新体制航海雷达目标探测性能分析

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分类号UDC密级新体制航海雷达目标探测性能分析潘春年指导教师索继东职称教授学位授予单位大连海事大学申请学位级别硕士学科(专业)论文完成日期信息与通信工程(通信与信息系统)2011．5论文答辩日期20曼盟答辩委员会主席 TheTargetDetectionPerformanceAnalysisOfNewSystemMarineRadarAthesisSubmittedtoDalianMaritimeUniversityInpartialfulfillmentoftherequirementsforthedegreeofMasterofEngineeringPanChunnianInformationandCommunicationEngineering(CommunicationandInformationSystem)ThesisSupervisor：ProfessorSuoJidongJune2011 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明．原创性声明．本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，撰写成博／硕士学位论文==堑签剑魃渔重达旦拯拯型蛙能坌拯：。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，’均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。学位论文作者签名：学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》(中国学术期刊(光盘版)电子杂志社)、《：中国学位论文全文数据库》(中国科学技术信息研究所)等数据库中，并以电子出版物形式出版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。本学位论文属于：保密口在——年解密后适用本授权书。不保密口(请在以上方框内打“√一)论文作者签名：角躏、f年多夥∥日 中文摘要摘要随着雷达技术的进步和日益复杂海况条件的要求，以脉冲磁控管雷达为代表的传统航海雷达技术体制已成为制约航海雷达技术发展的瓶颈。脉冲压缩技术体制、调频连续波技术体制等新体制航海雷达技术的研究已经成为当前乃至未来一段时期内航海雷达领域研究和发展的主要方向。本文主要针对新体制航海雷达的目标探测性能进行分析和研究，通过对雷达信号特征的分析，工作原理以及目标探测技术的研究，依靠仿真实验的方法从分辨率、主副比、信噪比损失、信号检测性能等多方面分析新体制航海雷达在目标探测性能上的特性。本文的研究内容主要有：首先，对传统脉冲雷达的工作原理进行研究，根据雷达方程，分析在不同目标截面积和不同发射信号功率时，雷达的探测距离与输出信噪比的关系，利用仿真实验的方法分析了传统脉冲磁控管在雷达脉冲积累下的目标检测性能。其次，对包括大时带积信号产生原理、雷达模糊函数、几种常用的脉冲压缩信号在内的脉冲压缩雷达技术体制的信号特征进行分析，研究脉冲压缩雷达的工作原理和目标探测技术，在MATLAB平台下，仿真分析发射不同脉压信号时应用匹配滤波技术、加窗技术及动目标检测技术对静止和运动目标的探测效果。然后，对包括对称三角线性调频连续波差拍信号及其模糊函数在内的调频连续波雷达的信号特征进行分析，研究线性调频连续波雷达的工作原理和目标探测原理，分析距离．速度耦合现象。并在点目标和多目标，静止目标和运动目标等多种情况下对雷达的目标探测性能进行仿真分析。最后，对新旧体制航海雷达的目标探测性能进行总结与对比，在提出本文不足的同时，给出进一步工作的方向。本文的研究工作和结果，分析了新体制航海雷达在目标探测方面的某些特性。对今后雷达体制方面问题的研究有一定的参考意义和使用价值。关键词：传统脉冲磁控管雷达；脉冲压缩；线性调频连续波；目标探测 英文摘要ABSTRACTWiththeprogressofradartechnologyandtherequirementofincreasinglycomplexseacondition，thetraditionalmarineradartechnologysystemwhichisrepresentedbythepulsemagnetronradarhasbecomethebottleneckofthedevelopmentofmarineradartechnology．ThetechnologyresearchofnewsystemmarineradarsuchaspulsecompressionsystemandFMCWtechnologysystemhasbecomethemaindirectionofresearchanddevelopmentinthefieldofmarineradarincurrentandevenfutureperiod．Thispapermainlyaimsattheanalysisandresearchofthenewsystemmarineradar’Stargetdetectionperformance，throughtheanalysisonthecharacteristicsofradarsignal，andtheresearchonworkingprincipleandtechnologyoftargetdetection，relyingthemethodofsimulation，analyzesthenewsystemmarineradarinthecharacteristicsoftargetdetectionperformancefromresolution，RMS，SNRlossandsignaldetectionperformanceetc．Themaincontentofthispaperare：Firstly,thispaperresearchestheworkingprincipleoftraditionalpulseradar,andaccordingtOtheradarequation，analyzestherelationshipofradardetectionrangeandSNRindifferentRCSanddifferentemissionsignalpower．Targetdetectionperformanceofconventionalpulsemagnetronradarinpulseaccumulationisanalyzedthroughthemethodofsimulation．Secondly,thesignalcharacteristicsofpulsecompressionradarsystemareanalyzed，whicharelargetime-bandwidthsignal，radarambiguityfunctionandseveralcommonpulsecompressionsignals．Theworkingprincipleandtargetdetectionperformanceofpulsecompressionradararcresearched．UndertheplatformofMATLAB，thedaectionresultsforstationaryandmovingtargetwhentransmittingsignalswithdifferentpulsearesimulated，usingmatchedfilteringtechnology,windowfunctiontechnologyandMTDtechnology．Afterwards，thesignalcharacteristicsofLFMCWradarsystemareanalyzed，whicharesymmetricaltriangularLFMCWbeatsignalanditsambiguityfunction．TheworkingprincipleandtargetdetectionperformanceofLFMCWradararcresearched，andtherange-velocitycoupledphenomenonisanalyzed．