第六部分多普勒天气雷达原理与应用（周长青） 我国新一代天气雷达原理；天气雷达图像识别；对流风暴的雷达回波特征；新一代天气雷达产品 第一章我国新一代天气雷达原理 一、了解新一代天气雷达的三个组成部分和功能 新一代天气雷达系统由三个主要部分构成：雷达数据采集子系统（RDA）、雷达产品生成子系统（RPG）、主用户处理器（PUP）。 二、了解电磁波的散射、衰减、折射 散射：当电磁波束在大气中传播，遇到空气分子、大气气溶胶、云滴和雨滴等悬浮粒子时，入射电磁波会从这些粒子上向四面八方传播开来，这种现象称为散射。 衰减：电磁波能量沿传播路径减弱的现象称为衰减，造成衰减的物理原因是当电磁波投射到气体分子或云雨粒子时，一部分能量被散射，另一部分能量被吸收而转变为热能或其他形式的能量。 折射：电磁波在真空中是沿直线传播的，而在大气中由于折射率分布的不均匀性（密度不同、介质不同），使电磁波传播路径发生弯曲的现象，称为折射。 三、了解雷达气象方程 在瑞利散射条件下，雷达气象方程为： 其中Pr表示雷达接收功率，Z为雷达反射率，r为目标物距雷达的距离。Pt表示雷达发射功率，h为雷达照射深度，G为天线增益，θ、φ表示水平和垂直波宽，λ表示雷达波长，K表示与复折射指数有关的系数，C为常数，之决定于雷达参数和降水相态。 四、了解距离折叠 最大不模糊距离：最大不模糊距离是指一个发射脉冲在下一个发射脉冲发出前能向前走并返回雷达的最长距离，Rmax=0.5c/PRF, c为光速，PRF为脉冲重复频率。 距离折叠是指雷达对雷达回波位置的一种辨认错误。当距离折叠发生时，雷达所显示的回波位置的方位角是正确的，但距离是错误的（但是可预计它的正确位置）。当目标位于最大不模糊距离（Rmax）以外时，会发生距离折叠。换句话说，当目标物位于Rmax之外时，雷达却把目标物显示在Rmax以内的某个位置，我们称之为‘距离折叠’。 五、理解雷达探测原理。 反射率因子Z值的大小，反映了气象目标内部降水粒子的尺度和数密度，反射率越大，说明单位体积中，降水粒子的尺度大或数量多，亦即反映了气象目标强度大。 反射率因子（回波强度）： 即反射率因子为单位体积内中降水粒子直径6次方的总和。 意义：一般Z值与雨强I有以下关系： 层状云降水 Z=200I1.6 地形雨 Z=31I1.71 雷阵雨 Z=486I1.37 新一代天气雷达取值 Z=300I1.4 六、了解雷达资料准确的局限性、资料误差和资料的代表性 由于雷达在探测降水粒子时，以大气符合标准大气情况为假定，与实际大气存在一定的差别，使雷达资料的准确度具有一定的局限性，且由于雷达本身性能差异及探测方法的固有局限，对探测目标存在距离折叠及速度模糊现象，对距离模糊和速度模
科研报告 课程名称：信号检测与估值 题目：匹配滤波器在雷达信号中的应用院（系）：信息与控制工程学院 专业方向：信号与信息处理 姓名：许娟 学号：1508210675 任课教师：毛力 2015 年1月14日
匹配滤波器在雷达信号中的应用 摘要 本文介绍了雷达系统及有关匹配滤波器的主要内容，着重介绍与分析了雷达系统信号处理的脉冲压缩(匹配滤波)现代雷达技术，雷达系统通过脉冲压缩解决解决雷达作用距离和距离分辨力之间的矛盾，最后实现对雷达目标的检测。关键词:雷达系统脉冲压缩
