雷达系统 信号处理

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H () C S ()e jt0 这里设任意常数 C C e jc
幅频特性关系: 相频特性关系: 输出信号频谱:
H () S() C H () S () t0 c So () C S () 2 e jt0
(n k 1 ~ N)
N k 次积累后,其幅度值增加了 N k 倍,即:
实现了相参积累
P (N k) cA
• 相参积累的FFT实现
现在的问题是: fd 不知道,故权也不能确定 解决方法:试探法
取:
fd

N
0 K
1 T
, N
1 K
1 T
,
N
2 K
1, T
N
3 K
本节主要介绍雷达信号检测与参数估计的基本实现方 法。
2.雷达信号处理的原理
• 雷达简化原理框图
r(n)
(某距离单元)
信号处理机对经基带采样后的数字基带接收信号进行处理。
• 典型雷达信号处理原理框图
雷达信号处理主要包括MTI、MTD、求模、CFAR等多个环节(以后 可看到,还包括脉冲压缩),每个环节前(除求模外)均需要进行 1帧数据的乒乓存储。
• MTI是慢时间域的处理(采样间隔为T) • 需要对不同距离单元进行相同的处理 • MTI处理的物理与数学模型
下图r(n)为数字基带接收信号(某距离单元)
二次对消MTI
• MTI处理前的数据
MTI处理后的数据 k+1 k+2
经k次对消后会减少k个脉冲数据。 图中的数据和右侧序号是k=1的(即一次对消)的情况。
NK 8
4
5.求模处理
• 求模后的存储数据:
求模后的数据为目标回波信号幅度的距离-速度分布。
以第j个距离单元的A(i)为例:表示目标幅度为A(i),目标距离在第j个
距离单元,目标多普勒频率为
i 1 NK T

6.CFAR(恒虚警处理)
• CFAR:对上面求模后的二维数据(即目标回波信号幅度的距离—速 度分布)与适当的门限进行比较,从而完成目标检测与参数估计, 形成点迹数据输出。
• MTD也是慢时间域的处理:采样间隔为T,采样点数为N-K=L • MTD的处理算法:按距离单元进行相参积累
重画MTD处理前的存储数据:
k+1 k+2
以某距离单元为例:
n=k+1~N
为频率为 fd 的复正弦信号,其幅度为 cA ,相参积累算法
取权值:
w(n) e j 2 fd (n1)T e j 2 fd kT
rs ( )
s(t)s(t )dt

可见,匹配滤波器输出就是 s(t) 的相关函数(时间上有 t0延迟) 幅度上相差常数 C 。
rs (t)
so (t)
t0
t
so (t)