Thetargetdetectionperformanceof 英文摘要radarisanalyzedbasedonpointtargetsandmulti-objective，statictargetsandmovingtargetsetc·Finally,thispapersummarizesandcontraststhetargetdetectionperformanceofthenewandoldsystemofmarineradar,andthenpointsouttheshortageofthisthesis，atthesametime，givesthedirectionoffurtherwork．Thestudyandresultofthispaperhavegivencertaincharacteristicsofthenewsystemmarineradar'stargetdetectionperformance，andhavesomereferencevalueandusevalueforfutureresearchOilradarsystem．KeyWords：Traditionalpulsemagnetronradar；Pulsecompression；LFMCW：Targetdetection 目录目录第l章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．11．1课题的背景和意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11．2传统脉冲磁控管雷达的弊端⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．21．3新体制航海雷达研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯31．3．1脉冲压缩雷达技术体制的发展与研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．31．3．2线性调频连续波雷达技术体制的发展与研究现状⋯⋯⋯⋯．．41．4论文的研究内容和结构安排⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6第2章传统脉冲磁控管雷达⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．72．1传统脉冲磁控管雷达原理的研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯72．1．1传统脉冲磁控管雷达工作原理研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．72．1．2传统脉冲磁控管雷达目标探测技术研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．82．2传统脉冲磁控管雷达目标探测性能计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．122．3本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．16第3章脉冲压缩雷达⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．173．1脉冲压缩雷达信号特征分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯173．1．1大时宽带宽乘积信号⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．173．1．2雷达模糊函数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．203．2几种常用的脉冲压缩信号分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．213．2．1线性调频脉冲压缩信号⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．213．2．2非线性调频脉冲压缩信号⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯253．2．3相位编码脉冲压缩信号⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．273．3脉冲压缩雷达的信号处理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．303．3．1脉冲压缩雷达的基本工作原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．303．3．2脉冲压缩雷达目标探测技术研究⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．313．4脉冲压缩雷达目标探测性能的分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯．373．4．1对静止目标的探测分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．373．4．2对运动目标的探测分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．423．5本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．45第4章线性调频连续波雷达⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．464．1线性调频连续波雷达信号特征分析⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．46 目录4．1．1对称三角线性调频连续波雷达差拍信号分析⋯⋯⋯⋯⋯．．464．1．2对称三角线性调频连续波信号模糊函数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯504．2线性调频连续波雷达的信号处理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5l4．2．1线性调频连续波雷达的基本工作原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．514．2．2线性调频连续波雷达目标探测技术研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯534．3线性调频连续波雷达目标探测性能的分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯564．4本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．58第5章总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯60参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯62致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯66研究生履历⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．67 新体制航海雷达目标探测性能分析第1章绪论1．1课题的背景和意义从1935年法国的“诺曼底"号率先安装航海雷达至今，航海雷达的发展和应用已经走过了近80年的历程【¨。随着科学的发展，技术的进步，以及海况条件日益复杂，使航船对航海雷达各方面性能的要求不断提高。近些年，保证航海雷达足够高的目标检测性能以及较强的海杂波抑制能力成为海用雷达设计者们面临的新挑战【21。本课题根据现有研究结果的理论基础，主要针对新体制航海雷达的目标探测性能进行具体、全面的分析研究。长久以来，受成本和技术制约，民用航海雷达主要采用脉冲磁控管雷达。而传统脉冲磁控管雷达的许多缺点已经越来越不适应现代航海技术的发展。当前，包括客户需求、法规调整、成本效益、环境变化、技术革新在内的五大因素无时无刻不在推动着航海雷达技术体制的变革f列。