现代雷达系统分析与设计(陈伯孝)第12章
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现代雷达系统分析与设计(陈伯孝)第4章PPT课件
如果实信号
为信号x(t)的傅立叶变换)，定义其复解析
信号为
(4.1.7)
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其中U( f )为频域的阶跃函数。利用傅立叶变换的性质可得
其中，
(4.1.8) 的Hilbert变换式。
第10页/共325页
这样，由式(4.1.8)构成的复信号的频谱就可以满足式(4.1.7)的要求，
即使得原实信号的负频分量相抵消，而正频分量加倍。实信号x(t)的能量 和复解析信号sa(t)的能量分别为
常用的复信号表示，即实信号的复数表示有两种：希尔伯特(Hilbert) 变换表示法和指数表示法。对窄带信号来说，这两种表示方法是近似相同 的。
第8页/共325页
1.希尔伯特(Hilbert)
(4.1.6)
如果要求复信号具有单边频谱，那么就要对虚部有所限制。
本章首先给出雷达信号的数学表示及其分类；然后介绍模糊函数的概 念和雷达分辨理论，重点分析一些典型的常用雷达信号波形及其特征，并 讨论其参数的选取；接着介绍脉冲雷达的距离和多普勒模糊问题以及连续 波雷达的有关内容；最后介绍利用DDS技术产生常用雷达波形的原理和工 程实现方法，并给出本章主要插图的MATL AB程序代码。
带(通)信号。
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一个实带通信号可表示为 (4.1.3)
其中：a(t)为信号的幅度调制或包络，ψx(t)为相位调制项，f0为载频。 信号包络a(t)的变化与相位调制和载波相比为时间的慢变化过程。对于低 分辨雷达，在一个波位上发射的多个脉冲的目标回波的包络a(t)通常近似
认为不变。
第6页/共325页
的能量或有限的功率。能量有限的信号称为能量信号；能量无限但功率有 限的信号，称为功率信号。描述能量信号的频谱特性通常采用能量谱密度 (EnergySpectrumDensity，ESD)函数(实际应用中常用振幅谱 |S(ω)|)来描述；对于功率信号，则常用功率谱密度 (PowerSpectrumDensity，PSD)函数来描述。
现代雷达系统分析与设计陈伯孝
(4.1.9)
现代雷达系统分11析与设计陈伯孝
(4.1.10)
2.指数表示法
复解析信号在推导信号的一般特性时是有效的表示方式， 但在分析具体信号时又极不方便，故常采用指数形式的复信 号来代替复解析信号。
实信号用指数形式的复信号实部表示为
其中 形式，而
(4.1.11) 为实信号的复指数 为复信号的复包络。
(4.1.14)
现代雷达系统分18析与设计陈伯孝
(4.1.15)
由于噪声叠加在信号上的缘故，在测时(测距)和测频(测速)
时就会出现随机偏移真实值的情况。以有效时宽βt和有效带 宽βf来表示的时间测量和频率测量的均方根误差的近似式分 别为
(4.1.16)
现代雷达系统分19析与设计陈伯孝
(4.1.17)
现代雷达系统分27析与设计陈伯孝
4.2.1 模糊函数的定义及其性质 1.模糊函数的定义
模糊函数最初是为了研究雷达分辨率而提出的，目的是 通过这一函数定量描述当系统工作于多目标环境下，发射一 种波形并采用相应的滤波器时，系统对不同距离、不同速度 目标的分辨能力。换句话说，就是当“干扰目标”与观测目 标之间存在着距离和速度差别时，模糊函数定量地表示了 “干扰目标”(即临近的目标)对观测目标的干扰程度。
下面从分辨两个不同的目标出发，如图4.3所示，以最 小均方差为最佳分辨准则，推导模糊函数的定义式。
现代雷达系统分28析与设计陈伯孝
图4.3 目标环境图
现代雷达系统分29析与设计陈伯孝
雷达的发射信号通常为窄带信号，用复信号可表示为
(4.2.1) 其中u(t)为信号的复包络，f0为载频。
若采用理想的“点目标”模型，假设目标1和目标2的时 延分别为d和d＋τ，多普勒频移分别为f和f＋fd，且功率相同， 两个目标的回波信号可表示为
现代雷达系统分11析与设计陈伯孝
(4.1.10)
2.指数表示法
复解析信号在推导信号的一般特性时是有效的表示方式， 但在分析具体信号时又极不方便，故常采用指数形式的复信 号来代替复解析信号。
实信号用指数形式的复信号实部表示为
其中 形式，而
(4.1.11) 为实信号的复指数 为复信号的复包络。
(4.1.14)
现代雷达系统分18析与设计陈伯孝
(4.1.15)
由于噪声叠加在信号上的缘故，在测时(测距)和测频(测速)
时就会出现随机偏移真实值的情况。以有效时宽βt和有效带 宽βf来表示的时间测量和频率测量的均方根误差的近似式分 别为
(4.1.16)
现代雷达系统分19析与设计陈伯孝
(4.1.17)
现代雷达系统分27析与设计陈伯孝
4.2.1 模糊函数的定义及其性质 1.模糊函数的定义
