收机的信号处理中，把每一脉冲重复周期分成若干个距离门，再用多普勒频率范围内的窄带滤波器组对信号和杂波进行过滤。下面先扼要讲述PD雷达信号工作的基本原理，其中信号处理模块、几种典型的干扰，数据处理模块中的解模糊算法，滤波算法是本论文重点讲述的内容，典型PD雷达原理方框图4.1为例:图中只画出了一个接收通道。为了连续跟踪一个目标，还包括速度跟踪、距离和角度跟踪设施。PD雷达可以把位于特定距离上，具有特定多普勒频移的目标回波检测出来，把其它的杂波和干扰滤除。

主振放大式相参发射机:这种发射机信号质量高，可以满足PD雷达对发射信号的频率稳定度和频谱纯度的要求。影响PD雷达性能的主要因素是信号的短期不稳定性，PD雷达的频率稳定度要达到很高的程度才能达到相参测速的要求。距离门电路完成距离选通，雷达可以有多个距离通道。

单边带滤波器是一个带宽近似等于脉冲重复频率的带通滤波器，主要作用是从回波频谱中只滤出一根谱线和它所对应的多普勒频移分量，使后面的各种滤波处理在单根谱线上进行，通常单边带滤波设置在中频，选取回波频谱的中心谱线。

主杂波抑制电路对干扰很强的主瓣杂波进行抑制;机载PD雷达的高度杂波是由地面的垂直反射所形成的杂波，通常可以采用单独的固定频率抑制滤波器(零频率滤波器)来滤除它。

脉冲多普勒雷达测速仿真

信号处理机:PD雷同常规脉冲雷达的主要区别在于PD雷达利用了目标回波中携带的多普勒信息，在频域内实现目标和杂波的分离，从而可以从很强的地物杂波背景中检测出动目标，并对其精确测速。简而言之，PD雷达信号处理机的核心。就是一个窄带滤波器组，它滤除了各种干扰及杂波，保留了所需的目标信号。由于雷达从天线到视频的全部过程都是线性的，运动目标信息在接收机中无畸变地保存到视频级，因此多普勒滤波器可以在视频(零中频)实现。由于视频滤波比中频滤波易于实现，数字处理在视频进行量化也比在中频容易，所以多普勒滤波将变得更加简单可靠。这是因为，数字式滤波器具有高可靠性、抗干扰性和灵活性等优点，精度也好。基本的数字滤波器的原理是利用快速傅立叶变换求取信号频谱，从而为下一步的处理提供回波信号的频谱分布信息。

数据处理机:数据处理机的主要功能，一个是对工作方式、扫描图形的产生、脉冲重复频率的选择、杂波频潜的预测进行控制;另一个功能是对数据相关和滤波、距离跟踪、角度跟踪、雷达罩和天线角度误差修正进行数据处理;再一个功能是对系统进行性能监视和机内自检。

PD雷达必须采取恒虚警率((CFAR)处理技术以便防止干扰增大时虚警概率过高，努力使得当噪声、杂波和干扰功率或其他参数发生变化时，输出端的虚警概率保持恒定;速度、距离和角度跟踪系统实现对目标的有效跟踪。

PD雷达系统中的很多理论己经是比较成熟的理论，在本文中主要进行雷达回波信号、信号处理中相关算法、数据处理相关算法、及PD雷达几种主要干扰技术的建模仿真，本文主要做PD雷达测距、测速的研究。

多普勒雷达工作原理框图如图4.1:

脉冲多普勒雷达测速仿真

图4.1 典型脉冲多普勒雷达工作原理框图

五、PD雷达信号处理仿真

PD雷达信号处理模块的主要框图:

图5,1 雷达信号处理框图

信号处理器主要是用来监测目标并利用一定的方法来抑制各种杂波和人为干扰所产生的不希望有的信号，处理后的视频输出信号再与某个门限比较。若信号超过监测门限，便判断为“发现目标”，然后把目标信号输送下一级处理器进行监测，以便测量出目标的距离，角度，径向速度和其它一些目标特性。

脉冲多普勒雷达测速仿真

下面对于其主要模块进行仿真。

5.1、正交双通道处理

为将中频信号转换为视频信号进行数字处理，采用低通滤波法进行相干检波，低通滤波法是一种完全仿照传统的模拟正交采样的实现方法，只是将频移放在了A/D变换之后。这样混频和滤波都是由数字系统来实现的，其原理框图如图5.2所示。

图5.2 正交双通道处理框图

首先将中频输出信号进行数字混频，这样就将正频谱的中心移到了零频，时域信号也应的分解为实部和虚部，再让混频后的信号经过低通滤波器，滤除高频分量，即可得到所需的基带正交双路信号。

脉冲多普勒雷达测速仿真

图5.3 对信号滤波处理后

5.2、脉冲压缩

匹配滤波器是以输出最大信噪比为准则的最佳线性滤波器。当滤波器的频率响应H(f)为信号频谱S(f)的复共扼时，称之为信号的匹配滤波。根据匹配滤波器理论，在白噪声背景下，滤波器输出端信号噪声功率比的最大峰值为2ElNo，即当噪声功率谱密度给定后，决定雷达检测能力的是信号能量E。使用简单矩形脉冲信号，可以用增大脉冲宽度了来提高信号能量，但是这样使得距离分辨力降低。因此，提高雷达的探测能力和保证必需的距离分辨力这对矛盾很难解决，有必要去寻找和采用较为复杂的信号形式。

匹配滤波器输出信号是波形的自相关函数，它是信号功率谱的傅里叶反变换。由于脉宽和频谱宽度之间成反比关系，因此B越大，距离分辨力越好，距离分辨力取决于所用信号的带宽B。对于简单矩形脉冲，信号带宽B与其脉冲宽度:满足Bt约等于1的关系，因此用宽脉冲时必然降低其距离分辨力。如果在宽脉冲内采用附加的幅度或相位调制，以增加信号带宽B，那么当接收时用匹配滤波器进行处理，可将长脉冲压缩到1/B宽度，这样既可使雷达用长的脉冲去获得大的能量，同时又可以得到短脉冲所具备的距离分辨力。这种信号称为脉冲压缩信号或大时宽带宽信号，这种方法称为脉冲压缩。因为脉冲内有附加调制，其脉宽:和带宽B的乘积大于1，压缩比，一般采用BT约等于1.脉冲多普勒雷达测速仿真

