雷達(dá)成像原理講義

1、Microwave radarimaging and advanced concepts雷達(dá)成像原理第一章 雷達(dá)基礎(chǔ)知識(shí)511雷達(dá)的定義512雷達(dá)簡(jiǎn)史513電磁波51.4脈沖81.5分貝值表示方法91.6天線101 .7雷達(dá)散射截面1221傅立葉變換1422雷達(dá)硬件組成15221振蕩器15222波形產(chǎn)生15223混頻器16224調(diào)制16225發(fā)射機(jī)16226波導(dǎo)16227雙工器17228天線17229限幅器172210低噪放大器182211系統(tǒng)噪聲182212解調(diào)192213正交混頻202214 A/D轉(zhuǎn)換器212.3天線222.3.1天線的概述23232方向性函數(shù)242.3.3天線增益272

2、34天線口面上輻射場(chǎng)的漸變處理28235余割平方天線2924相控陣天線30241一維線陣列天線31242二維相控陣33第三章 外部環(huán)境對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)的干擾343.1雷達(dá)散射截面（RCS）343.1.1簡(jiǎn)單目標(biāo)的RCS343.1.1.1理想導(dǎo)體球353.1.1.2平板363.1.1.3角反射器363.1.1.4 Luneburg透鏡373.1.2 復(fù)雜目標(biāo)的RCS383.1.3計(jì)算RCS的方法383.1.4極化因素383.1.4.1 極化散射矩陣383.1.4.2 簡(jiǎn)單目標(biāo)的極化散射矩陣393.1.4.3 更一般的極化基403.2 傳播與雜波413.2.1 雷達(dá)波在大氣中的折射413.2.2 地表彎

3、曲效應(yīng)423.2.3雷達(dá)波在空氣中的衰減433.2.4雷達(dá)波在雨水中的衰減433.2.5雷達(dá)波在地表的反射433.2.6 多路效應(yīng)443.2.7 表面雜波反射453.2.8 降水引起的雷達(dá)反向散射463.3 外部噪音46第四章：基本雷達(dá)信號(hào)處理504.1 從噪聲和雜波中間測(cè)回波信號(hào)504.1.1檢測(cè)器特點(diǎn)504.1.2檢測(cè)的基本理論504.1.3噪聲中檢測(cè)無波動(dòng)目標(biāo)524.1.3.1：已知相位的單脈沖的相參檢測(cè)524.1.3.2單脈沖包絡(luò)檢測(cè)524.1.3.3 n個(gè)脈沖的相參積分：524.1.3.4 n個(gè)非相參脈沖的積分變換損失：534.1.4 施威林情形534.1.4.2 波動(dòng)損失534.1

4、.5：噪聲中目標(biāo)檢測(cè)小結(jié)：544.1.6:次積分：無振動(dòng)目標(biāo)544.1.7目標(biāo)554.2 雷達(dá)波形554.2.1總的雷達(dá)信號(hào)554.2.2 匹配濾波器564.2.3：匹配濾波器對(duì)于延遲，多譜勒平移、信號(hào)的響應(yīng)，584.2.4 雷達(dá)模糊函數(shù)584.2.5 例1：一個(gè)單脈沖；距離和速度分辨率604.2.6 例2：線性頻率調(diào)制脈沖；脈沖壓縮614.2.7 例3：相關(guān)脈沖序列：在距離和速度上的分辨率和模糊度624.2.7.1 單脈沖串634.2.7.2 線性調(diào)頻脈沖串644.2.7.3其它脈沖序列654.2.8 相差處理間隔664.2.9 CPI的例子,求解雷達(dá)方程664.3 雷達(dá)測(cè)量精確度674.3

5、.1單脈沖674.3.2 卡爾曼繞界限674.3.2.1在頻率上得卡爾曼-繞界限684.3.2.2延遲上的卡爾曼繞界限694.3.2.3角度上的卡爾曼-繞界限694.3.2.4卡爾曼-繞界限的例子。704.3.2.5總結(jié)：71第六章 成像雷達(dá)簡(jiǎn)介726.1 距離速度壓縮726.2 旋轉(zhuǎn)目標(biāo)：逆合成孔徑雷達(dá)726.3 逆合成孔徑雷達(dá)用于大范圍目標(biāo)756.4 點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)766.5 標(biāo)準(zhǔn)二維逆合成孔徑雷達(dá)：小角度776.6 二維逆合成孔徑雷達(dá)：大角度806.7三維逆合成孔徑雷達(dá)816.8 波數(shù)空間與極化設(shè)計(jì)方法816.9 ISAR注釋826.10 ISAR的其他情況836.11近場(chǎng)ISAR846.1

6、2變化情況未知的目標(biāo)及旋轉(zhuǎn)85第七章 合成孔徑雷達(dá)897.1SAR897.1.1 SAR模型907.1.2距離和速度等值線917.1.3動(dòng)態(tài)補(bǔ)償917.1.4斜面或平面927.1.5SAR對(duì)脈沖重復(fù)頻率的要求927.1.6距離轉(zhuǎn)移937.2SAR波形及處理947.2.1快時(shí)處理947.2.1.1SAR中的線性調(diào)頻（LFM）947.2.1.2非線性調(diào)頻處理957.2.1.3非畸變過程967.2.1.4LFM脊態(tài)987.2.2慢時(shí)（slow time）處理987.3SAR成像質(zhì)量997.3.1脈沖響應(yīng)997.3.2信噪比（SNR）997.3.3合成旁瓣比率1007.3.4倍增噪聲比率（MNR）10

7、07.3.5SAR的對(duì)比和光學(xué)成像1017.4SAR關(guān)鍵參數(shù)概述1027.5特殊SAR應(yīng)用1027.5.1運(yùn)動(dòng)目標(biāo)1027.5.2振動(dòng)目標(biāo)1037.5.3.1影像（Shadows）1047.5.3.2滯后1047.5.3.3立體1057.5.3.4干涉合成孔徑雷達(dá)（IFSAR）1057.5.4前瞻SAR1077.5.5植被穿透SAR（FPSAR）1077.5.6極化SAR1087.5.7隔行掃描SAR/ISAR模式1087.5.7.1靈活波束搜索SAR1097.5.7.2隔行掃描搜索和集束模式1107.5.7.3靈活波束集束SAR1117.5.7.4其他靈活波束實(shí)例111第八章 SAR/ISA

8、R 數(shù)字成像1138.1 數(shù)字圖像構(gòu)造（信號(hào)處理）1138.1.1 使成像和復(fù)成像1138.1.2 離散付立葉變換1148.1.3 補(bǔ)零1148.1.4 數(shù)字SAR/ISAR圖像形成1158.1.5 點(diǎn)擴(kuò)展方程1158.1.6 距離窗1168.2 數(shù)字成像的增強(qiáng)（圖像處理）1188.2.1 超分辨力和旁瓣降低技術(shù)導(dǎo)論1188.2.2 DFT(FFT)處理1198.2.3 周期圖1208.2.4 最小方差方法1208.2.5 高分辨力向量圖1218.2.6 自適應(yīng)旁瓣抑制1218.2.7 空間變量變跡法1228.2.8 超級(jí)SVA1238.2.9 其他頻譜估計(jì)技術(shù)和應(yīng)用1248.2.10 舉例的