Abstract This paper introduces the radar system and the main content of the matched filter, this paper introduces and analyses emphatically the signal processing of the pulse compression radar system (matched filtering) of modern radar technology, by pulse compression radar system to solve the contradiction between the radar range and distance resolution,finally the realization of the radar target detection. Keywords:pulse compression radar system
大四上学期雷达原理与系统期末考题（大部分） 一．填空选择： 1下列不能提高信噪比的是（B） A，匹配滤波器B，恒虚警C，脉冲压缩D，相关处理 2，若一线性相控阵有16个阵元，阵元间距为波长的一半，其波束宽度为（100/16） 3，模糊图下的体积取决于信号的（能量） 4，对于脉冲多普勒雷达，为了抑制固定目标，回拨方向加入对消器，这措施对运动目标的检测带来的影响是出现了（盲速） 5，雷达进行目标检测时，门限电平越低，则发现概率（越大），虚警概率（越大），要在虚警概率保持不变的情况下提高发现概率，则应（提高信噪比） 6，对于脉冲雷达来说，探测距离盲区由（脉冲宽度）参数决定。雷达接受机灵敏度是指（接收机接收微弱信号的能力，用接收机输入端的最小可探测信号功率Smin表示） 7，不属于单级站脉冲雷达系统所必要的组成部分是（B） A收发转换开关B分立两个雷达 8，若要求雷达发射机结构简单，实现成本低，则应当采用的结构形式是（单级振荡式发射机） 9，多普勒效应由雷达和目标间的相对运动产生，当发射信号波长为3m，运动目标与雷达的径向速度为240m/s，如果目标是飞向雷达，目标回波信号的频率是（100MHz+160Hz） 注：多普勒频率2drfv 10，在雷达工作波长一定情况下，要提高角分辨力，必须（增大天线间距d），合成孔径雷达的（方向分辨力）只与真实孔径的尺寸有关 11，只有同时产生两个相同且部分重叠的波束才能采用等信号法完成目标方向的测量 12，当脉冲重复频率fr和回波多普勒频率fd 关系满足（fr）》fd）时，不会出现（频闪和盲速） 13，只有发射机和接受机都是（相参系统），才能提取出目标多普勒信息14，大气折射现象会增加雷达（直视距离） 15，奈曼尔逊准则是在检测概率一定的条件下，使漏警概率最小，或者发现概率最大。16，相控阵雷达随着扫描角增加，其波束宽度（变大） 17，雷达波形模糊函数是关于（原点）对称的。
一、绪论 雷达：无线电探测与测距。利用电磁波对目标检测、定位、跟踪、成像和识别。 雷达利用目标对电磁波的反射或散射现象来发现目标并测定其位置的。 组成框图 雷达测量原理 雷达发射信号： 雷达接收信号： 雷达利用收发信号之间的相关性获取目标信息 雷达组成： 天线：向确定的方向发射和接收特定频段的电磁波 收发开关： 发射状态将发射机输出功率接到天线，保护接收机输入端 接收状态将天线接收信号接到接收机，防止发射机旁路信号 发射机：在特定的时间、以特定的频率和相位产生大功率电磁波 接收机：放大微弱的回波信号，解调目标信息 雷达的工作频率： 工作频率范围：22mhz--35ghz 扩展范围：2mhz--94ghz 绝大部分雷达工作在：200mhz--10000ghz 雷达的威力范围：最大作用距离、最小作用距离、最大仰角、最小仰角、方位角范围 分辨力：区分点目标在位置上靠近的能力 距离分辨力：同一方向上两个目标之间最小可区别的距离 角度分辨力：在同一距离上的两个不同方向的点目标之间最小能区别的角度 数据率：雷达对整个威力范围内完成一次搜索所需要的时间倒数，也就是单位时间内雷达所能提供对一个目标数据的次数。 跟踪速度：自动跟踪雷达连续跟踪运动目标的最大可能速度 发射功率的和调制波形： 发射功率的大小直接影响雷达的作用距离
