相控阵雷达接收技术-相控阵雷达技术丛书
接收技术是相控阵雷达最基本的技术之一。本书全面分析了相控阵雷达通道接收技术、相参频率合成技术、波形产生和激励源技术，这三部分内容涵盖了完整的相控阵雷达接收技术，具体有：相控阵雷达对接收机性能的要求，接收机的构成和主要功能；噪声的特性、来源，噪声系数及其测量方法和动态范围；多通道接收、计算机辅助测试和接收机监控技术；现代雷达中开始出现的数字接收技术；相位噪声的特点，在时域和频域表征它的参数和术语，对它的测量方法以及它对雷达性能的影响；基本的频率合成技术，特别详细地介绍了近年来出现的直接数字式频率合成技术；雷达发射波形和激励信号产生技术；相控阵雷达数字化接收技术的新进展。.目录Ⅻ3.4普遍情况下的网络噪声特性2了3.4.1多频网终的噪声特性303.4.2级联网络的噪声特性pt.自d鲁333.4.3超外差雷达接收机网络级联分析…39接收机灵敏度403.6相控阵雷达接收阵面的有效噪声温度3.6.1相控阵雷达有源天馈线阵面的主要类型433.6.2各类天线阵的有效噪声温度453.7噪声系数的测量463.7.1噪声源…463.7.2Y因子法…∴……483.7.3自动测量法3.7.4噪声直接测量法543.8内部干扰——电磁兼容性设计………553.8.1滤波与带宽的优化56.8.2中频频率的优化59参考文献…60第4章通道接收机的其他性能…624.1动态范围………624.1.1增益设计和增益分配634.1.2接收机输入端回波信号的动态范围……644.1.3接收机设备的动态范围674.1.4接收机的增益控制704.1.5接收机动态范围对MTI改善因子的影响4.2多通道接收机…………724.2.1多通道接收机的特性……724.2.2多通道接收机性能对相控阵雷达性能的影响…………………724.3通道接收机的计算机辅助测试(CAT)技术………734.3.1计算机自动测试基本原理和系统构成鲁非■鲁鲁章鲁∴…744.3.2单通道性能测试………………764.3.3通道间幅相一致性测试77相控阵雷达接收机的监控与BIT784.4.1相控阵雷达接收机监控和BⅠT的必要性、内容与方法4.4.279参考文献80Ⅻ相控阵雷达接收技术第5章数字接收机及采样定理1数字接收机的意义815.1.1雷达数字接收机的关键技术5.1.2数字接收机对雷达通道接收机性能的影响82低通采样定理…825.2.1采样845.2.2量化883中频数字化895.3.1带通釆样定理。曲自B自鲁鲁鲁5.3.2带通采样的进一步分析94降低噪声和杂散的方法97参考文献106第6章模数变换(ADC)技术…………………………………1086.1ADC的类型及其特性1086.1.1闪烁型或全并行型1096.1.2流水线型1106.1.3逐次逼近型………………·即.·看··罪·如自鲁6.1.4∑一△型……1126.2ADC主要性能分析…………………………………1146.2.1转换速率1166.2.2分辨力∴…1176.2.3增益误差非自自1176.2.4量化噪声1176.2.5输出信噪比暂最DD1216.2.6有效位……1226.2.7非线性失真及无杂散动态范围………………………………1246.2.8谐波失真…1256.2.9输入带宽,小信号带宽,全功率带宽…∴1266.2.10积分非线性误差和微分非线性误差1276.2.11漏码…1306.2.12直流偏移……………1306.2.13采集时间、孔径时间、孔径延迟时间和有效孔径延迟时间…1306.2.14孔径不确定性噪声1326.2.15噪声功率比1346.2.16缓冲放大器…136日录上絮6.2.17数字接收机与系统噪声系数………………1366.2.18ADC对雷达性能的影响138参考文献140第7章解调技术…1417.1解调技术的主要性能指标7.2模拟信号的解调●·普鲁啬1443无混频数字信号的解调1467.3.1数字正交