t
t0
时刻达到最大,即

S N
O在
t0
时刻达到最大。
(b)匹配滤波器的频域匹配理解
匹配滤波器的频率响应 H ()与信号频谱 S() 的关系:
3.最佳滤波问题求解
按下列步骤解最佳滤波问题:
设滤波器的冲击响应和频率响应分别为 h(t) 和 H ,并选 择适当的时刻 t0;
求输出信号 s0 t 在 t0 时刻的功率 Ps 。
Ps s0 (t0 ) 2
1
2
S ()H ()e jt0 d
2
对于离散信号,即 x(n) s(n) n(n) ,其中 n(n) 为离散 白噪声,可以证明,其匹配滤波器的冲击响应为
h n C s*(n0 n)
其中 n0 为选定的某适当整数。
匹配滤波器的进一步理解
(a)匹配滤波器的时域理解
匹配滤波器的冲击响应与输出信号 s(t ) 的关系
雷达系统
主要内容
一、雷达信号处理初步
二、雷达波形与模糊函数简介
三、脉冲压缩雷达
四、脉冲多普勒雷达
五、相控阵雷达
六、其它补充内容
• 雷达数据处理 • 超视距雷达 • 多基地雷达 • 连续波雷达
第一章 雷达信号处理初步
主要内容
I. 基带信号的概念 II. 雷达信号处理的实现 III. 信号检测的基本理论 IV. 恒虚警处理
2.最佳滤波问题
x(t) s(t) n(t)
滤波器
y(t) s0 (t) n0 (t)
h(t)
H ()
其中 s(t) 为(雷达接收)信号,n(t) 为白噪声,经滤波处理 后,其输出响应分别是 s0 (t) 和 n0(t) 。
求滤波器的冲击响应 h(t) 及对应的频率响应 H (),使 s0 (t) 的功率与 n0 (t) 的功率之比在某选取的时刻 t0 为最大。
(各模块详见下图)
• 典型雷达信号处理原理框图(MTI和MTD部分)
• 典型雷达信号处理原理框图(求模,CFAR部分)
存储数据与数字基带信号的关系
以单目标回波信号为例
设脉冲重复周期为:T
基带采样电路,将模拟基带接收信号变为数字基带接收信号。 采样间隔为距离单元宽度=脉冲宽度。
3.MTI处理
解决方法:基带处理
即:将射频信号变到基带信号再进行处理。 对基带信号的要求:
• 不丢失信息 • 便于采样和处理
2.基带信号
基带信号的其他名称:复包络信号、零中频信号、正交双 通道信号。
射频信号、解析信号和基带信号的频谱关系:
射频信号、解析信号和基带信号的时域表达式:
(t) a(t)sin(t) 不能由 I (t)的希尔伯特变换得到
III. 信号检测的基本理论
——最佳滤波与最佳检测理论
1.最佳滤波的概念
检测:(雷达接收)信号淹没在噪声中,雷达检测信号(目标) 的步骤:先滤波以提高信噪比,在与适当门限比较检测信号。

最佳滤波:这里是指使滤波后输出信号的信噪比( S )在某 一已知时刻达到最大。(还有其他滤波准则) N0
举例:前面讨论的脉冲串信号的处理(滤波)方法是最佳的吗?
脉冲重复周期 PRF 1 10kHz
T
载频 f0 10GHz
即离散多普勒序号=3
设CFAR处理后,在第 j 20个距离单元,第 i 32 个多普勒单元 检测到信号(即超过门限),则:
该目标的距离百度文库 R 20 c 3000m;
该目标的多普勒频率为:
2 fd

N
i


N0 H () 2 d 4
即:
1

S N
0

2
S () 2 d

N0 2
2E N0
其中, E为信号能量
上式等式成立的充要条件为:
此时有
H C S e jt0 *
C S* e jt0
图中,s(t) 为输入信号,n(t)为白噪声。当 h(t) 和 H () 与输 入信号满足下列等式时:
h t C s*(t0 t) H C S* e jt0
称该滤波器为匹配滤波器,式中 t0 为选定的某适当值。
显然,匹配滤波器是以输出信噪比最大为最佳准则的最佳滤 波器。
• 处理算法:若某个数超过门限,判为有目标,同时得到目标距离、 速度,当然还有目标方位(即当时天线指向)和目标幅度。 CFAR后的存储数据(以单目标为例,图中1表示有目标):
例某雷达:
帧长度(即脉冲串个数) N 66
MTI为二次对消,即 K 2
对消后脉冲数 N K 64
脉冲宽度 1s ,脉冲重复周期 T 100s ,距离单元 t 1s
(图见下页)
T A
A
kA
t0
射频信号、解析信号和基带信号的频谱关系:
A kA
kA
II. 雷达信号处理的实现
1.信号处理的概念
一般来说:所有对信号进行的变换都是信号处理 雷达信号处理的两个主要内容: 通过对信号的变换,实现信号检测与参数估计 信号检测:发现目标 信号估计:测量目标参数,包括距离、方位、速度等
N0 2
H () 2
输出噪声功率 Pn 为:
Pn