发射信号的调制波形： 早期简单脉冲波形，近代采用复杂波形 脉冲宽度：脉冲雷达发射信号所占的时间。影响探测能力和距离分辨力 重复频率：发射机每秒发射的脉冲个数，其倒数是重复周期。决定单值测距的范围，影响不模糊速区域大小 天线波束形状天线：一般用水平面和垂直面内的波束宽度来表示 天线的扫描方式：搜索和跟踪目标时，天线的主瓣按照一定规律在空间所作的反复运动。机械性扫描和电扫描 接收机的灵敏度：通常规定在保证50%、90%的发现概率条件下，接收机输入端回波信号的功率作为接收机的最小可检测信号功率。这个功率越小接收机的灵敏度越高，雷达的作用距离越远。 显示器的形式和数量：雷达显示器是向操纵人员提供雷达信息的一种终端设备，是人际联系的一个环节。 电子战对抗中的雷达： 电子战（EW ）:敌我双方利用无线电电子装备或器材所进行的电磁信息斗争，包括电子对抗和电子反对抗。 电子对抗（ECM ）：为了探测敌方无线电电子装备的电磁信息（电磁侦察），削弱或破坏其使用效能所采取的一切战术、技术措施（电子干扰、伪装、隐身和摧毁） 电子反对抗（ECCM ）：在敌方实施电子对抗的条件下，保证我方有效采用电磁信息所采取的一切战术、技术措施（反侦察、抗干扰、反伪装、反隐身、反摧毁） 雷达反干扰 天线抗干扰：低旁瓣、旁瓣对消、波束控制、随机扫描 发射机抗干扰：提高有效辐射功率、频率捷变、频率编码、频率分集、脉冲压缩、波形隐蔽、窄脉冲、重频时变 接收机、信号处理机抗干扰：接收机抗饱和、重频、脉宽鉴别、MTI 、MTD 、积累检测 二、发射机 发射机任务：产生大功率高频振荡发射信号。脉冲雷达要求发射机产生一定宽度、一定重复频率、一定波形的大功率射频脉冲列 基本类型：连续波发射机、脉冲调制发射机（单极振荡式发射机、主振荡式发射机） 输出功率：发射机送到天线输入端的功率 峰值功率：脉冲期间发射机输出功率的平均值（不要过分增大法设计的峰值功率） 平均功率：脉冲重复周期内输出功率的平均值： 工作比D: 常规脉冲雷达工作比0.001 脉冲多普勒雷达工作比10-2 ~10-1量级 连续波雷达工作比100% 总功率：发射机输出功率与输入功率之比 主振放大式发射机特别注意改善输出级效率 信号形式： 信号形式由雷达体制决定 常规脉冲雷达为简单脉冲波形，特殊体制雷达为复杂调制波形 t r av P T P τ=r r T F D ττ= =
现代雷达信号处理技术及发展趋势 摘要：自二战以来，雷达就广泛应用于地对空、空中搜索、空中拦截、敌我识别等领域，后又发展了脉冲多普勒信号处理、结合计算机的自动火控系统、多目标探测与跟踪等新的雷达体制。随着科技的不断进步，雷达技术也在不断发展，现代雷达已经具备了多种功能，如反隐身、反干扰、反辐射、反低空突防等能力，尤其是在复杂的工作环境中提取目标信息的能力不断得到加强。例如，利用雷达系统中的信号处理技术对接收数据进行处理不仅可以实现高精度的目标定位与跟踪, 还能够在目标识别和目标成像、电子对抗、制导等功能方面进行拓展, 实现综合业务的一体化。 一、雷达的起源及应用 雷达，是英文Radar的音译，源于radio detection and ranging的缩写，意思为"无线电探测和测距"，即用无线电的方法发现目标并测定它们的空间位置。