推薦-相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析 精品

1、第一章相控陣?yán)走_(dá)系發(fā)射信號(hào)的設(shè)計(jì)與分析1.1雷達(dá)工作原理雷達(dá)是Radar(RAdioDetectionAndRanging)的音譯詞，意為無線電檢測(cè)和測(cè)距”，即利用無線電波來檢測(cè)目標(biāo)并測(cè)定目標(biāo)的位置，這也是雷達(dá)設(shè)備在最初階段的功能。典型的雷達(dá)系統(tǒng)如圖1.1，它主要由發(fā)射機(jī)，天線，接收機(jī)，數(shù)據(jù)處理，定時(shí)控制，顯示等設(shè)備組成。利用雷達(dá)可以獲知目標(biāo)的有無，目標(biāo)斜距，目標(biāo)角位置，目標(biāo)相對(duì)速度等?，F(xiàn)代高分辨雷達(dá)擴(kuò)展了原始雷達(dá)概念，使它具有對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)(飛機(jī)，導(dǎo)彈等)和區(qū)域目標(biāo)(地面等)成像和識(shí)別的能力。雷達(dá)的應(yīng)用越來越廣泛。圖1.1：簡(jiǎn)單脈沖雷達(dá)系統(tǒng)框圖雷達(dá)發(fā)射機(jī)的任務(wù)是產(chǎn)生符合要求的雷達(dá)波形(Radar

2、Waveform),然后經(jīng)饋線和收發(fā)開關(guān)由發(fā)射天線輻射出去，遇到目標(biāo)后，電磁波一部分反射，經(jīng)接收天線和收發(fā)開關(guān)由接收機(jī)接收，對(duì)雷達(dá)回波信號(hào)做適當(dāng)?shù)奶幚砭涂梢垣@知目標(biāo)的相關(guān)信息。假設(shè)理想點(diǎn)目標(biāo)與雷達(dá)的相對(duì)距離為R,為了探測(cè)這個(gè)目標(biāo)，雷達(dá)發(fā)射信號(hào)s(t),電磁波以光速C向四周傳播，經(jīng)過時(shí)間RC后電磁波到達(dá)目標(biāo)，照射到目標(biāo)上的電磁波可寫成：s(t-R)。電磁波與目標(biāo)相互作用，一部分電磁波被目標(biāo)散CR射，被反射的電磁波為s(t-)，其中b為目標(biāo)的雷達(dá)散射截面(RadarCrossCSection，簡(jiǎn)稱RCS)，反映目標(biāo)對(duì)電磁波的散射能力。再經(jīng)過時(shí)間RC后，被雷達(dá)接收天線接收的信號(hào)為b-s(t-2R)。

3、C如果將雷達(dá)天線和目標(biāo)看作一個(gè)系統(tǒng)，便得到如圖1.2的等效，而且這是一個(gè)LTI(線性時(shí)不變)系統(tǒng)。圖1.2:雷達(dá)等效于LTI系統(tǒng)等效LTI系統(tǒng)的沖擊響應(yīng)可寫成：h(t)=Xc8(t-t)(1.1)M表示目標(biāo)的個(gè)數(shù)，b是目標(biāo)散射特性,it是光速在雷達(dá)與目標(biāo)之間往返一次iii=1(1.2)(1.3)圖1.3：雷達(dá)回波信號(hào)處理的時(shí)間，2RT=iiC式中，R為第i個(gè)目標(biāo)與雷達(dá)的相對(duì)距離。i雷達(dá)發(fā)射信號(hào)s(t)經(jīng)過該LTI系統(tǒng)，得輸出信號(hào)(即雷達(dá)的回波信號(hào))s(t):rs(t)=s(t)*h(t)=s(t)*迓b8(t-t)=迓bs(t-t)riiiii=1i=1那么，怎樣從雷達(dá)回波信號(hào)s(t)提取出表

4、征目標(biāo)特性的T(表征相對(duì)距離)和rib(表征目標(biāo)反射特性)呢？常用的方法是讓s(t)通過雷達(dá)發(fā)射信號(hào)s(t)的匹配ir濾波器，如圖1.3。(1.4)1.5)s(t)的匹配濾波器h(t)為:rh(t)=s*(-t)r于是，s(t)=s(t)*h(t)=s(t)*s*(-t)*h(t)orr對(duì)上式進(jìn)行傅立葉變換：S(jw)=S(jw)S*(jw)H(jw)o=IS(jw)bH(jw)(1.6)如果選取合適的s(t)，使它的幅頻特性IS(jW)l為常數(shù)，那么1.6式可寫為:S(jw)二kH(jw)o(1.7)其傅立葉反變換為:s(t)二kh(t)二k弋c8(tT)oiii=1(1.8)s(t)中包含