9、結(jié)果124第一章 雷達(dá)基礎(chǔ)知識(shí)11雷達(dá)的定義雷達(dá)是指“發(fā)射電磁波信號(hào)并接收在其作用范圍內(nèi)的被觀測(cè)物體（目標(biāo)）的回波的裝置”1。雷達(dá)（radar）源于“radio diction and ranging”的首字母縮寫。現(xiàn)存的許多有用的系統(tǒng)都有同樣的描述。有時(shí)，人們使用聲波（或超聲波）而不用電磁波，這樣的系統(tǒng)成為聲納。按這種定義，蝙蝠使用的是聲納而并非雷達(dá)。聲納的原理和雷達(dá)的原理很相似，但聲納不在本書的討論范圍內(nèi)。如無特別聲明，本書假設(shè)電磁波能量從雷達(dá)硬件輸出到天線，再從天線輻射出去，而后從一個(gè)或多個(gè)物體返回的回波通過先前輻射能量的天線接收，最后傳輸回雷達(dá)的硬件設(shè)備。這樣的雷達(dá)成為單站雷達(dá)，也就是

10、說，電磁波的發(fā)射和接收在同一位置處。有時(shí)我們也會(huì)提到雙站，多站雷達(dá)。在雙站雷達(dá)系統(tǒng)中，發(fā)射天線和接收天線在不同位置處。在多站雷達(dá)系統(tǒng)中，可能電磁波從一個(gè)或多個(gè)位置處發(fā)射，并在一個(gè)或多個(gè)位置處接收。對(duì)于雷達(dá)討論詳見參考書目2-16。12雷達(dá)簡(jiǎn)史雷達(dá)的歷史，特別是早期歷史富有傳奇色彩。當(dāng)Budrieri17，Burns18，Swords19等人作好一批優(yōu)秀的論文之后，雷達(dá)的歷史就隨之開始了。在1886年Heinrich Hertz證實(shí)了無線電波的傳播。1904年德國的杜塞爾布市的Huelsmeyer獲得了第一個(gè)雷達(dá)的專利。Huelsmeyer稱他的發(fā)明為“發(fā)射、接收赫茲波的裝置，如在波的投射方向上

11、存在金屬物體如艦船、火車等，該裝置可以示警”。1922年Tayler和Young在華盛頓的海軍實(shí)驗(yàn)室完成了第一部艦船探測(cè)雷達(dá)。1922年Hyland制作了第一部飛機(jī)探測(cè)器。在1941年美國陸軍的雷達(dá)發(fā)現(xiàn)了接近珍珠港的日軍機(jī)群，但當(dāng)值的軍官認(rèn)為那是假目標(biāo)。二戰(zhàn)期間，英國的Chain Home雷達(dá)系統(tǒng)的快速發(fā)展，對(duì)于英國成功的防御德軍的空襲起了很重要的作用。戰(zhàn)后，雷達(dá)更是飛速發(fā)展，人們制造出了各種類型的雷達(dá)一直延用至今。13電磁波早在1865年James Clerk Maxwell提出了電磁基本方程（麥克斯韋方程）預(yù)測(cè)了電磁波的存在。電磁波由波動(dòng)的電場(chǎng)和磁場(chǎng)構(gòu)成。電磁波的傳播速度可通過自由空間的基

12、本電磁屬性來計(jì)算。0（對(duì)于自由空間）=8.85×10-12 kg-1m-3s-2coul20（對(duì)于自由空間）=4×10-7 kg m coulc= =2.998×108 m/s (1.1)這種計(jì)算速度的方法同樣適用于可見光。這也就說明了可見光也是一種電磁波。Hertiz證明了不可見的電磁波的存在，我們稱之為無線電波?，F(xiàn)在我們知道電磁波有一個(gè)連續(xù)的波譜，包括無線電波、紅外線、可見光、紫外線、x射線、射線。通常雷達(dá)這個(gè)術(shù)語是指利用無線電波的系統(tǒng)。本書只是電磁波的簡(jiǎn)介，讀者若想進(jìn)一步研究，可供參考的文章很多，如Jackson21和Stratton22的文章。電磁波的理論

13、可使用不同的單位量綱系統(tǒng)表示，本書中使用的是公認(rèn)更合理的千克-米-秒的量綱系統(tǒng)。文獻(xiàn)22， 16-23頁。圖1.1描繪了在真空中傳播的幾種簡(jiǎn)單的電磁波在某一特定時(shí)刻的波形。電場(chǎng)（E）和磁場(chǎng)（H）在空間上都是正弦變化的（黑體表示矢量）。在相位上，電場(chǎng)和磁場(chǎng)相互垂直，并且都垂直于傳播方向。每秒通過某特定位置的波峰的個(gè)數(shù)成為頻率（f）。f可用每秒的周期數(shù)來量度（赫茲）。在雷達(dá)系統(tǒng)中，頻率通常是指載波的頻率。兩個(gè)相鄰波峰之間的距離成為波長(zhǎng)。=c/f=2/=2f/c并且k=e*h（表示單位向量）。瞬時(shí)的能量通量密度（w/m2）表示為|S|=E×H= c0E2= c 0H2。S為波印亭矢量22。

14、場(chǎng)強(qiáng)的單位是V/m，波印亭矢量S的單位是W/m2，因此可以推出，常數(shù)c0的單位是1/或S。c0 =1/377 (1.2)c0的倒數(shù)有時(shí)被成為自由空間的阻抗。一般用矢量表示電場(chǎng)E的方向。如圖1.1（a）所示的波形，矢量的值是常數(shù)（不記正負(fù)號(hào)）。的方向決定了波電磁波的極化形式。若矢量的數(shù)值為常數(shù)，則稱電磁波是線極化。若重力場(chǎng)存在，并且波的傳播方向與重力場(chǎng)方向垂直，則稱這樣的線極化波是水平極化或垂直極化的。更常見的情況是，E（或H）的方向與傳播方向垂直，但在垂直關(guān)系下，指向不固定。此時(shí)，E的方向可以用兩個(gè)相互正交，且都垂直與的矢量表示。這樣的波不再是線性極化的。在一般情況下，電場(chǎng)E可以用一組垂直于傳