幅度调制会降低发射信号的平均功率，不能最大程度地利用发射管的效能，使雷达威力下降。相位调制是常用的宽带信号产生方法，常用的相位调制信号有线性调频信号和二相编码信号，下面具体分析对这两种信号的脉冲压缩。脉冲压缩滤波器是雷达视频信号的匹配滤波器，是在时间轴上进行的，可以针对一个脉冲重复周期或整个脉冲压缩处理。

匹配滤波器的实现是脉冲压缩处理的核心部分，主要分别可以通过时域卷积或频域相乘实现。所谓匹配滤波器就是这样一种最佳线形滤波器，在输入为确知信号加白噪声的情况下，所得输出信噪比达到最大。匹配滤波器的冲激响应函数为:

要实现数字脉冲压缩，需先对模拟的线性调频信号进行A/D变换，经过采样量化后的信号简记为s(n)。

频域处理公式为y(n)=IFFT(S(f)H(f))=IFFT(FFT(s(n))FFT(h(n)))。通常情况下，基于FFT算法特有的高速性，频域实现比直接时域卷积运算要快。用快速傅立叶变换实现的脉冲压缩频域处理过程如图5.4。

图5.4 脉冲压缩频域处理

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图5.5 脉冲压缩频域处理

5.3、线性调频信号的脉冲压缩

线性调频信号的数字脉冲压缩处理可在时域，也可在频域进行。由于高速A/D变换器、大规模集成电路技术以及FFT的应用，使宽带信号的实时处理成为可能，采用DSP处理的频域数字脉冲压缩具有处理速度高、工作稳定、重复性好、灵活性高的优点。所以，在仿真中对于线性调频信号在频域进行压缩。

线性调频信号脉冲压缩后的旁瓣较高，最大旁瓣为13.2dB，一般不能满足系统要求，常采取窗函数抑制旁瓣，可根据对旁瓣和主瓣宽度的要求选择窗函数，其中海明窗较为常用。加窗处理同样可在时域进行也可在频域进行，对于时宽带宽积较大的信号时域和频域加窗效果接近，但时宽带宽积较小的信号时域加窗的效果优于频域加窗，所以仿真中采用时域加窗频域压缩的方法。图5.6为线性调频信号脉冲压缩处理的流程框图。

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图5.6 线性调频信号脉压处理框图

由于线性信号存在距离速度祸合，当目标回波中存在多普勒频率时，经脉冲压缩后会产生距离误差。多普勒频率大于零时脉冲压缩后的主瓣向左偏移，即距离变小，多普勒频率小于零时脉冲压缩后的主瓣向右偏移，即距离变大。在精密跟踪雷达中需进行误差补偿，用于补偿由于目标的运动引起的测距误差。

误差补偿模型仅适用于单目标环境，而且仅是在雷达工作在跟踪状态时才做误差补偿，雷达工作在搜索状态时不做误差补偿处理。

图5.7 线性调频信号脉冲压缩处理结果

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5.4、巴克码信号的脉冲压缩

巴克码脉冲压缩器采用和线性调频脉冲压缩相同的方法，时域加窗频域压缩。当不存在多普勒失谐时，巴克码经过相关处理后输出的主瓣高度等于码长N，旁瓣高度为1，即主副瓣比为N。当采用最大长度13时，主副瓣比约为22.3dB需要抑制旁瓣以提高目标检测能力。如果回波信号有多普勒频移，主瓣幅度下降，旁瓣幅度上升，应设法克服由多普勒失谐带来的影响。

图5.8 巴克码处理过的信号

5.5、恒虚警处理

PD雷达用于机载下视或类似的条件下，由不同的地物回波所形成的杂波的强度和分布情况极为复杂。为了在复杂的杂波环境中检测出所关心的运动目标回波，要求PD雷达必须采用某种恒虚警率((Const False Alarm Rate, CFAR)处理技术，以便在杂波环境变化时，防止雷达的虚警概率发生太大的变化，同时保证一定的检测概率。同常规脉冲雷达不同，PD雷达一般是在经过多普勒滤波后在

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频域进行检测，因此PD雷达所采用的CFAR处理方式也有所不同。

参量法CFAR处理是基于数理统计中的参数估计理论，它的前提是要知道杂波幅度分布的类型，未知的只是分布函数中的参数。对于不同的杂波分布类型，实现CFAR处理的方法也不同，但他们的基本思想是一样的，即在假设检测单元附近各背景单元的杂波输出为独立同分布的前提下，通过处理各背景单元的输出而对杂波分布中的参数进行估计，然后构造一个分布不依赖杂波强度的新的统计量去与门限比较，从而达到CFAR的目的。

图5.9 恒虚警处理结果

雷达杂波可以看作是来自大量独立反射体的回波信号的总和。这些回波信号的幅度和相位都是随机的，因此合成后杂波的幅度是一个随机变量，其统计特性随杂波环境的不同而变化。若粗糙地面的散射单元是均匀的，则根据中心极限定理，合成后的杂波近似服从高斯分布，经过包络检波后，杂波包络幅度服从瑞利分布，其概率密度函数为

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xx2exp[]x0

2f(x)220,其他（5.1）

瑞利分布是描述雷达杂波时适用范围最广的一种分布。对于工作在无杂波区的高重复频率的PD雷达而言，由于接收机噪声一般服从高斯分布，所以噪声包络幅度也可以用瑞利分布来描述。下面针对瑞利分布杂波介绍CFAR技术。5.5.1、单元平均恒虚警处理(CA-CFAR)瑞利分布杂波幅度的数字特征为