5、目標(biāo)的特征信息T和b.。從s(t)中可以得到目標(biāo)的個(gè)數(shù)M和每個(gè)oiio目標(biāo)相對(duì)雷達(dá)的距離:R=Tcii21.9)這也是線性調(diào)頻(LFM)脈沖壓縮雷達(dá)的工作原理。1.2線性調(diào)頻(LFM)信號(hào)脈沖壓縮雷達(dá)能同時(shí)提高雷達(dá)的作用距離和距離分辨率。這種體制采用寬脈沖發(fā)射以提高發(fā)射的平均功率，保證足夠大的作用距離；而接受時(shí)采用相應(yīng)的脈沖壓縮算法獲得窄脈沖，以提高距離分辨率，較好的解決雷達(dá)作用距離與距離分辨率之間的矛盾。脈沖壓縮雷達(dá)最常見的調(diào)制信號(hào)是線性調(diào)頻(LinearFrequencyModulation)信號(hào)，接收時(shí)采用匹配濾波器(MatchedFilter)壓縮脈沖。LFM信號(hào)(也稱Chirp信號(hào))

6、的數(shù)學(xué)表達(dá)式為:s(t)=rec/d)ej2沢(t2)(1.10)式中f為載波頻率，reccTrect()=T1,1.11)0，elsewiseK=B，是調(diào)頻斜率，于是，信號(hào)的瞬時(shí)頻率為fc+Kt(2tT2)，如圖1.4將1.10式中的up-chirp信號(hào)重寫為：s(t)二S(t)ej2兀fct1.12)式中，S(t)=rect(穆)ej兀k2(1.13)是信號(hào)s(t)的復(fù)包絡(luò)。由傅立葉變換性質(zhì)，S(t)與s(t)具有相同的幅頻特性，只是中心頻率不同而以，因此，Matlab仿真時(shí)，只需考慮S(t)。以下Matlab程序產(chǎn)生1.13式的chirp信號(hào)，并作出其時(shí)域波形和幅頻特性，如圖1.5。%d

7、emoofchirpsignalT=10e-6;%pulseduration10usB=30e6;%chirpfrequencymodulationbandwidth30MHzK=B/T;%chirpslopeFs=2*B;Ts=1/Fs;%samplingfrequencyandsamplespacingN=T/Ts;t=linspace(-T/2,T/2,N);St=exp(j*pi*K*t.八2);Regeneratechirpsignalsubplot(211)plot(t*le6,real(St);xlabel(Timeinusec);title(Realpartofchirpsig

8、nal);gridon;axistight;subplot(212)freq=linspace(-Fs/2,Fs/2,N);plot(freq*1e-6,fftshift(abs(fft(St);xlabel(FrequencyinMHz);title(Magnitudespectrumofchirpsignal);gridon;axistight;仿真結(jié)果顯示：rrsquercyirMlI?圖1.5：LFM信號(hào)的時(shí)域波形和幅頻特性1.3LFM脈沖的匹配濾波信號(hào)s(t)的匹配濾波器的時(shí)域脈沖響應(yīng)為:1.14)h(t)=s*(t-1)0t是使濾波器物理可實(shí)現(xiàn)所附加的時(shí)延。理論分析時(shí)，可令t=0,

9、重寫1.14式,001.15)(1.16)h(t)=s*(-t)將1.10式代入1.15式得:h(t)=rect()e-j冗k2xej2冗fct圖1.6：LFM信號(hào)的匹配濾波如圖1.6,s(t)經(jīng)過系統(tǒng)h(t)得輸出信號(hào)s(t),os(t)=s(t)*h(t)os(u)h(t-u)du=Jh(u)s(t-u)du88ej兀Ku2當(dāng)0tT時(shí),8s(t)=J2oej冗Kt2ej2冗KtudutT2ejkKt2ej2kKtu#j2kKttj/sinKK(Tt)tej2kf-tKKt2xej2kfct(1.17)ej2kfcuxejKk(tu)2rect()ej2kfc(tu)du當(dāng)Tt0時(shí),tf2s