15、播方向的橢圓形螺旋線來描繪。這樣的波是橢圓極化波（特殊情況下為圓極化波），波形如圖1.1 (b) (c)所示。線極化波的表達(dá)式為（E的模值為常數(shù)，且E所在平面與k垂直）E(r,t)=E0cos(t-k·r+0) (1.3)其中，r是一個(gè)三維空間坐標(biāo)矢量，是角頻率，單位是rad/s，=2f，t是時(shí)間，0為初始相位（一般為0）。于是有d=/c，c=f=/k，波的周期Tp=1/f=2/。由于正弦信號(hào)的均方值等于其振幅的一半，所以平均輻射強(qiáng)度為：|S|=1/2c0E02。 (1.4)（單位為W/m2）。當(dāng)只考慮時(shí)間切片時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度可以看作是一個(gè)復(fù)數(shù)信號(hào)的實(shí)部，進(jìn)而用余弦函數(shù)來表示：E(r,t

16、)=Re（E0exp（j(t-k·r+0)）。 (1.5)在r=0處，E(0,t)=Re（E0exp（j(t +0)）= E0cos(t +0)。其中j為-1的平方根。E0cos可表示復(fù)平面上旋轉(zhuǎn)向量的實(shí)部。如圖1.2所示，圖中角度的余弦值就等于相位值，相位的變化率就是角速度:=d/dt (1.6)此圖就是有名的阿干特圖Argand(兩垂直軸, 一為實(shí)數(shù)軸, 一為虛數(shù)軸)。等相位面稱為波面，波的傳播方向與波面垂直。真空中的光速，也是電磁波的速度為c=299792458 m/s。這個(gè)值是光速的精確值，利用光速人們定義了米這個(gè)長(zhǎng)度單位。光速的近似值為300000 m/s，實(shí)際上真正的光速

17、為300000 m/s·（0.999308），除少數(shù)特殊情況外，工程上一般使用近似值。下列數(shù)值很常用，應(yīng)該熟記。c=3×106 km/sc=300 km/msc=300 m/sc=30 cm/s表1.1中列出了雷達(dá)頻率-波長(zhǎng)的關(guān)系。表1.2列舉了各個(gè)波段的命名。除了高頻（HF），超高頻（VHF）和甚高頻（UHF）是首字母的縮寫外，其他的波段名都人為的使其無字面意思。這主要是出于保密的考慮。當(dāng)時(shí)在二戰(zhàn)時(shí)期，雖然可以將波段的名稱公開，但對(duì)具體的頻率值是要保密的。表1.1頻率波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)表頻率波長(zhǎng)1 MHz300 m10 MHz30 m100 MHz3 m1 GHz30 cm10 G

18、Hz3 cm100 GHz3 mm表1.2雷達(dá)波段波段頻率（GHz）HF0.0030.03VHF0.030.3UHF（P）0.31L12S24C48X812Ku1218K1827Ka2740(通常為35)V4075W75110(通常為95)1.4脈沖本書中討論的雷達(dá)是各個(gè)波段下的脈沖雷達(dá)。（f：0.1100GHz，波段：VHFW）即雷達(dá)波形是一系列孤立的脈沖，在很短的時(shí)間片內(nèi)雷達(dá)有能量輻射，在長(zhǎng)時(shí)間短內(nèi)不輻射能量。除了這中種脈沖雷達(dá)，還有連續(xù)波體制的雷達(dá)。圖1.3表示了典型的脈沖串，最理想的脈沖是脈沖的上升時(shí)間和下降時(shí)間都為0，實(shí)際上真實(shí)脈沖都是存在上升和下降時(shí)間的，但通?？梢岳硐牖Ｒ粋€(gè)脈沖

19、所持續(xù)的時(shí)間叫作脈沖寬度。一般取納秒或微秒為單位。圖1.3中所示的脈沖都是等寬度的，這種情況最常見。兩個(gè)脈沖之間的時(shí)間間隔叫作脈沖重復(fù)間隔，脈沖重復(fù)間隔通常也是等長(zhǎng)的（但不全是），這對(duì)脈沖的發(fā)射很必要。若脈沖重復(fù)間隔（用tR表示）是固定大小的，則稱它的倒數(shù)為脈沖重復(fù)頻率。雷達(dá)的重復(fù)頻率一般從0.1300k赫茲不等。本書中脈沖的重復(fù)頻率用fR表示，脈沖寬度用表示，它們的乘積是一個(gè)關(guān)于時(shí)間的分?jǐn)?shù)，稱為占空比，用fD表示，有：fD=fR （1.7）占空比通常用百分?jǐn)?shù)表示，對(duì)于脈沖雷達(dá)占空比一般從1%40%。峰值功率是指在一個(gè)脈沖內(nèi)功率的平均，用Ppeak表示。平均功率是指在一個(gè)重復(fù)周期內(nèi)功率的平均，

20、用Pavg表示。設(shè)一線極化波，在一個(gè)脈沖內(nèi)功率按正弦變化，周期為Tp/2，則此時(shí)峰值功率Ppeak不是瞬時(shí)最大值，而是等于最大值的1/2。這是由于余弦信號(hào)的均方值和最大值之間存在1/2的關(guān)系。例如某雷達(dá)極化波選用的參數(shù)如下：=100us，tR=1ms，fR=1kHz，fD=10%，Ppeak=100w，Pavg=1000w1.5分貝值表示方法功率的比值通常用分貝值表示。定義式為：dB=log10(P1/P2)。 (1.8)例如兩個(gè)功率值之比為0.01，則對(duì)應(yīng)于-20dB，分貝（decibel）顧名思義是以1貝爾（bel）的十分之一為單位。而貝爾這個(gè)單位這個(gè)量綱源于發(fā)明家Alexander Gr

21、aham Bell的姓。功率比值的分貝表示為10log10(P1/P2)。表1.3中列處了比值與分貝值的對(duì)應(yīng)關(guān)系。有趣的是這些值的近似與某些整數(shù)或整數(shù)半很接近。建議讀者記住這些近似值。表1.3分貝值與比值的對(duì)應(yīng)關(guān)系從（1到10）比值分貝值近似分貝值10.000023.010334.771546.020656.990767.7892878.4518.589.031999.5429.51010.000101.6天線在本節(jié)中僅簡(jiǎn)單介紹天線的相關(guān)知識(shí)，主要是針對(duì)雷達(dá)方程進(jìn)行討論。在以后的2.2.3節(jié)會(huì)有更詳盡的論述。天線被定義為“系統(tǒng)中用來發(fā)射電磁波和接收電磁波的收發(fā)部件”。電磁波是通過天線來傳輸?shù)模?/p>

22、（1）從雷達(dá)硬件傳播到自由空間（空氣或其它介質(zhì)）（2）從自由空間傳回到雷達(dá)內(nèi)部。許多天線是圓盤形的，其直徑一般用D表示。對(duì)于這樣的圓盤天線2.2節(jié)給出了它的方向性函數(shù)。方向性函數(shù)是以角度為自變量的函數(shù)，反映了天線輻射強(qiáng)度隨角度的變化，最強(qiáng)的輻射區(qū)成為天線主瓣，與主瓣相鄰的兩側(cè)存在旁瓣，典型的天線方向圖如圖1.4所示。主瓣的指向就是天線的輻射方向。圖1.4中所示的天線，在空間的輻射強(qiáng)度會(huì)隨距離的遠(yuǎn)近而變化，距天線越近，輻射強(qiáng)度越大，反之越小。天線的波瓣之間還存在0功率點(diǎn)。這些點(diǎn)處的輻射強(qiáng)度與波瓣內(nèi)的峰值相比很小，可以忽略，但并不真正為0。如果有一個(gè)天線的形狀示邊長(zhǎng)為D的正方形平板，而且D遠(yuǎn)大于波