检相器的一般原理∴…1477.3.2希尔伯特滤波法1487.3.3低通滤波法…………………1497.3.4插值法………………………1517.3.5数字乘积检相(DPD)法………1527.4采样率转换技术1537.4.1抽取……1537.4.2内插1545高效数字滤波器1567.6数字下变频器…7.6.1实现数字下变频的方法1617.6.2ASIC方法1617.6.3FPGA方法……甲·普···………………165参考文献…171第8章频率合成器的各项性能、相位噪声及其测量方法∴……1738.1频率合成器的主要性能指标1738.1.1工作频率范围及频率捷变点数…1738.1.2工作频率、频率准确度及长期频率稳定度……1748.1.3输出功率1748.1.4频率转换时间及其测试技术174频率稳定度或相位噪声………………1758.1.6谐波与杂散1768.1.7撷率推移1778.1.8频率牵引●●4……1778.1.9频率复现性1778.1.10开机特性1778.2频率稳定度及其表征………1788.2.1频率稳定度对于现代雷达的意义178Ⅻ相控阵霅达接收技术82.2相位噪声的产生………1838.2.3雷达频率源的频率稳定度砑究特点1938.2.4相位噪声的谱密度分布∴……………………19582.5频率稳定度的表征……1978.3频率稳定度的测量技术·。由击●果●………………………2128.3.1时域一阿仑方差测量法…2138.3.2频域测量方法之直接频谱仪法………………218.3.3频域测量方法之二—一相位检波法…∴…2178.3.4频域测量方法之三——鉴频法2238.3.5附加噪声的测量………………2248.3.6信号源调幅噪声的测量……2258.3.7脉冲信号相位噪声的测量技术…………226参考文献………230第9章频率源性能对雷达性能的影响……2329,1对雷达接收机噪声系数的影响2329.2对雷达接收机选择性的影响………2339.3对接收机动态范围的影响………2339.4对脉冲压缩性能的影响……鲁·鲁命鲁自着·非最单·非“·p看自·鲁·要罪要·D·身看2339.5对动目标显示性能的影响…2349.5.1动目标显示技术的基本原理……D●鲁2349.5.2颊率稳定度对MTI的影响…2369.6对脉冲多普勤雷达的影响240参考文献241第10章频率合成器的构成●鲁。看,·自·非24210.1直接模拟式频率合成技术……24210.2间接模拟式频率合成技术(锁相环技术)…………………24410.3直接数字式频率合成技术24610.3.1DDS的基本工作原理24710.3.2DDS输出信号的质量…25010.3.3DDS杂散的抑制……25710.3.4DDS输出频率的扩展26010.3.5数模变换器(DAC)26010.4组合式频率合成技术……………26710.4.1锁相环/直接式合成技术26710.4.2DDS/锁相环式合成技术268目录X参考文献………………………268第11章发射波形和激励信号产生技术27011.1发射波形的产生…………270模拟产生法27111.1.2数字产生法27411.2激励信号的产生……………28011.2.1直接中频信号产生…28011.2.2正交调制技术和上变频技术……………28111.3激励信号带宽的扩展一超宽带信号的产生……………28511.3,1基带信号带宽的展宽…………………………28511.3.2调制器的选择28611.3.3倍频技术28711.4激励信号质量分析自自自自「非28711.4.1基带波形的质量…28711.4.2正交调制器输出信号的质量……鲁。·香卵2811.4.3信号质量对匹配滤波一脉冲压缩性能的影响……290I1.4.4信号质量对去斜处理性能的影响……………293参考文献…297第12章数字化接收技术的新进展…………………………29912.1数字阵雷达(DAR)的发展历史及现状29912.2数字收发组件和数字接收机30312.3微波ADC技术…看·曲·鲁·鲁非自●。