E(x)2,E(x2)22

（5.2）

其中E(X)为均值，E(Xz)表示杂波的功率。当方差变化时，X的概率密度函数也将随之变化，对于给定的门限UT，相应的虚警概率

pfaxJT2x2VTexp[]dexp[]x2

2（5.3）

222也发生变化。若定义一个新的随机变量Y，令

YX

（5.4）

则容易求得Y的概率密度函数为

fY(y)yexp(y22),y0

（5.5）

CA-CFAR检测在杂波边缘中要引起虚警率的上升，而在多目标环境中将导致检测性能下降，这些不足促进了对其它CFAR方案的寻求。新的CFAR方案应该能够区分干扰和主目标，平均选大GO(Greatest o介CFAR是一种满足上述要求的修正方案。

5.5.2、平均选大恒虚警处理(GO-CFAR)

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平均选大在杂波边缘环境中能保持较好的控制虚警性能。图5.10是单元平均选大CFAR.模型，通过两侧L/2个距离单元的数据平均值估计杂波功率，用杂波功率对所检测的距离单元数据进行归一化并乘以门限乘子后作为检测门限，与检测门限比较，超过门限判断为有目标，低于门限判断为无目标。

图5.10 GO-CFAR实现框图

呈现在脉冲多普勒接收机输出端的杂波分布特征是各种杂波的混合，在距离一多普勒图的范围内这个混合杂波的变化可能很大，并且强点状杂乱回波的位置也是随机的。因此，必须对邻近测试单元的多个单元组成的当地参考窗口进行检查，用这种方法来估计测试单元干扰功率。根据PD雷达工作频率的不同，在距离一多普勒图中设置参考窗口的方式也不同。对于低重复频率，需要在距离维中设置参考窗口:对于高重复频率，需要在多普勒频率维设置窗口;然而对于中重复频率的雷达，则需要设置两维窗口。

以上分析的是在瑞利杂波情况下的恒虚警处理过程和相关电路。雷达在实际工作环境中所接收的杂波可能并不是瑞利分布，那么通过上面处理步骤得到的恒虚警效果可能不明显。某种具体的恒虚警电路一般只适用于对应的特定杂波情况，对于不同的杂波，应该对恒虚警处理电路做必要的调整才能满足要求。总的原则是根据杂波的具体模型，通过参数估计和适当的变换构造出新的随机变量，使它的概率密度函数与输入杂波强度无关。

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5.6、动目标检测(MTD)模型

由于MTI的杂波抑制能力有限，为了弥补MTI的缺陷，为此在MTI后串接一窄带滤波器组覆盖整个频率的范围。当不同的目标有不同的速度时，应的不同多普勒频率对应不同的窄带滤波器输出，因此可以利用MTD测出多普勒频移，确定目标的速度，这样，滤波器组实现了速度分辨和精确测量的作用。具有N个输出的横向滤波器(N个重复周期和N-1根延迟线)，经过各重复周期的不同加权并求和后，即可实现上面所述的窄带滤波器组。其原理结构框图如5.11。

图5.11 MTD横向滤波器结构

当满足采样定理的条件时，一个时间函数的取样序列经过DFT处理之后，输出为该信号的频谱取样。我们可以将每根谱线看成一个窄带滤波器的输出，这就是DFT的滤波特性。因而利用DFT的滤波特性可以形成窄带多普勒滤波器组，其振幅特性可以表示为|fg|。

|Hk(f)||sin[N(fTrKN)]|,K0,1,2...,N1（5.6）

sin[(fTrKN)]

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图5.12即N=8, fr =lOKHz时DFT等效横向滤波器振幅特性。

图5.12 DFT等效横向滤波器的幅频响应

现在用来产生数字滤波器组的最普遍的方法是FFTo FFT是离散傅立叶变换的快速算法，通常采用每个脉冲同一个距离单元的一组数据FFT来实现滤波器组。

其实使用数字方法计算离散信号的频谱，每个固定频率分量的输出就相当于中心频率在此固定频率的窄带滤波器输出。

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图5.13 MTD求模处理结果

六、总结与展望

本文简单的对脉冲多普勒雷达做了简单介绍，对脉冲多普勒雷达系统中的信号处理部分，有源干扰及数据处理中的典型算法进行建模仿真的探索，脉冲多普勒雷达系统仿真是一个内容复杂、涉及广泛的研究课题，采用的仿真软件不同，仿真方法不同，实现的仿真系统的功能、复杂程度也会有所不同。本文采用功能强大的计算仿真软件MATLAB对其进行仿真，主要目的在于使仿真模块的程序易读易懂，结构简单，能够基本反映出该体制雷达主要处理过程的工作原理。

对雷达系统仿真是一个非常有价值的研究领域，随着计算机仿真技术的不断提高，仿真领域将不断扩大。由于本人学识有限，时间有限，本文还存在很多的缺点不足，例如，本文仅尝试对雷达信号处理部分及部分干扰的建模，系统的跟踪模块未能完善，雷达数据处理只涉及到算法的研究，并未将其与前面的信号处理组合到一个完整的系统，希望本文些许的分析可以对以后的学友提供一些帮助，更希望以后的研究能在此基础上不断完善，如果能够结合到实际系统中，那么其仿真系统的意义将更加深广。

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本人水平有限，论文中错误及不当之处，恳请各位老师批评指正。参考文献

[1]刘丽华，董天临连续波多普勒测速雷达射频前端电路设计与仿真.电子科技.[2]张武娟.雷达测速在列车运行中的研究与应用【D】:[硕士论文].长沙:中南大学，2008.[3]周晶晶.雷达测速仪数字信号处理系统的设计【D】:【硕士论文】.西安:西北工业大学，2006.[4]汪源源.多普勒信号分析技术的比较研究.复旦学报(自然科学版)，1996，2:53-61。[5]张伟.基于ARM的雷达信号处理系统的研究【D】:【硕士论文】.南京:南京理工 大学，2008 [6]刘峰，初韵辉，许家栋等.一种PO雷达半实物仿真系统的研究.西北工业大学学报.2002.[7]韦伟.脉冲多普勒雷达信号处理关键技术研究.南京理工大学硕士学位论文.2004.