23、長(zhǎng)，則輻射強(qiáng)度在天線面上的分布是均勻的，另外，在天線口面垂直并與天線的一邊平行的平面內(nèi)，輻射功率從峰值下降到0經(jīng)過的角度為/D弧度，兩個(gè)半功率點(diǎn)之間的寬度 0.886/D（也稱為半功率寬度或-3dB寬度）。如果有一個(gè)天線是直徑為D的圓盤，也是均勻輻射，它的主瓣中從峰值到0點(diǎn)經(jīng)過的角度為1.22/D弧度，（這個(gè)數(shù)值在光學(xué)系統(tǒng)中很常見）。下面簡(jiǎn)單介紹一下本節(jié)將要使用到的符號(hào)，這些符號(hào)表示法參考了文獻(xiàn)24的第一章。在2.3.2節(jié)將對(duì)這些符號(hào)的物理意義及其相互關(guān)系作更為詳細(xì)的分析。Ptrans：雷達(dá)發(fā)射功率，是指由雷達(dá)硬件傳輸?shù)教炀€的功率（是峰值值還是平均值根據(jù)上下文而定）。Pr：天線輻射功率。是指天

24、線向外輻射的功率，（單位：w（瓦）r：輻射效率。r = Pr / Ptrans。（，）：是指輻射強(qiáng)度方向性系數(shù)（單位：w/rad（瓦/弧度），使用的空間坐標(biāo)系為球坐標(biāo)。average= Pr /4D（，）：天線方向性函數(shù)。D（，）=（，）/average=4·（，）/ Pr。G（，）：天線增益。G（，）=r·D（，）S（，）：通量強(qiáng)度，即波印亭矢量強(qiáng)度S（，）=（，）R2。R表示與天線的距離，一般R遠(yuǎn)大于天線的尺寸。Ae（，）：天線的有效面積。：口徑系數(shù)，=Ae/A1。Ae是天線的真實(shí)口徑，而A表示的是天線的物理面積。Precd：由天線接收的，傳輸回雷達(dá)硬件的外部物體的回波

25、。（是峰值值還是平均值根據(jù)上下文而定）若雷達(dá)向各個(gè)方向均勻輻射，覆蓋了4的立體角，則單位立體角度上得到的輻射功率為平均功率Ptrans /4。這樣的天線為各向同性天線（但在工程上是無法實(shí)現(xiàn)的）。真實(shí)的天線能量集中分布在一定的角度范圍內(nèi)，在其主瓣方向上出現(xiàn)峰值，該峰值比平均功率Ptrans /4大的多，它們的比值為方向性系數(shù)： (1.9)電磁波在傳輸過程中經(jīng)過無源的電子器件（包括無源天線）會(huì)產(chǎn)生損耗（用L表示），包括熱損耗，阻抗不匹配的損耗等等。L通常是一個(gè)大于1的數(shù)，等于輸出功率與輸入功率的比值： (1.10)在2.2節(jié)將會(huì)講到:G0=G（0，0） (1.11)若波長(zhǎng)遠(yuǎn)小于天線的尺寸G0將不再

26、和天線的形狀有關(guān)。因子可以分解成多個(gè)因子的乘積ri12參見參考文獻(xiàn)24的第一章。i是天線的輻射效率，在數(shù)值上等于天線實(shí)際的方向系數(shù)與理論方向系數(shù)的比值。其他因子與另外一些降低天線增益的因素有關(guān)，例如饋源對(duì)天線口面的遮擋等等。參見2.3.2節(jié)。天線向空間輻射的功率可表示為:。 (1.12)f（，）是方向性函數(shù)，是一個(gè)復(fù)數(shù)，包含相位信息。f（，）反映了電場(chǎng)的分布|f（，）|2與功率成正比。|f（，）|的最大值為1。G（，）的表達(dá)方式有多種，其中兩種最常用。一種表示方法是與主瓣的輻射強(qiáng)度相比，用比值表示，另一種是與天線的均勻輻射強(qiáng)度相比，用比值表示。后一種表示法引入新的名稱“各向同性分貝值dBi”。

27、用一個(gè)例子來說明：某天線若均勻輻射可以計(jì)算出其增益為-35dB，又測(cè)得其旁瓣增益為-45 dB，則其旁瓣增益為-10dBi。能量輻射到自由空間中，若無遮擋，而且距離天線足夠遠(yuǎn)，距離R遠(yuǎn)大于天線的尺寸，則該處的能量密度為： （1.13）1 .7雷達(dá)散射截面當(dāng)發(fā)射的能量Sincident遇到外界物體的反射時(shí)，會(huì)被物體反射回雷達(dá)，各個(gè)物體通常是有意被進(jìn)行測(cè)量的，但有時(shí)，“目標(biāo)”還指那些未知的有待探測(cè)的物體。當(dāng)電磁波投射到物體上，反射的能量為scatter=Sincident·/4。在距物體R處的回波強(qiáng)度Sscatter= Sincident·/4R2。就是所說的雷達(dá)散射截面RCS

28、。從物體在某方向上的RCS在數(shù)值上等于物體朝該方向反射的功率與該物體單位面積上得到的功率的比值的4倍。若不加特殊說明，測(cè)量RCS時(shí)所使用的是連續(xù)波。在連續(xù)波的照射下，物體在電磁場(chǎng)中是一個(gè)等勢(shì)體，而且電勢(shì)的建立瞬時(shí)完成。RCS與入射強(qiáng)度Sincident無關(guān)（通常是利用一些近似考慮，而認(rèn)為兩者無關(guān)）。因此RCS是目標(biāo)的屬性而與雷達(dá)的頻率、極化、距離等因素?zé)o關(guān)。RCS和面積有相同的量綱，單位為m2，或dBm2（dBsm）。例如RCS可表示成1000m2，或30dBm2。若不加特殊說明，RCS指的是單站雷達(dá)的后向散射。RCS的方向性很強(qiáng)，這一點(diǎn)對(duì)于雙站雷達(dá)尤為明顯。如果反射體全部處于輻射場(chǎng)中，而且不