模糊函数最初是为了研究雷达分辨率而提出的，目的是 通过这一函数定量描述当系统工作于多目标环境下，发射一 种波形并采用相应的滤波器时，系统对不同距离、不同速度 目标的分辨能力。换句话说，就是当“干扰目标”与观测目 标之间存在着距离和速度差别时，模糊函数定量地表示了 “干扰目标”(即临近的目标)对观测目标的干扰程度。
下面从分辨两个不同的目标出发，如图4.3所示，以最 小均方差为最佳分辨准则，推导模糊函数的定义式。
现代雷达系统分28析与设计陈伯孝
图4.3 目标环境图
现代雷达系统分29析与设计陈伯孝
雷达的发射信号通常为窄带信号，用复信号可表示为
(4.2.1) 其中u(t)为信号的复包络，f0为载频。
若采用理想的“点目标”模型，假设目标1和目标2的时 延分别为d和d＋τ，多普勒频移分别为f和f＋fd，且功率相同， 两个目标的回波信号可表示为
现代雷达系统分析与设计(陈伯孝)第6章
(6.2.6)
18
其中，Sstate为海情，海情包括海浪高度、周期、长度、 海流速度和风速等。例如，Sstate＝3表示中等海情，在这种海 情下，浪高大约在0.9144~1.2192 m，海浪的周期为6.5~4.5 s， 波浪的长度为1.9812~33.528 m，浪速为20.372~25.928 kmh， 风速为22.224~29.632 kmh。
根据雷达方程，在距离为R处的目标，雷达SNR为
(6.2.22)
36
其中，Pt是峰值发射功率，G是天线增益，λ是波长，σt 是目标RCS，k是波尔兹曼常数，T0是标准噪声温度，B是雷 达工作带宽，F是噪声系数，L是总的雷达损耗。
雷达的杂噪比CNR为
(6.2.23)
37
［例6-2］ MATLAB函数“clutter_rcs.m”：画出杂波 RCS和CNR与雷达斜距之间的关系图，其输出包括杂波 RCS(dBsm)和CNR(dB)。函数调用如下：
14
图6.2 杂波散射系数与擦地角的关系示意图
15
低擦地角的范围从0到临界角附近。临界角是由瑞利 (Rayleigh)定义为这样的一个角度：低于此角的表面被认为是 光滑的；高于此角的表面即可认为是粗糙的；在高擦地角区， σ0随擦地角增大的变化较大。设表面高度起伏的均方根值为 hrms，根据瑞利准则，当式(6.2.2)满足时可认为表面是平坦的， 即
40
图6.8 杂波RCS和CNR与斜距的关系图
41
6.2.2 体杂波
体杂波具有较大的范围，包括云雨、金属箔条、鸟群和 昆虫等的散射回波。体杂波散射系数通常用单位体积分辨单 元内的RCS平方米的dB数表示(dBm2m3)。鸟、昆虫及其它飞 行生物的回波被称为仙波(angel clutter)或生物杂波(biological clutter)。
18
其中，Sstate为海情，海情包括海浪高度、周期、长度、 海流速度和风速等。例如，Sstate＝3表示中等海情，在这种海 情下，浪高大约在0.9144~1.2192 m，海浪的周期为6.5~4.5 s， 波浪的长度为1.9812~33.528 m，浪速为20.372~25.928 kmh， 风速为22.224~29.632 kmh。
根据雷达方程，在距离为R处的目标，雷达SNR为
(6.2.22)
36
其中，Pt是峰值发射功率，G是天线增益，λ是波长，σt 是目标RCS，k是波尔兹曼常数，T0是标准噪声温度，B是雷 达工作带宽，F是噪声系数，L是总的雷达损耗。
雷达的杂噪比CNR为
(6.2.23)
37
［例6-2］ MATLAB函数“clutter_rcs.m”：画出杂波 RCS和CNR与雷达斜距之间的关系图，其输出包括杂波 RCS(dBsm)和CNR(dB)。函数调用如下：
14
图6.2 杂波散射系数与擦地角的关系示意图
15
低擦地角的范围从0到临界角附近。临界角是由瑞利 (Rayleigh)定义为这样的一个角度：低于此角的表面被认为是 光滑的；高于此角的表面即可认为是粗糙的；在高擦地角区， σ0随擦地角增大的变化较大。设表面高度起伏的均方根值为 hrms，根据瑞利准则，当式(6.2.2)满足时可认为表面是平坦的， 即
40
图6.8 杂波RCS和CNR与斜距的关系图
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6.2.2 体杂波
体杂波具有较大的范围，包括云雨、金属箔条、鸟群和 昆虫等的散射回波。体杂波散射系数通常用单位体积分辨单 元内的RCS平方米的dB数表示(dBm2m3)。鸟、昆虫及其它飞 行生物的回波被称为仙波(angel clutter)或生物杂波(biological clutter)。
现代雷达系统分析与设计(陈伯孝)第5章
11
表5.1 常用雷达信号处理方法
12
5.2 雷达回波信号模型
雷达接收信号可以表述为
x(t)＝S(t)＋N(t)＋C(t)＋J(t) (5.2.1)
其中S(t)为目标回波信号，常称为有用信号；N(t)为噪 声，包括接收机内部噪声及其天线和外部环境噪声；C(t)和 J(t)分别为杂波和干扰。