第三篇：雷达原理

无源相控阵雷达介绍

普通雷达的波束扫描是靠雷达天线的转动而实现的，又称为机械扫描雷达。而相控阵雷达是用电的方式控制雷达波束的指向变化进行扫描的，这种方式被称为电扫描。相控阵雷达虽然不能像其他雷达那样依靠旋转天线来使雷达波束转动，但它自有自己的“绝招”，那就是使用“移相器”来实现雷达波束转动。相控阵雷达天线是由大量的辐射器（小天线）组成的阵列（正方形、三角形等），辐射器少则几百，多则数千，甚至上万，每个辐射器的后面都接有一个可控移相器，每个移相器都由电子计算机控制。当相控阵雷达搜索远距离目标时，虽然看不到天线转动，但上万个辐射器通过电子计算机控制集中向一个方向发射、偏转，即使是上万千米外的洲际导弹和几万千米远的卫星，也逃不过它的“眼睛”。如果是对付较近的目标，这些辐射器又可以分工负责，产生多个波束，有的搜索、有的跟踪、有的引导。正是由于这种雷达摒弃了一般雷达天线的工作原理，人们给它起了个与众不同的名字———相控阵雷达，表示“相位可以控制的天线阵”的含义。

相控阵雷达又分为有源（主动）和无源（被动）两类。其实，有源和无源相控阵雷达的天线阵相同，二者的主要区别在于发射／接收元素的多少。无源相控阵雷达仅有一个中央发射机和一个接收机，发射机产生的高频能量经计算机自动分配给天线阵的各个辐射器，目标反射信号经接收机统一放大（这一点与普通雷达区别不大）。有源相控阵雷达的每个辐射器都配装有一个发射／接收组件，每一个组件都能自己产生、接收电磁波，因此在频宽、信号处理和冗度设计上都比无源相控阵雷达具有较大的优势。正因为如此，也使得有源相控阵雷达的造价昂贵，工程化难度加大。但有源相控阵雷达在功能上有独特优点，大有取代无源相控阵雷达的趋势。

有源相控阵雷达最大的难点在于发射／接收组件的制造上，相对来说，无源相控阵雷达的技术难度要小得多。无源相控阵雷达在功率、效率、波束控制及可靠性等方面不如有源相控阵雷达，但是在功能上却明显优于普通机械扫描雷达，不失为一种较好的折中方案。因此在研制出实用的有源相控阵雷达之前，完全可以采用无源相控阵雷达作为过渡产品。而且，即使有源相控阵雷达研制成功以后，无源相控阵雷达作为相控阵雷达家族的一种低端产品，仍具有很大的实用价值。无源雷达的特性及沿革

无源雷达本身并不发射能量，而是被动地接收目标反射的非协同式辐射源的电磁信号，对目标进行跟踪和定位。所谓非协同式外部辐射源，是指辐射源和雷达“不搭界”，没有直接的协同作战关系。这样就使得探测设备和反辐射导弹不能利用电磁信号对无源雷达进行捕捉、跟踪和攻击。

无源雷达系统简单，尺寸小，可以安装在机动平台上、易于部署，订购与维护成本低。无源雷达不发射照射目标的信号，因此不易被对方感知，一般不存在被干扰的问题。它可以昼夜、全天候工作：可连续检测目标，一般为每秒一次，信号源是40—400兆赫的低频电磁波，有利于探测隐身目标和低空目标：不需频率分配，因此可部署在不能部署常规雷达的地区。

无源雷达自身不发射信号，既带来优点也带来缺点。由于依赖于第三方发射机，操作员对照射器无法主动控制，在被探测目标保持无线电静默、照射器又不工作的情况下，无源雷达就成了无源之水，不能发挥作用。此外，一些发射机的有效辐射功率较低，易受干扰和空射诱饵的影响而且要求发射机与目标、目标与接收机以及接收机与发射机之间信号不受阻挡，限制了无源雷达的使用。

其实无源雷达并不是新概念，它的历史几乎与雷达技术本身一样悠久。1935年，罗伯特•沃森•瓦特曾在单基地无源系统中利用英国广播公司发射的短波射频，照射10千米以外的“海福特”轰炸机。在第二次世界大战中也试验过预警无源雷达，如德国的“克莱思•海德堡”(Kleine Heidelberg)系统。但当时的系统缺乏足够的处理能力，不能计算出目标的精确坐标。

当前，有很多国家热衷于无源技术的应用研究。美国洛克希德•马丁公司是最先涉足该领域的公司之一，据称依靠电视和无线发射机，其无源系统的探测距离达到220千米以上。美国国防部国防高级研究计划局以及华盛顿大学、乔治亚技术大学等高校和雷声等公司，都开展了这一领域的研究。在欧洲，法国也进行了相应的技术研究工作、意大利演示了样机系统、英国正在研究无源相干雷达和“蜂窝’雷达(Celldar)，俄罗斯和捷克也在进行类似研究。无源雷达的分类

无源雷达系统可以依据探测对象或配置方式来分类。依据配置方式，无源雷达分为固定式(地基)和机动式(安装在潜艇、舰船、飞机、地面车辆等平台上)两大类。无源雷达的探测对象可以是雷达、通信电台或其他无线辐射源，也可以是仅仅反射无线电信号的目标。无源雷达可以依据探测对象的不同，分为利用被探测目标的自身辐射进行探测和跟踪，以及利用外照射源发射的电磁波进行探测和跟踪两大类。利用被探测目标的自身辐射,在被探测目标本身就是辐射源或携带了辐射源的情况下，无源雷达利用探测目标自身辐射的电磁波进行探测和跟踪。可能的辐射源包括雷达、通信电台、应答机、有源干扰机、导航仪等电子设备。捷克研制的“维拉”系列无源雷达就属于这类无源雷达。几款典型的无源雷达

美国的“沉默哨兵”霄达

美国洛克希德•马丁公司从1983年开始研究非协同式双基地无源雷达，于1998年研制出新型的“沉默哨兵”被动探测系统。这种无源雷达利用商业调频无线电台和电视台发射的50～80兆赫连续波信号，检测、跟踪、监视区内的运动目标。该系统由大动态范围数字接收机、相控阵接收天线、每秒千兆次浮点运算的高性能并行处理器及其软件组成。试验证明，它对雷达反射面积10米2目标的跟踪距离可达180千米，改进后可达220千米，能同时跟踪200个以上目标，分辨间隔为15米。