因此，雷达也被称为“无线电定位”。雷达是利用电磁波探测目标的电子设备。雷达发射电磁波对目标进行照射并接收其回波，由此获得目标至电磁波发射点的距离、距离变化率（径向速度）、方位、高度等信息。雷达最为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。雷达由天线、发射机、接收机、信号处理机、终端显示等部分组成。 雷达的出现，是由于二战期间当时英国和德国交战时，英国急需一种能探测空中金属物体的雷达（技术）能在反空袭战中帮助搜寻德国飞机。二战期间，雷达就已经出现了地对空、空对地（搜索）轰炸、空对空（截击）火控、敌我识别功能的雷达技术。二战以后，雷达发展了单脉冲角度跟踪、脉冲多普勒信号处理、合成孔径和脉冲压缩的高分辨率、结合敌我识别的组合系统、结合计算机的自动火控系统、地形回避和地形跟随、无源或有源的相位阵列、频率捷变、多目标探测与跟踪等新的雷达体制。后来随着微电子等各个领域科学进步，雷达技术的不断发展，其内涵和研究内容都在不断地拓展。雷达的探测手段已经由从前的只有雷达一种探测器发展到了红外光、紫外光、激光以及其他光学探测手段融合协作。
电子科技大学 课程设计报告 课程名称：雷达原理与系统 设计名称：雷达系统设计 指导老师： 姓名： 学号： 专业：
设计题目： 设计一雷达系统，对12m 目标，要求探测距离为10km ，发射波形为常规脉冲，方位角分辨力为2°，俯仰角分辨力为20 °，距离分辨力为15m 。要求： 1 设计和计算雷达系统的各项参数，包括工作频率、发射功率、接收机灵敏度、天线孔径和增益，脉冲重复频率、相参积累时间等。 2 分析系统的最大不模糊速度和最大不模糊距离、计算系统的速度分辨力。 3 在学完雷达系统脉冲压缩相关内容后，设计线性调频波形，使雷达的作用距离增加到200km ，距离分辨力达到3米。并画出单一目标回波经过脉冲压缩后的波形。 参数求解： 1 已知距离分辨率的公式为：min 2 c R τ ?= ，式中c 为电波传播数度，τ为脉冲宽度，则7 min 8 2215100.1310 R s s s c τμ-??= ===? 令雷达的工作频率为kHz f 5000=，发射功率kW P t 50=，则 m m f c 6.010 51038 8 =??==λ 雷达的角度分辨力取决于雷达的工作波长λ 和天线口径尺寸L ，约为/2L λ ,则可得： 水平口径尺寸L 为：m m L 6.890 26.02=?== π αλ 垂直口径尺寸h 为：m m h 85.09 26.02=?== π βλ 天线的孔径 22376.786.06.8m m Lh A =?==
天线增益 2586.0376 .7442 2 =?= = πλπA G 发射波形为简单的矩形脉冲序列，设脉冲宽度为τ，脉冲重复周期为r T 则 av t t r r P P P f T τ τ== 设r f τ称作雷达的工作比为D ，常规的矩形振幅调制脉冲雷达工作比的范围为 0.0001-0.01，取0.001D =，则6 0.001 100.110r D f Hz kHz τ-===? 以单基地脉冲雷达为例，天线采用收发共用，则雷达方程为12 4 max 2min 4t r i P A R S σπλ?? =???? 则接收机灵敏度 W W R A P S r t 11 432234max 2 2 min 1001.6)1010(6.04376.7110504-?=??????