1、2022-3-221雷达系统导论雷达系统导论概述概述RADAR (RAdio Detection And Ranging)无线电探测与测距无线电探测与测距：用无线电方法发现目标并测定它们在空间：用无线电方法发现目标并测定它们在空间的位置，因此雷达也称为的位置，因此雷达也称为“无线电定位无线电定位”（二维地面（二维地面/海面、三海面、三维空间）。相应地，我国的雷达分会称为中国电子学会无线电维空间）。相应地，我国的雷达分会称为中国电子学会无线电定位技术分会定位技术分会(网址：网址：www.cie-radar.org)。雷达基本任务：发现目标并测量其距离、角度雷达基本任务：发现目标并测量其距离、角度
2、(方位和仰角方位和仰角)、速度，以及从目标回波中获取更多有关目标的信息速度，以及从目标回波中获取更多有关目标的信息(如目标识别如目标识别等等)。可以概括为：。可以概括为：探测探测、定位定位、成像成像、识别识别。2022-3-222雷达系统导论雷达系统导论概述概述雷达系统导论雷达系统导论课程的讲述一般基于几个方面展开：课程的讲述一般基于几个方面展开：总体方面总体方面雷达方程雷达方程：对雷达总体性能进行估算，涉及：对雷达总体性能进行估算，涉及到如下参数：到如下参数：硬件系统硬件系统：收发天线增益、接收机灵敏度、中频带宽等：收发天线增益、接收机灵敏度、中频带宽等软件系统软件系统：信号处理方法：信号处
3、理方法(相参否？相参否？)、检测方法门限等、检测方法门限等传播通道传播通道：工作频率、传播特性、空间介质特性、杂波特：工作频率、传播特性、空间介质特性、杂波特性等性等目标特性目标特性：目标散射区、：目标散射区、RCS起伏模型等起伏模型等2022-3-223雷达系统导论雷达系统导论概述概述雷达体制雷达体制：主要有：主要有动目标显示动目标显示MTI Moving Target Indicator动目标检测动目标检测MTD Moving Target Detector脉冲多普勒脉冲多普勒PD Pulse Doppler合成孔径雷达合成孔径雷达SAR Synthetic Aperture Radar逆
4、合成孔径雷达逆合成孔径雷达ISAR Inverse Synthetic Aperture Radar超视距雷达超视距雷达OTHR Over-The-Horizon Radar机载预警机载预警(AEW)雷达雷达 Airborne Early Warning Radar硬件方面硬件方面系统构成系统构成：天馈系统、发射机、接收机、激：天馈系统、发射机、接收机、激励器、信号处理机、态势显示器等。主要介绍各分系统的励器、信号处理机、态势显示器等。主要介绍各分系统的特点、实现方式及主要性能指标等。特点、实现方式及主要性能指标等。2022-3-224软件方面软件方面信号处理信号处理：雷达定位原理及实现雷达定
5、位原理及实现：测距、测速、测角：测距、测速、测角 本科本科电子电子系统系统、硕士、硕士时间序列分析与谱估计时间序列分析与谱估计无线电测向原无线电测向原理与技术理与技术雷达系统建模与仿真雷达系统建模与仿真雷达信号检测雷达信号检测：噪声及杂波统计特性、匹配滤波、假设检：噪声及杂波统计特性、匹配滤波、假设检验、验、CFAR 本科本科随机信号分析随机信号分析、雷达系统仿雷达系统仿真真、硕士、硕士信号检测理论信号检测理论雷达波形设计雷达波形设计：模糊函数、脉冲压缩信号：模糊函数、脉冲压缩信号 硕士硕士雷达雷达信号理论与应用信号理论与应用空时二维自适应处理空时二维自适应处理：时域杂波对消、空域旁瓣对消、：
6、时域杂波对消、空域旁瓣对消、STAP 硕士硕士阵列信号处理阵列信号处理极化信号处理极化信号处理：Poincare极化球、极化散射矩阵极化球、极化散射矩阵雷达系统导论雷达系统导论概述概述2022-3-225课程安排课程安排(共共36学时学时) ：32讲授讲授/讨论讨论+4实验实验袁教授：袁教授： 绪论绪论 (4学时学时) 雷达方程雷达方程 (6学时学时) 接收机接收机 (4学时学时) 高频地波超视距雷达高频地波超视距雷达 (2学时学时)雷达系统导论雷达系统导论概述概述2022-3-226我讲授内容：我讲授内容： 测速测速引入多普勒效应、相参积累、正交双通道处理、引入多普勒效应、相参积累、正交双通
7、道处理、 直接中频采样及数字正交化直接中频采样及数字正交化 (4学时学时) 测距测距脉冲雷达、脉冲雷达、FMCW雷达、调相连续波雷达雷达、调相连续波雷达 脉脉 冲压缩、匹配滤波、模糊函数冲压缩、匹配滤波、模糊函数 (6学时学时) 杂波抑制杂波抑制MTI、PD雷达、延时线对消器雷达、延时线对消器 STAP (4学时学时) 测角测角DBF、单脉冲法及其改进型、单脉冲法及其改进型 空间谱估计空间谱估计 (2学时学时)雷达系统导论雷达系统导论概述概述2022-3-227l 美国美国IEEE The Institute of Electrical and Electronic Engineers (19