1
2

Pno ()d

N0
4

2
H () d

求输出信号的信噪比
1
2
S ()H ()e jt0 d


S N
0

Ps Pn

2

N0

2
H () d
4
根据许瓦兹不等式:
P(x)Q(x)dx 2

2
P(x) dx
Q(x) 2dx



且上式成立的充要条件为 Q(x) C P(X ) 其中, C 为常数(实或复)
有:
1

S N
0

4 2
S () 2 d H () 2 d
h(t) C s(t0 t)
输出信号so (t)为:
so (t) h(t) s(t)

h(t )s( )d
C

s[t0

(t

)]s(
)d
C
s( )s[

(t t0 )]d
注意到 s(t) 的相关函数表达式:
其中 S() 为 s(t) 的傅立叶变换。
求输出噪声 n0 (t)( t t0 时刻)的功率 Pn :
设输入噪声 n(t) 的功率谱密度为 N0 ,
2
其功率谱密度函数
Pni ()
为:Pni ()
N0 2
输出噪声 n0 (t) 的功率谱密度函数 Pno () 为:
Pno () Pni () H () 2
3.雷达信号举例
常规射频脉冲信号及基带信号 发射信号: xT (t) a(t) cos(2 f0t 0 )
接收信号: xR (t) ka(t t0 ) cos[2 f0 (t t0 ) 2 fd (t t0 ) 0' ]
ka(t t0 ) cos[2 f0 (t t0 ) 2 fd (t t0 ) 0 ]
• MTI处理的作用 MTI滤波器的频率特性(以一次对消为例)
X ( fd )
可见:MTI滤波器可抑制多普勒频率为0的回波信号,即可抑制 固定目标回波,例如地面雷达的地杂波。 以某距离单元为例,MTI前后r(n)和y(n)的表达式为:
y(n)与r(n)相比,仅是幅度与相位的差别。
4.MTD处理
FFT
y(N)
P(0) P(1) P(2)
P(N-K-1)
进行FFT运算后的存储数据:
以K=1,N-K=8为例,对第j个距离单元的数据y(2)~y(9)进行FFT, 便可得到P(0)~P(7)。 即:
• MTD的作用:频谱分析,相参积累
可用FFT窄带滤波器组的频率特性来解释(以N-K=8为例)
1 T
,L
,
N K 1 1 NK T
共N-K个离散频率值
共可得到 N-K 组权,利用每组权,可计算出P(0)~P(N-K-1) 一般来说N-K为2的整数次方,如:N-K=8,32,64…..等。
… …
利用FFT可同时计算出P(0)~p(N-K-1)
y(k+1) y(k+2) y(k+3)
K
1 T

32 64
10

5kHz

该目标速度为: v

fd
2

3 *102 2
5000 75 m
s
最后输出目标点迹给显示终端进行数据处理和显示。 点迹一般是一个数据包,包括下列信息:目标个数,每个目标的 距离,每个目标的方位与俯仰角(当时天线指向),每个目标的 速度,每个目标的回波信号幅度(求模后的值),及其他属性信 息。
即:
N-k个 权系数

w(k 1) e j2 fd 0T 1
w(k 2) e j2 fd 1T w(k 3) e j2 fd 2T
w( N ) e j 2 fd ( N k 1)T
k
k
k
积累前,每个取样取得模均为 cA ,即:
y(n) cA
I. 基带信号的概念
1.射频信号
射频信号均为带通实信号
例:典型雷达发射(接收)信号为N个频射脉冲带:
射频信号的一般频谱曲线: 例:下图为雷达发射信号的频谱(N=1):
射频信号的特点:
• 为带通实信号:电子系统使用的信号
• 不便数字信号处理 不便数字采样:频率高,从而要求采样速率高 不便数字处理:采样速率高,从而要求处理速度高
h t C s*(t0 t)
即:只有当滤波器的冲击响应及对应的频率响应分别为上面 的 h(t) 和 H () 时,输出信噪比可以达到最大,这就是最佳滤波 器的解。
4.匹配滤波器
定义
x(t) s(t) n(t)
h(t), H ()
y(t) s0 (t) n0 (t)
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