==ππλσ 设单基地脉冲雷达的天线为360环扫天线，天线扫描速度20/min a r Ω=，水平 波速选择时运用最大值测向，当水平波速的宽度大于显示器的亮点直径时，取0.5==2θ α 则对一个点目标的相参积累时间为0.5 21 20360/6060 a t s s θ= = =Ω? 脉冲积累个数31 101016660 r n tf ==??≈ 2 不产生频闪的条件是：1 2d r f f ≤ 其中d f 表示脉冲多普勒频率，由2r d v f λ = 关系可得最大不模糊速度：s m s m f v r r /1500/4 10106.043 max =??==λ 雷达的最大单值测距范围由其脉冲重复周期r T 决定，为保证单值测距，通常应选取8 max 3 310152221010 r r cT c R m km f ?≤===?? 故最大不模糊距离max 15R km = 设发射脉冲为单载频的矩形脉冲信号，其单位能量复包络可写成()u t ，表达式 为：()100 t u t τ <
1 多普勒天气雷达主要由几个部分构成？每个部分的主要功能是什么？ 答：主要由雷达数据采集子系统（RDA ），雷达产品生成子系统（RPG ），主用户终端子系统（PUP ）三部分构成。RDA 的主要功能是：产生和发射射频脉冲，接收目标物对这些脉冲的散射能量，并通过数字化形成基本数据。RPG 的主要功能是：由宽带通讯线路从RDA 接收数字化的基本数据，对其进行处理和生成各种产品，并将产品通过窄带通讯线路传给用户，是控制整个雷达系统的指令中心。PUP 的主要功能是：获取、存储和显示产品，预报员主要通过这一界面获取所需要的雷达产品，并将它们以适当的形式显示在监视器上。 2 多普勒天气雷达的应用领域主要有哪些？ 答：一、对龙卷、冰雹、雷雨大风、暴洪等多种强对流天气进行监测和预警；二、利用单部或多部雷达实现对某个区域或者全国的降水监测；三、进行较大范围的降水定量估测； 四、获取降水和降水云体的风场信息，得到垂直风廓线；五、改善高分辨率数值预报模式的初值场。 3 我国新一代天气雷达主要采用的体扫模式有哪些？ 答：主要有以下三个体扫模式：VCP11——规定5分钟内对14个具体仰角的扫描，主要对强对流天气进行监测；VCP21——规定6分钟内对9个具体仰角的扫描，主要对降水天气进行监测；VCP31——规定10分钟内对5个具体仰角的扫描（使用长脉冲），主要对无降水的天气进行监测。 4 天气雷达有哪些固有的局限性？ 答：一、波束中心的高度随距离的增加而增加；二、波束宽度随距离的增加而展宽；三、静锥区的存在。 5 给出雷达气象方程的表达式，并解释其中各项的意义。 答： P t 为雷达发射功率(峰值功率)； G 为天线增益；h 为脉冲长度； 、 ：天线在水平方向和垂直方向的波束宽度； r 为降水目标到雷达的距离； ：波长； m ：复折射指数； Z 雷达反射率因子。 6 给出反射率因子在瑞利散射条件下的理论表达式，并说明其意义。 答：∑= 单位体积6i D z ，反射率因子指在单位体积内所有粒子的直径的六次方的总和，与波长无 关。 7 给出后向散射截面的定义式及其物理意义。 答： 定义：设有一个理想的散射体，其截面面积为?，它能全部接收射到其 上的电磁波能量，并全部均匀的向四周散射，若该理想散射体返回雷达天线处的电磁波能流密度，恰好等于同距离上实际散射体返回雷达天线的电磁波能流密度，Z R C Z m m r h G p p t r ?=?+-=2 2222223212ln 1024λθ?πθ?λi S s R S 24πσ=
脉冲压缩雷达的仿真脉冲压缩雷达与匹配滤波的MATLAB仿真 姓名：-------- 学号：---------- 2014-10-28 西安电子科技大学