13
雷达杂波是指自然环境中不需要的回波，即传播路径 中客观存在的各种“不需要”物体散射的回波信号。杂波 包括来自地物、海洋、天气(特别是雨)、鸟群等的回波。 在较低的雷达频率，电离的流星尾迹和极光的回波也能产 生杂波。干扰是指人类活动过程中所发出的电磁波对雷达 的影响。它包括两种类型：一类是人为有意造成的，其目 的是为了影响雷达的正常工作而实施的敌对活动所发出的 电磁波信号；另一类是人类活动过程中所发出的电磁波无 意识地对雷达工作造成的影响，
8
(3)高效的空间搜索能力。 (4)良好的空间分辨能力，主要措施有：①尽可能地增 大天线的功率孔径积，提高角分辨能力；②改进测角方式， 提高角度测量精度；③使用距离波门(时域滑窗)进行距离 跟踪，减小多目标在频域的混叠；④使用大带宽信号和脉 冲压缩技术，提高距离分辨能力；⑤采用频率滤波，提高 速度分辨能力；⑥通过合成孔径，提高方位分辨能力；⑦ 两幅天线干涉合成，提高俯仰角分辨能力。
10
基于DSP、FPGA或ASIC相结合的并行高速信号处理实现 方式。尽管DSP芯片已由单核发展到双核甚至多核，例如： 德州仪器公司开发的TMS320C67XX包括6个内核，我国中 电集团第三十八研究所自主开发的高性能DSP芯片 (BWDSP100)有4个乘法器，但对一些需要同时完成数百个 甚至数千个乘法运算的场合，DSP的运算能力仍不能满足 要求，就需要采用FPGA或ASIC设计更多的乘法器运算模 块。
表5.1 常用雷达信号处理方法
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5.2 雷达回波信号模型
雷达接收信号可以表述为
x(t)＝S(t)＋N(t)＋C(t)＋J(t) (5.2.1)
其中S(t)为目标回波信号，常称为有用信号；N(t)为噪 声，包括接收机内部噪声及其天线和外部环境噪声；C(t)和 J(t)分别为杂波和干扰。
13
雷达杂波是指自然环境中不需要的回波，即传播路径 中客观存在的各种“不需要”物体散射的回波信号。杂波 包括来自地物、海洋、天气(特别是雨)、鸟群等的回波。 在较低的雷达频率，电离的流星尾迹和极光的回波也能产 生杂波。干扰是指人类活动过程中所发出的电磁波对雷达 的影响。它包括两种类型：一类是人为有意造成的，其目 的是为了影响雷达的正常工作而实施的敌对活动所发出的 电磁波信号；另一类是人类活动过程中所发出的电磁波无 意识地对雷达工作造成的影响，
8
(3)高效的空间搜索能力。 (4)良好的空间分辨能力，主要措施有：①尽可能地增 大天线的功率孔径积，提高角分辨能力；②改进测角方式， 提高角度测量精度；③使用距离波门(时域滑窗)进行距离 跟踪，减小多目标在频域的混叠；④使用大带宽信号和脉 冲压缩技术，提高距离分辨能力；⑤采用频率滤波，提高 速度分辨能力；⑥通过合成孔径，提高方位分辨能力；⑦ 两幅天线干涉合成，提高俯仰角分辨能力。
10
基于DSP、FPGA或ASIC相结合的并行高速信号处理实现 方式。尽管DSP芯片已由单核发展到双核甚至多核，例如： 德州仪器公司开发的TMS320C67XX包括6个内核，我国中 电集团第三十八研究所自主开发的高性能DSP芯片 (BWDSP100)有4个乘法器，但对一些需要同时完成数百个 甚至数千个乘法运算的场合，DSP的运算能力仍不能满足 要求，就需要采用FPGA或ASIC设计更多的乘法器运算模 块。
《现代雷达系统分析与设计》
《现代雷达系统分析与设计》
近年来，随着科技的发展，雷达系统已经成为一种重要的技术，它可以提供准确的信息，以帮助决策者做出正确的决定。
现代雷达系统的分析和设计是一个复杂的过程，它需要考虑到多种因素，包括技术、经济和社会因素。
首先，在分析和设计现代雷达系统时，必须考虑技术因素。
这些因素包括雷达系统的类型、功能、性能、可靠性和成本。
这些因素将决定系统的最终效果。
其次，在分析和设计现代雷达系统时，必须考虑经济因素。
这些因素包括系统的成本、可行性和可持续性。
最后，在分析和设计现代雷达系统时，必须考虑社会因素。
这些因素包括系统的安全性、可靠性和可接受性。
因此，现代雷达系统的分析和设计是一个复杂的过程，它需要考虑到技术、经济和社会因素。
在分析和设计现代雷达系统时，必须考虑这些因素，以确保系统的最终效果。
只有通过综合考虑这些因素，才能确保系统的最佳性能。
现代雷达系统分析与设计(陈伯孝)第7章
(2)欺骗性干扰，是指使敌方电子 设备或操作人员对所接收的信号真假 难辨，以至产生错误判断和错误决策 的干扰。欺骗干扰的方式隐蔽、巧妙 ，且多种多样。欺骗干扰效果示意图 如图7.2所示。
• 图7.2 欺骗干扰效果示意图
的空间位置关系。按照雷达、目标、
干扰机的空间位置关系，可将干扰信 号分为远距离支援干扰(SOJ)、随队 干扰(ESJ)、自卫干扰(SSJ)和近距离 干扰(SFJ)。
备简单。此外，由于其Bj宽，便于同 时干扰频率分集雷达、频率捷变雷达