10、(t)=JejkKt2ej2kKtudu0ej2kKtut+卞-j2kKt-応sinKK(T+t)tej2kfctKKtejkKt2xej2冗ft(1.18)合并1.16和1.17兩式：tsinkKT(1_)tt1.19)s(t)=TTrect(一)ej2叫okKTt2T1.19式即為L(zhǎng)FM脈沖信號(hào)經(jīng)匹配濾波器得輸出，它是一固定載頻f的信號(hào)。當(dāng)ctT時(shí)，包絡(luò)近似為辛克(sine)函數(shù)。S(t)=TSa(kKTt)rect(丄)=TSa(kBt)rect(-)(1.20)TOC o 1-5 h z1兀1如圖1.7,當(dāng)兀Bt=兀時(shí)，t=為其第一零點(diǎn)坐標(biāo)；當(dāng)兀Bt=時(shí)，t=-,B22B習(xí)慣上，將此時(shí)

11、的脈沖寬度定義為壓縮脈沖寬度。(1.21)1212BB1.22)LFM信號(hào)的壓縮前脈沖寬度T和壓縮后的脈沖寬度t之比通常稱為壓縮比D,TD=-=TBt1.22式表明，壓縮比也就是LFM信號(hào)的時(shí)寬頻寬積由2.1,3.3,3.6式，s(t),h(t),so(t)均為復(fù)信號(hào)形式，Matab仿真時(shí)，只需考慮它們的復(fù)包絡(luò)S(t),H(t),So(t)。以下Matlab程序段仿真了圖1.6所示的過程，并將仿真結(jié)果和理論進(jìn)行對(duì)照。%demoofchirpsignalaftermatchedfilterT=10e-6;%pulseduration10usB=30e6;%chirpfrequencymodula

12、tionbandwidth30MHzK=B/T;%chirpslopeFs=10*B;Ts=l/Fs;%samplingfrequencyandsamplespacingN=T/Ts;t=linspace(-T/2,T/2,N);S仁exp(j*pi*K*t.八2);%chirpsignalHt=exp(-j*pi*K*t.八2);%matchedfilterSot=conv(St,Ht);%chirpsignalaftermatchedfiltersubplot(211)L=2*N-1;tl=linspace(-T,T,L);Z=abs(Sot);Z=Z/max(Z);%normalizeZ

13、=20*log10(Z+1e-6);Zl=abs(sinc(B.*tl);%sincfunctionZ1=20*log10(Z1+1e-6);t1=t1*B;plot(t1,Z,t1,Z1,r.);axis(-15,15,-50,inf);gridon;legend(emulational；sinc);xlabel(TimeinsectimesitB);ylabel(Amplitude,dB);title(Chirpsignalaftermatchedfilter);sub譏ot(212)%zoomN0=3*Fs/B;t2=-N0*Ts:Ts:N0*Ts;t2=B*t2;plot(t2,Z(N

14、-N0:N+N0),t2,Zl(N-N0:N+N0),r.);axis(-inf,inf,-50,inf);gridon;set(gca,Ytick；-13.4,-4,0,Xtick；-3,-2,-l,-0.5,0,0.5,l,2,3);xlabel(TimeinsectimesitB);ylabel(Amplitude,dB);title(Chirpsignalaftermatchedfilter(Zoom);仿真結(jié)果如圖1.8：-134Chirpsigrk&laftermatchedfitterI-3-cr051?2Fensec.H圖1.8：Chirp信號(hào)的匹配濾波圖1.8中，時(shí)間軸進(jìn)行了

15、歸一化，（t/（1/B）=txB）。圖中反映出理論與仿真結(jié)果吻合良好。第一零點(diǎn)出現(xiàn)在1（即土丄）處，此時(shí)相對(duì)幅度-13.4dB。壓縮后的B脈沖寬度近似為丄（土丄），此時(shí)相對(duì)幅度-4dB,這理論分析（圖1.7）致。B2B上面只是對(duì)各個(gè)信號(hào)復(fù)包絡(luò)的仿真，實(shí)際雷達(dá)系統(tǒng)中，LFM脈沖的處理過程如圖1.9。圖1.9：LFM信號(hào)的接收處理過程雷達(dá)回波信號(hào)s(t)(1.4式)經(jīng)過正交解調(diào)后，得到基帶信號(hào)，再經(jīng)過匹配濾波r脈沖壓縮后就可以作出判決。正交解調(diào)原理如圖1.10，雷達(dá)回波信號(hào)經(jīng)正交解調(diào)后得兩路相互正交的信號(hào)I(t)和Q(t)。一種數(shù)字方法處理的的匹配濾波原理如圖1.11。圖1.11：一種脈沖壓縮雷達(dá)

