现代雷达信号处理

雷达空域及空时信号处理赵永波[e-mail]雷达信号处理国防科技重点实验室雷达信号处理重点实验室雷达信号处理重点实验室内容简介雷达信号处理重点实验室雷达信号处理重点实验室主要内容：阵列信号处理在雷达中应用1、背景知识2、自适应旁瓣匿影（SLB）3、自适应旁瓣相消（SLC)4、自适应数字波束形成（ADBF）5、波达方向（DOA）估计6、动目标显示（MTI）和动目标检测（MTD）7、空时联合自适应处理技术（STAP）8、空时联合DOA估计9、米波雷达测高技术一、背景知识1、雷达信号处理内容雷达：一种重要的电磁传感器，在国防和国民经济中应用广泛，最大特点是全天时、全天候工作。雷达组成：天线、发射机、接收机、信号处理机、终端显示等。雷达体制:机械扫描相控阵体制数字阵列体制雷达功能：探测、定位、识别（成像）。资源利用：时域、空域、频域、极化。雷达信号处理重点实验室雷达信号处理重点实验室一、背景知识1、雷达信号处理内容雷达信号处理重点实验室雷达信号处理重点实验室一、背景知识1、雷达信号处理内容雷达信号处理重点实验室雷达信号处理重点实验室一、背景知识1、雷达信号处理内容抗干扰：自适应旁瓣匿影（SLB）自适应旁瓣相消（SLC)自适应数字波束形成（ADBF）抗杂波：动目标显示（MTI）动目标检测（MTD）空时联合自适应处理技术（STAP）抗噪声：脉冲压缩（PC)脉冲相干/非相干积累检测和定位：恒虚警率（CFAR)检测距离、角度（或DOA）估计雷达信号处理重点实验室雷达信号处理重点实验室一、背景知识雷达信号处理重点实验室雷达信号处理重点实验室一、背景知识雷达信号处理重点实验室雷达信号处理重点实验室一、背景知识雷达信号处理重点实验室雷达信号处理重点实验室一、背景知识雷达信号处理重点实验室雷达信号处理重点实验室波束合成（干扰相消）脉压检测测高通信MTIMTD定时控制（差分）接收一、背景知识2、阵列信号处理内容阵列信号处理:将多个传感器设置在空间的不同位置而组成传感器阵列，用传感器阵列来接收空间信号并对接收的信号进行处理。研究内容:自适应波束形成(ADBF，又称空域滤波)和波达方向(DOA)估计目的：通过对阵列接收的信号进行处理，增强所需要的有用信号，抑制无用的干扰和噪声，并提取有用的信号特征以及信号所包含的信息。优点：与传统的单个定向传感器相比，传感器阵列具有灵活的波束控制、高的信号增益、极强的干扰抑制能力以及高的空间分辨能力等。雷达信号处理重点实验室雷达信号处理重点实验室一、背景知识雷达信号处理重点实验室雷达信号处理重点实验室由于空间传播波携带信号是空间位置和时间的四维函数，所以：传播波的接收{空间采集{连续：面天线离散：传感器阵列时间采集：所有传感器同步采样又称为快拍（snapshot）一、背景知识雷达信号处理重点实验室雷达信号处理重点实验室LMMM空时处理获取信息：波的到达方(DOA)、波形参数、极化参数估计、空间滤波与检测等N元传感器阵列1N2}M次同步采样空时采样示意图如下：一、背景知识雷达信号处理重点实验室雷达信号处理重点实验室3、阵列信号模型dθ12NL*1W*2W*NW)exp()()exp()exp()()](exp[)()(1tjtstjjtstjtstxrrωωϕϕω==+=：第一个阵元收到的信号一、背景知识雷达信号处理重点实验室雷达信号处理重点实验室cdttjtjttsttxtx/sin)exp()exp()()()(12θωω=ΔΔΔ+=Δ+=：第二个阵元收到的信号)/sin2exp()exp()()()()(2λθπωdjtjtstxtstts=≈Δ+所以有窄带信号），则假设复包络变缓慢（为一、背景知识雷达信号处理重点实验室雷达信号处理重点实验室若以阵元1为参考点，则各阵元接收信号可写成：()()()()()()()12sin221sinjtjdjtjNdjtNxtstextstedxtsteeωπθωλπθωλ−===M一、背景知识雷达信号处理重点实验室雷达信号处理重点实验室写成矢量的形式：()θa称为方向矢量或导向矢量（SteeringVector）。