HotZ-雷达系统(第一章)波形模糊函数

第一章雷达系统基础2020/3/1011.1常见雷达波形1.2雷达信号模糊函数背景雷达依赖天线向空间辐射电磁波，并接收由目标散射的电磁波，以确定目标的存在。2020/3/102接收机发射机信号处理终端显示天线收发开关目标R雷达发射的电磁波具有一定的形式：连续波或脉冲串，单频的或调频、调幅或相位编码的雷达波形要求要实现目标的有效检测，雷达信号波形必须同时满足以下条件：足够的能量足够的目标分辨率对需要的回波有很好的选择、屏蔽能力2020/3/103（看得准）（看得见）（选择、对抗能力）选择的雷达波形要与雷达用途、目标类型、目标环境“匹配”基本概念波是一种可在媒介或空间中传播的，连续或突发的周期性扰动，其到达均值的位移是时间，或空间，或两者的函数。电磁波直观解释是发射到空中的能量，这种能量部分以电场的形式存在，部分的以磁场的形式存在。电磁波的基本特性有：速度、方向、极化、强度、波长、频率和相位。波形是波的周期变化量的瞬时值沿时间表示的图形2020/3/104基本概念相位是在单个周期内波或信号与同频率参考信号相一致的程度。通常用信号幅度正向穿越零点的这个时间点来定义，因此，信号的相位是这些过零点相对于参考信号过零点的超前量或滞后量。2020/3/105参考信号基本概念波前是一个假设的面，在这个面上辐射电磁波的相位处处相等。极化电场方向即为极化方向。2020/3/106电磁波电场磁场垂直极化水平极化基本概念RF波形属性2020/3/107积累（同相）部分积累（不完全同相）抵消（反相）非相参信号（噪声）雷达系统及其波形雷达波形及其指标是决定任何雷达系统设计与性能的基本部分雷达系统设计考虑：2020/3/108工作频率应用类型、雷达硬件峰值功率脉冲时宽脉冲带宽重复频率调制类型极化方式连续波或脉冲硬件复杂程度作用距离、系统灵敏度（雷达方程）待测目标尺寸长度参数距离像目标识别动目标检测多目标检测雷达成像（模糊函数）波形、环境匹配★最重要常见雷达波形介绍连续波（ContinuousWave，CW）频率调制连续波（FrequnceyModulatedCW，FMCW）脉冲（Pulsed）2020/3/109常见雷达波形介绍CWRadar发射连续的单频正弦波信号发射机与接收机始终处于工作状态通过多普勒频移发现目标－可有效测量目标的距离变化率单基系统存在收发隔离问题，双基系统较好简单的CW雷达无法测量距离－波形缺乏“时间标志”2020/3/1010常见雷达波形介绍FMCWRadar发射被一频率序列调制的连续正弦波发射机与接收机始终处于工作状态通过频差发现目标－可有效测量固定目标距离单基系统存在收发隔离问题，双基系统较好2020/3/1011常见雷达波形介绍PulsedRadar发射机由发射脉冲开、关当发射机关闭时，接收机打开在脉冲间的距离门上感知目标－可有效测量目标距离单基地系统的发射机与接收机隔离不是问题可以测量距离变化率2020/3/1012脉冲串是一种常见雷达波形常见雷达波形介绍2020/3/1013脉冲重复频率：占空比：平均功率：发射脉冲串波形时可能产生距离模糊常见雷达波形介绍2020/3/1014常见雷达波形介绍两大类脉冲串波形：相参脉冲串和非相参脉冲串2020/3/1015A.源正弦波B.相参脉冲串C.非相参脉冲串常见雷达波形介绍相参脉冲串频谱2020/3/1016rT0f1rf0fsinxx相参脉冲串频谱非相参脉冲串频谱常见雷达波形介绍相参脉冲串雷达的速度模糊问题2020/3/1017有多普勒频移的CW信号的频谱图相干脉冲串频谱(固定目标－无多普勒频移)中心波瓣滤波器有多普勒频移的目标回波将含有多普勒频移目标的中心波瓣区域展开常见雷达波形介绍脉冲重复频率(PRF)2020/3/1018PRF距离多普勒低不模糊模糊中模糊模糊高模糊不模糊不同类型PRF的距离、多普勒频率模糊特性PRF参差PRF交织在一个停留时间内有多种PRF常见雷达波形介绍连续波信号相参脉冲串信号PRI捷变波形频率捷变信号频率分集信号极化捷变信号双脉冲信号双路信号脉冲压缩信号分布频谱信号沃尔什函数信号冲激信号(《雷达系统》,向敬成.