29、存在吸波等能量消耗，再假設(shè)一個(gè)理想的反射體為各向同性的，即向各個(gè)方向上均勻的反射，則將反射體沿波束方向投影，投影面積的大小就等于RCS。大多數(shù)目標(biāo)并非如此，真實(shí)目標(biāo)的RCS并不等于投影面積。若一目標(biāo)比同等面積的理想各向同性的反射體的反射強(qiáng)的多，就稱其為高RCS，例如一個(gè)垂直波束方向放置的金屬平板就是一高RCS體。類似的，若反射弱于理想各向同性散射體就稱其為低RCS體。RCS被降低的原因可能是主要的反射方向不在后向，也可能是目標(biāo)的有吸波特性，或兩者兼有。近幾年，人們一直在努力研究降低某些飛行器的RCS，以躲避雷達(dá)的探測(cè)。這就是所謂的隱身技術(shù)。在參考文獻(xiàn)25講述了隱身技術(shù)及其歷史。雷達(dá)系統(tǒng)的增益和

30、損耗很難精確的測(cè)量，所以工程上經(jīng)常用對(duì)比法測(cè)量目標(biāo)的RCS。設(shè)要求的目標(biāo)的RCS真實(shí)值為t，已知的標(biāo)準(zhǔn)體的RCS真實(shí)值為c，又在實(shí)驗(yàn)中測(cè)得得目標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)體得RCS分別為tca，ta，（實(shí)際測(cè)得的是功率值），則可以計(jì)算目標(biāo)的RCS為：t（真實(shí)值）= （1.14）以上過程即為RCS測(cè)量中的定標(biāo)過程。（在雷達(dá)系統(tǒng)的工程應(yīng)用中，定標(biāo)一詞也經(jīng)常用來表述確定絕對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的過程）。第二章：雷達(dá)系統(tǒng)我們將分3個(gè)方面對(duì)雷達(dá)進(jìn)行討論：1） 雷達(dá)波的產(chǎn)生和傳播2） 雷達(dá)波與外界物體的相互作用及回波的產(chǎn)生3） 回波處理及有用信息的提取這些問題分別在第2、3、4章討論。本章著重分析雷達(dá)波的產(chǎn)生、雷達(dá)波的發(fā)射、回波的接收及數(shù)字

31、化處理的過程。21傅立葉變換 本書經(jīng)常用到傅立葉變換，關(guān)于傅立葉變換的詳細(xì)論述可以在很多書中找到，下面僅對(duì)其做簡(jiǎn)單介紹（參見Brigham的文獻(xiàn)，參考文獻(xiàn)1）。一連續(xù)時(shí)間電壓信號(hào)，其時(shí)域形式為s（t），Joseph Fourier（1768-1830）指出，可以將s（t）表示為不同頻率的信號(hào)和的形式，頻率的個(gè)數(shù)可以是有限個(gè)，也可能是無限多個(gè)，在每一頻率點(diǎn)上的，都有一定的振幅。該信號(hào)可以在頻域上表達(dá)，為S（f）。如果s（t）只有單一頻率f0，則S(f)除了在±f0處有值外，其他頻率點(diǎn)處都為零，這樣的沖擊函數(shù)一般稱為函數(shù)（在4.2.1節(jié)有關(guān)于對(duì)正負(fù)頻率的討論）。如果s（t）是帶限信號(hào)，即

32、只有±（f0±B/2）的頻率范圍內(nèi)有信號(hào)，則S(f)僅在±（f0±B/2）的頻率范圍內(nèi)非零，B被稱為帶寬。s(t) 和S(f)的轉(zhuǎn)換關(guān)系式如下： （2.1） （2.2）通常s（t）為實(shí)信號(hào)，S(f)為復(fù)函數(shù)。傅立葉變換的對(duì)應(yīng)關(guān)系通常表示為： （2 .3）若兩個(gè)信號(hào)在一域內(nèi)做乘積，則其對(duì)應(yīng)信號(hào)在另一域內(nèi)做卷積，用“*”表示。 （2.4）如果信號(hào)s(t)的頻率范圍±f1，對(duì)該信號(hào)進(jìn)行間隔為t的采樣，采樣后的信號(hào)為：sn(t)=s(t-nt)，n=0，±1，±2，±3，若采樣間隔t不大于1（2/f1），則原信號(hào)可以由采樣

33、后的信號(hào)恢復(fù)。對(duì)于一個(gè)特定信號(hào)來說，剛好可以出恢復(fù)原信號(hào)的采樣頻率稱為Nyquist頻率。根據(jù)參考文獻(xiàn)1，83頁所講“信號(hào)帶寬是指幅度非零的正頻率的頻帶寬度”，所以在上例中，帶寬B= f1，采樣間隔為t1/(2B)。22雷達(dá)硬件組成圖2 .1是一部典型的相參雷達(dá)的原理方框簡(jiǎn)圖。以下對(duì)該圖作簡(jiǎn)單分析（Edde文獻(xiàn)2、Scheer文獻(xiàn)3、Skolnik文獻(xiàn)4及很多參考書中都有很詳細(xì)的論述。）。方框圖描述了一種主振式（MOPA）的雷達(dá)。其他類型的雷達(dá)在以下的章節(jié)會(huì)提到。221振蕩器參考源振蕩器（RO）是一個(gè)極其穩(wěn)定的振蕩器，他提供雷達(dá)工作所需的基準(zhǔn)參考頻率。參考源振蕩器一般工作在10100MHz的頻

34、率范圍內(nèi)。通常使用的是壓電晶體。就像爵士樂隊(duì)的鼓手一樣，參考源為其他電路提供基準(zhǔn)的時(shí)鐘節(jié)拍，為了獲得最大的穩(wěn)定度，本地振蕩器（STALO）就是靠參考源振蕩器驅(qū)動(dòng)的。他的工作頻率為fLO=fRF-fIF。其中，fRF 為載頻，fIF為中頻。相干振蕩器（COHO）也是由參考源振蕩器驅(qū)動(dòng)的，其工作頻率為fIF。fIF通常（但不總是）低于fRF。參考源振蕩器、本機(jī)振蕩器、相干振蕩器稱為頻綜。很多雷達(dá)都需要脈間變頻。所以，頻綜的應(yīng)用很廣泛。典型的設(shè)計(jì)是用參考源振蕩器驅(qū)動(dòng)階躍恢復(fù)二極管或的瑣相環(huán)，完成倍頻或混頻，以產(chǎn)生所需要的頻率。理想情況下，工作頻率為fRF的振蕩器頻率是單一的，在載域內(nèi)，理想信號(hào)的傅立

35、葉變換應(yīng)是一個(gè)在fRF頻率點(diǎn)處沖擊（函數(shù)）。但實(shí)際上，任何振蕩器產(chǎn)生的信號(hào)都伴隨有隨機(jī)相位的噪聲相位噪聲，振蕩器的頻域的實(shí)際輸出為在fRF頻率處有最大值、在峰值兩側(cè)存在迅速下降的邊緣。而且，由于實(shí)際電路的不理想，會(huì)有的假峰值（或成為毛刺）的產(chǎn)生參考文獻(xiàn)3，5（另請(qǐng)參考10.2節(jié)）。222波形產(chǎn)生 利用控制計(jì)算機(jī)及相關(guān)軟件，可以提供雷達(dá)信號(hào)發(fā)射所需的各種波形信息，包括頻率、脈寬、重復(fù)頻率、起止時(shí)間、脈沖特性及其他相關(guān)細(xì)節(jié)等等。通常，模擬信號(hào)波形是通過先由計(jì)算機(jī)輸出相關(guān)信息，再通過數(shù)字合成的方法（DDS）得到的。波形發(fā)生器接收到波形信息后，與相干振蕩器的輸出中頻信號(hào)疊加，通過混頻器混頻，產(chǎn)生低功率