16、的數(shù)字處理方式1.4Matlab仿真結(jié)果1)任務(wù)：對(duì)以下雷達(dá)系統(tǒng)仿真。雷達(dá)發(fā)射信號(hào)參數(shù)：幅度：1.0信號(hào)波形：線性調(diào)頻信號(hào)頻帶寬度：30兆赫茲(30MHz)脈沖寬度：10微妙(20us)中心頻率：1GHz(109Hz)雷達(dá)接收方式：正交解調(diào)接收距離門：45Km50Km目標(biāo)：Tar1：45.5KmTar2：46KmTar3：47KmTar4：47Km5mTar5：48KmTar6：48Km2m(2)系統(tǒng)模型：結(jié)合以上分析，用Matlab仿真雷達(dá)發(fā)射信號(hào)，回波信號(hào)，和壓縮后的信號(hào)的復(fù)包絡(luò)特性，其載頻不予考慮(實(shí)際中需加調(diào)制和正交解調(diào)環(huán)節(jié))，仿真信號(hào)與系統(tǒng)模型如圖1.12。圖1.12：雷達(dá)仿真等效信

17、號(hào)與系統(tǒng)模型(3)線性調(diào)頻脈沖壓縮雷達(dá)仿真程序LFM_radar仿真程序模擬產(chǎn)生理想點(diǎn)目標(biāo)的回波，并采用頻域相關(guān)方法(以便利用FFT)實(shí)現(xiàn)脈沖壓縮。函數(shù)LFM_radar的參數(shù)意義如下：T：chirp信號(hào)的持續(xù)脈寬；B：chirp信號(hào)的調(diào)頻帶寬；Rmin：觀測(cè)目標(biāo)距雷達(dá)的最近位置；Rmax:觀測(cè)目標(biāo)距雷達(dá)的最遠(yuǎn)位置；R：一維數(shù)組，數(shù)組值表示每個(gè)目標(biāo)相對(duì)雷達(dá)的斜距；RCS：一維數(shù)組，數(shù)組值表示每個(gè)目標(biāo)的雷達(dá)散射截面。在Matlab指令窗中鍵入：LFM_radar(10e-6,30e6,45000,50000,45500,46000,47000,47005,48000,48002,1,1,1,1,

18、1,1)得到的仿真結(jié)果如圖1.13。(4)分辨率(Resolution)仿真改變兩目標(biāo)的相對(duì)位置，可以分析線性調(diào)頻脈沖壓縮雷達(dá)的分辨率。仿真程序默認(rèn)參數(shù)的距離分辨率為：=5m(1.23)C3xl08b=R2B2x30 x106圖1.14為分辨率仿真結(jié)果，可做如下解釋：圖(a)為單點(diǎn)目標(biāo)壓縮的波形；圖(d)中，兩目標(biāo)相距2m，小于b，因而不能分辨;R圖(e)中，兩目標(biāo)相距5m,等于b，實(shí)際上是兩目標(biāo)的輸出sinc包絡(luò)疊加，R可以看到他們的副瓣相互抵消；(h)圖中，兩目標(biāo)距離大于雷達(dá)的距離分辨率，可以觀察出，它們的主瓣變寬,直至能分辨出兩目標(biāo)。?5aoasTimsinusecS510070Rada

19、rechoaftercompression圖1.13：仿真結(jié)果QR=0R=2(c)血5R=7(d)R=6日EW圖1.14：線性調(diào)頻脈沖壓縮雷達(dá)分辨率仿真附錄：LFM_radar.m%demoofLFMpulseradar%=functionLFM_radar(T,B,Rmin,Rmax,R,RCS)ifnargin=0T=10e-6;%pulseduration10usB=30e6;%chirpfrequencymodulationbandwidth30MHzRmin=10000;Rmax=15000;%rangebinR=10500,11000,12000,120XX,13000,13002

20、;depositionofidealpointtargetsRCS=111111;%radarcrosssectionend%=%ParameterC=3e8;%propagationspeedK=B/T;%chirpslopeRwid=Rmax-Rmin;%receivewindowinmeterTwid=2*Rwid/C;%receivewindowinsecondFs=5*B;Ts=1/Fs;%samplingfrequencyandsamplingspacingNwid=ceil(Twid/Ts);%receivewindowinnumber%=%Gneratetheechot=lin

21、space(2*Rmin/C,2*Rmax/C,Nwid);%receivewindow%openwindowwhent=2*Rmin/C%closewindowwhent=2*Rmax/CM=length(R);%numberoftargetstd=ones(M,1)*t-2*R7C*ones(1,Nwid);Srt=RCS*(exp(j*pi*K*td.八2).*(abs(td)T/2);%radarechofrompointtargets%=%DigtalprocessingofpulsepressionradarusingFFTandIFFTNchirp=ceil(T/Ts);%pul