和多部不同工作频率的雷达。其缺点
是在Br内的干扰功率密度低。
成周期性间断的强干扰，扫频范围较 宽，也能干扰频率分集雷达、频率捷 变雷达和多部不同工作频率的雷达。
扫频式干扰的扫频频率(或扫频速 率)应大于雷达的脉冲重复频率。同时 ，考虑到雷达系统的反应时间，扫频 速度不能过快，即干扰频带扫过接收 机带宽的时间应大于或等于接收机的 响应时间(约等于接收机带宽的倒数) 。
实施无源干扰。出于自身安全的考虑 ，进入危险区域时的ESJ常由无人驾 驶飞行器担任。
近距离干扰(SFJ)：干扰机到雷达 的距离领先于雷达到目标的距离，通 过辐射干扰信号掩护后续目标。由于 距离领先，干扰机可获得宝贵的预先 引导时间，使干扰信号频率对准雷达 频率，主要采用遮盖性干扰。距离越 近，进入雷达接收机的干扰能量越强 。由于自身安全难以保障，SFJ主要 由投掷式干扰机和无人驾驶飞行器担 任。
干扰严重影响雷达的工作，主要 体现在
(1)使雷达接收机饱和，妨碍雷达 正常工作；
(2)极大地降低雷达的威力范围；
特征，然后介绍雷达的常用抗干扰措 施。重点介绍抗干扰的信号处理方法( 如旁瓣对消、旁瓣匿隐等)及其性能； 简单介绍频率捷变抗干扰技术。最后 介绍反舰导弹末制导雷达基于谱特征 的箔条干扰识别方法。
• 图7.2 欺骗干扰效果示意图
的空间位置关系。按照雷达、目标、
干扰机的空间位置关系，可将干扰信 号分为远距离支援干扰(SOJ)、随队 干扰(ESJ)、自卫干扰(SSJ)和近距离 干扰(SFJ)。
备简单。此外，由于其Bj宽，便于同 时干扰频率分集雷达、频率捷变雷达
和多部不同工作频率的雷达。其缺点
是在Br内的干扰功率密度低。
成周期性间断的强干扰，扫频范围较 宽，也能干扰频率分集雷达、频率捷 变雷达和多部不同工作频率的雷达。
扫频式干扰的扫频频率(或扫频速 率)应大于雷达的脉冲重复频率。同时 ，考虑到雷达系统的反应时间，扫频 速度不能过快，即干扰频带扫过接收 机带宽的时间应大于或等于接收机的 响应时间(约等于接收机带宽的倒数) 。
实施无源干扰。出于自身安全的考虑 ，进入危险区域时的ESJ常由无人驾 驶飞行器担任。
近距离干扰(SFJ)：干扰机到雷达 的距离领先于雷达到目标的距离，通 过辐射干扰信号掩护后续目标。由于 距离领先，干扰机可获得宝贵的预先 引导时间，使干扰信号频率对准雷达 频率，主要采用遮盖性干扰。距离越 近，进入雷达接收机的干扰能量越强 。由于自身安全难以保障，SFJ主要 由投掷式干扰机和无人驾驶飞行器担 任。
干扰严重影响雷达的工作，主要 体现在
(1)使雷达接收机饱和，妨碍雷达 正常工作；
(2)极大地降低雷达的威力范围；
特征，然后介绍雷达的常用抗干扰措 施。重点介绍抗干扰的信号处理方法( 如旁瓣对消、旁瓣匿隐等)及其性能； 简单介绍频率捷变抗干扰技术。最后 介绍反舰导弹末制导雷达基于谱特征 的箔条干扰识别方法。
现代雷达系统分析与设计(陈伯孝)第9章资料
元相比较，目标具有小的尺寸，目标本身的散射特点不能分辨
出来。分布式散射体或目标的尺寸比雷达分辨单元大，从而使 各个散射体得以辨认。雷达的分辨能力通常(但不总是)决定着
目标是当作点目标还是当作分布式目标来考虑。一个复杂的目
标含有多个散射体，复杂的散射体可以是点散射体也可以是分 布式散射体。
9
1.点目标的测量
进行连续跟踪，并且提供较高的数据率。该类雷达主要应用于
导弹制导武器系统，对飞机目标或导弹目标进行跟踪，其数据 率通常在每秒10次以上。
5
(2)自动检测与跟踪(ADT)。这种跟踪是空域监视雷达的主 要功能之一。几乎所有的现代民用空中交通管制雷达和军用空 域监视雷达中都采用了这种跟踪方式。数据率依赖于天线的扫 描周期(周期可从几秒到十几秒)，因此，ADT的数据率比STT 低，但ADT具有同时跟踪大批目标的优点(根据处理能力一般 能跟踪几百甚至几千批次的目标)。与STT雷达不同的是它的天 线位置不受处理过的跟踪数据的控制，跟踪处理是开环的。 (3)边跟踪边扫描(TWS)。在天线覆盖区域内存在多个目标
就点目标而言，只进行一次观察就可做出的基本雷达测量 包括距离测量、径向速度测量、方向(角度)测量和特殊情况下 的切向速度测量。 (1)距离测量。第1章中曾提到距离是根据雷达信号到目标
的往返时间TR获得的，即距离R＝cTR /2。远程空中监视雷达的
距离测量精度可达几十米，但采用精密系统可达几厘米的精度 雷达按信号所占据的谱宽进行测量是精确距离测量所要求的基
仰角和速度，然后利用这些参数进行滤波，实现对目标的跟踪，
同时还可以预测它们下一时刻的值。
2
参数测量精度是一个重要的性能指标，在某些雷达(如精 密测量、火控跟踪和导弹制导等雷达)中测量精度是关键指标。 测量精度表明雷达测量值和目标实际值之间的偏差(误差)大小， 误差越小则精度越高。影响一部雷达测量精度的因素是多方面 的，例如不同体制雷达采用的测量方法不同，雷达设备各分系 统的性能差异，以及外部电波的传播条件等。混杂在回波信号 中的噪声和干扰是限制测量精度的基本因素。 目标的信息包含在雷达的回波信号中。在一般雷达中，对