·带垂垂…30712.4光学ADC技术…………………………………31012.4.1电子ADC在提高ADC的动态范围一釆样频率积时的局限性……31112.4.2光学ADC的分类及几种主要类型的特性…31412.4.3光电ADC芯片……………32412.4.4光学模数变换器的应用…∴………32612.5多芯片组件(MCM)技术32612.6直接数字频率合成技术、数字波形产生和数字上变频技术……327参考文献328符号表………331缩略语340第1章概论1.1相控阵雷达接收分系统的构成部完整的相控阵雷达接收分系统的构成如图1.1所示,它包含了通道接收机、频率源和激励源(含雷达波形产生器)三个组成部分通道接收机模拟接收机或模拟前端数字接收机来自天线阵面的去DBF网络或射频信号模拟接收机或模拟前端数字接收机信号处理机1模拟接收机或模拟前端数字接收机频率源基准频率变频器及僧频器霎达基带波形产生器激励源图1.1相控阵雷达接收分系统的构成通道接收机是雷达回波信号的通道,它接收来自相控阵天线阵面的雷达回波信号。模拟接收机对回波信号首先进行一系列模拟处理,包含保护接收机免烧毁或饱和的有源/无源小功率限幅器、为机内检测(BⅠT)而设置的低插损定向耦合器、低噪声放大器(LNA)、下变频器。第一下变频器是借助于雷达频率源产生的本振信号(f()将微波射频回波信号下变频至固定的中频频率。变频次数可以是一次、两次或三次,视雷达的工作频段高低和中频频率优化结果而定,它们的作用2相控庥管达接取技术是逐渐将中频频率降低到合适的频率。接收机在中频频段,除对回波信号进行放大之外,还会对回波信号的带宽进行匹配或准匹配滤波;为了压缩回波信号的瞬时动态范围,在射频段或中频段,对通道的总增益进行灵敏度时间控制(STC);对多路通道之间的幅度/相位一致性进行调整;为后续的数字接收机设置防混叠滤波器。结构简单的模拟接收机有时又称为模拟前端雷达回波信号,经过模拟接收机的上述处理之后进人数字接收机,在数字接收机中首先是对模拟回波信号进行采样和量化分层,变换为特定字长和特定数据率的数字信号,高速率的数字信号进入数字下变频器(DDC),在一对正交数字乘法器中,借助于数控振荡器(NCO)把模数变换器采集到的数字信号解调出数字基带信号。为了与后续的数字信号处理机速率匹配,往往还要进行数据率的抽取和进步的数字匹配滤波,最后以极坐标或直角坐标的格式输出数字信号去进行数字波束形成或雷达数字信号处理回波信号数字化的切入点是根据雷达工作频段、回波信号带宽和模数变换器的采样速率等因素决定的,可以是在低中频,高中频,甚至于射频、微波频毀进行数字化。目前模数变换器的釆样率多在几兆赫至1吉赫范围内,国际上也出现了几吉赫以上采样率的模数变换器。模数变换器的采样率高低,决定了模拟接收机的繁简程度,技术的发展趋势是促成直接在射频或微波频段进行回波信号的数字化相控阵雷达接收分系统的第一个重要组成部分是通道接收机。通道接收机的通道数目多少取决于相控阵雷达的功能,这在本书第2章进行详细叙述。最简化的情况是采用三通道的单脉冲测角体制,为了进行副瓣对消,会增加副瓣对消接收通道,如果作为机载、星载相控阵雷达,还会设置对海接收通道和保护通道。对于采用数字波束形成技术的相控阵雷达,可以将天线阵面分割成若干个子阵,每个子阵后置一路通道接收机,也可以每个天线辐射单元后置一路通道接收机。相控阵雷达接收分系统另一个重要组成部分是雷达频率源,有时又称为雷达频率合成器,它是以一个高质量振荡器作为频率基准,经过不同方法的综合形成的,在本书第10章介绍了三种不同的类型,即直接模拟式频率源、间接模拟式频率源(即锁相环式频率源)、直接数字式频率源,以及它们相互结合的组合式频率源它提供通道接收机和雷达激励源所需的各本振信号、数字接收机和雷达波形产生器所需的采样信号()和时钟信号(f),除此之外,雷达频率源还向雷达定时器提供定时基准信号。