8、63)http:/www.ieee.org，会员，会员30余万余万地理地理(Region)：十个区域，：十个区域，300多个分会，多个分会，IEEE Harbin Section已成立。已成立。专业学会专业学会(Society)：39个，涉及雷达的主要有个，涉及雷达的主要有 IEEE Aerospace and Electronic Systems Society IEEE Antennas and Propagation Society IEEE Geoscience and Remote Sensing Society IEEE Oceanic Engineering Society IE
9、EE Signal Processing Societyl 英国英国IET The Institution of Engineering and Technology (2006)http:/www.theiet.org，会员，会员15余万余万由英国电气工程师学会由英国电气工程师学会IEE和英国企业工程师学会和英国企业工程师学会IIE组成。组成。主要的学术团体、会议及期刊主要的学术团体、会议及期刊学术团体学术团体2022-3-228l 中国中国CIE The Chinese Institute of Electronics (1962)http:/www.cie-china.org中国电子学会
10、无线电定位技术分会中国电子学会无线电定位技术分会(雷达分会雷达分会)http:/www.cie-radar.orgl 法国法国SEE Societe Des Electriciens Et Des Electroniciensl 日本日本IEICE The Institute of Electronics Information and Communication Engineersl 美国美国SPIE The Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (1955)http:/spie.org 国际光学工程学会国际光学工程学会2022
11、-3-229学术会议学术会议l ICR International Conference on Radar国际系列雷达年会，由中、英、日、法、美依次轮流主办，每年一届。国际系列雷达年会，由中、英、日、法、美依次轮流主办，每年一届。从从2003年起澳大利亚年起澳大利亚(CSSIP：Cooperative Research Centre for Sensor Signal and Information Processing)替代日本。替代日本。l IEEE Radar Conference美国雷达年会，美国雷达年会，IEEE AES Society主办，年会主办，年会l IRS Internat
12、ional Radar Symposium德国、波兰轮流主办，年会德国、波兰轮流主办，年会l EUSAR European Conference on Synthetic Aperture Radar德国主办，每两年一届德国主办，每两年一届(偶数年偶数年)，2008年第七届年第七届l APSAR Asia and Pacific Conference on Synthetic Aperture Radar中、日、韩、澳大利亚、新加坡轮流主办，每两年一届，中、日、韩、澳大利亚、新加坡轮流主办，每两年一届，2007/2009l 全国雷达学术年会（全国雷达学术年会（2008年第十届、年第十届、201
13、0年第十一届）年第十一届）2022-3-2210l ICASSP International Conference on Acoustics, Speech, and Signal ProcessingIEEE SP Society主办，年会，主办，年会，3000页左右页左右l ICSP International Conference on Signal Processing中国电子学会主办，每两年一届中国电子学会主办，每两年一届(偶数年偶数年)，2000页左右页左右l NAECON National Aerospace and Electronics ConferenceIEEE AES