一、 雷达工作原理 雷达，是英文Radar 的音译，源于radio detection and ranging 的缩写，原意为"无线电探测和测距"，即用无线电的方法发现目标并测定它们的空间位置。因此，雷达也被称为“无线电定位”。利用电磁波探测目标的电子设备。发射电磁波对目标进行照射并接收其回波，由此获得目标至电磁波发射点的距离、距离变化率（径向速度）、方位、高度等信息。 雷达发射机的任务是产生符合要求的雷达波形（Radar Waveform ），然后经馈线和收发开关由发射天线辐射出去，遇到目标后，电磁波一部分反射，经接收天线和收发开关由接收机接收，对雷达回波信号做适当的处理就可以获知目标的相关信息。 但是因为普通脉冲在雷达作用距离与距离分辨率上存在自我矛盾，为了解决这个矛盾，我们采用脉冲压缩技术，即使用线性调频信号。 二、 线性调频（LFM ）信号 脉冲压缩雷达能同时提高雷达的作用距离和距离分辨率。这种体制采用宽脉冲发射以提高发射的平均功率，保证足够大的作用距离；而接受时采用相应的脉冲压缩算法获得窄脉冲，以提高距离分辨率，较好的解决雷达作用距离与距离分辨率之间的矛盾。 脉冲压缩雷达最常见的调制信号是线性调频（Linear Frequency Modulation ）信号,接收时采用匹配滤波器（Matched Filter ）压缩脉冲。 LFM 信号的数学表达式： （2.1） 其中c f 为载波频率，()t rect T 为矩形信号： （2.2）
雷达原理与系统（必修）知识要点整理 第一章： 1、雷达基本工作原理框图认知。 测距：利用发射信号回波时延 测速：动目标的多普勒效应 测角：电磁波的直线传播、天线波束具有方向性 2、雷达面临的四大威胁 电子侦察电子干扰、低空超低空飞行器、隐身飞行器、反辐射导弹3、距离和延时对应关系 4、速度与多普勒关系（径向速度与线速度） 5、距离分辨力，角分辨力 6、基本雷达方程（物理过程，各参数意义，相互关系，基本推导）
7、雷达的基本组成（几个主要部分），及各部分作用 第二章雷达发射机 1、单级振荡与主振放大式发射机区别 2、基本任务和组成框图
3、峰值功率、平均功率，工作比（占空比），脉宽、PRI（Tr），PRF（fr）的关系。 第三章接收机 1、超外差技术和超外差接收机基本结构（关键在混频）
2、灵敏度的定义，识别系数定义 3、接收机动态范围的定义 4、额定噪声功率N=KTB N、噪声系数计算及其物理意义
5、级联电路的噪声系数计算 6、习题 7、AGC，AFC，STC的含意和作用 AFC：自动频率控制，根据频率偏差产生误差电压调整本振的混频频率，保证中频稳定不变
AGC：自动增益控制，调整接收机动态范围 STC：近程增益控制，防止近程杂波干扰引起的中放过载 第四章显示器 1、雷达显示器类型及其坐标含义； 距离显示器、平面显示器、高度显示器 2、A型、B型、P型、J型 第五章作用距离 1、雷达作用距离方程，多种形式，各参数意义，PX=？Rmax=？（灵敏度表示的、检测因子表示的等） 2、增益G和雷达截面A的关系 2、雷达目标截面积定义 3、习题 4、最小可检测信噪比、检测因子表示的距离方程