现代雷达系统分析与设计(陈伯孝)第6章
43
对散射特性处于瑞利区的雨滴，可以用理想小球的瑞利近似 式来估计雨滴的RCS。若不考虑传播媒介的折射系数，雨滴 的RCS的瑞利近似为
(6.2.24) 其中，k＝2π/λ，r为雨滴的半径。 设η为每单位体积的RCS，它可用单位体积内所有独立散 射体RCS的和来进行计算，
如前所述，金属箔条是敌方的一项ECM技术。它由大量 具有大的RCS值的偶极子反射体组成。
42
早期的金属箔条由铝箔组成，然而近年来，多数金属箔条由 表面具有导电性且刚性更好的玻璃纤维构成。当偶极子反射 体长度L是雷达波长的一半时，由于谐振效应使得金属箔条 具有非常大的RCS值。
气象或雨杂波要比金属箔条杂波更容易抑制，因为雨滴 可以被认为是理想的小球。
(6.2.6)
18
其中，Sstate为海情，海情包括海浪高度、周期、长度、 海流速度和风速等。例如，Sstate＝3表示中等海情，在这种海 情下，浪高大约在0.9144~1.2192 m，海浪的周期为6.5~4.5 s， 波浪的长度为1.9812~33.528 m，浪速为20.372~25.928 kmh， 风速为22.224~29.632 kmh。
19
图6.3 粗糙表面的定义
20
在低擦地角的杂波一般称为漫散射杂波，在此区域的雷 达波束内有大量的杂波回波(非相干反射)。在平坦区域，σ0和 擦地角的依赖关系较小；而在高擦地角区域，杂波更多的是 镜面反射(相干反射)，此时漫散射杂波成分消失，这与低擦 地角情形正好相反。
21
1.机载雷达区域杂波的雷达方程
28
图6.6 地基雷达杂波几何关系图
29
为了计算式(6.2.11)给出的总的杂波的RCS，首先需要分 别计算主瓣和旁瓣对应的杂波区域的面积。为了便于计算， 设几何关系如图6.7所示。角度θA和θE分别表示方位和垂直维 的3 dB波束宽度；雷达高度(从地面到天线相位中心)由hr表示， 目标高度由ht表示；目标斜距是R，其在地面上的投影为Rg； 距离分辨率是ΔR，其在地面的投影为ΔRg；主瓣杂波区的面 积由AMBc表示，旁瓣杂波区的面积由ASLc表示。
对散射特性处于瑞利区的雨滴，可以用理想小球的瑞利近似 式来估计雨滴的RCS。若不考虑传播媒介的折射系数，雨滴 的RCS的瑞利近似为
(6.2.24) 其中，k＝2π/λ，r为雨滴的半径。 设η为每单位体积的RCS，它可用单位体积内所有独立散 射体RCS的和来进行计算，
如前所述，金属箔条是敌方的一项ECM技术。它由大量 具有大的RCS值的偶极子反射体组成。
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早期的金属箔条由铝箔组成，然而近年来，多数金属箔条由 表面具有导电性且刚性更好的玻璃纤维构成。当偶极子反射 体长度L是雷达波长的一半时，由于谐振效应使得金属箔条 具有非常大的RCS值。
气象或雨杂波要比金属箔条杂波更容易抑制，因为雨滴 可以被认为是理想的小球。
(6.2.6)
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其中，Sstate为海情，海情包括海浪高度、周期、长度、 海流速度和风速等。例如，Sstate＝3表示中等海情，在这种海 情下，浪高大约在0.9144~1.2192 m，海浪的周期为6.5~4.5 s， 波浪的长度为1.9812~33.528 m，浪速为20.372~25.928 kmh， 风速为22.224~29.632 kmh。
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图6.3 粗糙表面的定义
20
在低擦地角的杂波一般称为漫散射杂波，在此区域的雷 达波束内有大量的杂波回波(非相干反射)。在平坦区域，σ0和 擦地角的依赖关系较小；而在高擦地角区域，杂波更多的是 镜面反射(相干反射)，此时漫散射杂波成分消失，这与低擦 地角情形正好相反。
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1.机载雷达区域杂波的雷达方程
28
图6.6 地基雷达杂波几何关系图
29
为了计算式(6.2.11)给出的总的杂波的RCS，首先需要分 别计算主瓣和旁瓣对应的杂波区域的面积。为了便于计算， 设几何关系如图6.7所示。角度θA和θE分别表示方位和垂直维 的3 dB波束宽度；雷达高度(从地面到天线相位中心)由hr表示， 目标高度由ht表示；目标斜距是R，其在地面上的投影为Rg； 距离分辨率是ΔR，其在地面的投影为ΔRg；主瓣杂波区的面 积由AMBc表示，旁瓣杂波区的面积由ASLc表示。
现代雷达系统分析与设计(陈伯孝)第5章
对抗措施
针对无源干扰的特点，采取适当的对抗措施，如提高雷达信 号处理能力、优化雷达工作参数、采用多站雷达协同探测等 ，以提高雷达在无源干扰环境下的探测性能。