为了适应变革，谋求航海雷达新的发展，以脉冲压缩雷达技术、调频连续波(FMCw)雷达技术为主的新体制雷达技术不断成熟和完善，使得国际知名的雷达厂商已经逐渐将这些技术由军事应用转向民用化，且逐渐应用于航海雷达设备上，航海雷达领域的传统格局也正在逐步改变。当前，广大航海雷达用户对航海雷达的要求主要体现在三方面：1．在降低雷达价格方面；2．融多功能软件化雷达信息系统平台的应用和易操作方面【4J；3．在改善目标检测性能方面，着重体现在改善海杂波环境下小目标的检测能力、高海情检测能力及低虚警检测能力方面【5】o为满足以上三方面要求：1．一直困扰新体制航海雷达普及的价格因素随着技术的成熟和生产规模的扩大，元器件成本在不断下降，导致雷达价格也有较大幅度下降；2．计算机技术的不断深化与普及也使得多功能软件化雷达信息系统平台的开发更加集成和易操作【6l；3．在目标检测能力方面，新体制航海雷达在军用领域的突出表现早已得到了广泛认可。作者在查阅文献的过程中发现，在国内的文献中，早期发表的期刊、论文的阐述多集中在传统脉冲雷达体制的改进方法上。而随着航海雷达技术体制的不断发展和完善，近些年发表的期刊和论文大都围绕新体制雷达技术展 第1章绪论开，但绝大多数只是单一的对脉冲压缩技术体制或调频连续波技术体制进行研究，几乎没有人同时将传统脉冲雷达体制和脉冲压缩技术体制、调频连续波技术体制进行统筹的分析、研究和对比。因而不能从整体上给予未来航海雷达技术发展足够的启示和引导。综上所述，本论文旨在通过对脉冲压缩雷达和线性调频连续波雷达技术体制进行理论研究的基础上，运用仿真实验的手段对新体制雷达的目标探测性能进行分析研究，并与传统脉冲磁控管雷达进行对比和总结。归纳出其在信号特征、探测距离、输出信噪比、目标探测性能等方面的技术传承与革新，以促进新体制航海雷达进一步的普及和应用。1．2传统脉冲磁控管雷达的弊端自雷达被发明以来，采用何种形式的发射信号，并为其寻找合适的信号发射源就一直困扰着雷达设计者们。由于磁控管价格低廉，而且是一种高效的功率发生器和高功率过度时间振荡器，在当时是作为传统脉冲雷达脉冲源的最优选择。另外，磁控管发射机能够产生上升沿和下降沿时间都非常小的窄脉冲信号，有助于提高目标分辨力和减小杂波回波[7,81。随着滤波技术和目标检测技术的不断发展，传统脉冲雷达又配以智能杂波滤除技术和脉冲积累技术，使其对目标的探测性能有了一定程度的改善。但在客观环境日益复杂和主观需求日益增多的大背景下，传统航海雷达一直沿用的单载频非相参脉冲、方位机械扫描体制的不足和缺陷也逐渐体现出来，这些缺陷一方面严重制约和束缚了人们对航海雷达各个技术领域的探索；另一方面也刺激了新体制、新技术雷达的研制和开发。下面，从五个方面对传统脉冲磁控管雷达的弊端进行分析和研列9m】：(1)存在盲区。传统脉冲雷达的最小作用距离是由发射信号脉冲宽度和波束垂直宽度决定的。即在脉冲发射期间，雷达不能接收回波信号，且在波束上下沿外的目标，不能被雷达波照射。以上两种情况中范围大的，即为雷达最小作用距离。小于最小作用距离的范围即为雷达盲区，随着发射脉冲波束宽度和扫描周期等因素影响的变化，其雷达工作盲区也会有相应的变化。 新体制航海雷达目标探测性能分析(2)近距离目标模糊。传统脉冲雷达容易在最小作用距离附近产生近距离目标模糊。这一弊端在港口、码头等作业繁忙区域，存在很大的安全隐患。(3)受海浪雨雪等天气因素干扰较大。传统脉冲雷达受其自身发射波形、工作特点等因素的影响，受海杂波和特殊海况天气影响较大，轻则影响观察，重则会淹没目标回波，为船舶航行带来很大的不便和隐患【12】。(4)磁控管需要预热时间。磁控管工作前需要对其阴极灯丝预热2—3分钟后再加高压，否则，在阴极附近不能形成大最的空间电荷会导致正离子直接撞击阴极使管子损坏。(5)磁控管使用寿命低。磁控管的使用寿命一般以小时计算，且长短不一。它主要受以下三方面因素影响：1．磁控管生产成本和质量问题；2．运输、安装、拆卸等过程中的机械损伤问题；3．实际使用中，不合理配置磁控管各类工作电压引起的损坏等问题；4．管子经长期工作后，阴极电子发射量降低也容易使管子失效1131。1．3新体制航海雷达研究现状1．3．1脉冲压缩雷达技术体制的发展与研究现状脉冲压缩的概念最早始于第二次世界大战初期，但由于外部环境因素和技术实现上的困难，直到20世纪60年代初，该技术才开始用于超远程警戒和远程跟踪雷达中。20世纪70年代以来，由于理论上的成熟和技术实现手段日臻完善，使得脉冲压缩技术广泛用于相控阵、三坐标、火控、侦察等雷达，在明显改进了雷达性能的同时也使脉冲压缩技术有了快速的进步和长足的发展。因此，为了突出其重要意义，通常把采用此种技术的雷达称为脉冲压缩雷达【14,15】。并且在雷达技术理论确立之后，脉冲压缩雷达技术与合成孔径雷达技术、数字信号处理技术并称为雷达技术领域中最重要的三项创新发展。脉冲压缩技术主要包括脉冲压缩信号的设计、信号的产生和处理这三个方面内容。而实现脉冲压缩主要有两方面关键技术：一是在发射端寻找有效的大时带积信号产生方法；二是在接收端实现脉冲压缩的匹配滤波处理。从理论上讲，寻找有效的大时带积信号产生方法可以通过在信号的时域和频域上对信号进行频率或相位的调制来获得。从硬件条件来讲，随着信号发射装置的革新，雷达设计者 第1章绪论们也将逐步摒弃传统脉冲雷达的磁控管发射源配置，取而代之的是固态发射机，该发射机更有利于低功率宽脉冲信号的调制。而脉冲压缩匹配滤波处理，主要体现在雷达接收机对信号处理方面的应用，设计与选择更适合的匹配滤波器，将是其功能实现的关键。脉冲压缩技术体制使雷达可同时满足发射宽脉冲所达到的能量和发射窄脉冲所得到的距离分辨率，因此，在高功率雷达领域被广泛应用。同时，也应用于合成孔径雷达(SAR)和逆合成孔径雷达(ISAR)的成像系统中，以获得可与其横向距离分辨率相比拟的总的距离分辨率。近些年，随着高分辨率雷达和SAR技术的发展，对脉冲压缩技术又提出了新的挑战。例如，如何利用数字方式实时完成百兆级甚至千兆级带宽的脉冲压缩；如何检测被旁瓣淹没的弱小目标信号，都是该技术当前急需解决的问题f161。1．3．2线性调频连续波雷达技术体制的发展与研究现状从概念上讲，连续波体制雷达是一种依靠发射连续波信号来获得探测目标的距离、速度等信息的雷达。其发展历史与传统脉冲磁控管雷达相近，但由于发射机、信号收发隔离、距离速度耦合等关键技术问题上的限制导致其发展明显落后于脉冲体制雷达。而今，随着其诸多关键技术的成功实现，连续波体制雷达以其独特的技术优势越来越受到重视和发展。尤其是线性调频连续波(LFMClw)雷达，不仅在军事领域得到了广泛的应用，在民用雷达领域也逐渐占据了一席之地。特别是在航海雷达领域，线性调频连续波雷达在距离分辨率以及近距离探测上的显著优点使其在vrS系统中得到越来越广泛的应用1171。纵观该体制雷达发展历史，早期的LFMCW雷达在接收端采用差拍频率计方式，只能用做单目标测距，大多应用于雷达高度表中。直到上世纪八十年代中期，荷兰TechnisheHogeschoolDelft大学的LEIjghtlhart等人对包括信号模糊函数、距离分辨率、接收机灵敏度等问题进行了分析，以将其用应用在气象观测研究中【堋。同时，美国的R．B．Chadwick等人在U．S．AirForce的资助下，对LFMCW雷达中由旁瓣和距离．速度耦合引起的距离串扰等问题进行了研究【191。随后，德国UniversitistatderBundeswehr大学的W．Knapp、荷兰TechnisheHogeschoolDelft大 新体制航海雷达目标探测性能分析学的LP．Liglltlhart等人联合进行了该体制雷达近距离杂波抑制问题的研究【20刎。德国Univ．Erlagen的S．Osterrieder、美国BoeingAerosp．Corp的P．Jones等人对LFMCW雷达的动目标显示问题进行了探索性研究【22'23】。上世纪八十年代末，国外学者们又在连续波雷达体制、脉冲雷达体制以及自适应波束形成、极化、逆合成孔径等一些相关技术相结合的方面进行了尝试性研列24’251。进入上世纪九十年代，又将线性调频连续波雷达的独特优点与毫米波技术相结合，研制出了毫米波线性调频连续波雷达，其可靠性得到进一步提高的同时其成本和体积却大幅度下降，加快了该体制雷达的应用。特别是近几年，随着数字信号处理设备的飞速发展，出现了FFr代替模拟窄带滤波器组结构的微型数字信号处理器，使其在接收端采用差拍傅里叶结构，进一步缩小了该体制雷达设备的体积，减少了设备量，将其更多地应用于高分辨率近距离多目标的复杂环境。