在窄带条件下，只依赖于阵列的几何结构（已知）和波的传播方向（未知）。为复包络（视频），信号形式和不同的应用环境、处理的不同问题有关。()st()()()()()()()()12sin221sin1jdjtjNdNxtxtetstestxteπθλωπθλθ−⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥===⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎢⎥⎣⎦XaMM一、背景知识雷达信号处理重点实验室雷达信号处理重点实验室λπ/2=ck其中一、背景知识雷达信号处理重点实验室雷达信号处理重点实验室以均匀圆阵中心为参考点一、背景知识雷达信号处理重点实验室雷达信号处理重点实验室4、阵列窄带信号的定义。B。BcDtBD为包络宽度该信号为窄带信号时延迟当信号在阵列上的最大宽为为阵列的孔径，信号带假设ττ,/1,/1)/(,==Δ宽带信号可以通过分成多个子带来存处理一、背景知识雷达信号处理重点实验室雷达信号处理重点实验室5、常规波束形成（ConventionalBeamforing）dθ12NL*1W*2W*NW波束形成（空域滤波）技术与时间滤波相类似，也是对（空域）采样数据作加权求和,输出为：目的是：增强特定方向信号的功率。()()()()[]12,,,*HHTNyttstθ===WXWaWL其中为转置，为共轭，为共轭转置一、背景知识雷达信号处理重点实验室雷达信号处理重点实验室我们记：，称为方向图。当对某个方向的信号同相相加时得的模值最大。对于实际上是空域采样信号，波束形成实现了对方向角的选择，即实现空域滤波。这一点可以对比时域滤波，实现频率选择。等距线阵情况：若取权全为1，即，则：()()HPθθ=WWa0θ()0PθWW()tXθ[]11,1,,1T=WL一、背景知识雷达信号处理重点实验室雷达信号处理重点实验室()()()()()()()21sin12sin2sin(1)sin11sin(sin)sin(sin)HdiNjidNjdjdNjPeeedNedπθλπθλπθλπθλθθπθλπθλ−=−==−=−=∑Wa()sin(sin)sin(sin)dNPdπθλθπθλ=一、背景知识雷达信号处理重点实验室雷达信号处理重点实验室20个阵元，阵元间隔半波长，最高副瓣-13.5dB，波束指向0度一、背景知识雷达信号处理重点实验室雷达信号处理重点实验室若要波束形成指向，则可取，波束形成：0θ()0θ=Wa()()()()()()()000021sinsin12sinsin2sinsin(1)0sinsin011sin((sinsin))sin((sinsin))HdiNjidNjdjdNjPeeedNedπθθλπθθλπθθλπθθλθθπθθλπθθλ−−=−−−−==−=−−=−∑Wa一、背景知识雷达信号处理重点实验室雷达信号处理重点实验室()()()0000sinsin2,sinsin2NPφφφπθθφφφπθ−==−=一、背景知识雷达信号处理重点实验室雷达信号处理重点实验室20个阵元，阵元间隔半波长，最高副瓣-13.5dB,波束指向60度，主瓣宽度比0度指向时宽一、背景知识雷达信号处理重点实验室雷达信号处理重点实验室3dB波束主瓣宽度定义：当波束指向时，0θ()00122PPθθθΔ⎛⎞±=⎜⎟⎝⎠θΔ等距线阵情况：][)(8.500][)()cos(8.5000经典公式时，当关与波束指向或扫描角有ooNdNdλθθθλθ=Δ==Δ加窗处理可以降低旁瓣，但同时也会展宽主瓣，影响角度分辨率和测角精度，且降低信噪比一、背景知识雷达信号处理重点实验室雷达信号处理重点实验室20个阵元，阵元间隔半波长，波束指向0度，加了30dB的Chebyshev窗]-28dB~25[)(5600时峰值旁瓣为时，）：当等距线阵（经典公式，−=Δ=oNdλθθ一、背景知识雷达信号处理重点实验室雷达信号处理重点实验室20个阵元，阵元间隔半波长，波束指向0度，加了40dB的Chebyshev窗一、背景知识雷达信号处理重点实验室雷达信号处理重点实验室20个阵元，阵元间隔半波长，波束指向60度，加了30dB的Chebyshev窗一、背景知识雷达信号处理重点实验室雷达信号处理重点实验室加窗处理降低旁瓣的注意事项：1、实际上不可能无限低降旁（副）瓣，与孔径自由度、天线和通道一致性有关；2、窗函数只适应于特定的阵列结构，对于其他阵列结构要采用专门的方法来得到加窗值。