36、的有特定波形的中頻信號(hào)。223混頻器 混頻器是載頻搬移的設(shè)備，頻帶搬移也稱為外差處理（來自希臘語的強(qiáng)度差）。如圖2.1所示，混頻器就是乘法器，理想的混頻器對(duì)角頻率為1、2的兩個(gè)信號(hào)做乘法的處理，由： cos（1t）·cos（2t）=1/2cso（1+2）t+ cos（1-2）t （2.6）得混頻器的輸出包括和、差兩種信號(hào)，再通過濾波器可以濾去不希望的信號(hào)。根據(jù)所需，可得到和頻率信號(hào)信號(hào)或差頻率信號(hào)。224調(diào)制 來自相干振蕩器的中頻信號(hào)和頻帶為BRF的基帶波形模擬信號(hào)帶混頻，產(chǎn)生中心頻率為fIF的調(diào)制信號(hào)。上變頻后占據(jù)帶寬為fIF±BRF/2。在雷達(dá)回波處理的后續(xù)工作中，要對(duì)

37、射頻頻率（高頻，RF）的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)處理，即用混頻器去掉載頻，將信號(hào)下變頻轉(zhuǎn)換到基帶。 波形發(fā)生器的輸出的中心頻率為fIF的調(diào)制信號(hào)，經(jīng)過另一個(gè)混頻器，和本振的輸出信號(hào)進(jìn)行混頻，產(chǎn)生射頻頻率的小功率的發(fā)射波。使用中頻的進(jìn)行外差處理的方法稱為超外差。如果沒有中頻，則稱之為零差（來自于希臘語的等強(qiáng)度）。225發(fā)射機(jī)低功率（毫瓦級(jí)）已調(diào)信號(hào)進(jìn)入發(fā)射機(jī)，發(fā)射機(jī)對(duì)該信號(hào)進(jìn)行功率放大（到千瓦級(jí)）然后發(fā)射出去。發(fā)射機(jī)的種類型很多。行波管因其相對(duì)頻帶較寬，相干性好，而得以廣泛的應(yīng)用。它可以在很寬頻率范圍內(nèi)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行高增益功率放大，工作在X波段，帶寬可達(dá)幾百兆。其他類型的發(fā)射機(jī)還包括磁控管發(fā)射機(jī)、調(diào)速管發(fā)射

38、機(jī)、場(chǎng)效應(yīng)管發(fā)射機(jī)、固態(tài)源發(fā)射機(jī)等等參考文獻(xiàn)2。226波導(dǎo)高功率的微波信號(hào)離開發(fā)射機(jī)后，必需被導(dǎo)引到低耗的天線上，這就要用到波導(dǎo)。波導(dǎo)是一根中空金屬管，其橫截面通常是矩形的，也有圓形或橢圓形的。波導(dǎo)內(nèi)部可以是真空的、也充有可以空氣或其它電介質(zhì)。通過解“帶邊界條件的麥克斯韋方程組”可得到電磁波在波導(dǎo)內(nèi)的傳播特性。從方程的解可以看出波導(dǎo)可傳播的電磁波的模式隨頻率增加而增多。參考文獻(xiàn)6，7橫截面為矩形的波導(dǎo)既能傳導(dǎo)橫向電場(chǎng)的電磁波波（TE波），又能傳導(dǎo)橫向磁場(chǎng)的電磁波（TM波），TE波和TM波的電場(chǎng)、磁場(chǎng)方向和電磁場(chǎng)的傳播方向垂直。矩形波導(dǎo)的橫截面圖如圖2.2所示。波導(dǎo)內(nèi)緣尺寸用a和b表示（a>

39、;b）。矩形波導(dǎo)所傳播的模式中，最常見的是TE10波，如果用cD表示電磁波在介質(zhì)中的傳播速度（cDc），則矩形波導(dǎo)能傳輸?shù)碾姶挪ǖ淖畹皖l率為： fmin= fc= cD/2a （2.6）另外可求得，可傳輸?shù)牟ǖ淖罡哳l率為fmax= cD/a，則電磁波在波導(dǎo)內(nèi)的傳輸?shù)挠行俣龋慈核贋椋?cG= cD 1-（fc/f）21/2227雙工器從發(fā)射機(jī)出來，高功率射頻波進(jìn)入雙工器，雙工器功能對(duì)天線來說相當(dāng)于一個(gè)單刀雙置開關(guān)。當(dāng)要發(fā)射雷達(dá)脈沖時(shí)，雙工器把發(fā)射機(jī)與天線相連，當(dāng)天線接收回波時(shí)，雙工器把天線與接收機(jī)相連。雙工器的核心問題是，雙工器要保證發(fā)射機(jī)向接收機(jī)的泄漏非常低。雙工器通常使用環(huán)行器或發(fā)送/接

40、收開關(guān)（T/R開關(guān)）見參考文獻(xiàn)2。228天線電磁波從雙工器傳輸?shù)教炀€，再由天線發(fā)射出去.若在天線的輻射場(chǎng)中有反射體存在，一部分輻射波將被反射，傳回到天線。關(guān)于天線，將在2.3和2.4節(jié)詳細(xì)討論。229限幅器低功率的回波首先要經(jīng)過限幅器，限幅器是一種非線性器件，它能夠防止大功率進(jìn)入而損壞接收機(jī)的精密器件。一般的，任何一部雷達(dá)的回波信號(hào)總有一些回波點(diǎn)的幅度超過所能接收的限度，用L表示，限幅器將所有回波強(qiáng)行限定在小于L的范圍內(nèi)，顯然這樣會(huì)導(dǎo)致原信號(hào)的信息丟失。這類信號(hào)稱為被飽和信號(hào)。對(duì)于整部雷達(dá)而言，功率過大的輸入信號(hào)經(jīng)限幅器達(dá)可能被降低，或達(dá)到飽和。2210低噪放大器在雷達(dá)信號(hào)處理時(shí)，我們最感興趣