表1．1是将世界著名雷达生产厂商西姆拉德(SIM黜也)公司生产的BR．24型线性调频连续波雷达与同类型传统脉冲雷达的主要技术性能的比较。直观地表现出了线性调频连续波雷达的技术优势【冽。表1．14KW脉冲雷达与BR．24线性调频连续波雷达技术性能比较Tab．1．14KWpulseradar＆BR-24LFMCWradar等待发最近探发射安全操汰信号波形发射机射时间测距离功率作距离脉冲．磁传统4KW脉冲雷达脉冲信号180s30m4000w3s控管固态．半BR．24连续波雷达连续波信号(Is2m0．1w(Is导体另外，线性调频连续波雷达在时间上全覆盖的特点及其所具有的高测距功能，使得该体制雷达在广域搜索探测领域也具有相当广阔的应用前景。正因如此，目前美国正在依据该技术开展现代化“电子篱笆’’的改造研究。随着固态微波和毫米波器件的发展，线性调频连续波雷达已经采用全固态化甚至全集成化结构，更将促进其不断的革新和发展。 第1章绪论1．4论文的研究内容和结构安排本文主要对以脉冲压缩雷达和线性调频连续波雷达为代表的新体制航海雷达目标探测性能进行研究，并通过与传统脉冲磁控管雷达目标探测性能的综合分析，阐述新体制航海雷达必将替代传统脉冲磁控管雷达的趋势。论文共分五章，具体结构安排如下：第1章绪论。讨论本课题提出的背景和研究意义，阐述了传统脉冲磁控管雷达的弊端，及以脉冲压缩体制和调频连续波体制为代表的新体制雷达技术的发展与研究现状。最后，介绍了论文的研究内容和结构安排。第2章传统脉冲磁控管雷达。研究了航海雷达领域沿用至今的传统脉冲磁控管雷达的工作原理及其目标探测能力，研究了雷达方程及发现概率和虚警概率等衡量雷达探测性能的主要参数，分析了用于提高传统脉冲雷达探测性能的主要方法，即脉冲积累法。最后对雷达方程，发现和虚警概率及脉冲积累提高雷达输出信噪比等内容进行了具体的仿真分析。第3章脉冲压缩雷达技术体制。首先论述了应用于脉冲压缩雷达的大时带积信号的信号特征和产生方法，并对雷达模糊函数的定义和性质进行了具体的推导和论证。接着对脉冲压缩雷达中常用的几种信号形式进行了分析。研究了脉冲压缩雷达工作原理，并对匹配滤波技术、加窗技术和动目标检测技术进行了研究和分析。最后从静止目标和运动目标两方面对其目标探测性能进行了实验仿真。第4章线性调频连续波雷达技术体制。首先针对该体制雷达应用的差拍信号进行信号特征分析和模糊函数的推导与仿真，然后对其工作原理及其在单目标和多目标，静止或运动情况下所采用的探测技术进行研究。最后对该体制雷达中存在的距离．速度耦合问题和多目标运动情况下使用的MTD技术的处理过程进行了实验分析。第5章总结。对航海雷达性能进行总结与对比，并对论文的不足和下一步研究的方向进行分析阐述。 新体制航海雷达目标探测性能分析第2章传统脉冲磁控管雷达2．1传统脉冲磁控管雷达原理的研究2．1．1传统脉冲磁控管雷达工作原理研究传统脉冲磁控管雷达主要由天线、发射机、接收机、信号处理机和终端设备等五部分组成【14l。其发射机为直接振荡式(即磁控管振荡器)，接收机多为超外差式，接收机包含高频放大、混频和中频放大几部分。图2．1为传统脉冲磁控管雷达组成框图127】。图2．1传统脉冲雷达组成框图Fig．2．1Thecompositiondiagramoftraditionalpulseradar首先，雷达发射机利用磁控管产生足够的电磁能量，形成高功率脉冲，经放大调制后，由收发开关控制，通过雷达天线将信号集中在某一个很窄的方向上形成波束后发射出去。通过伺服装置控制天线转动，使天线波束按照一定方式扫描。发射信号在其波束方向内遇目标后将沿着各个方向产生反射波，其中的一部分电磁能量反射回雷达的方向，被雷达天线截取。雷达天线接收回波脉冲形成回波信号。由于在传播过程中受距离和环境等因素的影响，电磁波产生衰减且大部分会散射到其他方向，这样真实的雷达回波信号就会非常微弱，且常常被噪声所淹没。因此，回波要通过雷达接收机中的低噪声放大器将回波信号进行放大处理，然后将处理完的回波信号与本振信号进行混频，使信号频率由射频降到中频，再经中 第2章传统脉冲磁控管雷达频放大后对其进行信号处理，提取出包含在回波中的信息，并通过终端显示器显示出目标的距离、方向和速度等信息。2．1．2传统脉冲磁控管雷达目标探测技术研究探测目标并测量其坐标是雷达的最基本任务。雷达方程是描述雷达目标探测性能的最基础的表现形式，传统脉冲雷达方程的表达式为【281：(s。VR)o-丽p,v瓦'G2,丸丽26(2·1)式中：只为脉冲峰值功率：G为天线增益；A是波长；6为雷达截面积；七为波尔兹曼常数；瓦为热力学温度；f’为信号脉冲宽度；F为噪声系数；L为总的系统损耗；j5c为雷达目标探测距离。由式(2．1)可在已知雷达输出信噪比的情况下推导出雷达的距离方程表达式：尺一喀貉声亿2，实际上，航海雷达接收机输出信号的随机成分很大，因为它需要受到系统噪声、海杂波、气象杂波等多方面因素的干扰，加之海上目标的回波信号本身起伏情况比较严重。因此，雷达方程中尺和(s：2VR)o都不是定值，而是统计值。通常雷达的作用距离是指在概率意义上当虚警概率(如10-6)和发现概率(90％)给定时的值。另外，雷达方程中还有两个不定量即目标截面积和最小可检测信号。因此，该方程只能用来作为一个估算的公式以观察雷达各参数对作用距离影响的程度。对目标的探测包括在噪声环境中判断目标是否存在，以及目标的距离，速度等信息。雷达通过对目标回波信号进行频谱分析，并对其进行门限判决，判断目标是否存在。通过从发射和接收脉冲之间的双程时间延迟可提取目标距离信息。当目标与雷达之间产生径向运动时，会产生多普勒效应，运动目标(在未经特殊声明时，本文所提到的运动目标，均指匀速运动的目标)回波信号的频率比发射信号的频率，增加了一个多普勒频移艿，可利用公式五-2哆／A求出目标径向速度例。 新体制航海雷达目标探测性能分析同时，雷达理论中引入了发现概率和虚警概率等概念。雷达的发现概率(昂)是指雷达系统发现目标的概率，即当雷达接收机对目标回波进行门限判决时，回波信号在噪声信号的干扰下，超过门限电压的概率。虚警概率(吃)是指噪声信号被误认为目标信号的概率，即当雷达回波信号中只有噪声信号时，超过门限电压的概率。发现概率和虚警概率与噪声统计特性、噪声电平以及检测门限的大小有关。二者用公式表达为：昂一矗-矿r厶(≯exp(一每刍4咧、|厉妒。,1『／21n，守1】_o．5×啦(乒巧一。VI—SNR—+0．5)(2．3)式中，L簪)为修正的零阶贝塞尔函数。积分项乒厶(汐exp(—r矿2+A2)为菜斯概率密度函数，如果么／缈2-0，即只有噪声存在，则积分项变成瑞利概率密度函数；如果彳／缈2很大，则积分项变成高斯概率密度函数。Q[a，卢卜f；L@；弘喵2+口2’7‰f(2．4)昂一￡嘉exp卜掣r--之)d,掣-V7．)(2．5)门限电压巧。(2．6)对公式(2．3)和(2．5)进行计算，得图2．2。由图2．2(a)可以看出，当雷达目标信号的检测性能由其发现概率和虚警概率来描述时，若虚警概率一定，输出信噪比越大，发现概率越大，雷达的目标检测性能就越好。图2．2(b)看出，检测门限越高，系统的虚警概率就越低。 第2章传统脉冲磁控管雷达0与萋n0．．5n3n2O．1ii!i'ih：ii丰#黟陲黪莩辏瓣黧二翻苷}．．．}二}：：鞭：：磋舅：辨·|．．-|⋯|．．．|⋯{1234567日910”t21314'5惦17嵋簟裱冲洲R^田(a)不同厶，昂与单脉冲SNR的关系型k．Z土j．㈣l^lm⋯+·十H”⋯”咔{·m⋯十一““”．广。jt，：啪⋯⋯{{甜}．～Ⅲ⋯^-·黧扩⋯+ii韶⋯·“*⋯襞*⋯～一强：Zj：．／门限巧图2．3脉冲雷达相干积累的检测系统框图Fig．2．3Thesystemdiagramofpulseradarcoherentintegrationanddetection 新体制航海雷达目标探测性能分析图2．4是脉冲雷达非相干积累的检测系统框图【31】。来自噪声图2．4脉冲雷达非相干积累的检测系统框图Fig．2．4Thesystemdiagramofpulseradarno-coherentintegrationanddetection传统船用脉冲雷达其目标回波的中频脉冲串初始相位和脉冲串内各脉冲的相位都是随机的，没有相位信息可以利用，因此传统船用雷达中普遍采用的是非相干脉冲积累。对于相干积累，假设积累器的效率是100％，反射脉冲数为n。，单个脉冲的信噪比表示为(smo。，则相干积累万，个脉冲所得到的信噪比为：(姗)肝一以p@怀)。(2．7)由式(2．7)可知，在理想情况下，对脉冲回波进行相干积累可将雷达系统信噪比提高刀，倍。