表1-1)2020/3/10191.1常见雷达波形1.2雷达信号模糊函数第一章雷达系统基础2020/3/1020d基本概念雷达分辨力在多目标环境中，雷达区分两个或两个以上邻近目标的能力（距离、速度、角度进行分辨）。2020/3/1021发射信号波形决定波形设计模糊函数理论依据、工具天线方向图（波束）决定雷达分辨力的三个因素：信噪比信号形式信号处理方法信号固有分辨力基本概念模糊函数研究雷达波形的数学工具，反映了雷达波形在距离和径向速度二维上的精度和分辨力波形性能可通过所定义的分辨常数和模糊函数进行比较模糊与分辨是对立概念。2020/3/1022目标分辨场景目标分辨问题有两个相同的点目标A和B，它们相对雷达是视角相同的邻近目标从距离和径向速度二维进行分辨2020/3/1023dfABtdfrtrt'df'ddff发射信号为参考目标A为基准,则：()ut2()djftuteA的回波复包络为B的回波复包络为为两个目标距离差对应的时间间隔为两个目标相对径向速度差对应的多普勒频移距离模糊函数与距离分辨率衡量两个信号为“不同”的参数：均方差值2020/3/1024设信号是维几何空间中的点或矢量用两点间的距离度量点和点的可分辨程度对误差的均方，或均方差距离模糊函数与距离分辨率距离分辨问题描述2020/3/1025dfABrtrttA、B相对雷达径向速度相同仅有距离差时延以目标A为基准，则：A的回波信号为B的回波信号为0当时，A、B完全不可区分用两个信号的均方差来衡量它们距离上的差别距离模糊函数与距离分辨率均方误差2020/3/10260信号能量常数取决于该积分式距离模糊函数与距离分辨率距离模糊函数定义：2020/3/1027信号的复自相关函数信号的距离模糊函数。或看作是信号通过其匹配滤波器后的输出响应。它在时输出为最大值。雷达上数学上距离模糊函数与距离分辨率距离模糊函数分析：特殊情况：当时，2020/3/1028两个目标从距离上越难分辨易分辨两目标完全重合在一起，无法分辨（误认为单目标）显然，值或既与时延有关,也与波形函数有关要提高距离分辨率，在于设计一个信号函数使尽可能大，或尽可能小不可预知，不受雷达控制距离模糊函数与距离分辨率最理想的2020/3/1029时，最大化实际的在处最大；在位置，迅速降低冲激函数实际距离模糊函数与距离分辨率衡量波形距离分辨力的参数有：－固有(或名义)距离分辨力－延时分辨常数信号固有分辨力常用模糊函数的主瓣宽度定义。如：3dB(半功率)主瓣宽度对Sinc型模糊函数，还常采用4dB主瓣宽度采用固有分辨力定义的缺陷:只考虑了主瓣内邻近目标的分辨能力，没有考虑旁瓣干扰对目标分辨的影响2020/3/1030距离模糊函数与距离分辨率时延分辨常数的数学表达式定义为：2020/3/1031将主瓣、基底旁瓣和模糊瓣的全部能量都计算在内，再除以主瓣顶点的功率所得的时间宽度表示信号能量集中在区域的能力越趋近于冲激函数分辨力距离模糊函数与距离分辨率时延分辨常数的频域形式2020/3/1032的自相关函数：信号的自相关函数和功率谱是一对傅立叶变换对：帕斯瓦尔关系式频域形式为：距离模糊函数与距离分辨率有效相关带宽定义：2020/3/1033时域:反映了的能力逼近频域：反映了1(均匀谱)（信号功率谱逼近均匀谱的能力）表明信号距离模糊函数与冲激函数相似的程度。表明波形的频谱与冲激函数的频谱（均匀谱）的相似程度，故称频谱持续宽度。