相控阵雷达接收分系统第三个组成部分是所谓的雷达激励源,它实际上就是相控阵雷达发射机的前端部分。雷达激励源由上变频器和雷达波形产生器组成雷达波形产生器往往是数字式可编程的,它以直接式频率综合器(DDS)芯片为核心。理论上讲这种构成的波形产生器可以产生任意多种雷达工作波形,可以任意改变脉冲宽度和雷达重复频率,可以进行任意形式的调制:例如脉冲雷达常用的线第1章概论性调频、非线性调频和脉冲编码调制等,可以产生基带波形,也可以产生中频波形,可以产生正交的1/Q分量信号,也可以产生合成单边带信号上变频器:正如同通道接收机的下变频方式,雷达激励源可以采用上变频方式,将雷达波形产生器输出的中频信号借助雷达频率源输出的本振信号上变频至发射频率,也可以在上变频基础上再倍频至雷达发射频率,这要视雷达工作频段而定。激励源输出的功率一般在几十毫瓦至几百毫瓦之间,到雷达发射机内部再经过前级放大后驱动发射机的末级功率放大器1.2相控阵雷达对通道接收技术的要求雷达接收分系统为雷达能在噪声、杂波和干扰中检测到有用目标回波信号提供通道,并进行必要的处理。相控阵雷达一般是相参雷达,接收机常常是超外差式体制,它有一个或多个中频频率。接收机首先对信号进行低噪声放大并预选,最大限度地降低内部产生的噪声和带外干扰,并使进入的射频或微波回波信号与相参本振进行变频,频率变换到中频后进一步放大和对信号带宽进行匹配滤波,再进行正交相参解调和模数变换(对于数字接收机是先进行模数变换再进行正交相参解调);为了适应回波信号在大动态范围内的变化,而通道又能工作在线性状态,需要对通道进行适当的增益控制。除以上常规功能之外,相控阵雷达对接收分系统还有如下的一些突出要求对天线接收到的目标回波信号提供污染尽量小的信号通道,并高保真地传输回波信息。因此,一般情况下,相控阵雷达接收机应为线性接收机,对信号提供线性通道。所谓“污染”,包含了设备内部产生的各种噪声以及寄生调幅和调相噪声;模数变换器的量化噪声、采样脉冲产生的孔径抖动噪声;由设备的非线性产生的谐波、互调产物;频率组合产生的组合干扰频率;各种源产生的杂散频谱。这些成分均会污染信号空间。接收机的主要任务之一就是减小这些污染源的影响,尽量扩大无污染空间。所谓信号空间,在频域的宽度是接收机的带宽,信号强度的下限就是最小可检测信号电平,但这受限于噪声电平高低,这就要抑制各种噪声来降低接收机的噪声系数,提高接收机的灵敏度,以扩展信号空间的下限,扩展信号空间的上限就是通道各电路的线性输出能力,为此,就要减小器件的各种非线性失真,合理地设计系统,比如系统增益的合理分配,增益控制的合理设计,被选用器件的线性输出能力。相控阵雷达,当采用DBF技术时,通道接收机往往是多通道的,其中对接收机最突出的要求是:为了高性能自适应天线波束的形成,对通道的幅相一致性和相互之间的隔离都提出了很高的要求,特别是在信号全动态范围内及雷达工作频段内的幅相一致性和隔离度提出了严格的要求。如果说,通道的幅相…一致性还可以通过计算机进行误差修正的话,那么通道工作的稳定性就显得更为突出。
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SAR雷达成像点目标仿真——RD算法和CS算法（程序+注释）