C.A.Olen,etal,Anumericalpatternsynthesisalgorithmforarrays,IEEETrans.AntennaandPropagation,1990,38(10):1666~1676.一、背景知识雷达信号处理重点实验室雷达信号处理重点实验室常规波束形成的优缺点优点：是一个匹配滤波器，在主瓣方向信号相干积累，实现简单，在白噪声背景下它是最优的，在色噪声背景下，维纳滤波是最优的。缺点：1)波束宽度限制了方向角的分辨。2)存在旁瓣，强干扰信号可以从旁瓣进入。3)加窗处理可以降低旁瓣，但同时也会展宽主瓣。总之，常规波束形成依赖于阵列几何结构和波达方向角，而与信号环境无关，且固定不变，抑制干扰能力差。（在雷达中SLB、SLC、ADBF）二、旁瓣匿影技术SLB（sidelobeblanking)雷达信号处理重点实验室雷达信号处理重点实验室二、旁瓣匿影技术SLB（sidelobeblanking)1、对付欺骗脉冲干扰（有时在舰载雷达中也用于抑制附近的大船，防止“画圈”）；2、为了减少噪声的影响，实际中应该仅对主天线中过检测门限的距离单元信号进行处理，这对雷达杂波抑制有利。*Sidelobeblankingwithintegrationandtargetfluctuation,IEEETrans.AES,Vol.38,No.3,2002,pp:1023-*PerformanceoftheAdaptiveSidelobeBlankerDetectionAlgorithminHomogeneousEnvironments,IEEETans.SP,VOL.48,NO.5,MAY2000,pp:1235-雷达信号处理重点实验室雷达信号处理重点实验室三、旁瓣相消技术SLC（sidelobecancellation)2)(aTmXWyW−=ξ代价函数：最优解：*1PRWopt−=μ[]TXXER*=[]aXyEPm*=其中：窄带单复权：相消比：[][][]PRPJEJEJWJEJEJCRHMMTMM12222−−=⎥⎦⎤⎢⎣⎡−=[][]ρ==2*AMoptJEJJEWA211ρ−=JCR为相关系数。ρ雷达信号处理重点实验室雷达信号处理重点实验室三、旁瓣相消技术SLC（sidelobecancellation)雷达信号处理重点实验室雷达信号处理重点实验室假设主天线和辅助天线按直线排列，4个辅助天线为阵元间距为半波长的等距线阵，阵中心与主天线相距4倍波长，辅助天线的增益与主天线的主瓣增益之比为-16分贝（与主天线的旁瓣大体相当），主天线通道和辅助天线通道的噪声功率相同。三、旁瓣相消技术SLC（sidelobecancellation)雷达信号处理重点实验室雷达信号处理重点实验室三、旁瓣相消技术SLC（sidelobecancellation)雷达信号处理重点实验室雷达信号处理重点实验室三、旁瓣相消技术SLC（sidelobecancellation)雷达信号处理重点实验室雷达信号处理重点实验室自适应旁瓣相消的主要性能分为稳定性能和暂态性能两大类，前者主要表现为干扰相消比（也可用改善因子表示），后者主要表现为收敛速度（或响应时间）。影响系统的稳态性能的主要因素有：（1）通道内部噪声。（2）辅助天线的方向性及其配置。（3）频带和波程差。（4）主天线旁瓣频率敏感性和主、辅助通道频率特性不一致。（5）多路径效应。（6）地物杂波