但积累的脉冲数目即np值也不能无限制地增大，它同时要受到最大相干积累时间的限制。而非相干积累是在包络检波器之后进行的，会存在一定的积累损失(Lscx)，所以其效率要低于相干积累。随着万p值的增大，积累损失会无限接近√五，。用公式表达为：(册h于一1np(S-NR)l叶(册)1×怒～?厄㈣)。(2．8)10ⅣCT‘’、““‘’，1热非相干积累损失‰一鬻脉冲积累的方法不仅适用于传统脉冲雷达，它对脉冲压缩雷达和连续波雷达均有很好的提高检测性能的作用，是雷达目标检测中应用最广的技术之一。 2．2篡黧嬲嚣嘴㈣(姗脲系首先，利用公式(2．1)对传统脉冲雷达阴髁铡霉巳同习旧嗝“‘斯三熙一嚣?涨舯瓤’雷达雾三翼：黛一罴磊噪比(SLY)的关配禁鬈黧黧嚣篇=嚣淼删tl,ll-伍-h-删掣嘿黧慧然黧=二箍纂椭矾。川、l黑和兰黑黧0零信烹鬈篆=嚣蓊三离与信噪为O．1m2时，雷达峰值功率分别在．5；MW，lMw删“n¨旧‘／u一一＼＼I 新体制航海雷达目标探测性能分析下面，针对脉冲积累方法对雷达目标检测性能的提高进行计算。设某雷达发射脉冲峰值功率4KW，发射脉冲宽度0．2us，中心频率9．47GI-Iz，天线增益45dB，目标截面积10时，有效温度290K，噪声系数7dB，系统损失10dB。⋯～i⋯一j⋯⋯i⋯⋯j⋯⋯i．．1-4嚣{÷最冲非相干积曩I⋯～；⋯一；⋯⋯；⋯⋯{⋯⋯；．．1叶脉押非相干积一L；；l—．10个脉冲相千积曩●■●··一●·‘⋯●●⋯●·-●·‘⋯●●●一-·●-●⋯●●●●一··●-·～-··一-···-’●■●ta．．．。‘。‘’·II：＼、{．i；}；～．＼pf～{⋯⋯{⋯⋯{⋯⋯亨⋯⋯}⋯⋯j⋯⋯{⋯⋯}⋯⋯＼、、三i{i；二：：}粼其篓'O卫∞柚∞加田∞'∞探舅蔗寓^佣l⋯．非相干积曩l●●-J-滋，●●～-歹‘．磺需一t^7，-÷·-●‘}胤，-_P●矗：／t冲职—藏(a)脉冲积累后SNR相对检测距离的曲线(b)积累脉冲数与SNR的关系(a)TherelationofSNRandRafteraccumulatedpulses0,)Numt圮rofaccumulatedpulsesandSNR图2．6SNR相对检测距离的曲线＆积累脉冲数与SNR的关系Hg．2．6TherelationofSNRandR＆numberofaccumulatedpulsesandSNR由图2．6(a)可知，当该脉冲雷达不进行脉冲积累时，其最大目标探测距离小于70kIn，当采用相干积累时，不仅加大了雷达的探测距离，且其相同探测距离时的输出信噪比有了明显的改善，当采用相同的脉冲数进行非相干积累时，雷达系统的最大探测距离介于单脉冲探测和采用相干积累时的最大探测距离之间，其相同探测距离时输出信噪比性能的改善也介于两者之间。图2．6(b)中随着积累脉冲数的增加，传统脉冲雷达的信噪比有了明显的提高，且相干积累的检测性能越来越优于非相干积累。最后，对脉冲雷达在噪声干扰下的目标探测性能进行仿真实验。设脉冲雷达发射信号为高斯脉冲，噪声干扰服从瑞利分布，分别对单周期、10个周期、20个周期的信号回波进行仿真。 第2章传统脉冲磁控管雷达(a)雷达发射高斯信号以及瑞利分布or一2和口-3时的噪声信号(a)Radarlaunchgausssignal＆Rayleighdistributiona。2andcr-3noisesignals(b)仃-2时，在噪声干扰下单周期、10周期和20周期回波信号积累后的均值＼(b)仃一2,inthenoiseinterferenceordercycle，10cycle锄d20cycleechosi鲈alsoftheme柚val鹏afteraccumulation謦(c)or·3时，在噪声干扰下单周期、10周期和20周期回波信号积累后的均值(c)仃一3，inthenoiseinterferenceordercycle，10cyclesand20cyclesechosignalsofthemeanvalueafteraccumulation．14． 新体制航海雷达目标探测性能分析●畸时一一来早均甘幢跪九正与毒■'$的甍不§兰i量i兰!量t=：：===：一一一一1一一一一T一一一一r一一一1、一一一r一一一一iii辈!ii{iiii；iiiii娶!iii!!一一一十一一一+一一一一i-．一一一-4一一_＼一十一一一一iii韭iii；ii；iliii；iiii{室ii二二二]二===】=二二二C二二二]二二=二r二二二二t●■门■(d)瑞利噪声口=2时K和易的关系(d)cy=2，therelationbetweenV,and吃—●时■一束平均叶量■仃■与虐■曩事*凳曩i§!(1cl瑞利噪声盯=3时K和匕的关系(f)盯=3，therelationbetweenV_rand巳6嗓声口埘．取胨冲顶部7B，啦测(来平均)÷⋯⋯⋯’俯一●■●●一一蝉■声'·十一■平均后t11rlgl4虚，量搴帕姜曩●“●¨4U●九一(e)10周期噪声积累取均值后K和厶的关系(e)TherelationbetweenVfand厶aRer10cycles'，一-．：暑_一-畸时■，'t十一■平均后幢■门■与t●■搴的芙l雾量li量琶{若E!三兰，(===ii癸i—r一一、f罩善兰兰盖；；；E；兰兰要芑兰!!!芭要=巴===暑宣喜=匿===!皂!!!曾!虫睡!!兰=亡===匕===E：==一L一一一L一一～¨一一一ili!i堇!!!赛i!==；======i=ii三E三三三E三三三雕三三=[===亡===亡x==(g)10周期噪声积累取均值后K和巳的关系(g)TherelationbetweenVfandeafter10cycles信嗓比@)or=2时，单周期回波信号SNR和昂的关系(i)10周期积累取均值后SNR和昂的关系∞仃=2，relationbetweenSHIP．&昂inonesignal(i)RelationbetweenSNR&昂in10cyclesignal．15．=0三II!三二曼三==三=曼三II要兰==!兰=!三二曼三=拿三Il詈三=兰三二=§三=!三1l!三==三二苎三II兰三二3●耋rrr_要]1兰j1姜三■喜三J兰j丑=j兰=g三ll■；=一暑三二要三二三Il三一=詈三一詈三一詈三一星三一霎三f量三=匕l■曼上ll芒三r暑岳r皂EP{L窒E[=!三=摹三=量三==三一k3量=一兰三==!¨l一一兰三=!三=．#玉二!三二兰三二一一■；一一一蓍{|=一‘¨l二．_、!|III一一!¨l=一!==一一1一．．■jrrr_要一]1l哥jJ1妻三■}一jjo=j丁=兰一三一詈三弋1¨三二堇三一呈三一量三一=!¨|=!一；^一!三=g三二量三二宝三’1一i¨I=r，|II=一|：=一耋：=一E：=一量==一§==一i11：T覃=i一呈II=一兰}IIl一!==一§==一ElI=一E三一一i11：一E=：耋II=一茎1I=一兰==一至：=一喜jr1￡¨l=一要Il=一善==一韭x星II：一薹=：一茎l|=一}一丰一J茎==一喜==一茎==一喜=：一善==一喜==一量==一蓦==一；三IIi三一一暑==三fJ=一}兰一一!三一兰三|lE==一目¨l=岂三II!三一一}¨l：，=If一一；：：+一●#=一．‘；¨l=一i==一§¨I：三=II一!三二曼三一莒三l|兰=fI—l兰=!三一一!三二兰三一i三一§三H一．量三一三三=兰¨1一一三==言¨I=!三一一苎三，llllI三一要三一§盂一百三一名星=．毫三一言：=E兰一十、量三一=三=E兰、一i三一兰三=i§二兰：==：=一5¨l二星==f==T一、i{一+一●茎一：言三一、i；=一兰Il==三、一莹=Il一{兰=三=、=￡兰={¨1=i苎l_i兰二要三一冒，=一羞三二量三一喜：=§三=E¨l=暑兰=!三二要三一=：=一E三二要三一量三．苣三亡，E巨一瞢一■●LJ-憎u¨上l●芒Iu广星=k三Il一{¨I=一i；=一一气i兰二i¨|=一差三二o．j毫一}一●=E—c广重1l七r=!三二至Il=一i¨l=一二E三二§兰=一兰三二一一E==．￡¨l=一§三二匕，；仁=卜一l昌l『C广叠11Er=!三一一量II=一|==一=i三二{；1I一兰三二二!三一一差==一兰==一r一●‘ELL一●置=[厂E=七rlli三二兰三二曼三二=}三二}i=一莹=：一=i三二￡{=一§三二===一=三二E—F—P=三一一=三二=：=一t—F—P=三一一=三二===一皇一F—P=三一一==：一=II：一曼三二羔三二皇三二=三二b三[鲁一EC墨三=茎三一一兰三一一茎兰二=三一一茎三一一笔芑[兰一E[!