雷达与声纳的共性及差别是什么？ 雷达是利用无线电技术进行侦察和测距的设备。它可以发现目标，并可决定其存在的距离及方向。雷达将无线电波送出，然后经远距离目标物的反射，而将此能量送回雷达的记发机。记发机与目标物间的距离，可由无线电波传雷达的目标物，再由目标物回到雷达所需的时间计算出。雷达的基本原理与无线电通讯系统的原理同时被人所发现。赫兹与马可尼两人都曾用超短波试验其反射情形，这也就是所谓雷达回波。赫兹用金属平面及曲面证明，电波的反射完全合乎光的反射定律。同时赫兹度量脉冲的波长及频率，并且计算其速度也发现与光相同，这也就是所谓的电磁辐射。雷达送出短暂的电波讯号的程序，称为脉冲程序。雷达的基本作用原理有些相似于声波的回声。唯一与声波测量距离的不同点，在于雷达系统具有一指示器，指示器中包含有一个与电视收像管相同的观察管。此管可将雷达所发出的脉冲及回波，同时显示于其标有距离的基线上。还有其他指示器，使雷达借天线所搜索的资料，制成一个图，从图上立即可以定出目标物的区域距离及方向。因为雷达的作用完全是借电波的反射原理而成，所以必须用频率在1000兆赫到10 000兆赫的类光微波方行。雷达所发射的电波可借抛物面形的反射器，使其成为极度聚焦的波束，这就像探照灯所射出的光束一样。此波束借旋转天线及抛物体形反射器的精密控制，有系统地对空间进行搜索。当波束从目标物反回来时，天线所指的方向，就表示目标物对天线的水平方位角。以角度为单位所表示的水平方位角，通常都显示于指示器上。为了决定目标物与雷达间的距离，雷达的发射脉冲距接收到回波的时间，必须精确测定。因为雷达电波在空中以每秒约30万公里的光速进行，因此在每微秒的时间内，电波行进约为300米。由于雷达脉冲必须从雷达行至目标物，再由目标物回到雷达，但目标物距雷达的距离，为雷达脉冲总行程的一半。约为每微秒l50米。此时间可利用电子束在阴极射线管的屏幕上，以直线扫描指示出。借电子束，以已知变动率（如以每微秒0.01米）作水平偏向，因此电子束打在萤光屏上所留的痕迹，就形成一个时间标度，或直接用尺，来表示。如雷达天线送出一个1微秒长的脉冲，同时指示器的阴极射线管电子束在屏幕上，以每100微秒0.0254米的变动率开始扫描。再假设雷达脉冲在30000米的距离从一飞机反射回天线。当1微秒长的脉冲离开天线的同时，在雷达指示器的左侧也显示出一个0.025厘米长的主脉冲（发射脉冲）。由天线发射的脉冲，到飞机进行了30000米的距离，需时100微秒，然后反回天线也需100微秒。结果微弱的脉冲回波也显示于指示器上，其与主脉冲之间有5厘米的距离，或指示为200微秒。由于脉冲本身有1微秒的长度，所以量度距离时，必须量度两脉冲的前缘间距离。由于回波信号太弱，所以一个单一回波信号显示于指示器，很难被发现。因此回波信号，必须于每秒内，在指示器上重复显示数次，显示的方法是借电子束随天线扫描的速率（通常天线以每分钟15到20转转动）在指示器上扫描而得。雷达无论在平时及战时，都已被广泛的应用。在二次世界大战时使用雷达的目的，只是为了预知敌机的接近。用于预警网的预警雷达，预警雷达天线都是极大的转动抛物面形反射天线，或静止双极矩阵天线。战时雷达的应用很快就被扩展到地面拦截控制，以及高射炮和探照灯的方向控制等。这些所谓的射击控制雷达不仅能察知敌机的所在，并能自动决定高射炮的发射方向及使其发射。由于雷达可度量其与目标物间的距离，当然也可以从飞机上测量距地面的垂直高度。常用的各种脉冲式雷达就可度量一架飞机的高度，供飞行员飞行的参考。然而对很低的高度（低于1000米），因距离太近，脉冲式雷达的回波有与其发射出的主脉冲合并的趋势。因此大多数雷达测高仪都不用脉冲输出，而用等幅调频电波。雷达测高仪的发射天线，送出一垂直无线电波束，此电波的频率连续不断的变化。当信号离开发射天线的瞬间，其信号的频率为某一频率。然后当信号由地反射回到测高仪的接收天线后，因接收机内有一相位鉴别器（或简称为鉴相器），鉴相器可将接收到的回波，与正在发射出的