复合干扰识别与对抗措施
复合干扰识别
当雷达同时受到多种类型的有源和无源干扰时，需要综合运用信号分析、特征提取和分类识别等方法 ，对复合干扰进行识别。
现状
现代雷达技术已经相当成熟，具有高分辨率、高灵敏度、多功能等特点。同时， 随着人工智能、大数据等技术的融合应用，雷达正朝着智能化、网络化方向发展 。
雷达系统组成与功能
组成
雷达系统主要由发射机、天线、接收机、信号处理机、终端显示设备等组成。其中，发射机负责产生高频电磁波； 天线用于电磁波的辐射和接收；接收机负责接收回波信号；信号处理机对回波信号进行处理以提取目标信息；终 端显示设备用于显示目标信息。
对抗措施
针对复合干扰的特点，采取综合的对抗措施，如综合运用有源和无源干扰对抗技术、采用自适应抗干 扰算法、优化雷达系统结构等，以提高雷达在复合干扰环境下的探测和抗干扰能力。
05
雷达性能评估方法
探测性能评估指标
探测距离
雷达能够探测到的目标的 最远距离，是评估雷达探 测性能的重要指标。
探测精度
雷达对目标位置、速度等 参数的测量精度，直接影 响雷达的探测性能。
利用信号处理技术对雷达回波信号进行参 数估计，如距离、速度、角度等，为后续 的目标识别和跟踪提供准确的信息。
恒虚警率检测
在复杂环境中，通过自适应调整检测 门限，保持恒定的虚警率，以提高雷 达的检测性能。
杂波抑制技术
01
02
03
动目标显示
通过相减或滤波等方法， 抑制地物杂波，提高运动 目标在雷达图像中的可见 度。
针对无源干扰的特点，采取适当的对抗措施，如提高雷达信 号处理能力、优化雷达工作参数、采用多站雷达协同探测等 ，以提高雷达在无源干扰环境下的探测性能。
复合干扰识别与对抗措施
复合干扰识别
当雷达同时受到多种类型的有源和无源干扰时，需要综合运用信号分析、特征提取和分类识别等方法 ，对复合干扰进行识别。
现状
现代雷达技术已经相当成熟，具有高分辨率、高灵敏度、多功能等特点。同时， 随着人工智能、大数据等技术的融合应用，雷达正朝着智能化、网络化方向发展 。
雷达系统组成与功能
组成
雷达系统主要由发射机、天线、接收机、信号处理机、终端显示设备等组成。其中，发射机负责产生高频电磁波； 天线用于电磁波的辐射和接收；接收机负责接收回波信号；信号处理机对回波信号进行处理以提取目标信息；终 端显示设备用于显示目标信息。
对抗措施
针对复合干扰的特点，采取综合的对抗措施，如综合运用有源和无源干扰对抗技术、采用自适应抗干 扰算法、优化雷达系统结构等，以提高雷达在复合干扰环境下的探测和抗干扰能力。
05
雷达性能评估方法
探测性能评估指标
探测距离
雷达能够探测到的目标的 最远距离，是评估雷达探 测性能的重要指标。
探测精度
雷达对目标位置、速度等 参数的测量精度，直接影 响雷达的探测性能。
利用信号处理技术对雷达回波信号进行参 数估计，如距离、速度、角度等，为后续 的目标识别和跟踪提供准确的信息。
恒虚警率检测
在复杂环境中，通过自适应调整检测 门限，保持恒定的虚警率，以提高雷 达的检测性能。
杂波抑制技术
01
02
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动目标显示
通过相减或滤波等方法， 抑制地物杂波，提高运动 目标在雷达图像中的可见 度。
现代雷达系统分析与设计(陈伯孝)第4章
(4.2.2)
31
于是，两个目标回波的均方差可表示为
(4.2.3) 作变量代换，令 并将
和
用2E代换，上式可简化为
32
(4.2.4) 将上式中积分项定义为
(4.2.5)
33
这就是模糊函数的表达式。可见射频信号st(t)的模糊函数取 决于其复包络u(t)的模糊函数。式(4.2.4)可改写为
(4.2.6) 考虑到分辨目标一般是在检波之后进行，式(4.2.6)表明： χ(τ，fd)为两个相邻目标回波信号的均方差提供了一个保守的 估计。也就是说，χ(τ，fd)是决定相邻目标距离—速度联合分 辨率的唯一因素。
37
利用帕塞瓦尔(Parseval)定理及傅立叶变换性表示的模糊函数称为模糊函数图，它全面表达 了相邻目标的模糊度。为方便起见，有时也常用模糊度图来 表示模糊函数，它是幅度归一化模糊函数图在某一高度上
(如－6 dB)的二维截面图，也称为模糊椭圆。
24
图4.2 雷达信号波形分类
25
按照信号的模糊函数形式来划分，雷达信号有四种类型： A类——正刀刃型、B1类——图钉型、B2类——剪切刀刃型， C类——钉床型(见表4.4)。显然，从信号分辨特性的角度来 考虑，按照信号的模糊函数来分类是雷达中最为合理的一种 分类方法。 雷达有各种不同的用途，如预警雷达、监视雷达、搜索 与跟踪雷达、导航雷达等。不同用途的雷达往往采用不同的 信号形式。多用途的雷达通常有多种可用的信号波形，可根 据需要随时予以更换，以达到最佳的工作效果。综合雷达的
(4.1.8)
其中，
的Hilbert变换式。
11