¨I=一善=：一兰三一一茎三一一!E=一茎=：一E—E‘bllE[=三一一茎兰二茎三二耋=ll一量三一一善三二●眦●三=j=一一三一一!=一¨l=一j一■一¨l=一j一1一¨l=一j一，一¨I=一¨『=一I一十一要!三=曼一|I一一■¨I：一；==一；三二、至n|=一=三=兰三IIj三二；三二兰专一#三II一；¨lIl妻Il=一■¨llI一；：：一堇=二戛三二§jr_§刍1璺刍叫掣己弋il|I型一掣|]i三1l!三=!三II_王=一要三二量：二}兰=§三二■¨I=k、=三=兽==一善lI：一_寻jr_‘nl了1置i一1鲁一j一一詈j]_m一|厂11三II曼三一一警三一一===一；三二量三二兰三=苎三_，r!三二=三二兰==兰三二吾=J1■虽11j1童三■j—jj蔓一了]量三=兰三l|!三=耋：二詈三一量三一i三一、!三Il!三==三=兽三二量=二I至一■r_莹一：1曼=j1l一；一+苎}j兰一}】!§Il!三二■¨I=一=三二兰==一兰三二§¨|ll!三=兰三==三==!=一晏三二；i一干卜-至¨’T!壬，奎三+±一丰：^=主工§三=苎三：!三==三=兰三|f善三二!三=!三=章三二．!：=量三二善三II蓦一‘一●宴一￡r摹=±f童一#一+叁壬【皇一E【{三二量三=!三==三二兰三二量三二!三Il!三二曼三二=三二兰三二兰三二。要C一●l—Cr暑=七r#i一}叁E[量一E[!三|l!三=曼三==三=兰三二差三一一享三=!三=!三二=三二；三二量三二¨口■胍●■v”■譬●⋯‘咎孽}严苎一7·卤。1．一，i／／￡⋯．’，砷··，‘⋯：蕾7】／‘7～差!，上：．十●中二：÷：二：：÷+．I：十；一矿■鬟基^惰●比囔2信，Oe 第2章传统脉冲磁控管雷达：靼晤，馥：：—2I-二≯}：!：：圣’_．v一‘=，．≯一·’^··7f■!i“／1／嚣·7Z一严fP'“／ii雾‘：Z．≠：(j)盯=3时，单周期回波信号SNR和Po的关系∞10周期积累取均值后SNR和Po的关系(j)仃=3，relationbetweenSNR&Poinonesignal(k)RelationbetweenSNR&Poin10cyclesignal图2．7脉冲雷达在噪声干扰下的目标探测性能Fig．2．7Thetargetdetectionpe商ormanceof&epulseradarinmenoise由图(b)和图(c)可以看出，在噪声干扰下，多周期回波信号的积累有利于提高雷达接收端对目标信号的检测，且随着积累脉冲数的增大，雷达对目标信号的检测能力越强。由图(d卜(曲可以看出口越大，信号检测处理的门限设置应越高，且当对多周期噪声信号进行积累取均值后，能有效降低门限设置，从而将更有利于对弱目标信号的检测。由图(h卜(k)可以看出，雷达回波信号进行脉冲积累后，有利于提高雷达系统的接收机灵敏度，从而提高雷达对微弱目标信号的检测能力。2．3本章小结。本章首先对传统脉冲磁控管雷达的工作原理进行研究。然后由雷达方程引出了雷达探测距离、输出信噪比、及一些系统参数之间的关系，并分析了发现概率和虚警概率等衡量雷达系统目标探测性能的主要指标以及用脉冲积累来提高雷达目标探测性能的方法。最后通过具体的仿真实验，分析了雷达方程中不同参数对于探测距离和输出信噪比关系的影响以及脉冲积累方法对于提高传统脉冲雷达目标探测性能的作用。 新体制航海雷达目标探测性能分析第3章脉冲压缩雷达传统脉冲雷达发射信号脉冲宽度的选择受到了距离分辨率和探测距离两个相互矛盾因素的制约。使用窄脉冲可以提高雷达的距离分辨率和测距精度，但它一方面受到发射机击穿电压的限制发射功率不能太大，另一方面会使雷达的平均发射功率下降明显，严重影响雷达的探测距离。如果增加脉冲宽度(即提高平均发射功率)会对雷达系统的输出信噪比和探测距离有明显的改善，但却限制了雷达的距离分辨率。所以通常希望在尽量增加脉冲宽度的同时保持适当的距离分辨率。脉冲压缩技术的出现，有效地化解了这一矛盾。该技术在发射信号时经调制可获得较大的脉冲宽度，在接收信号时将回波信号压缩成窄脉冲，以满足距离分辨率的要求。3．1脉冲压缩雷达信号特征分析3．1．1大时宽带宽乘积信号雷达的测距精度和距离分辨率主要取决于信号的频率结构，当信号具有大的带宽时，可以有效地提高雷达的测距精度和距离分辨率：而测速精度和速度分辨率取决于信号的时间结构，即要求信号具有大的时宽；同时，为了提高雷达的目标发现能力，又要求信号具有大的能量。因此，为了使雷达同时具备出色的发现能力、准确的测量精度和良好的目标分辨能力，雷达设计者们希望获得具有大的时宽．带宽积的雷达信号l珏341。以某一雷达系统的匹配滤波器接收机为例，设该匹配滤波器带宽为B，那么，在匹配滤波器带宽内的噪声功率为：^，也一21．v0B(3．1)二式(3．1)中，分数前的因子2是由于要考虑到正负两个频带。如图3．1所示。 第3章脉冲压缩雷达LBNoB留一-2留。率图3．1输入嗓户功翠Fig．3．1Theinputnoisepower在脉冲持续时间石’上的平均输入信号功率为：s。要(3．2)式中，E是信号能量。所以，匹配滤波器输入信噪比为：(SNR)t·啬·丽E(3．3)因此，峰值瞬时输出信噪比与输入信噪比的比值为：鬻(SNR)-2删(3．4)●、，则By’就称为某给定波形或其相应匹配滤波器的“时间带宽乘积’’，也称为匹配滤波器增益(简称压缩增益)。根据波形参数的概念来进一步分析获得大时宽带宽乘积信号的途径。设有如下波形参数，信号的等效时宽为6，等效带宽为卢：6一抛一【(h)rf2俐2d，】-(3．5)卢一幼也_【(劢)Z，2Iu(厂)|2咖(3．6)口·锄2f：2,>I／T)，经匹配滤波后，带宽变为1／B，如果在接收端用f表示系统经脉冲压缩后的有效脉冲宽度，则f-1／B，由此我们可以引出脉冲压缩技术的一个主要性能指标就是脉冲压缩比D，即脉冲压缩前脉宽T与脉冲压缩后脉宽z的比值。又因为带宽B与压缩后的脉冲宽度了的倒数为近似关系可以得出：下Da二-一BT(3．44)f因此脉冲压缩比在许多情况下等于系统的时间带宽乘积。但当雷达采用线性调频信号时，如果对接收到的波形进行幅度加权来减小线性调频波形的时间旁瓣时，将会有r／f0，测得的目标距离比实际距离偏近，当目标远离雷达运动时，y>0，调频斜率“<0，测得的目标距离比实际距离偏远。多目标环境下，由于距离．速度耦合现象，运动目标的差拍信号频谱很可能与附近静止目标的差拍信号频谱重合，这样就无法对目标进行正确判断，影响测量结果。正因如此，严重限制了线性调频连续波雷达在高距离分辨场合的应用。又因为差拍信号的调频带宽霹很小，其时带积Ⅸ-彤T，与发射信号的大时带积相比显得非常小，因此品O)可近似为单频信号(即f2项忽略不计)[631。式(4．7)可近似为：品o)．0．5t彳e印【J『幼【@堡+2vA)t+兀兰与一_『酣】tE[r(t)一丁，fo)】(4．12)C用矩形窗函数w(t)截取差拍信号在上扫频段的有效部分，可得：㈣；0．甄名exp[j2n'I(u孕+2cvA)t+1"o争一jO；,l川)(4．13)并对式(4．13)进行傅里叶变换，可求得差拍信号的频谱：品(，)I殿rs；(t)exp(一j2石ft)d,-o．甄彳eXp【-|『【纫(兀瓮》一00]]TSa[用r(f—Ecgo一2cvf)r](4．14)同理，对于下扫频回波信号，其混频后的差拍信号表达式为： 第4章线性调频连续波雷达西O)。o．％彳cos[f：(t)-ur(t)+o．5ur2(f)卜o．5k,4；cosl2#(A-t+o．5u；t2+町)一町】tE[r(t)，T+f0)】(4．15)中心频率疗一0+k)uzo+兀(4．16)调频斜率“i-一2(妇+O．5uk2)一2ku(4．17)初始相位町一航+o．如《(4．18)与上扫频段差拍信号类似，下扫频段回波差拍信号仍为线性调频信号。对式(4．15)进行傅里叶变换，可求得其频谱为：S(厂)；o．弘彳exp[J(fo4．7rR。+Off)]TSa[刀r(f+比堡一堡^+H2Vr)Tl(4．19)下扫频段差拍信号中心频率由三部分组成：一是距离产生的频率差；二是运动目标的多普勒频移；三是目标在上扫频区间内已经移动了’，Z的距离，造成了实际距离的变化。对应在距离轴上其峰值出现在心一监+vT处，测距误差为一监+yZ。4．1．2对称三角线性调频连续波信号模糊函数忽略目标反射系数、传播衰减和系统误差等因素。设对称三角线性调频连续波雷达接收机只在有效段譬一h—T，0】和巧一h，T】内实现对目标回波信号的信息提取，其中％一maxz'(t)为最大回波延时，可推导出线性调频连续波单周期模糊函数为【64脚】：№；圳甏篙×字杪r一笔嚣×≯rI％一zsfs0(4．