雷达成像处理

南京航空航天大学雷达成像实验室(毛新华,[e-mail])1绪论2雷达发射机3雷达接收机4雷达终端显示器和录取设备5雷达作用距离6目标距离、角度测量7动目标检测及测速教材：雷达原理（第三版）丁鹭飞等1.Skolnik主编(王军等译)，《雷达手册》(第二版)，电子工业出版社，2003。2.Skolnik主编(左群声等译)，《雷达系统导论》(第三版),电子工业出版社,20073.郑新等,《雷达发射机技术》，电子工业出版社，2006。4.戈稳等,《雷达接收机技术》，电子工业出版社，2005。5.吴顺君等,《雷达信号处理和数据处理技术》，电子工业出版社，2008。6.严利华等，《机载雷达原理与系统》，航空工业出版社，2010上课30%考试70%雷达发展历史雷达的分类雷达测量原理雷达基本组成雷达工作频率什么是雷达radar的音译，RadioDetectionandRanging的缩写。无线电探测和测距。定义：能够发射电磁波,并能通过接收目标对电磁波的反射来发现目标并对目标进行定位的一种装置。特点：能主动、远距离、全天候、全天时获取目标信息。（1）雷达检测——判断目标是否存在（2）目标定位——参数提取（估值）（3）目标跟踪——对目标信息的连续测量（4）目标识别——判断是目标是什么（5）目标成像——获取目标的结构形状斜距R:雷达到目标的直线距离OP方位α:目标斜距R在水平面上的投影OB与某一起始方向(正北、正南或其它参考方向)在水平面上的夹角。仰角β：斜距R与它在水平面上的投影OB在铅垂面上的夹角,有时也称为倾角或高低角。R为目标到雷达的单程距离，tR为电磁波往返于目标与雷达之间的时间间隔，c为电磁波的传播速率(3×108米/秒)举例:tR=1us,R=150m发射机接收机RR2RtcR12Rct21R2R1212212RRttRRccc发射机接收机R11R12Rtc2R22Rtcr12c发射机tp脉冲宽度：τ脉冲间隔：tp，脉冲重复频率：PRF=1/tp占空因子（工作比）：D=τ/tp接收机发射机tptR接收机tRtp+tRup1=22PRFcRctmin1()2sRct最小可测距离收发开关转换时间(recoverytime)最大可测距离max12totRcPRTtdeadtime方位角测量(bearing,azimuthangle)090180270360β090180090180β2sin2aRR将角度分辨率转化为切向（方位向）分辨率aRaaRRD2rdvf载波波长目标与雷达之间相对速度的测量利用多普勒现象多普勒频率雷达与目标之间的径向速度(目标沿LOS的速度)当目标向着雷达运动时，，回波载频变大，。目标背离雷达运动时，回波载频减小，。0rv0df0rv0df多普勒频率与目标和雷达之间相对速度的关系:2cosdvf目标运动方向与LOS之间的夹角2rdvf2rdvf只能测径向速度•雷达地杂波抑制（MTI,MTD雷达）•改善雷达方位分辨率（SAR）•提高目标识别率（利用微多普勒特性，检测直升机、生命体等目标）雷达方程表明了雷达的探测能力，即雷达究竟能在多远距离上发现目标。根据雷达方程可以决定雷达检测某类目标的最大作用距离，也可以作为雷达设计的一种依据。设雷达发射机功率为Pt,当用各向均匀辐射的天线发射时,距雷达R远处任一点的功率密度等于功率被假想的球面积4πR2所除,即'1S2'14RPStRPt实际雷达总是使用定向天线将发射机功率集中辐射于某些方向上。天线增益G用来表示相对于各向同性天线,实际天线在辐射方向上功率增加的倍数。因此当发射天线增益为G时,距雷达R处目标所照射到的功率密度为124tPGSRRPt目标截获了一部分照射功率并将它们重新辐射于不同的方向。用雷达截面积σ来表示被目标截获入射功率后再次辐射回雷达处功率的大小,或用下式表示在雷达处的回波信号功率密度:σ的大小随具体目标而异,它可以表示目标被雷达“看见”的尺寸。雷达接收天线只收集了回波功率的一部分,设天线的有效接收面积为A,则雷达收到的回波功率Pr为22212444RRGPRSSt224(4)trPGAPASR当接收到的回波功率Pr等于最小可检测信号Smin时,雷达达到其最大作用距离Rmax,超过这个距离后,就不能有效地检测到目标。1/4max2min(4π)tPGARS考虑到天线增益与孔径之间的如下关系：24AGmin24(4)trPGAPSR目标可检测条件：1/422max3min(4π)tPGRS1/42max2min4πtPARS或者发射机接收机收发开关天线同步器显示器发射机：提供大功率的射频信号天线：辐射大功率射频信号和接收微弱的目标回波信号接收机：对接收到的微弱回波信号进行放大、滤波、变频处理显示器：显示雷达所获取的的目标信息和情报P-37发射机S波段全固态发射机作用：发射和接收雷达信号发射模式天线把来自发射机的高功率信号辐射到自由空间中，并把能量聚积在一定的角域范围内。