英国的“蜂窝”霄达

英国的“蜂窝”雷达系统可探测、跟踪和识别陆上、海上和空中的移动目标，包括在树丛中运动的车辆，它理论上能够探测野外环境中10～15千米的地面目标和100千米的大型飞机。当目标进入探测区域后，引起蜂窝电话辐射波的反射，这些反射被一部或多部蜂窝电话雷达探测到。检测数据通过通信网络实时传送到中央控制系统，数据在这里进行处理，从而确定目标的位置和速度。该雷达系统除了反射蜂窝电话基站的辐射信号外，还可利用声传感器探测到目标辐射出的噪声，有助于确定目标位置。

“维拉-E”雷达

“维拉”系列无源雷达由捷克研制。“维拉-E”是该系列的最新型号，可探测定位、识别和跟踪空中、地面和海上目标，对空探测的最大距离为450千米，并可识别目标、生成空中目标图像。

“维拉-E”系统由4部分组成：分析处理中心居中，3个信号接收站呈圆弧线状分布在周围，站与站之间距离在50千米以上。分析处理中心部署在方舱车内，有完整的计算机系统以及通信、指挥和控制系统。信号接收站用重型汽车运载，可灵活部署。接收天线支架竖起时高17米，占地面积9×12米，3个人在1小时内即可竖起天线、进入监视状态。天线外形为圆柱体结构，功耗低、可靠性极高，平均无故障间隔时间达2000小时，可抵御30米/秒的大风。无源雷达的未来发展

无源雷达系统(尤其是利用外部非协同辐射源的无源雷达)，可能是今后10～20年的一个重要的发展方向。随着几大国际通信卫星计划的实施，未来将有1000多颗通信卫星在轨。其中将有许多能发射出足够高的射频能量，地面上大多数地点均会同时受到几个星载辐射源的照射，无源雷达系统可充分利用这些照射源进行目标探测和跟踪。总的来看，无源雷达将会在以下几个方面得到发展：

(1)扩展可用外辐射源的种类。外部的非协同辐射源从最早的电视信号、调频信号，到现在的移动通信信号、全球定位系统卫星信号，以及将来多种卫星信号和其他各种可能的辐射源，可供选择利用的外辐射源种类将日渐增多。

(2)雷达目标的傅立叶成像。伊利诺斯州大学的研究人员已证实，可用无源多基地雷达产生飞机目标的合成孔径图像。利用不同频率和不同位置的多部发射机，就可为某个目标建立一个傅立叶域的稠密数据集合，通过逆傅立叶变换就可以重构该目标的图像。

(3)不同平台无源雷达的组网。由于可供使用的外辐射源信号种类繁多，不同的辐射源信号占据了不同的频段，同一目标在不同频段会有不同的雷达特性。因此，为尽可能地提高对目标的探测能力，可以将不同平台的无源雷达进行组网。

(4)无源雷达与有源雷达相结合。当外界电磁辐射设备关机或无法利用时，无源雷达就无法对目标进行探测定位。因此，可考虑将无源雷达与有源雷达结合使用。如以双/多基地方式合理布设无源和有源雷达，当外界电磁辐射不存在或无法利用时，利用无源雷达接收己方有源雷达的直射信号与目标的反射信号，对目标进行探测。这样既提高了无源雷达的利用率，又增强了有源雷达的隐蔽性和生存能力。

第四篇：雷达原理论文

雷达原理论文

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2014年3月

雷达的隐身与反隐身技术

在现代战争中，隐身和反隐身技术具有重要作用和战略意义, 上个世纪的局部战争已充分证实了这一点，如美国的F-117飞机在1989年入侵巴拿马和1991年轰炸伊拉克的战争中大显神威, 这就是隐身技术应用的成功实例。隐身技术的迅速发展对战略和战术防御系统提出了严峻挑战,迫使人们考虑如何摧毁隐身兵器并研究反隐身技术。

隐身与反隐身技术越来越受到人们的重视。目前应用于武器系统中的探测手段有雷达、红外、激光和声波等,而雷达在各种探测器中占有相当重要的地位,因此研究雷达的隐身和反隐身技术势在必行。

雷达基本原理

雷达发射机输出的功率馈送到天线，由天线将能量以电磁波的形式辐射到空间，电磁波脉冲在空间传输过程中遇到目标会产生反射，雷达就是利用目标对电磁波的反射、应答等来发现目标的。但雷达的探测距离有一定范围,雷达探测的基本原理和系统特征可以用雷达方程来描述:

Rmax42PGGttr43Smin

式中：Pt为雷达发射功率，Smin 为雷达最小可检测信号，Gt为发射天线的增益，Gr为接收天线的增益，为雷达工作波长，为目标的雷达散射截面积（RCS）。

雷达截面积是目标对入射雷达波呈现的有效散射面积。从公式中可以看出雷

1达最大作用距离Rmax与目标的雷达截面积的 次方成正比。因此,要减小雷达

4的最大作用距离可以通过减小目标的RCS 来实现。目前用来减小目标RCS的主要途径有两种：一是改变飞机的外形和结构，称之为外形隐身；二是采用吸收雷达波的涂敷材料和结构材料，称之为材料隐身。

雷达隐身技术

雷达隐形技术是一种不让雷达观测到的技术和方法，用于对付雷达侦察。这是一种最早出现、最常用的隐形技术，广泛应用于各种隐形武器上²

1)雷达隐形技术原理

雷达隐形技术原理是通过降低己方目标的雷达散射截面RCS,达到隐形目的.所谓目标的雷达散射截面RCS，就是定量表征目标散射强弱的物理量.目标的雷达散射截面RCS,越小，雷达接收能量越小，因而使敌方侦察雷达难于对己方目标作出正确的判断,从而达到隐形目的。(2)减少雷达散射截面的途径

一是采用材料隐形技术，即采用吸波材料或透波材料，使目标不反射或少反射雷达波，以降低目标的雷达散射截面RCS。雷达吸波材料是抑制目标镜面反射最有效的方法，早在二战后期，德国潜艇的潜望镜上就涂敷了吸波材料。这就是雷达隐形的初次尝试。现在吸波材料技术种类很多，一般采用铅铁金属粉、不锈钢纤维、石墨粉、铁氧体等具有特殊电磁性能的物质来制成，它们具有吸波雷达波的特性。吸波材料按其使用方法可分为涂料型和结构型。目前广泛使用的涂料型铁氧体吸波材料可大幅度降低反射回波。