14、Society主办，每年一届主办，每年一届l International Conference on HF Radio Systems & TechniquesIET主办，每三年一届主办，每三年一届l International Conference on Antennas and PropagationIET主办，每两年一届主办，每两年一届l IEEE Antennas and Propagation International SymposiumIEEE AP Society主办，年会主办，年会l IGARSS International Geoscience and Remote Sen
15、sing SymposiumIEEE GRS Society主办，年会主办，年会l SPIE Conference, Symposium on .SPIE召开的系列研讨会，目前已累积出版数千册召开的系列研讨会，目前已累积出版数千册l OCEANS http:/www.oceansconference.org/IEEE OE Society，每年在美国与，每年在美国与MTS (the Marine Technology Society)合办一次会议，在亚太地区合办一次会议，在亚太地区(奇数年奇数年)、欧洲、欧洲(偶数年偶数年)单独举办一次。单独举办一次。2022-3-2211学术期刊学术期刊l
16、国际期刊国际期刊IEEE Transactions, Magazine, Letters: Proceedings of the IEEE IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems IEEE Aerospace and Electronic System Magazine IEEE Transactions on Antennas and Propagation IEEE Antennas and Propagation Magazine IEEE Transactions on Signal Processing IEEE S
17、ignal Processing Magazine IEEE Signal Processing Letters IEEE Transactions on Information Theory IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing IEEE Journal of Oceanic EngineeringIET(IEE): IEE Proceedings Radar, Sonar and Navigation (至至2006年年) IET Radar, Sonar and Navigation (从从2007年起年起) Electro
18、nics Letters2022-3-2212l 国际期刊国际期刊其他其他: Signal Processing EURASIP Journal on Advances in Signal Processing Radio Science International Journal of Electronics International Journal of Remote Sensingl 国内期刊国内期刊电子学报、电子学报、Chinese Journal of Electronics 中国电子学会中国电子学会电子与信息学报、电子与信息学报、Journal of Electronics (C
19、hina) 中科院电子所中科院电子所通信学报通信学报 中国通信学会中国通信学会宇航学报宇航学报 中国宇航学会中国宇航学会航空学报航空学报 中国航空学会中国航空学会微波学报微波学报 中国微波学会中国微波学会系统工程与电子技术、系统工程与电子技术、Journal of System Engineering and Electronics信号处理、电波科学学报、现代雷达、雷达与对抗、雷达科学与技术、信号处理、电波科学学报、现代雷达、雷达与对抗、雷达科学与技术、中国雷达、电子对抗、电子对抗技术、航天电子对抗、舰船电子对抗中国雷达、电子对抗、电子对抗技术、航天电子对抗、舰船电子对抗2022-3-2213
20、测速原理测速原理多普勒效应多普勒效应重点强调：重点强调：相对运动相对运动2022-3-2214例子：例子：当鸣笛的火车开向站台，站台上的观察者听到的笛声变尖，即当鸣笛的火车开向站台，站台上的观察者听到的笛声变尖，即频率升高；相反，当火车离开站台，听到的笛声频率降低。频率升高；相反，当火车离开站台，听到的笛声频率降低。三要素：三要素： 波源、介质、观察者波源、介质、观察者多普勒效应的一般性分析多普勒效应的一般性分析表示波源相对于媒质朝表示波源相对于媒质朝向观察者的运动速度向观察者的运动速度svRv表示观察者相对表示观察者相对于媒质朝向波源于媒质朝向波源的运动速度的运动速度约定约定2022-3-2