22、sedurationinnumberNfft=2八nextpow2(Nwid+Nwid-1)；%numberneededtoputelinear%convolutionusingFFTalgorithmSrw=fft(Srt,Nfft);%fftofradarechot0=linspace(-T/2,T/2,Nchirp);St=exp(j*pi*K*t0.八2);%chirpsignalSw=fft(St,Nfft);%fftofchirpsignalSot=fftshift(ifft(Srw.*conj(Sw);%signalafterpulsepression%=N0=Nfft/2-Nc

23、hirp/2;Z=abs(Sot(NO:NO+Nwid-l);Z=Z/max(Z);Z=20*logl0(Z+le-6);%figuresub譏ot(211)plot(t*le6,real(Srt);axistight;xlabel(Timeinusec);ylabel(Amplitude)title(Radarechowithoutpression);sub譏ot(212)plot(t*C/2,Z)axis(10000,15000,-60,0);xlabel(Rangeinmeters);ylabel(AmplitudeindB)title(Radarechoafterpression);%

24、=9第二章天線陣列設(shè)計(jì)雷達(dá)波形和信號(hào)的時(shí)間寬度通常與雷達(dá)的距離分辨率和速度分辨率相關(guān)，而雷達(dá)分辨率除了包括距離分辨率和速度分辨率，還包括角度分辨率，角度分辨率，亦稱為橫向距離分辨率。距離和速度分辨率由雷達(dá)信號(hào)的模糊函數(shù)確定。由模糊函數(shù)理論可知，信號(hào)的距離測(cè)量精度和分辨率取決于信號(hào)的頻率結(jié)構(gòu)，為了提高距離分辨率，信號(hào)必須有大的持續(xù)帶寬，距離分辨率與信號(hào)帶寬的關(guān)系滿足下式cR=2B（2.1）R為距離分辨率，c為光速，B為信號(hào)持續(xù)帶寬。所以現(xiàn)代雷達(dá)幾乎都要求大帶寬甚至超寬帶工作能力。速度測(cè)量精度和速度分辨率同樣由模糊函數(shù)可知，它取決于信號(hào)的時(shí)域結(jié)構(gòu)，即速度分辨率越高，要求信號(hào)具有大的持續(xù)時(shí)寬，二者關(guān)

25、系由下式確定c(2.2)v2fT0CV為速度分辨率，f為載波頻率，T為信號(hào)持續(xù)時(shí)寬。0c高性能雷達(dá)中常常使用大時(shí)寬帶寬積的雷達(dá)信號(hào)以獲得多方面的優(yōu)越性能，所以普通相控陣列雷達(dá)將受到限制。而光控相控陣?yán)走_(dá)由于采用光真實(shí)延時(shí)技術(shù)能夠在大的瞬時(shí)信號(hào)帶寬下工作，故在現(xiàn)代相控陣?yán)走_(dá)中，它將更加值得重視和深入研究。而角度分辨率取決于天線波束的寬度，其表達(dá)式為8=仏R（2.3）L8表示角度分辨率，九為載波波長(zhǎng)，R為斜距，L為天線孔徑。為了提高角度分0辨率，可以采用更短的波長(zhǎng)，以及使天線孔徑更大，更為實(shí)用和先進(jìn)的改進(jìn)角分辨能力的方法是采用具有超分辨處理能力的陣列技術(shù)，故相控陣列雷達(dá)具備了這方面的優(yōu)勢(shì)。陣列天線

26、有一個(gè)由大量相同輻射單元（例如裂縫或偶極子）組成的孔徑，每個(gè)單元在相位和幅度上是獨(dú)立控制的。能得到精確可預(yù)測(cè)的輻射方向圖和波束指向。由此處給出并將在以后還要詳細(xì)討論的一些簡(jiǎn)單公式，很容易得到一般平面陣的特性。按間距九/2排列單元（九為波長(zhǎng)）以避免產(chǎn)生被稱為柵瓣的多個(gè)波束。對(duì)筆形波束而言，輻射單元個(gè)數(shù)N與波束寬度的關(guān)系為(9)2(2.4)(2.5)100vW式中，垢是以度為單位的3dB波束寬度。當(dāng)波束指向孔徑法線方向時(shí)，相應(yīng)的天線增益為(2.6)式中，耳計(jì)入由天線損耗叫和由于單元不等加權(quán)帶來的幅度分布不均勻而產(chǎn)生的增益下降。當(dāng)掃描到角度時(shí)，平面陣列增益減少到與投影孔徑相對(duì)應(yīng)的值：TOC o 1-