这样，由式(4.1.8)构成的复信号的频谱就可以满足式 (4.1.7)的要求，即使得原实信号的负频分量相抵消，而正频 分量加倍。实信号x(t)的能量和复解析信号sa(t)的能量分别为
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③若采用M=64个脉冲相干积累，计算要求的辐射峰值功
率Pt。
44
根据雷达方程，单个脉冲回波信号的信噪比为 M个脉冲相干积累后的信噪比为
(12.3.16)
则要求的辐射峰值功率为
45
(12.3.17) 经计算得(Pt)dB=12.4966(dBW)，即 若取Pt=25W，目标回波相干积累前、后的信噪比SNR与
声的功率之比(CNR、SNR、SIR)。假设风速的均方根值σv为
0.32m/s，采用2脉冲、3脉冲或4脉冲MTI进行杂波抑制，计算 改善因子。
22
根据式(6.2.21)可以计算得到目标分别为导弹、飞机时进入 雷达的杂波RCS，如图12.5所示。可见，杂波的RCS在负几分 贝到10 dB/sm左右。图12.6分别给出了导弹和飞机单个脉冲回 波的CNR、SNR、SIR(信号与杂波加噪声的功率之比)。可见， 导弹目标在50 km处的SIR约为－10dB，要达到15 dB的检测 SIR的要求，需要采取措施抑制杂波。
的一般流程如图12.1所示。雷达的战术技术指标在第1章已经
介绍过，各分系统指标在第2章已经介绍过，这里不再复述。 下面结合案例进行介绍。
3
图12.1雷达系统的一般设计流程
4
12.2某地面制导雷达系统设计
设计一部地面制导雷达，要求检测高度分别为7 km和2 km 的飞机和导弹，对飞机和导弹的最大探测距离分别为50 km和 90km。假定飞机的平均RCS和导弹的平均RCS分别是6 dBsm (σa=4 m2)和-10 dBsm,雷达工作频率f=3 GHz。假定雷达采用抛
距离的关系曲线如图12.10所示。
46
图12.10SNR与距离的关系曲线
47
(5)给出所采用信号的匹配滤波函数h(t)及其频谱H( f )。比 较加窗(主副瓣比35 dB)和不加窗时的脉冲压缩结果，分析主瓣 宽度、SNR损失。 发射信号的复包络见式(12.3.1)
物面天线，方位波束宽度小于3°的扇形波束，在方位维进行
5
ΘA=360°的机械扫描，扫描速率是2 s圈。假定噪声系数F=6 dB，总的损失因子L=8 dB,检测门限是SNR=15 dB(检测概率 Pd=0.99，虚警概率Pfa=10-7)。在搜索模式下距离分辨率是75 m。 如图12.2所示，要求对目标的最小拦截距离Rmin=30 km。
(12.3.1)
其中a(t)=1,(|t|≤τ′/2)为矩形脉冲函数，τ′是脉冲宽度。
33
线性调频信号的模糊函数为
(12.3.2) 当fd=0时，距离模糊函数为
(12.3.3)
34
当τ=0
(12.3.4) 图12.9分别给出了这些模糊图及其等高线图。
35
图12.9模糊图
36
(2)计算天线的有效面积Ae和增益G。
6
图12.2雷达及其威胁的几何关系
7
Step1确定脉冲重复频率、天线的孔径和单个脉冲的峰值 功率 根据距离分辨率是ΔR=75 m的要求，可以计算出所要求的 带宽B=c (2ΔR)=2 MHz，发射脉冲宽度为τ=0.5 μs。从图12.2知，
(12.2.1)
(12.2.2)
8
因此，取仰角覆盖范围ΘE=11°，雷达的搜索区域为
(12.3.7)
38
接收机输入端的最大信号(即1dB增益压缩点输入信号)功 率电平为 (12.3.8) 接收机最大输出信号功率电平为
(12.3.9)
因此，接收机的增益为Pout － 1 － Pin － 1=10 －(－
41)=51(dBm)。
39
②接收机前端到A/D输入端的噪声功率为 PnR=－101 dBm+51 dBm= － 50dBm，折算到R=50Ω的A/D输入 阻抗上的均方噪声电压为
根据最小作用距离Rmin≥15 km，可得雷达的最大脉冲宽度
18
(12.2.16) 由式(12.2.13)知，若采用窄脉冲，发射的峰值功率太大。 若单个脉冲的峰值功率不超过20 kW，则最小脉冲宽度为
(12.2.17)
因此，选取发射脉冲宽度τ=80μs，搜索和跟踪模式的调频
带宽分别为B=2 MHz和B=20 MHz，Tr=1 ms，τ/Tr=0.08，满足 工作比小于10%的要求。
算目标回波相干积累前、后的信噪比SNR与距离的关系曲线
(考虑信号处理总的损失5 dB)。
43
①天线扫描速度v=60°/s，天线波束宽度θ3 dB=6°，在每 个波位驻留时间tint=θ3dB/v=6/60=0.1 s
(12.3.15) 若要求发现概率Pd=90%，虚警概率Pfa=10-6，查表得到 上述检测性能要求的最小信噪比为SNRo，min＝12.5 dB。
第12章雷达系统设计案例
12.1 12.2
12.3
12.4
1