分辨力★有效相关带宽距离分辨力距离模糊函数与距离分辨率距离分辨常数为：2020/3/1034★用信号的有效相关带宽或延时分辨常数来表示，而不是脉冲宽度★宽脉冲与高距离分辨力不是不相容的，★关键在于信号的有效相关带宽★宽的有效相关带宽反映高距离分辨力距离模糊函数与距离分辨率注意至今尚无一个统一的参数能够完全反映信号的分辨特性匹配滤波器输出的波形有三种：1）单瓣响应2）周期性旁瓣3）基底旁瓣2020/3/1035速度模糊函数与速度分辨率速度分辨问题描述2020/3/1036dfABtdf'df'ddffA、B相对雷达距离相同只有径向速度差rv多普勒频移2rdvf以目标A为基准，则：A的回波信号为()utB的回波信号为2()djftute仿照距离分辨率推导均方差2f222()()djftfututedt222*2()2Re()()djftfutdtututedt速度模糊函数与速度分辨率速度模糊函数定义2020/3/10372*()()()djftdfututedt2()dff易分辨①波形主瓣宽度()df②多普勒分辨常数描述波形对相邻速度目标分辨力的参数：速度模糊函数与速度分辨率多普勒分辨常数定义2020/3/103822()(0)dddffdfA反映速度模糊函数逼近冲激函数形状的能力2()dfdfdfA2(0)面积2()ddfdf速度模糊函数与速度分辨率多普勒分辨常数的时域表示形式2020/3/1039根据帕斯瓦尔关系式、的频谱、频移特性：()ut()Uf**()()()()ututdtUfUfdf2()()djftduteUffF用频谱表示为：()df()Uf*()()()ddfUfUffdf信号的频率自相关函数再根据对偶关系：df()()utUf**()()()()()()ddfUfUffdfututdt2()()dfutF速度模糊函数与速度分辨率2020/3/1040以及帕斯瓦尔关系式，则：422()()ddfdutdfAutdf422()()UfdfAUfdf对偶速度模糊函数与速度分辨率有效相关时间定义2020/3/1041224()1()defutdtTAutdt频域：dfA反映了()df的能力()f逼近时域：eT1(直流，时宽无限长)有效相关时间2()ut反映了速度分辨力★信号在时域上持续宽度越大，速度分辨能力越强速度模糊函数与速度分辨率速度分辨常数定义2020/3/10420022dfveAccDffT关于距离、径向速度分辨力的结论结论1：信号频谱越宽，距离分辨力越高结论2：信号时域持续期越宽，速度分辨力越好2020/3/1043对一般信号而言：时宽频宽有没有时宽、频宽都大的信号？如，LFM脉冲信号距离-速度模数函数与其联合分辨力距离-速度二维联合分辨问题定义2020/3/1044dfABtdfrtrt'df'ddff点目标A和B同时存在距离差和时间差，即：00df以目标A为基准，则：A的回波信号复包络为B的回波信号复包络为()ut2()djftute同理，可得均方差误差为：222*,2()2Re()()ddjftfutdtututdt信号复包络的时间-频率复合自相关函数距离-速度模数函数与其联合分辨力距离-速度二维模糊函数定义2020/3/10452*(,)()()djftdfututdt决定了二维分辨能力()ut(,)df2,df目标易分辨22(,)(0,0)df常用来衡量对目标的距离-速度联合分辨力越接近1时，目标越难分辨距离-速度模数函数与其联合分辨力什么是模糊图函数？什么是模糊图？什么是模糊度图？2020/3/1046由绘成的时延-频移-功率幅度三维空间图形2(,)df模糊图在某一高度上的截面(即二维模糊图)2(,)df(完全描述了相邻目标的模糊度或可分辨性)距离-速度模数函数与其联合分辨力高斯信号举例：模糊图、模糊度图2020/3/