27、5 h zG（e）呵coseo（2.7）同樣，掃描波束寬度由法線波束寬度增加到（端射=90。附近除外）0B（掃描）初b（法線）心胡028）填滿全空間的波束總數(shù)M（波束寬度為法線波束寬度且半功率點(diǎn)重疊）近似地等于增益，當(dāng)ni它與n的簡(jiǎn)單關(guān)系為M“N（2.9）在波束寬度隨掃描角度變化的平面陣列中，實(shí)際上能夠產(chǎn)生并填滿全空間的波束數(shù)為M*（冗/2）N（2.10）由于寬帶工作需要的是等路徑長(zhǎng)度而不是等相位，所以用以2兀為周期的移相掃描時(shí)，單元并聯(lián)饋電的天線陣列其帶寬將受到限制（參見7.8節(jié)）。其極限如下式所示：帶寬（）波束寬度（）（2.11）這等效于帶寬極限由下式給出：脈沖寬度=2x孔徑尺寸用上述標(biāo)準(zhǔn)

28、，當(dāng)頻率在帶寬內(nèi)改變時(shí)，掃描的輻射方向圖將被控偏移1/4的60。處的波束寬度。如果帶寬范圍內(nèi)的所有頻率均等加權(quán)使用，那么帶寬允許增加一倍（脈沖寬度減半）。當(dāng)掃描角為00時(shí)，波束隨頻率的改變而掃描A0角度，即50ftan00(rad)丿丿(2.12)對(duì)于較寬的帶寬，必須引入時(shí)間延遲網(wǎng)絡(luò)以補(bǔ)償移相器。綜上所述雷達(dá)天線參數(shù)：頻帶寬度等于30兆赫茲（30MHz）角度分辨率6等于1o載波波長(zhǎng)尢0等于0.3m雷達(dá)系統(tǒng)本身是一個(gè)大型的復(fù)雜系統(tǒng)，從信號(hào)角度來講，雷達(dá)的性能與其任何部分特性指標(biāo)息息相關(guān)，因?yàn)槿魏尾糠侄紩?huì)對(duì)發(fā)射與接收的信號(hào)在頻域和時(shí)域產(chǎn)生影響。信號(hào)被發(fā)射或接收經(jīng)過天線時(shí)，天線將使信號(hào)產(chǎn)生失真，特別

29、是陣列天線仍然可以看作一個(gè)存在某種頻率響應(yīng)特性的濾波器，只是它的頻響特性會(huì)隨著陣列的方向矢量改變而不同;同時(shí)，不同目標(biāo)也存在不同的頻率響應(yīng)特性，不同的雷達(dá)工作環(huán)境引起的回波雜波特性也不同，所以，研究雷達(dá)目標(biāo)回波特性與雜波建模分析十分重要。在多功能相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)中，由于天線波束在較大空域內(nèi)掃描以及對(duì)付多個(gè)或多種目標(biāo)，所以相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)中，信號(hào)、天線、目標(biāo)和環(huán)境相互作用觀在實(shí)際的相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)尤為重要。第三章相控陣?yán)走_(dá)信號(hào)處理單元系統(tǒng)設(shè)計(jì)一部先進(jìn)的雷達(dá)必定要具有先進(jìn)的信號(hào)處理系統(tǒng)。由于相控陣?yán)走_(dá)要處理多批、高速目標(biāo)，因此對(duì)信號(hào)波形設(shè)計(jì)與處理設(shè)備提出了更多、更高的要求。與相控陣天線波束掃描的靈

30、活性與自適應(yīng)能力相適應(yīng)，信號(hào)處理機(jī)應(yīng)具有更強(qiáng)的自適應(yīng)信號(hào)處理能力。相控陣天線的多通道特性使相控陣?yán)走_(dá)信號(hào)處理機(jī)具有多通道并行處理的特點(diǎn)。3.1相控陣?yán)走_(dá)信號(hào)處理單元系統(tǒng)分析本文研究的相控陣?yán)走_(dá)是固定式多目標(biāo)單脈沖體制測(cè)量雷達(dá)，主要用來完成某戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈試驗(yàn)和火控雷達(dá)精度實(shí)驗(yàn)中的多個(gè)目標(biāo)的跟蹤測(cè)量任務(wù)。它具備自動(dòng)搜索、截獲和跟蹤多目標(biāo)，具有較強(qiáng)的低空跟蹤性能，能提供多種探測(cè)波形和與之相對(duì)應(yīng)的應(yīng)答式、反射式、應(yīng)答和反射混合等多種工作方式，以便達(dá)到最大的跟蹤距離和最佳的分辨率。雷達(dá)視頻信號(hào)處理單元用來完成雷達(dá)系統(tǒng)的雙三通道距離信息和角誤差信息的提取工作。其承擔(dān)的主要的信號(hào)處理任務(wù)如下:恒虛警率（CACF