二是采用外形隐形技术，即对己方的武器装备采用特殊的形状，以降低目标的雷达散射截面RCS。外形隐形技术历史不长，发展很快，应用十分广泛。目前已成为隐形技术中最重要和最有效的技术途径。所谓外形隐形技术，就是合理地设计武器装备的外形，以降低目标的雷达散射截面RCS；同时使目标的回波偏离侦察雷达的视向。

对飞行器而言，最重要的威胁方向通常是在鼻锥方向某一角度范围内，因此多以减小飞行器头部方向RCS为重点。由于外形技术与飞行器的气动性能直接相关，有时会影响其飞行速度和机动性等，因此二者必须进行折中处理。例如：隐形飞机F117A就是采用以外形技术为主、吸波材料为辅的隐形方案。其形状是一个前后缘不平行的复杂多面体，飞机大部分表面都后倾，与垂直方向呈大于30°角，并采用大后掠角机翼和V形双垂尾。这种奇特外形使F117A在飞行过程中，雷达上下散射，产生时隐时现的微弱回波，雷达很难探测到这些信号，这就大大降低了F117A的雷达散射截面RCS，提高了其隐形效果。

雷达反隐身技术

反隐身技术是研究如何使隐身措施的效果降低甚至失效的技术。雷达隐身是主要发展和使用的隐身技术，因此反雷达隐身也是当前重点发展的反隐身技术。

电磁隐形的核心问题在于降低RCS。因为RCS越小,雷达就越难对目标做出正确判断。削减 RCS的方法多种多样,但大体上不外乎隐身材料和外形设计这两大方向。因此 ,雷达反隐身技术的研究也不外乎围绕这两大方向来开展。

1.采用长波或毫米波雷达

长波雷达可以对付隐身飞机的外形调整设计及现用的RAM(雷达吸波材料),使得隐身飞机外形设计与RAM涂层厚度有难以实现的过高要求。目前发展很快的长波雷达是OTH(超视距)雷达,其工作波长达10m～60m(频率为 5MHz～28MHz),完全在正常雷达工作波段范围之外。这种雷达靠谐振效应探测大多数目标,几乎不受现有RAM的影响。毫米波雷达是反隐身技术的有效途径。由于频率为30 GHz, 94 GHz,140GHz的毫米波在目前隐身技术所能对抗的波段之外,同时毫米波雷达具有天线波束窄、分辨率高、频带宽、抗干扰力强并对目标细节反应敏感等特点,使得目标外形图像可在雷达荧屏上直接显示出来,因而具有反隐身能力。目前对长波或毫米波雷达主要研究解决如下问题: VHF雷达(频率160MHz～180MHz、波长1.65m～1.90m)在探测低飞目标或对付人工干扰时存在严重问题；OTH雷达提供的跟踪和定位数据不够精确;毫米波雷达(频率约为 94 GHz)探测概率不高。

2.采用双/多基地雷达

双 /多基地雷达系统是将发射机和接收机分臵在2个或2个以上不同的站址,其中包括地面、空中、海上或卫星等多种平台。利用远离发射机的接收机接收隐身飞机偏转的雷达波,从侧面探测隐身目标,并因无源而不会受到反辐射导弹的威胁。目前正在研究解决的主要问题是,不论是双站还是多站雷达,接收机都必须在发射波束的作用范围之内并与发射机精确同步。解决这个问题的一个办法是,采用广角天线并利用GPS。

3.采用无载频超宽波段雷达

无载频超宽波段雷达被称为“反隐身雷达”,无载频脉冲可覆盖 L、S、C等波段。产生这种脉冲的小型低功率雷达已广泛用于民用。目前,正是积极探索适用于防空的无载频超宽波段雷达,以及研究解决提高无载频超宽波段雷达平均功率和在没有载频引导下保证宽波段接收机能区分出噪声与目标回波的问题。

4.采用激光雷达和红外探测系统

由于隐身飞机主要是针对雷达电磁波隐身,其声、光、红外隐身效果较之雷达隐身相差很大,所以采用光学、红外、紫外探测器 ,可弥补雷达探测的缺陷。英国宇航公司曾将“轻剑” 雷达改装成光电跟踪系统,在6 km的距离上截获和跟踪了 B-2隐形轰炸机。目前正在研究解决的主要问题是 ,提高其作用距离以及在恶劣环境下的使用效能。

5.发展空基或天基平台雷达

隐身飞行器的隐身重点一般放在鼻锥方向±45°角范围内。因此,将探测系统安装在空中或卫星上进行俯视 ,可提高探测雷达截面较小目标的概率。美空军的 E-3A预警机和海军正在研制的“钻石眼”预警机以及高空预警气球,都能有效地探测隐身目标。美国还正在研制预警飞艇、预警直升机、预警卫星等。此外 ,俄罗斯、英国、印度等国都很重视发展预警机的工作。

中国在雷达反隐身技术上也取得了一定的突破。

中国曾展出过一款“谐振雷达”，据称，该雷达是一种新概念雷达，利用电磁谐振现象使目标回波信号增强10-100倍，可连续观察和跟踪飞机、隐身飞机、卫星、导弹等多种飞行目标和水面目标，有目标识别能力。成为入侵目标的克星，可以提供距离量程为600-2000公里的多种规格。

隐身技术与反隐身技术之间的竞争，最终将会使得两种技术相互促进，共同发展。任何一方的技术突破带来的失衡必然会导致另一方技术的奋起直追。技术上的领先和创新将是未来战争中出奇制胜的法宝。