21、215波源的频率波源的频率 ：单位时间内波源振动的次数或发出的：单位时间内波源振动的次数或发出的“完整波完整波”的个数；的个数；sf观察者接收到的频率观察者接收到的频率 ：观察者在单位时间内接收到的：观察者在单位时间内接收到的振动数或完整波的个数；振动数或完整波的个数；Rf波的频率波的频率 ：媒质质元在单位时间内振动的次数或单位时间：媒质质元在单位时间内振动的次数或单位时间内通过媒质质元某点的完整波的个数。内通过媒质质元某点的完整波的个数。f波速为波速为 ：波在介质中单位时间内相位传播的速度。：波在介质中单位时间内相位传播的速度。u 相对于媒质，相对于媒质，波源和观察者都不动的情况波源和观察者
22、都不动的情况设波长设波长 是波源相对于媒质静止时，单位时间波在媒质中是波源相对于媒质静止时，单位时间波在媒质中传播距离，则传播距离，则00ufffsR2022-3-2216 相对于媒质，波源不动，相对于媒质，波源不动，观察者以速度观察者以速度 向着波向着波源运动。源运动。(波长不变、等效的波速变化波长不变、等效的波速变化)RvS0svRvusRRfuvuf时观察者朝向波源运动频率降低时观察者朝向波源运动频率升高00RRv，v，fuvufuvuvufRRRR此时波源频率就是介质中波的频率，则此时波源频率就是介质中波的频率，则2022-3-2217 相对于媒质观察者不动，相对于媒质观察者不动，波源
23、以速度波源以速度 向着观察向着观察者运动者运动SsvssTvsv因为波源所发出的相邻的两个同相因为波源所发出的相邻的两个同相振动状态是在不同地点发出的，这振动状态是在不同地点发出的，这两个地点相隔的距离为两个地点相隔的距离为 ，其中，其中 为波源周期。为波源周期。ssTvsT如果波源是向着观察者运动的，这如果波源是向着观察者运动的，这后一地点到前方最近的同相点之间后一地点到前方最近的同相点之间的距离是现在媒质中的波长的距离是现在媒质中的波长 。2022-3-22180suTSssTvsv波源运动，在媒质中的波长：波源运动，在媒质中的波长：ssssssfvuTvuTv)(0ssfvuuuf对应波
24、的频率为对应波的频率为：(波速不变，等波速不变，等效的波长变化效的波长变化)由于观察者静止，所以他接收到的频率就是波的频率：由于观察者静止，所以他接收到的频率就是波的频率：时波源远离观察者运动频率减小时波源朝向观察者运动频率升高00ssssRv，v，fvuuff2022-3-2219 相对于媒质，相对于媒质，波源和观察者同时运动波源和观察者同时运动仅波源运动时，介仅波源运动时，介质中波的频率质中波的频率0, 00, 0 sRsRssRRvv、，vv、，fvuvuf观察者背向运动时波源最小观察者相向运动时波源最大fuvufRRssfvuuuf仅观察者运动时，仅观察者运动时，观察观察者者所接收到的
25、频率所接收到的频率2022-3-2220声呐：波源产生声呐：波源产生声波、介质声波、介质水水雷达：雷达： 波源产生波源产生电磁波电磁波 介质介质自由空间自由空间 电磁波在自由空间中传播速度为光速电磁波在自由空间中传播速度为光速以下分析针对连续波雷达的不同工作情形以下分析针对连续波雷达的不同工作情形(原理性说明原理性说明)，分别推导多普勒，分别推导多普勒频率表达式：频率表达式：1、单站主动雷达、单站主动雷达 (双程双程)2、单站被动雷达、单站被动雷达 (单程单程)3、双基地雷达、双基地雷达如将上述结论用于如将上述结论用于脉冲雷达脉冲雷达(相当于对相当于对CW雷达的脉冲采样雷达的脉冲采样)会产生一
26、些特殊会产生一些特殊的问题，以后将讲述。的问题，以后将讲述。多普勒效应在雷达中的应用多普勒效应在雷达中的应用c2022-3-2221单站主动雷达单站主动雷达雷达分类：雷达分类：单站单站(单基地单基地)Monostatic：接收机、发射机共址：接收机、发射机共址/合置合置双站双站(双基地双基地)Bistatic：接收机、发射机分置：接收机、发射机分置主动主动(Active)雷达雷达：向外辐射电磁波，并接收回波：向外辐射电磁波，并接收回波双程双程，占多数，占多数被动被动(Passive)雷达雷达：仅被动接收回波：仅被动接收回波单程单程，广泛用于电子侦察，广泛用于电子侦察典型单站双程雷达示意图如右，