31、AR和自適應(yīng)CFAR）處理；雙門限檢測(cè)（CACFAR檢測(cè)器和自適應(yīng)CFAR檢測(cè)器）;動(dòng)目標(biāo)顯示（數(shù)字雙脈沖單對(duì)消DMTI）；動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)（DMTD:8點(diǎn)FFT和恒虛警率處理）；角誤差信號(hào)處理。3.1.1視頻信號(hào)處理單元技術(shù)指標(biāo)根據(jù)雷達(dá)戰(zhàn)術(shù)和技術(shù)指標(biāo)的要求，可得到視頻信號(hào)處理系統(tǒng)的有關(guān)技術(shù)指標(biāo)如下:1、A/D采樣頻率和量化字長(zhǎng):根據(jù)相控陣?yán)走_(dá)戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)對(duì)測(cè)距精度（隨機(jī)誤差延3m）和系統(tǒng)帶寬（1.7MHz、5MHz和10MHz）的要求，將A/D采樣頻率選取為f=50MHz。此時(shí)，距離門的寬度為3m。又根據(jù)相控陣?yán)走_(dá)測(cè)距范圍（40Ckn）的要求，若距離的最小表示單位為lm,則輸出的距離數(shù)據(jù)須用21位來表

32、示。根據(jù)系統(tǒng)對(duì)材刀改善因子的要求和芯片采購的限制，A/D芯片的量化字長(zhǎng)取12位。2、最大數(shù)據(jù)緩存深度:最大不模糊距離如下:（重復(fù)頻率為f）(3.1)1000km,500km,83.3km,75km,根據(jù)雷達(dá)的最大不模糊距離（1000km）和距離門（3m）的寬度，可知每個(gè)重復(fù)周期所需的最大數(shù)據(jù)緩存深度為1000 x103=333333個(gè)采樣數(shù)據(jù)(當(dāng)重復(fù)頻率f150Hz時(shí))?？紤]到在脈沖發(fā)射的前后均存在盲區(qū)(t和t)，實(shí)際長(zhǎng)度要略少一pab些。由于重復(fù)頻率f=150Hz是用于探測(cè)遠(yuǎn)距離小目標(biāo)的，為了保持較高的數(shù)據(jù)p率，不做MTI和MTD,因此，最多只需要一個(gè)周期長(zhǎng)度的緩存空間，且緩存深度小于512

33、k個(gè)采樣數(shù)據(jù)。，當(dāng)重復(fù)頻率取f=1800Hz2000Hz時(shí)，每個(gè)重復(fù)周期所需的最大數(shù)據(jù)緩存深度p為讓61800)x103=27778個(gè)采樣數(shù)據(jù)。由于重復(fù)頻率f=1800Hz3p2000Hz是用于探測(cè)低空目標(biāo)的，需要做MTI和MTD，因此，如果MTI采用三脈沖雙對(duì)消，MTD采用8點(diǎn)FFT,則需要緩存10個(gè)重復(fù)周期的采樣數(shù)據(jù)，相應(yīng)地，最大數(shù)據(jù)緩存空間為277777個(gè)采樣數(shù)據(jù)，其緩存深度也小于512k個(gè)采樣數(shù)據(jù)。3.1.2雷達(dá)信號(hào)分析由于相控陣?yán)走_(dá)采用了應(yīng)答和反射兼容的工作方式，它有兩套接收機(jī)，視頻信號(hào)處理系統(tǒng)要對(duì)兩種工作方式下的回波信號(hào)分別進(jìn)行處理。該雷達(dá)的角度測(cè)量方法采用的是單脈沖幅度比較法。它