41、的是小功率信號(hào)，我們希望能夠從中回波中提取盡可能多的信息。因此，雷達(dá)回波信號(hào)進(jìn)入接收機(jī)，首先要經(jīng)過低噪放大器（LNA）。當(dāng)工作頻率高于1GHz時(shí)，接收機(jī)靈敏度（發(fā)現(xiàn)最小信號(hào)的能力）就主要取決于系統(tǒng)的內(nèi)部熱噪聲。雷達(dá)接收機(jī)要達(dá)到最好，就要使其靈敏度達(dá)到最?。ㄈ纾瑢?duì)器件的使用達(dá)到最優(yōu)化），這要通過合理配置接收機(jī)前端的低噪放大器來實(shí)現(xiàn)?？梢詾橐粋€(gè)實(shí)際放大器建立簡(jiǎn)化的模型：該模型有一個(gè)理想的無噪放大器和一個(gè)噪聲源構(gòu)成，噪聲源和外部噪聲并行輸入理想無噪放大器。放大器增益被定義為輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的功率比：G=Pout/Pin （2.9）2211系統(tǒng)噪聲通訊系統(tǒng)，包括雷達(dá)系統(tǒng)中的噪聲在參考文獻(xiàn)4、8、10

42、中有詳細(xì)討論，本節(jié)只介紹一些簡(jiǎn)單的結(jié)論。在各個(gè)頻率下，與噪聲有關(guān)的參數(shù)都認(rèn)為是常值而與頻帶無關(guān)。考慮一部理想各向同性的雷達(dá)，而且為簡(jiǎn)單起見，設(shè)雷達(dá)在恒溫下工作，溫度為Tscene，并設(shè)反射系數(shù)為，則天線的等效溫度Tant=Tscene。假設(shè)天線及其它器件，一直到低噪聲放大器的前端，都工作在是恒定溫度下，設(shè)此溫度為Tradar，系統(tǒng)的衰減系數(shù)為L(zhǎng)radar，若無衰減Lradar=1，若有衰減產(chǎn)生Lradar1。假設(shè)Tant和Tradar為零（其它器件無噪聲），則低噪放大器本身產(chǎn)生的等效溫度就是低噪放大器的輸入噪聲溫度，表示為為Trcvr，于是我們定義系統(tǒng)溫度Tsys，Tsys包括進(jìn)入低噪聲放大器

43、前的所有器件的等效溫度，也包括低噪聲放大器輸出的等效噪聲溫度，具體數(shù)學(xué)表達(dá)如下 場(chǎng)景噪聲密度（瓦/赫茲）為：kTant/Lradar，與天線模式的方向性函數(shù)無關(guān)（參照3.3節(jié)）。 雷達(dá)噪聲密度（輸入低噪聲放大器前）為：kTradar（1-1/Lradar第10章方程13。 低噪放大器本身的噪聲密度為：kTrcvr 低噪放大器輸入端的有效噪聲密度為：kTsys=k（Tant/Lradar+ Tradar（1-1/Lrada）+Trcvr）。 (2.10) 噪聲數(shù)（也稱噪聲因子）F定義為（其中T0為標(biāo)準(zhǔn)溫度，T0=290K）： Trcvr=（F-1）T0，F(xiàn)>1 (2.11)通常設(shè)Tant=

44、 Tradar = T0，則低噪放大器輸入的噪聲密度為kTsys=k（T0/Lradar+ T0（1-1/Lrada）+（F-1）T0）= kT0F （2.12）當(dāng)然如果這些溫度不同不都為T0，2.10式依然有效，而2.12式則不再成立。（參見課后習(xí)題2.1,2.3）。低噪放大器的噪聲輸入為kTsysB，其中B為低噪放大器的有效帶寬?，F(xiàn)在考慮兩個(gè)放大器的級(jí)聯(lián)的情況（圖2.4），假定kTsysB=kT0BF=kT0B+Nr1。第二個(gè)放大器代表了第一級(jí)低噪聲大器后所有其余的放大器。級(jí)聯(lián)的噪聲輸出為： N0=G1G2（kT0B+Nr1）+ G2 Nr2= kT0B G1G2+ Nr1G1G2+ G2

45、 Nr2 （2.13）再除以輸入噪聲kT0B G1G2得到系統(tǒng)的有效噪聲數(shù)： F=1+ Nr1/( kT0B)+ Nr2/( kT0B G1)= F1+ F2-1/ G1由此可見，系統(tǒng)噪聲數(shù)基本是由第一級(jí)低噪放大器的噪聲數(shù)決定。雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者應(yīng)該明白，第一級(jí)低噪放大器產(chǎn)生的噪聲，經(jīng)過放大器的功率放大后，會(huì)比其它部分的噪聲大得多，系統(tǒng)噪聲系數(shù)F F1（參見課后題4）。2212解調(diào)回波信號(hào)經(jīng)過放大器放大后，與本振的輸出進(jìn)行混頻，產(chǎn)生中心頻率為fIF的調(diào)制信號(hào)，一般，中頻信號(hào)fIF頻率比射頻信號(hào)頻率fRF低得多。比如：fRF為10GHz（X頻帶），fIF可能只有500MHz。之所以選擇中頻這個(gè)頻帶

46、，是因?yàn)樵诖祟l帶接收機(jī)的性能容易達(dá)到最優(yōu)。一般的，接收器處理MHz的中頻信號(hào)，要比處理高頻的GHz的載頻或低頻的KHz信號(hào)更容易。中頻放大器可將中頻信號(hào)進(jìn)一步放大。對(duì)于調(diào)制信號(hào)，我們感興趣的不是中頻的載波，而是被調(diào)制信號(hào)。因此，回波信號(hào)最后必須被解調(diào)到基帶，基帶信號(hào)又稱做視頻信號(hào)，該名稱來源于早期的雷達(dá)，指被顯示信號(hào)。假設(shè)基帶信號(hào)的頻率范圍為±f1。根據(jù)2.1節(jié)，只要采樣率不小于2 f1，采樣后信號(hào)就能保持原信號(hào)的所有信息（采樣精度足夠高）。對(duì)中頻信號(hào)的最簡(jiǎn)單的處理方法是：中頻放大后，再進(jìn)行解調(diào)，恢復(fù)到基帶，然后進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）同時(shí)完成采樣的過程。模數(shù)轉(zhuǎn)換器的工作頻率為2f1。

47、工程實(shí)際中，有些雷達(dá)也是這樣操作的。2f1的值，可能達(dá)幾百兆赫赫茲，但到目前為止，速率為幾百兆赫的A/D轉(zhuǎn)換器還是很難實(shí)現(xiàn)的。2213正交混頻在相干雷達(dá)中，經(jīng)常用到正交混頻，即中頻信號(hào)和兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行混頻：（1）由相干振蕩器產(chǎn)生的中頻信號(hào)，（2）由相干振蕩器產(chǎn)生的信號(hào)信號(hào)，再相移90度后的信號(hào)。兩個(gè)混頻器輸出的基帶信號(hào)分別為：指同相信號(hào)（I）和正交信號(hào)（Q）。如果以f1的采樣速率分別對(duì)I、Q信號(hào)采樣，則信號(hào)可以被完全恢復(fù)。因此，采用正交混頻的辦法，我們可以用兩個(gè)工作頻率為f1的A/D轉(zhuǎn)換器，來代替一個(gè)工作頻率為2f1的A/D轉(zhuǎn)換器。從而將采樣速率率降低了一半，提高了的A/D轉(zhuǎn)換器的可靠性。考慮非