20)慨)I=I器萧×竽∥r+一sin[：r(fd-uf+uT)'r]×≯M勺I％sz墨r(4．21) 新体制航海雷达目标探测性能分析与脉冲雷达体制中的线性调频信号模糊函数作比较可知，线性调频连续波信号模糊函数保留了复数因子，其时域范围与脉冲雷达的(一∞，+∞)相比，缩小为h—r，OlUh，T】。由单周期模糊函数推导多周期模糊函数为[66,67]：k@；驯=I施圳×iI丽sin(刀rfaNT)I(4．22)式中，N为周期数。图4．4为单周期和多周期线性调频连续波信号模糊图脚】：(a)单周期线性调频连续波信号模糊图(b)单周期线性调频连续波信号模糊图(a)TheordercycleambiguityfigureofLFMCW(b)TheseveralcyclesambiguityfigureofLFMCW图4．4线性调频连续波单周期和多周期信号模糊图Fig．4．4ThesinglecycleandseveralcyclesambiguityfigureofLFMCW通过对图4．4的观察可以发现，单周期和多周期线性调频连续波信号模糊函数图也具有原点对称性，并在原点处取得最大值。但与脉冲信号模糊图不同，连续波信号模糊函数图的主要能量分布在中心带附近，单周期连续波信号模糊函数图能量分布是连续的，而多周期连续波信号模糊函数图的能量分布是离散的，在远离中心带区域，信号的能量分布均趋于零。另外，该信号模糊函数的体积不变性不再成立，这是连续波雷达模糊函数与脉冲雷达模糊函数的重要区别【69'删。4．2线性调频连续波雷达的信号处理4．2．1线性调频连续波雷达的基本工作原理图4．5为线性调频连续波雷达的系统组成框图IS】。兀为发射信号中心频率；无 第4章线性调频连续波雷达为回波测量频率差；厶为零中频信号频率。其工作原理为：发射机输出线性扫频电压，经调制后输出频率为五的线性调频连续波信号。输出信号一路经发射天线向外辐射电磁波，一路送到差拍混频器作为本振输入。其发射天线在一个周期内向固定方向发射一种经调制的频率随时间线性变化的连续高频等幅波。同时接收天线连续地接收来自该方向的目标回波并输入到混频器与发射信号进行混频后得到信号频率为厶+无。经过中频放大处理后，再与本振信号进行调频放大处理，得出差拍频率五。之后进行信号处理，并对处理后的信号用FFT的方法进行频谱分析，分离出来自不同目标的回波信号，再对回波信号进行判决，确定真实目标。系统利用在时间上线性改变发射信号的频率并测量回波信号和发射信号频率差的方法不仅可以用来测定目标距离还可以测量目标径向速度吃，两个连续峰值之间的差即为多普勒频移厶，利用公式咋-A厶／2，就可求出目标径向速度。图4．5线性调频连续波雷达简化方框图Fig．4．5ThesimplifiedchartofLFMCWradar从天线结构上讲，与脉冲体制雷达的收发共用天线相比，线性调频连续波雷达目前大都采用分开的发射天线和接收天线，这样就解决了困扰单一天线的收发信号隔离问题。 新体制航海雷达目标探测性能分析从接收机结构上讲，由于线性调频连续波雷达在近距离高分辨率多目标探测与成像上的应用越来越多，原有的传统差拍．频率计方式接收机已不能适应其真正需求，而改为采用差拍．傅里叶变换结构接收机。其依靠对基带混频器输出差拍信号的有效段进行傅里叶变换来得到目标信息。图4．6为目前线性调频连续波雷达普遍采用的差拍．傅里叶变换接收机结构【71捌。⋯。‘X⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。⋯。⋯一⋯一⋯一’一⋯一’一，。一一一一一’一基带混颁％(n爪。爪。低通窗函数F兀-—斗求模_一7＼y7丫7滤波+ln(t)I本振I图4．6差拍一傅里叶变换接收机结构Fig．4．6Thestructureofpoorpat-fouriertransformreceiver4．2．2线性调频连续波雷达目标探测技术研究(1)单目标情况线性调频连续波雷达对单个静止目标的距离测量较为简单，但对于单个运动目标而言，由于多普勒效应产生的距离．速度耦合现象，动目标回波差拍信号频谱对应的距离包括了目标距离和速度的信息而并不是目标的真实距离，常用的方法是利用对称三角线性调频连续波上下扫频段的频谱信息来求得动目标信息。由式(4．8)和(4．16)可知，动目标在上／下扫频段的距离偏移是相对于中心频率对称的，因此利用其距离偏移的对称性求出目标实际距离对应的差拍频率值五。五鼍#。则目标实际距离为：R一÷厶(4·23)又因为多普勒频移厶．五笪且厶；堡，则目标实际速度为：又因为多普勒频移厶-毕且厶；竿，则目标实际速度为：Z^ 第4章线性调频连续波雷达v，墨【复二芷14(4．24)在求得差拍频率值^之前，需要先进行傅里叶变换，加窗处理，门限判决等信号处理步骤，综合以上几步信号处理方法，统称为频域配对法【73’74l。其方法依据有两方面：一是根据对称三角线性调频连续波信号的特性，相同运动目标差拍信号频谱在上／下扫频段会以实际距离为对称轴产生偏离；二是即使受到杂波、噪声及测量误差等因素的影响，相同目标在上厂F扫频段的频谱形状应最为相似。依据以上两点就可以确定探测目标，并进行配对处理，实现解距离．速度耦合。但当存在多个目标时，会产生虚假目标，依靠此种方法很难获得目标的精确参数。(2)多目标情况当雷达进行多目标探测时，回波信号将由多个点目标回波信号叠加构成，并可近似认为其差拍信号是各个点目标差拍信号之和。对于静止多目标而言，可看做是多个点目标的集合，其测量方法与静止点目标测量方法类似。对于运动多目标，由于无法将具体目标与获得频谱进行一一对应，因此使得其距离速度等信息的测量相对困难。在这种情况下，该体制雷达也采用MTD技术。图4．7为对称三角线性调频连续波雷达MTD原理框图1631。图4．7对称三角线性调频连续波雷达MTD原理框图Fig．4．7TheMTDprinciplediagramofsymmetrictriangularLFMCWradar 新体制航海雷达目标探测性能分析对称三角线性调频连续波雷达对运动多目标探测的MTD处理过程可分为以下四个步骤(上币扫频段分别处理，以上扫频段为例)：①傅里叶变换。首先对每周期回波差拍信号做nT，将各个对应目标信号的差拍频谱分离出来，其中谱线与距离分辨单元一一对应。对于N个周期差拍信号的FFT按先不同距离单元再不同扫频周期的顺序存储多周期距离谱。若采用加窗处理，可以起到抑制旁瓣作用，但FFT滤波器主瓣宽度需展宽1．5—2倍，这样会使得多普勒分辨率和距离分辨率相应降低，因此要权衡考虑。②距离选通。将整个频带的回波信号经过一组窄带滤波器组，将不同距离单元上的回波信号在频域上分离，起到降低固定杂波对目标信号影响的作用。经距离选通后，同一距离单元的数据再按照扫频周期依次进行后续处理。在实现过程中，增加滤波器的个数可以实现更好的分离效果，但同时也会使计算量大增。(9MTI。采用后一周期的差拍信号频谱与前一周期差拍信号的延时信号频谱相减的方法实现固定目标对消。经对消后，输出信号的振幅谱表达式为：IAs(，)I；ls+。(，)一瓯(厂弘☆∥I—l瓯(厂+6f)e一抽肛一最(厂)l(4．25)式中，6厂为多普勒分辨率，6厂lib一妇Z，k为周期数，H为调频斜率。④多普勒滤波器组。由快速傅里叶变换在信号频域上形成一组相邻且部分重叠的滤波器组，覆盖整个多普勒范围，这就是窄带多普勒滤波器组。其作用除了测速，更是为了提高杂波能见度和雷达在杂波背景下的目标探测能力。其输入是同一距离单元上不同速度目标信号的叠加，各个运动目标根据多普勒频率的不同由多普勒滤波器组进行分类以区分不同速度的运动目标，根据目标回波出现的滤波器的序号，就可以判定其多普勒频率。假设MTD处理所需的回波数为N，发射信号重复周期为霉(霉一1／f)，经MTD处理后，第以个速度通道对应的目标多普勒频率为fO—1)／Ⅳ。因此，每一速度通道的实际距离对应的频率为：fb,u9mI,l孕+詈，0一专o-1)．“孕(4．26)c烈c 第4章线性调频连续波雷达则目标的实际距离为：R-鲁(4．27)最后可将运动点目标中消除距离．速度耦合的频域配对法运用到多目标中。文献【52】中提出了MTD．频域配对法，使回波信号先通过MTD抑制杂波达到简化目标环境的作用，再利用频域配对法实现配对，就可以在复杂的环境中实现解距离．速度耦合，从而测定目标的真实距离和速度。但此法在实际应用中需要注意两个问题：一是频谱重叠，即当两个或多个目标的多普勒频率差宇和时延差f满足亭一盯时，目标差拍信号在频谱上将产生严重的重叠现象，无法进行配对；二是在遇到具有相似反射强度和频谱形状的不同目标时系统会产生配对紊乱，从而无法配对。4．