设计一部雷达是一个非常复杂的过程。本章先简单概述雷 达系统设计的一般流程，然后分别介绍某地面雷达、末制导雷 达、阵列雷达的设计案例，在这些案例介绍过程中侧重雷达信 号处理方面的设计。重点介绍前两个案例，最后一个案例给出 了某阵列雷达实测数据的分析结果，具体设计过程及其计算机 仿真留给读者练习。
(12.2.22)
(12.2.23)
27
12.3某末制导雷达系统设计
某弹载末制导雷达系统要求：不模糊探测距离为80 km； 工作比不超过20%；波长λ=3 cm；天线等效孔径D=0.25 m(直 径)；噪声系数F=3 dB；系统损耗L=4 dB；天线波束宽度θ3 dB=6°；目标的RCS的σ=1500 m2。弹目之间的相对运动关系
29
图12.7弹目之间的相对运动关系
30
图12.8接收信号处理流程
31
表12.1在搜索和跟踪工作模式下的波形参数
32
(1)采用线性调频脉冲信号，推导信号的模糊函数，并给出 |χ(τ，fd)|、|χ(τ，0)|、|χ(0，fd)|的图形，|χ(τ，fd)|的-4dB切割等高 线图。 线性调频信号的复包络可表示为
(12.2.9)
12
即所要求的单个脉冲的SNR为
(12.2.10) 因此，检测导弹和飞机所对应的单个脉冲的能量分别为
(12.2.11)
13
(12.2.12) 因此，若脉冲宽度为0.5μs，对两种目标类型都满足的 单个脉冲检测要求的峰值功率为
(12.2.13)
14
考虑7个脉冲进行积累的雷达方程为
23
图12.5杂波的RCS
24
图12.6单个脉冲回波的CNቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ、SNR、SIR
25
根据上面确定的雷达参数：fr=1000 Hz，天线扫描速率 Tscan=2 s，波束宽度θa=1.33°，杂波的谱宽的均方根值为
(12.2.18)
(12.2.19) 因此，杂波谱总的均方根带宽为
26
(12.2.20) 采用2脉冲、3脉冲或4脉冲MTI进行杂波抑制，改善因子 分别为 (12.2.21)
19
Step4若两个目标的最小距离间隔为150m，仿真验证对多 个目标的分辨能力。结合仿真分析脉压对SNR的改善,设计脉 冲压缩处理方案。 假设两个目标的距离分别为75 km和75.15 km，输入SNR 均为0 dB，图12.4给出了脉压的仿真结果，其中图(a)给出了脉 压输入信号的实部，图(b)给出了脉压匹配滤波信号的实部，图 (c)给出了脉压输出结果，图(d)为图(c)的局部放大。由此可见， 雷达能够较好地分辨这两个目标。脉压处理后，两个目标的
(12.3.11)
(12.3.12)
41
A/DC对系统噪声系数的恶化量为ΔFA/D=10 lg(M+1)－10 lg(M)=2.1165(dB),显然ΔFA/D太大，是不能容忍的。因此，该 A/DC不合适。 (ii)选取14位A/D变换器AD9244时，实际A/D的SNR为70 dB，则A/D的均方噪声电压以及其与输入阻抗上的均方噪声电 压的比值M为
2
12.1雷达系统设计的一般流程
雷达设计首先是由需求方根据雷达的任务，确定雷达的工 作频段和工作频率范围；然后根据雷达的战术技术指标，确定 雷达的体制和主要技术；再对雷达的总体指标进行计算，确定 分系统的性能指标，并对分系统进行设计、加工、测试；最后 对雷达整机进行调试、测试、外场检飞试验等。雷达系统设计
(12.2.3) 天线必须具有扇形波束，所以，使用类似抛物面的矩形 天线。考虑机动性的要求，选择天线的有效面积为Ae=2.25 m2， 若孔径效率为ρ= 0.8，得到天线的物理孔径面积为
(12.2.4)
9
天线的增益为
(12.2.5) 由于仰角波束宽度为θe=ΘE=11°，根据
(取k=1)
(12.2.6)
(12.3.10) A/D的均方噪声电压为 SNR为A/D的信噪比(可以从器件手册上查到)。
40
根据中频正交采样定理，要求A/D的采样频率 且大于2B。因此，取fs=48 MHz。 考虑选取两种不同位数的A/D变换器： (i)选取12位A/D变换器AD9042时，实际A/D的SNR为62dB， 则A/D的均方噪声电压为
如图12.7。目标航速Vs=15 m/s，导弹运动速度Va=600 m/s，目
标航向与弹轴方向之间的夹角为
28
α′=30°，目标偏离弹轴方向的角度为β=1°，则在舰船位置P， 导弹对目标视线与目标航向的夹角α=α′+β。从t=0时刻开始， 导弹从O向O′位置运动，目标从P向P′位置运动,在该时刻导弹 运动方向与目标的夹角为βi。其接收信号处理流程如图12.8所 示。雷达采用LFM信号，在搜索和跟踪工作模式下的波形参数 见表12.1。
(12.3.13)
42
(12.3.14) A/DC对系统噪声系数的恶化量为ΔFA/D=0.4(dB)。 (4)若天线在±45°范围内搜索，扫描速度为60°/s，可积 累的脉冲数N=？若要求发现概率Pd=90%，虚警概率Pfa=10－6， 达到上述检测性能要求的SNR＝？在搜索状态，若采用64个脉 冲相干积累，计算要求的辐射峰值功率Pt=？若取Pt=25W，计