48、外差雷達(dá)中的正交混頻，若該雷達(dá)正在測(cè)距離為R處的靜止點(diǎn)目標(biāo)，從雷達(dá)波發(fā)射到經(jīng)目標(biāo)反射，回波返回雷達(dá)，回波的相位要落后于發(fā)射信號(hào)4R/。另外，由于各種相位延遲，產(chǎn)生相位差，一般的延遲為毫秒級(jí)，于是發(fā)射信號(hào)的相位要超前回波信號(hào)4R/ + ，則回波信號(hào)與相干振蕩輸出的發(fā)射信號(hào)（頻率通常用0表示）混頻后的信號(hào)VI見下式，該信號(hào)VI就是正交混頻器的I通道輸出：VI = cos（0t + 4R/ + ）cos（0t） （2.15） = 1/2cos（20t + 4R/ + ）+ 1/2cos（4R/ + ）正交混頻器的Q通道輸出的信號(hào)為：發(fā)射信號(hào)先前移相90度（表達(dá)式為sin（0t + 4R/ + ），再

49、與回波信號(hào)混頻得到的結(jié)果VQ 。VQ = sin（0t + 4R/ + ）cos（0t） (2.16) = 1/2sin（20t + 4R/ + ）- 1/2sin（4R/ + ）I通道和Q通道中都有一低通濾波器，低通濾波器的輸出為以上兩式的第二項(xiàng)輸出接近直流，再進(jìn)行幅度歸一化為：VI ècos（4R/ + ） (2.17) VQ è sin（4R/ + ）I信號(hào)和Q信號(hào)可以看作一復(fù)數(shù)向量的實(shí)部和虛部，該復(fù)數(shù)向量的相位為= 4R/ + ： P = cos + jsin =exp（j）=exp（4R/ + ）理想情況下，隨R的變化，R與/2的比值相應(yīng)改變，P在復(fù)平面上的軌跡是

50、一個(gè)圓。但兩個(gè)通道中任何一通道的失衡都會(huì)導(dǎo)致輸出的IQ圓變形，一些變形的情況如下所示：直流偏移：當(dāng)I通道或Q通道或I、Q兩通道，的零輸入響應(yīng)不真正為零時(shí)，IQ圓的圓心偏離圓點(diǎn)。通道失衡：當(dāng)I通道、Q通道的放大因子不同時(shí)，IQ曲線為一橢圓，其長(zhǎng)短軸與IQ軸平行。非正交性：當(dāng)I通道、Q通道的相位差不嚴(yán)格為90度時(shí)，導(dǎo)致IQ曲線成為一橢圓，而且其長(zhǎng)軸和短軸不平行于I、Q軸（有一個(gè)旋轉(zhuǎn)角）。信號(hào)動(dòng)態(tài)變化的非線形性：此時(shí)，IQ曲線不再橢圓或圓形。Scheer在參考文獻(xiàn)3中討論了有關(guān)IQ曲線變形的情況，圖示見圖2.5。2214 A/D轉(zhuǎn)換器基帶混頻器的輸出信號(hào)，經(jīng)視頻放大后要進(jìn)行A/D采樣。采樣后的數(shù)字信

51、號(hào)稱之為視頻相位記錄（VPH），下一步的雷達(dá)信號(hào)處理主要是針對(duì)VPH信號(hào)的。VPH經(jīng)常記錄在磁帶或磁盤上。雷達(dá)信號(hào)處理可以是實(shí)時(shí)處理也可以在后續(xù)處理。A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)和最高采樣速率是A/D轉(zhuǎn)換器的重要指標(biāo)。例如：一個(gè)典型的低成本A/D轉(zhuǎn)換器是8位200MHz的。通常，要提高A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)，就要增大采樣間隔，相應(yīng)的采樣速率就要越低。位數(shù)越高、采樣率越快的A/D轉(zhuǎn)換器性能當(dāng)然就越好。目前特殊用途的A/D轉(zhuǎn)換器可以作到8位、2GHz。一個(gè)可變信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍是指最大功率與最小功率之比。雷達(dá)的動(dòng)態(tài)范圍是指雷達(dá)所能檢測(cè)到的最大功率信號(hào)（要非飽和）與最小功率信號(hào)（要可以從噪聲中分辨）的比值。對(duì)于A/D

52、器，其動(dòng)態(tài)范圍是指滿量程所能代表的最大功率值與最小有效位之比。A/D轉(zhuǎn)換器是對(duì)電壓進(jìn)行量化的，n位A/D轉(zhuǎn)換器的滿量程時(shí)對(duì)應(yīng)的電壓的編碼的最大值為2n-1。又因?yàn)楣β蔖和電壓的平方V2成正比，所以用dB表示的功率的動(dòng)態(tài)范圍為： （動(dòng)態(tài)范圍）dB=10log（2n-1）2=20log（2n-1）20nlog26n （2.19）一般情況下，A/D轉(zhuǎn)換器第一位用作符號(hào)位，所以n位A/D轉(zhuǎn)換器用n-1位表示電壓值，故其動(dòng)態(tài)范圍6（n-1）。因?yàn)锳/D轉(zhuǎn)換器的分辨力是有限的，對(duì)實(shí)際電壓值量化時(shí)會(huì)產(chǎn)生的舍入誤差用表示，舍入誤差等于實(shí)際的模擬電壓值與量化后的數(shù)字電壓值之差，=Vanalog-Vdigital

53、。舍入誤差與A/D轉(zhuǎn)換器的最小分辨力（LSB）有關(guān)，其標(biāo)準(zhǔn)偏差為（見課后習(xí)題2.5）： （2.20）A/D轉(zhuǎn)換器的量化誤差是指功率的量化引起的噪聲誤差： （2.30）或者說噪聲量化誤差比A/D轉(zhuǎn)換器的最小分辨功率低10.8dB（lg12=10.8）。量化誤差并不能建立一個(gè)基本的較低測(cè)量精度的限制，因?yàn)闇y(cè)量和有限位數(shù)的A/D轉(zhuǎn)換器有關(guān)。由于A/D轉(zhuǎn)換器的分辨力是有限的，本能依靠改進(jìn)測(cè)量手段的方法來降低量化誤差。但量化誤差與采樣過程本身是不相關(guān)的，可以用多次采樣取平均的方法降低量化誤差。A/D轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的噪聲是正態(tài)分布的，其標(biāo)準(zhǔn)差為：1LSB。該噪聲稱為A/D轉(zhuǎn)換器的白噪聲。在測(cè)量A/D轉(zhuǎn)換器最小分辨力的偏差時(shí)時(shí)，為什么要考慮噪聲呢？我們可以用一個(gè)硬幣的例子來說明。投擲硬幣時(shí)，正面朝上的概率為1/2。但如果就