接收模式天线从一定角域范围内接收雷达目标发射回来的微弱信号。雷声公司生产的ALR-67(V)3雷达警戒接收机接收机保护器低噪声高频放大器混频器中频放大器(匹配滤波器)检波器视频放大器至终端设备本振高频部分高频输入显示器A显（A-scope）电磁波频谱中，雷达使用频率范围甚低频(超长波)低频(长波)中频(中波)高频(短波)甚高频(超短波)特高频(分米波)超高频(厘米波)极高频(毫米波)亚毫米波100km10km1km100m10m1m10cm1cm1mm0.1mm雷达频率广播段红外线音频视频微波段频率3kHz30kHz300kHz3MHz30MHz300MHz3GHz30GHz300GHz3000GHz波长雷达频段的表示（最初为保密，后来IEEE标准化）10cm5cm3cm常用雷达工作频率范围：220MHz－35GHz。更低到2MHz(地波超视距雷达)，更高到94GHz(毫米波雷达)。物理尺寸↓发射功率↓波束宽度↓大气衰减↑f↑军用雷达按所在平台分：地面雷达，机载雷达，舰载雷达，星载雷达，车载雷达。地面雷达按功能分：空中监视雷达，目标引导与指示雷达、卫星与导弹预警雷达、超视距雷达、火控雷达、导弹制导雷达，精密跟踪测量雷达等。机载雷达有：机载预警雷达，机载火控雷达，轰炸雷达，测高雷达，气象雷达，空中侦察雷达等。民用雷达空中交通管制雷达，内河与港口管制雷达，气象雷达等，还有飞机上的导航雷达，宇宙航行中的飞船对接交会，星体上着陆用雷达以及遥感雷达等，还有探地雷达，汽车防撞雷达，公路上车速测量雷达等等。按信号形式可分为：脉冲雷达，连续波雷达，脉冲压缩雷达，脉冲多普勒雷达，噪声雷达，频率捷变雷达等。按角跟踪方式可分为：单脉冲雷达，圆锥扫描雷达，隐蔽锥扫雷达。按测量目标参量可分为：两坐标雷达，三坐标雷达，测高雷达，测速雷达，目标识别雷达。按天线扫描方法分：机械扫描雷达，相控阵雷达，频扫雷达。按信号处理方式分：相参雷达，非相参雷达，动目标显示雷达，合成孔径雷达，逆合成孔径雷达，各种分集雷达等。任务：用于发现战略轰炸机、洲际导弹。波段：超高频(UHF)和甚高频(VHF)，用以减少大气吸收的损耗。作用距离：几千公里。功率：兆瓦任务：用于发现飞机波段：主要是L和S波段作用距离：４００－６００公里功率：兆瓦任务：用于歼击机的引导和指挥作战波段：X、L和S波段作用距离：几百公里功率：兆瓦火控雷达任务：用于跟踪海面或空中目标，为武器指挥控制系统提供目标坐标数据。波段：Ka、Ｘ、Ｃ、Ｌ波段作用距离：几十到上百公里功率：几十到几百kW雷达先驱1865年，Maxwell推导了主宰电磁波现象的麦克斯韦尔方程。他从数学上指出，震荡的电荷产生电磁场，且该电磁场以光速传播，他同时指出，可见光只是电磁能量所具有的频谱的很小一部分1886年，Hertz进一步扩展了Maxwell的光学电磁场理论。Hertz通过实验证明了电可以以电磁波的形式发射，并且其传播速度等于光速，同时还具有一些其它的性质。这直接导致后来无线电通讯、电视、雷达等的发明。1889年，他试验演示了无线电波碰到物体会产生反射。1887年，Hertz在从事无线电研究过程中，还意外发现了光电效应。雷达先驱早期的声音探测预警雷达用于探测飞机之前，采用这些声音探测器来提供预警，最大作用距离可以达到２５公里。世界上第一部雷达1904年，德国的Huelsmeyer申请了一项名为“telemobiloscope”的专利。这是一个利用电波来探测远处金属物体的发射机－接收机系统。Telemobiloscope设计用来防止轮船之间的碰撞。他的这一想法最初产生于看到一位因轮船相撞失去儿子而悲痛欲绝的母亲世界上第一部作战雷达英国的chainHome雷达是第一个完整的防空系统，也是真正用于作战的第一部雷达，它用来对高空飞行的飞机探测和测距。早期的机载雷达螺旋桨飞机上的雷达天线喷气式飞机上的雷达天线，可用于夜间作战1940年，麻省理工学院(MIT)建立了辐射实验室，主要从事雷达研究。在最初６年时间里，美国投入２１亿美元对飞机截获、导航、火控等雷达技术进行研究。据称其投资强度和研制原子弹的投资几乎一样。二战中的雷达用雷达控制高射炮击落一架飞机平均由5000发降为50发，命中率提高100倍。被誉为“天之骄子”标志性成果1939年,英国人发明了高功率微波磁控管，高功率微波器件的出现，大大促进了雷达技术的发展。从此，可克服VHF频段的局限，开发出窄波束、宽带宽，工作于L和S波段的大型地面对空监视雷达以及体积更适用于战斗机的X波段火控雷达。50年代----脉冲压缩雷达，单脉冲雷达，合成孔径雷达60年代----大型相控阵雷达，数字技术在雷达中的应用，高频超视距雷达（OTHR）70-80年代---全数字SAR，超低副瓣技术，固态发射机，脉冲多普勒气象雷达90年代以来---机载有源相控阵雷达，高分辨率星载SARTheEnd!