SAR雷达成像点目标仿真，包含RD算法和CS算法的原理+Matlab程序，程序每一行均有注释，适合入门以τ的时闫发射啁啾脉冲,然后切换天线开关接收回波信号。脉冲重复间隔为l发接收图雷达发射脉冲串的时序当雷达不处于发射状态时,它接收反射回波。发射和接收回波的时间序列如图所示在机载情况下,每个回波可以在脉冲发射间隔内直接接收到。但是在星载情况下,由于距离过大,某个脉冲的回波要经过个脉冲间隔才能接收到。这里仿真为了方便,默认为机载情況脉冲回波时间图脉冲雷达的发射与接攻周期假设为信号持续时间,下标表示距离向:为重复频率,为重复周期,等于。接收序列中,τ衣示发射第个脉冲时,目标回波相对于发射序列的延时。雷达的发射序列数学表达式为式式中,表示矩形信号,为距离向的信号调频率,为载频。雷达回波信号由发射信号波形,天线方向图,斜距,目标,环境等因素共同决定,若不考虑环境因素,则单点目标雷达回波信号可写成式所示:其中,G表示点目标的雷达散射截面,表示点目标天线方向图双向幅度加权,z表示载机发射第个脉冲时,电磁波再次回到载机时的延时r,带入式中得式就是单点目标叵波信号模型,其中,是分量,它决定距离向分辨率;为多普勒分量,它决定方位向分辨率对于任意一个脉冲,回波信号可表小为式所小我们知道,由于随慢时间的变化而变化,所以计算机记录到的回波数据存储形式如图所示:贴棘·●鲁通ib●幽●中@中●●●。●●鲁●●ed●●i●●一●●:b●t老!y·●●●●●Outuinh0ib●●●●·:·:·;D●●中·!达脉冲长度斜距(军样数或单元置)图目标照射时间内,单个点目标回波能量在信号处理器的二维存储器中的轨迹4距离徙动及校正根据图可知,在倾斜角为零或很小的时侯,目标与雷达的瞬时距离为,根据几何关系可知,,根据泰勒级数展开可得:由式可知,不同慢时间对应着不同的并且是一个双曲线形式或者近似为个二次肜式。如图所示,同一目标的回波存储在计算机里不在同一直线上,存在距离徙动从而定义距离徙动量:为了进行方位向的压缩,方位向的回波数据必须在同一条直线上,也就是说必须校止距离徙动Δ。由式()可知,不同的最近距离对应着不同的▲,因此在时域处理距离徙动会非常麻烦。因此,对方位向进行傅里叫变换,对距离向不进行变换,得到新的域。由于方位向的频率即为多普勒频率,所以这个新的域也称为距离多普勒域将斜距写成多普勒的函数,即。众所周知,对最近距离为的点目标回波多普勒是倾斜角b的函数,即=2,斜距,于是6:≈所以距离多普勒域中的我距离徙动为Δ,可发现它不随慢时间变换同一最短距离对应着相同大小的距离徙动。因此在距离多普勒域对一个距离徙动校正就是对一组具有相同最短距离的点目标的距离徙动校止,这样可以节省运算量。为了对距离徙动进行校正,需要得到距离徙动单元,即距离徙动体现在存储单元中的移动数值,距离徙动单元可以表示为△这个值通常为一个分数,由于存储单元都是离散的,所以不同通过在存储单元简单的移动得到准确的值。为了得到准确的徙动校正值,通常需要进行插值运算。本仿真釆用了两种插值方法最近邻点插值和插值,下面分别进行介绍。最近邻点插值法的优点是简单而快速,缺点是不够精确。Δ其中为整数部分为小数部分,整数部分徙动可以直接通过平移消除,对于小数部分则通过四舍五入的方法变为或者,这样就可以得到较为精确的插值插值原理如下:在基带信号下,卷积核是函数插值信号为即为所有输入样本的加权平均。可通过频域来理解,如图所示,采样信号频普等于以采样率重复的信号频谱。为了重建信号,只需要一个周期频谱(如基带周期),因此需要理想矩形低通滤波器在频域中提取基带频谱(如图)所示。凵知该理想滤波器在时域中是函数。由于频域相乘相当于时域卷积,故插值可以通过与核的卷积来实现信号频谱幅度理想低通滤波器-101频率图理憇低通滤波器怎样对采样信号进行插值5点目标成像 matlab仿真5.1距离多普勒算法距离多普勒算法(是在年至年为民用星载提出的,它兼顾了成熟、简单、髙效和精确等因素,至今仍是使用最广泛的成像算法。它通过距离和方位上的频域操作,到达了高效的模块化处理要求,同吋又具有了一·维操作的简便性。图示意了的处理流程。这里主要讨论小倾斜角及短孔径下的基本处理框当数据处在方位时域时,可通过快速卷积进行距离压缩。也就是说,距离后随即进行距离向匹配滤波,再利用距离完成距离压缩。回波信号为:距离向压缩后的信号为:通过方位将数据变换至距离多普勒域,多普勒中心频率估计以及大部分后续操作都在该域进行。