27、典型单站双程雷达示意图如右，u情形情形1：假设雷达静止，目标相对雷达径向速度：假设雷达静止，目标相对雷达径向速度vr1。实际上雷达探测飞机分两个过程：实际上雷达探测飞机分两个过程：1、雷达、雷达(波源波源)发射电磁波发射电磁波f0、目标、目标(观察者观察者)接收接收/感应电磁波感应电磁波fr；2、目标、目标(波源波源)辐射电磁波辐射电磁波fr、雷达、雷达(观察者观察者)接收回波信号接收回波信号fr1。1rv2022-3-2222发射发射感应过程：感应过程：波源波源(发射机发射机)不动、观察者不动、观察者(目标目标)运动运动反射反射接收过程：接收过程：观察者观察者(接收机接收机)不动、波源不动、
28、波源(目标目标)运动运动下面两书采用不同方法获得相同结论：下面两书采用不同方法获得相同结论：美美杰里杰里L. 伊伏斯等编，伊伏斯等编，现代雷达原理现代雷达原理，电子工业出版社，电子工业出版社，1991.3B.R. Mahafza et al, Matlab simulations for radar systems design, Chapman & Hall/CRC, 2004sRRfuvuf01,ffvvcusrRssRfvuuf01fcvcfrrrsrsffvvcu,101111fvcvcfvccfrrrrr2022-3-2223同理可得如下结论：同理可得如下结论：u情形情形2：当目标静
29、止，而雷达相对目标存在径向速度：当目标静止，而雷达相对目标存在径向速度vr2时时u情形情形3：当目标、雷达存在相向运动，相对介质的径向速度分：当目标、雷达存在相向运动，相对介质的径向速度分别为别为vr1，vr2时时0222fvcvcfrrr012213fvcvcvcvcfrrrrr2rv1rv2rv2022-3-22241101011011221rrrrrrdvvcfvfvcvcfff故目标的多普勒频率为：故目标的多普勒频率为：2202022022221rrrrrrdvvcfvfvcvcfffrrrrrrrrdvvvfvcvcvcvcfff2)(212102211033式中式中vr为雷达与目标
30、相对径向速度，为雷达与目标相对径向速度，f0、分别为雷达频率、波分别为雷达频率、波长。长。2022-3-2225 设雷达发射信号设雷达发射信号 ，目标回波信号为，目标回波信号为 ，设初始距离，设初始距离R0 (t=0时的距离时的距离)处处有相对径向速度为有相对径向速度为vr的目标接近雷达，则的目标接近雷达，则则收发差频信号的相位、频率为：则收发差频信号的相位、频率为：tts0cos)(单站主动雷达目标多普勒频率公式的简化推导单站主动雷达目标多普勒频率公式的简化推导：rdvf2故目标多普勒频率为：故目标多普勒频率为：tvRtRctRtrr0)( ,)(2)(cos)()(0rrttKttKstr
31、ctRttr)(4)(0dttdRdttdfd)(2)(21常用多普勒频率表达式常用多普勒频率表达式2022-3-2226单站被动雷达单站被动雷达 如右图，单站被动雷达正对应于波源、观察者同如右图，单站被动雷达正对应于波源、观察者同时运动情形，保持原来运动速度定义，则雷达被动接时运动情形，保持原来运动速度定义，则雷达被动接收到的电磁波频率为收到的电磁波频率为(电子侦察机、卫星电子侦察机、卫星)：则多普勒频率为：则多普勒频率为：辐射源辐射源接收机接收机vsvR0fvcvcfsRrrsRssRsRrdvvvfvcvvfvcvcfff0001式中式中vr=vR+vs为接收机与辐射源的相对径向速度。为
32、接收机与辐射源的相对径向速度。此式与单站此式与单站主动雷达差系数主动雷达差系数2的原因在于单程、双程的差异的原因在于单程、双程的差异。2022-3-2227双基地雷达双基地雷达M.I. Skolnik, Radar Handbook: Ch25 Bistatic Radar, 2nd edition, McGraw-Hill, 1990 Ch23 in 3rd edition, 2008双基地角双基地角2022-3-2228情形情形1：发射机、接收机静止，即：发射机、接收机静止，即vT=vR=0时，运动目标的双基时，运动目标的双基地多普勒频率地多普勒频率当双基地角当双基地角 时，上式退化为单基地情形。时，上式退化为单基地情形。当双基地角当双基地角 时，时， 位于基线上的运动目标多普勒频率为零。位于基线上的运动目标多普勒频率为零。情形情形2：目标静止，发射机、接收机运动时产生的目标双基地多：目标静止，发射机、接收机运动时产生的目标双基地多普勒频率普勒频率(如机载、星载对地目标如机载、星载对地目标)上述公式可采用前面的一般方法进行证明上述公式可采用前面的一般方法进行证明(可以情形可以情形1为例作说明为例作说明)。