第五篇：雷达原理大作业

雷达目标识别技术综述

1引言

目标识别是现代雷达技术发展的一个重要组成部分。对雷达目标识别的研究，在国内外已经形成热点，但由于问题本身的复杂性，以及多干扰信号，特别是多噪声干扰源存在的复杂电磁环境，雷达目标识别问题至今还没有满意的答案，尚无成熟的技术和方法。因此，对雷达目标识别技术的研究具有极其重要的军事应用价值。本文将对雷达自动目标识别技术进行简要回顾，讨论目前理论研究和应用比较成功的几类目标识别方法，以及应用于雷达目标识别中的模式识别技术，分析和讨论问题的可能解决思路。

2雷达目标识别模型

雷达目标识别需要从目标的雷达回波中提取目标的有关信息标志和稳定特征并判明其属性。它根据目标的后向电磁散射来鉴别目标，是电磁散射的逆问题。利用目标在雷达远区所产生的散射场的特征，可以获得用于目标识别的信息，回波信号的幅值、相位、频率和极化等均可被利用。对获取的目标信息进行计算机处理，与已知目标的特性进行比较，从而达到自动识别目标的目的。识别过程分成三个步骤：目标的数据获取、特征提取和分类判决。相应模型如图“所示。

整个识别过程可以分为两个阶段：训练（或设计）阶段和识别阶段。前者用一定数量的训练样本进行分类器的设计或训练，后者用所设计或训练的分类器对待识别的样本进行分类决策。

训练数据获取是对各已知目标进行测量，取得目标的训练数据。测试数据获取是获得未知种类目标的测量数据；测量数据的获得可采用目标的靶场动态测量、外场静态测量、微波暗室缩比模型等。特征提取模块从目标回波数据中提取出对分类识别有用的目标特征信息。特征空间压缩与变换模块对特征信息进行特征空间维数压缩与变换，得到具有高同类聚合性的训练样本进行分类器的设计。类间可分离性的特征。分类器设计模块根据已知类别目标分类模块完成对未知目标的分类判决。

3雷达目标识别技术回顾

雷达目标识别的研究始于”#世纪$#年代。早期雷达目标特征信号的研究工作主要是研究雷达目标的有效散射截面积。但是，对形状不同、性质各异的各类目标，笼统用一个有效散射截面积来描述，就显得过于粗糙，也难以实现有效识别。几十年来，随着电磁散射理论的不断发展以及雷达技术的不断提高，在先进的现代信号处理技术条件下，许多可资识别的雷达目标特征信号相继被发现，从而建立起了相应的目标识别理论和技术。近年来理论研究和实际应用比较成功的目标识别方法有以下4类。

3.1基于目标运动的回波起伏和调制谱特性的目标识别

这类方法大都基于目前广泛使用的雷达时域一维目标回波波形，抽取波形序列中包含的目标特征信息来实现目标分类。这类研究已获得一些成功应用。(1)利用目标回波起伏特性的识别

空中目标对低分辨力雷达来讲可以看作点目标，其运动过程中，目标回波的幅度相位随目标对雷达的相对姿态的不同而变化，根据目标回波的幅度与相位的变化过程，判断其形状，对复信息数据进一步分析，可以判断目标的运动情况(2)利用动态目标的调制谱特性的识别

动态目标如飞机的螺旋桨或喷气发动机旋转叶片、直升机的旋翼等目标结构的周期运动，产生对雷达回波的周期性调制。不同目标的周期性调制谱差异很大，因而可用于目标识别。详细分析了喷气发动机的调制现象，并建立了相应的数学模型，为利用JEM效应进行目标识别奠定了理论基础。

3.2基于极点分布的目标识别

目标的自然谐振频率又称为目标极点，“极点”和“散射中心”分别是在谐振区和光学区建立起来的基本概念。目标极点分布只决定于目标形状和固有特性，与雷达的观测方向（目标姿态）及雷达的极化方式无关，因而给雷达目标识别带来了很大方便。

除了直接求目标的极点外，由于目标的极点与目标的频率响应存在一一对应的关系，人们还研究了由目标的频域响应来识别目标的方法，典型方法有，从目标的频域响应来识别目标的方法；获取目标极点的频域Prony法；由于频域法的目标极点估算精度同样受到噪声和杂波的限制，具有改善作用的数据多重组合法被提出。

为避开需要实时地直接从含噪的目标散射数据中提取目标的极点，基于波形综合技术的目标识别方法被得到广泛重视。它将接收到的目标散射信号回波与综合出来的代表目标的特征波形进行数字卷积，再根据卷积输出的特征来判别目标。E-脉冲法、频域极大极小拟合匹配法等，都避开了直接提取目标极点，减小了运算量。

3.3基于高分辨力雷达成像的目标识别

借助高分辨力雷达对目标进行一维或二维距离成像，或采用合成孔径雷达或逆合成孔径雷达对目标成像得到二维雷达图像，可获取目标的形状结构信息。

由于一维距离像的获取相对简单，利用一维距离像进行目标识别的方法在;#年代以后被得到广泛重视和深入研究。基于一维距离像的目标识别方法，在舰船目标、坦克、车辆等地面目标、飞机目标识别中分别获得了较高的正确识别率。由于目标的一维距离像常会受目标之间、目标各散射点之间的相互干涉、合成等交叉项的影响，限制了识别率的提高，因而双距离像方法被提出并获得了较高的识别率。为改善目标识别的性能，可以将目标一维距离像与其它目标特征（如极化特征）相结合。对于基于二维雷达图像的目标识别，可利用图象识别技术来进行，这是目标识别领域中最为直观的识别方法，但是如何获得高质量的目标二维图像是进行目标识别的首先要解决的问题。

3.4基于极化特征的目标识别

极化是描述电磁波的重要参量之一，它描述了电磁波的矢量特征。极化特征是与目标形状本质有密切联系的特征。任何目标对照射的电磁波都有特定的极化变换作用，其变换关系由目标的形状、尺寸、结构和取向所决定。测量出不同目标对各种极化波的变极化响应，能够形成一个特征空间，就可对目标进行识别。极化散射矩阵（复二维矩阵）完全表征了目标在特定姿态和辐射源频率下的极化散射特性。对目标几何形状与目标极化特性的关系的研究结果表明，光学区目标的极化散射矩阵反映了目标镜面曲率差等精密物理结构特性。