方位向傅里叶变换后信号为:在距离多普勒域进行随距离时间及方位频率变化的,该域中同距离上的组日标轨迹相互重合。将距离徙动曲线拉直到与方位频率轴平行的方向。这里可以采用最近邻点插值法或者插值法,具体插值方法见前面。假设插值是精确的,信号变为:通过每一距离门上的频域匹配滤波实现方位压缩。为进行方位压缩,将后的乘以频域匹配滤波器最后通过方位将数据变换回时域,得到压缩后的复图像。复原后的图像为:正达原始教据距离压缩方位向傅里叶变换距离徙动校正方位压方位向傅里叶逆变及多视叠加压缩数据图距离多普勒算法流程图5.2 Chirp Sca l ing算法距离多普勒算法具有诸多优点,但是距离多普勒算法有两点不足:首先,当用较长的核函数提高距离徙动校正()精度时,运算量较大:其次,二次距离压缩()对方位频率的依赖性问题较雉解决,从而限制了其对某些大斜视角和长孔径的处理精度。算法避免」中的插值操作,通过对信号进行频率调制,实现了对该信号的尺度变换或平移图显示了算法处理流程。这里主要讨论小倾斜角及短孔径下的基本处理框图。主要步骤包括四次和三次相位相乘。通过方位向将数据变换到距离多普勒域。通过相位相乘实现操作,使所有目标的距离徙动轨迹·致化。这是第步相位相乘。用以改交线调频率尺度的二次相位函数为通过距离向将数据变到二维频域。通过与参考函数进行相位相乘,同吋完成距离压缩、和‘致这是第二步相位相乘。用于距离压缩,距离徙动校正的相位函薮写为:通过距离向将数据变回到距离多普勒域。通过与随距离变化的匹配滤波器进行相位相乘,实现方位压缩。此外,由于步骤中的操作,相位相乘中还需要附加一项相位校正。这是第三步相位相乘。补偿由引起的剩余相位函数是:最后通过方位向将数据变回到二维时域,即图像域雷达原始数据SAR信号域方位向傅里叶变换第一步相位相乘补余RCMC中的距离多Chirp sealing操作普勒域距离向傅里叶变换第一步相位相乘参考函数相乘用于距离压细、SRC和一致RCMC频域距离向傅里叶逆变美第三步(最后方位压缩及相位校王步)相位相乘距离多晋勒域方位向傅里叶道变换SAR图像域压缩数据图算法流程图简而言之,算法是将徙动曲线逐一校正,算法是以某一徙动曲线为参考,在域内消除不同距离门的徙动山线的差异,令这些曲线成为一组相互平行的曲线,然后在二维频率域內统一的去掉距离徒动。通俗一点就是,算法是将弯曲的信号一根根矫直,而算法是先把所有信号都掰得一样弯,然后再统一矫直。6仿真结果6.1使用最近邻点插值的距离多普勒算法仿真结果本文首先对个点目标的回波信号进行了仿真,个点目标构成了矩形的个顶点和中心,其坐标分别如下,格式为(方位向距离向后向反射系数):图的上图是距离向压缩后的图像,从图中可以看到条回波信号(其中有几条部分重合,但仍能看出米)目标回波信号存在明显的距离徙动,需要进行校正。图的下图是通过最近邻点插值法校正后的图像,可以看出图像基本被校正为直线。配萬向压缩,未交正距离徒动的图像距高可距离压缩,权E距高徒动日的图像L图距离向压缩后最近邻点插值的结果图为进行方位向压缩后形成的图像,可以明显看出个点日标,并且个点日标构成了矩形的四个顶点及其中心。方位向压缩后的图像图通过最近邻点插值生成的点目标图像6.2使用最近邻点插值的距离多普勒算法仿真结果图上图为通过距离压缩后的图像,图的下图为通过插值法校止后的图像。距离甸压缩,未校正距离徙动的图像距离向距离向压缩,校止离徙动后的图像距离向图距离向压缩后插值的结果图为进行方位向压缩后形成的图像,可以明显看出个点目标,并且个点目标构成了矩形的四个顶点及其中心。方位向缩后的图像图通过插值生成的点目标图像6.3 Chirp Scal ing算法仿真结果可样,在中,对个点目标的回波信号进行了仿真,个点目标构成了矩形的个顶点和中心,其坐标分别如下,格式为(方位向距离向后向反射系数):
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