34、首先形成“和通道”(D、“方位差通道”()及“仰角差通道”(b)信號(hào)，然后用“和通道”信號(hào)對(duì)差通道信號(hào)進(jìn)行歸一化處理，最終確定角誤差信號(hào)。同時(shí)，為了消除信號(hào)的盲相，確保得到的信號(hào)無損失，動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)采用I、Q雙路檢測(cè)方案，相位檢波器輸出的I、Q兩路正交信號(hào)經(jīng)過高速A/D變換后送到視頻信號(hào)處理系統(tǒng)。由此可見，最終送至視頻信號(hào)處理系統(tǒng)的信號(hào)有六個(gè)通道共十二路。反射方式的三個(gè)通道信號(hào)是調(diào)頻脈沖經(jīng)過脈沖壓縮后的檢波信號(hào)，而應(yīng)答方式的三個(gè)通道信號(hào)是單頻脈沖經(jīng)過窄帶濾波后的檢波信號(hào)，雖然二者在中頻段的處理方法有所區(qū)別，但其視頻信號(hào)的處理方式是類似的。具體情況如下表所示:采樣頻率率量化字長(zhǎng)重復(fù)周期壓縮脈寬處理

35、方式反射方式50MHz12150Hz0.3“sCFAR300Hz、1818Hz0.15“s50MHz12150Hz0.3“sCFAR300Hz、1818Hz0.15“sA50MHz12150Hz0.3“sCFAR300Hz、1818Hz0.15“s應(yīng)答方式50MHz12150Hz0.8“sCFAR300Hz0.8“s50MHz12150Hz0.8“s300Hz0.8“s50MHz12150Hz0.8“s300Hz0.8“s注:150Hz和300Hz的脈沖重復(fù)周期用于探測(cè)遠(yuǎn)距離小目標(biāo)及中距離多目標(biāo);而1818Hz的脈沖重復(fù)周期只用于探測(cè)低空目標(biāo)，此時(shí)，為了解盲速，須進(jìn)行頻率參差。當(dāng)探測(cè)遠(yuǎn)程小目標(biāo)

36、和中高空多目標(biāo)時(shí)，只對(duì)和通道做CFAR處理。而當(dāng)探測(cè)低空目標(biāo)時(shí)，才對(duì)這三個(gè)通道做MTI、MTD、CFAR等一系列處理;對(duì)應(yīng)答方式下的信號(hào)不做MTD處理。當(dāng)雷達(dá)處于全程搜索狀態(tài)時(shí)，為了降低信號(hào)處理機(jī)的負(fù)載，提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)處理的能力，可將采樣頻率成倍數(shù)降低，最低采樣頻率可低至每個(gè)脈沖間隔12個(gè)取樣。這樣，在搜索方式下，采樣頻率可取f=25MHz、12.5MHz。S3.1.3視頻信號(hào)處理單元的接口視頻信號(hào)處理單元與其他單元共有三個(gè)接口:采樣數(shù)據(jù)輸入接口、數(shù)據(jù)通信接口、控制與狀態(tài)信號(hào)接口（包含時(shí)鐘與同步信號(hào)）。數(shù)據(jù)輸入接口:用于進(jìn)行A/D采集數(shù)據(jù)的讀取，A/D采集的數(shù)據(jù)由輸入緩存板通過數(shù)據(jù)輸入接口傳輸至

37、處理單元;由采樣數(shù)據(jù)輸入端口輸入16位采樣數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)通信接口:數(shù)據(jù)通信端口任務(wù)是向坐標(biāo)測(cè)量計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)記錄機(jī)發(fā)送視頻信號(hào)處理板的運(yùn)算結(jié)果（包括距離信息和角誤差數(shù)據(jù)），并接收來自中央控制單元的系統(tǒng)控制字，向坐標(biāo)測(cè)量計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)記錄機(jī)傳送運(yùn)算結(jié)果均采用塊傳輸方式，系統(tǒng)控制字的讀取采用中斷方式?？刂婆c狀態(tài)信號(hào)端口:控制與狀態(tài)信號(hào)端口主要是根據(jù)系統(tǒng)控制字定義的工作模式，向同步器、A/D控制信號(hào)產(chǎn)生器、模擬器等外設(shè)發(fā)出相應(yīng)的控制命令,同時(shí)還讀取上述設(shè)備的狀態(tài)字和檢測(cè)字;處理單元有自己的時(shí)鐘，也可使用外部時(shí)鐘，外時(shí)鐘信號(hào)頻率為10MHz;并向組合提供8個(gè)10MHz的時(shí)鐘信號(hào)供其他插件使用;控制信號(hào)圖3.1雷達(dá)信號(hào)處理單元基本框圖3.1.4雷達(dá)信號(hào)處理單元的體系結(jié)構(gòu)雷達(dá)信號(hào)處理具有以下特點(diǎn):多任務(wù)性：現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)往往要做多種處理工作，如前