经过近20年的发展，已经出现了许多种利用极化信息进行雷达目标识别的方法，其主要方法分为：

1）根据极化散射矩阵识别目标根据极化散射矩阵来识别目标是利用极化信息识别目标的基本方法。具体分为：根据不同极化状态下目标截面积的对比来识别目标；根据从目标极化散射矩阵中导出的目标极化参数集（极化不变量）来识别目标；根据目标的最佳极化或极化叉来识别目标。

由于不同姿态角下目标极化特性的改变，限制了根据极化散射矩阵及其派生参数识别目标的有效性，使之只能应用于简单几何形体目标，或与其它识别方法结合使用。

2)利用目标形状的极化重构识别目标对低分辨力雷达，不能区分目标上各个散射中心的回波，只能从它们的综合信号中提取极化特征，因而只能从整体上对简单形体的目标加以粗略的识别。

对高分辨力雷达，目标回波可分解为目标上各个主要散射中心的回波分量。对复杂形状目标的极化重构，就是利用高分辨力雷达区分出各个散射中心的回波，分别提取其极化信息。在对各个散射中心分别作出形状判断（可以利用目标的极化散射矩阵，或利用目标的缪勒矩阵中各个元素同目标形状的关系）后，依据其相对位置关系，组合成目标的整体形状。最后同已知目标数据库相比较，得到识别结果。

3)与成像技术相结合的目标识别结合SAR和ISAR成像，在相应雷达上加装变极化装置，从而可以利用极化信息或将极化信息与已有的图象识别技术相结合，对每一像素进行更有效的识别。

3.5各种特征识别方法对雷达的要求

不同的识别方法对雷达系统有着不同的要求。基于目标运动的回波起伏和调制谱特性的目标识别方法对雷达没有特殊的要求，它是在现有雷达的基础上，利用目标运动所引起的回波起伏特性和动态目标的调制谱特性，并结合雷达所能获取的目标空间坐标及运动参数（如目标高度、速度、航迹等）来进行目标识别，因而主要用于低分辨雷达的目标识别。

基于极点分布的目标识别方法可分为时域和频域方法。时域方法提取目标极点要求雷达的发射信号带宽足够宽，以保证由目标的瞬态响应中能够获得正确的目标极点；频域方法则要求雷达能够发射多种频率的电磁波以获取目标的频率响应。

基于高分辨力雷达成像的目标识别方法要求雷达不仅具有高的距离分辨力（对于一维距离像方法）而且具有高的角分辨力（对于二维距离像方法），这就要求采用宽带高分辨、合成孔径或逆合成孔径雷达。基于目标极化特征的目标识别方法要求雷达能够测量目标对不同极化方向的入射电磁波的极化散射特性、雷达具有变极化特性，这增加了雷达系统的复杂性，限制了其应用。

4用于雷达目标识别中的模式识别技术

进行雷达目标识别，必须依靠有效的目标特征分类技术（模式识别技术）。模式识别技术的发展为雷达目标识别的研究提供了有利的条件。统计模式识别方法、模糊模式识别方法、基于模型和基于知识的模式识别方法以及神经网络模式识别方法等在雷达目标识别中均有成功的应用。

4.1统计模式识别方法

统计模式识别是传统的模式识别方法，也是雷达目标识别中最常用到的特征分类方法，它是一种根据已知样本的统计特性来对未知类别样本进行分类的方法。其基本思想是用"维特征矢量表征目标模式，并通过对样本的学习，估计出特征矢量的概率分布密度函数，在某种最优准则下，利用特征矢量的统计知识来构造判别函数，从而在保证分类误差概率最小的条件下，对目标进行分类。

4.2模糊模式识别方法

在雷达目标识别中，由于噪声对目标背景的污染，目标信息转换过程中特征信息的随机交迭，目标信息随时间、距离、方位和姿态等因素的变化都可引起信息的模糊及目标特征的畸变，影响目标识别的效果。

在模糊集理论基础上发展起来的模糊模式识别技术，适于描述目标特征存在不同程度的不确定性。在目标识别过程中，模糊模式识别技术通过将数值变换提取的目标特征转换成由模糊集及隶属函数表征，再通过模糊关系和模糊推理等对目标的所属关系加以判定。

因此，模糊模式识别技术可以有效地完成一些传统模式识别中遇到的难题，近年来得到了广泛的研究。

4.3基于模型和基于知识的模式识别方法

基于模型的模式识别方法是用一种数学模型来表示从目标样本空间或特征空间中获取的、描述目标固有特性的各种关系准则。在建模过程中，除了利用目标的物理特性外，还运用了特征之间的符号关系准则，如特征随姿态角变化的规律等，因此，基于模型的的模式识别方法在一定程度上改善了传统的统计模式识别方法中信息利用率不高的缺点。目前也有不少人在致力于基于模型的目标识别方法的研究.基于知识的模式识别方法是结合人工智能技术的识别方法。它把人们在实践中逐步积累的知识和经验用简单的推理规则加以表述，并转换为计算机语言，利用这些规则可以获得与专家有同样识别效果的模式识别结果。

基于模型的方法常与基于知识的方法相结合，通过建立的目标模型库与相应的推理规则相结合完成目标的分类识别。

4.4神经网络模式识别方法

人工神经网络ANN和生物神经系统之间有着内在的联系，能够在有限领域内模拟人脑加工、存储与搜索信息的机制来解决某些特定的问题。它具有自适应、自组织、自学习能力，可以处理一些环境信息十分复杂、背景知识不清楚的问题，通过对样本的学习建立起记忆，然后将未知模式判为其最为接近的记忆。由于其自身的上述特点，模式识别是神经网络技术应用得最为广泛的领域之一。

由于雷达目标特征信息在模式空间中的分布常常极为复杂，要获得其先验统计知识并用传统的模式识别方法来实现目标识别很困难。ANN可以通过学习获得目标特征信号在模式空间中的分布，因此在目标识别的预处理、特征提取、模式分类的整个过程中均有初步的应用。近%1年来，ANN用于雷达目标识别得到了广泛的重视。

总之，先进的模式识别方法对于提高、改善雷达自动目标识别系统的性能将起到至关重要的作用，对它的进一步研究将具有重要的意义。