3线性调频连续波雷达目标探测性能的分析首先对对称三角线性调频连续波雷达的距离．速度耦合现象进行仿真。设一点目标距雷达R-500m，雷达中心频率为9．47GHz，调制带宽为10MHz，周期为1ms，假设在无噪声干扰情况下，当点目标静止时的回波信号和当其以速度y-30m／s向雷达方向运动时，其上／下扫频段的回波信号。罄加叶^-|-正l儿l1rrlI_．_-__-_J-．．___-__1．_．__．．--J-__---__-^_-．-__-·￡』I-_-．--．．L__-__---J-_．．__-_-J--_-_----●___-_-一,foo420．4,134E啦,18135E】a巴加640瑚5m湖基1￡==再=一釜10：[二二二二[二]硝l¨l磐罩nI_．．．．．L．．．．．J．．．．．．L．．．．．上．．．．．．k．．：==i：!．!：j皇：：，．．·．．．．．一％004笱4∞4印l田500蟹0飘056B680830图4．8线性调频连续波雷达的距离．速度耦合现象仿真结果Fig．4．8ThesimulationresultsofLFMCWradardistance·speedcoupledphenomenon由图4．8可知，当目标处于静止状态时，根据雷达收发信号的频率变化即可对 新体制航海雷达目标探测性能分析应得出目标的真实距离。当目标处于向雷达方向运动状态时(v为负，远离雷达方向v为正)，雷达上扫频段回波信号的距离谱向雷达方向偏移，测量到的目标距离比实际距离偏近。而下扫频段回波信号的距离谱向远离雷达方向偏移，测量到的目标距离比实际距离偏远，这种现象就是距离．速度耦合现象。因此，根据上／下扫频段回波差拍信号的距离偏移程度，由公式(4．23)和(4．24)可以清楚的算出目标的实际距离和运动速度等信息。下面，以上扫频段为例，针对在多目标情况下，对称三角线性调频连续波雷达对运动目标的MTD处理过程进行具体的仿真分析。已知线性调频连续波雷达的中心频率为9．47GHz，调制带宽为10MHz，周期为lms，采样点数为8192，MTD周期数为32，该雷达在高斯噪声干扰下分别对目标距离为3000m，6000m，10000m的三个运动目标进行探测。三个目标的速度分别为50m／s，100m／s，75m／s。(a)三目标回波信号(a)Theechosignalsofthethreetargets)．虬I姓d。蛐l灿妯。II址蛐Il龇。lj 第4章线性调频连续波雷达^】llI』-h．du_JLⅡil山』1Ⅱt山．IUnu山山¨山乜山丘幽幽燃峨姒驰龇III。ju批h●喇固__E搠圈捌强氍躲Zd幺矩葛翟礴曩嗣■螺《目豳Cc)目标2回波信号(d)目标3回波信号【c)Theechosignaloftarget2(d)Theechosignaloftarget3图4．9线性调频连续波雷达动目标探测结果Fig．4．9ThetargetdetectionresultsofLFMCW由图4．9可知，在运动多目标情况下，线性调频连续波雷达接收的回波信号在未经处理时很难对目标进行分辨和判别(如图4．9(a))。图4．9Co)-(d)分别为通过相应的多普勒滤波器后得到在该频段的目标回波。在采用MTD技术处理后，固定杂波幅度得到抑制，三个运动目标幅度由于多周期连续波积累效应得到增强，且根据不同速度目标产生的多普勒频移不同，三个目标得到分离。4．4本章小结本章以发射对称三角线性调频连续波信号的连续波体制雷达为研究对象，首先由该信号时域公式推导出了雷达回波差拍信号的时域和频域公式，并根据公式引出了该体制雷达普遍存在的距离．速度耦合现象。然后对该信号的单周期和多周期模糊函数进行公式推导和模糊图的仿真分析，总结出了该体制信号模糊图的特性及其与脉冲信号模糊图的差别。接着对线性调频连续波体制雷达的工作原理和目标探测性能进行了研究分析。最后通过具体的仿真实验分析了该体制雷达的距离．速度耦合现象及其在运动多目标情况下的目标探测性能。经过不断的理论创新和实际应用，对于线性调频连续波雷达技术体制而言，还有很多值得研究和改进的技术。例如文献【75l提出了一种采用变周期线性调频波作为发射信号的方法，能够有效地解距离．速度耦合及解决多目标中虚假目标干扰的问题，但其系统实现较复杂。文献【76】提出了在MTD技术简化目标环境后，利用 新体制航海雷达目标探测性能分析真实目标多普勒频率对重复频率求余应为模糊多普勒频率的特点来进行配对，可以达到准确、简单地实现目标配对及解距离．速度耦合的效果。文献【77】中提出了基于二次混频和“CLEAN’’技术解决多目标分辨中虚假目标滤除的问题，该方法主要应用傅里叶变换和滤波技术，容易实现数字化。 第5章总结本文是针对新体制航海雷达目标探测性能进行的分析研究。经过作者一年多的努力，在阅读了大量文献和长时间仿真实验工作基础上独立完成的。在论文最后通过表5．1的形式进行了总结。表5．1新旧体制航海雷达性能总结与对比Tab．5．1TheSummarizeAndComparingOfNew&OldSystemSailingRadarPerformance雷达发射端接收端目标探测性能应用体制传统在民用有盲区和近距离模糊现象，对目标探脉冲脉冲磁控管发射机产航海雷信号形式不测性能有限，受海浪雨雪影响较大。磁控生高功率、窄脉冲未达领域变。主要通过脉冲积累的方式提高目标管雷调制信号。伺君向探测性能。达普及率接收信号经有盲区和近距离模糊现象，探测距离脉固态发射机发射大时民用普匹配滤波后比传统脉冲雷达要大，能产生高的距冲带积的低功率、宽脉及程度得到高峰离分辨率。接收端有距离旁瓣产生，压冲调制信号。信号形较高，值、窄脉冲通过加窗技术可以抑制旁瓣。几种常缩式通常为线性调频、在邢信号，但频用的脉冲压缩信号中，对静止目标的雷非线性调频和相位编中也有谱中会产生探测都很出色，但只有LFM信号对达码信号等。应用。距离旁瓣。厶不敏感，常用于运动目标探测·线性无盲区，有最出色的距离分辨率，在主要应差拍信号，调频固态发射机发射大时近距离多目标情况下探测性能出色，用于会产生距离连续带积的连续波调制信达到的最大探测距离优于脉冲雷达vTS和．速度耦合波雷号。【侧。受海浪雨雪影响远低于脉冲雷军用航现象。达达。辐射功率低，保密性强。海雷达 新体制航海雷达目标探测性能分析另外，由于作者能力水平不足和研究时间有限，论文存在以下三点不足：(1)对在杂波背景下的雷达目标探测性能分析不足。实际中，海杂波是限制航海雷达目标探测能力的主要因素。本文未在具体海杂波背景下，对雷达的目标探测性能进行分析。(2)对运动目标的探测性能分析时未考虑匀速运动以外的目标运动状态。文章中对运动目标探测性能的仿真分析都是基于目标相对于雷达的运动状态为匀速运动的前提下进行的，若目标相对于雷达作非匀速运动，所引起的多普勒频谱成不规则变化，对这种运动目标的探测性能分析要复杂的多。(3)未考虑起伏目标对雷达探测性能的影响。本文所进行的仿真实验都是假设目标截面积为常数的基础上进行的。实际中航海雷达的探测目标大都具有非常严重的起伏特性。通过本课题的完成，将会使作者对雷达体制方面问题的研究更加深入，进一步的研究工作主要包括以下几个方面：(1)针对以上三点不足，对雷达探测目标的条件和环境因素做更细致的考虑和研究。(2)通过对雷达结构改进、恒虚警处理、数字信号处理等多方面技术的融合运用，进一步提高航海雷达目标探测性能。(3)充分利用计算机仿真技术的安全性、可控制性、无破坏性、可重复性和经济性等特点进行航海雷达探测性能仿真与效能方面的评估。 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致谢致谢两年的研究生学习生活即将结束，对母校生活的眷恋，对导师教诲的依恋，对同窗之情的留恋，如今只能化成一句“感谢"了。从03年本科入学至今，断断续续八年的时光中，我用青春鉴证了海大欣欣向荣的变化。感谢母校对我的培养，感谢母校在我人生观、世界观、价值观形成的重要阶段对我的熏陶和指引。感谢我的导师索继东老师，感谢他诲人不倦的热情和渊博学术知识的传授。感谢交通电子研究所柳晓鸣老师对我学习和生活上的教导和帮助。感谢同学李琨、王杰、张鑫、刘敏、吴健川、张娟、闰学昭、贾春晖、陈世荣、孔晨、才志以及交通电子研究所所有同学对我的帮助和鼓励。和你们在一起求学的这两年时光，充实了我的人生，也让我拥有了两年难忘的快乐回忆。更要感谢我的父亲和母亲，二十多年来对我的养育之恩。还有我的女朋友白鹤，有她的陪伴，两年的学习生活变得轻松而美妙。最后愿母校大连海事大学取得更加辉煌的新百年；愿索继东老师，柳晓鸣老师身体健康，工作顺利；愿所有同学在工作岗位上大展宏图；愿我的家人健康，幸福。