摘要 雷达通过对回波信号进行接收检测处理来识别复杂回波中的有用信息．其中，雷达信号波形的选择与设计有着相当重要的作用，它直接影响到雷达发射机形式的选择、信号处理方式、雷达的作用距离及抗于扰、抗截获等很多重要问题。所以，为了选择或者设计出适合特定用途的雷达信号形式，在对雷达系统设计之前有必要研究各种雷达信号的性能。雷达信号模糊函数全面地反映了雷达所发射的信号在距离和速度二维上的测量精度和分辨率，因此，雷达信号模糊函数理论对于雷达最优波形设计具有非常重要的意义。 现代信息技术的发展对现代雷达系统在有效作用距离、分辨率、测量精度以及电子对抗诸多方面提出了越来越高的要求。针对现代雷达的特殊用途，模糊函数理论为系统研究最优波形提供了基本的研究平台。模糊函数把雷达接收机输出信号的复包络描述为雷达目标距离和径向速度的函数，它可以提供分辨力、测量精度和杂波抑制等重要信息。模糊函数可以作为单一目标距离和速度的精度与分辨率评估尺度参数，根据这些参数还可以可靠区分多个目标．采用仿真的方法对雷达信号及其性能进行研究具有许多优越性。首先，通过仿真可以在不更改主要的硬件和软件的情况下，灵活地选择和改变参数值。第二，仿真可使雷达信号的设计人员通过改变参数，评价不同作战环境下各种参数对雷达系统性能的影响。第三，对关键技术及参数在仿真中加以研究，可节省大量的人力、物力和财力，并且具有很高的灵活性和可重复性，从而达到节省研制费用、缩短研制周期的目的。 本文基于雷达信号波形设计，从几类雷达发射信号出发，推导出不同雷达信号的模糊函数的数学模型，并绘制出模糊函数图，根据模糊函数图分析各类信号特点。在此基础上，根据雷达系统的要求（如分辨力、精度、抗干扰等），对线性调频信号雷达进行了仿真实验，评估所设计雷达信号的实用的价值。本文在波形设计过程中主要采用Ｍａｔｌａｂ对各模块进行功能建模和仿真，取得了较好的仿真效果。仿真研究表明，模糊函数全面反映了雷达所发射的信号在距离和速度上的测量精度和分辨能力。在给定目标环境的条件下，模糊函数可以作为设计和选择合适的雷达信号的重要方法。 关键词：雷达信号，波形设计，模糊函数。模糊函数图 第１章引言 随着我国科学事业的迅速发展，雷达研制已进入一个崭新的阶段。人造地球卫星、飞船、火箭、导弹的发射成功，都离不开高精度的雷达设备，目标分辨已成为雷达设计中突出的实际问题。模糊函数是对雷达信号进行分析研究和波形设计的有效工具，是雷达信号理论中极为重要的一个概念。模糊函数最初是在研究雷达目标分辨力问题时提出的，并从衡量两个不同距离和不同径向速度目标的分辨度出发提出了模糊函数的定义。但模糊函数不仅可以说明分辨力，还可以说明测量精度，测量模糊度以及抗干扰状况等问题。 １．１雷达信号模糊函数研究的重要意义
雷达系统原理框图及编程思想 图1 雷达系统原理图 1、回波信号 回波信号由目标回波（动目标），地物杂波（静目标），及系统高斯白噪声组成。 线性调频信号：x=rect(t/mk)exp(jπkt2) (k=B/mk) 目标回波：y＝rect(t/mk)*exp(j*2*pi*((f1+k*t/2).*t+fd*i*T)) 地物杂波（静目标）：y＝rect(t/mk)*exp(j*2*pi*((f1+k*t/2).*t)) 系统噪声（高斯白噪声）：z＝0.2*randn(1,N)。 参数： 载频f0＝30MHz，线性调频信号带宽B＝4MHz，脉宽mk＝5us，周期Tr＝30us；多普勒频移fd＝1000，选取回波数：n＝5 其波形如图：
图2 回波 2、高放 高放采用50阶FIR滤波器，中心频率为30MHz，通带为20MHz。 高放后的波形图：
图3 高放后时域频域图形 3、混频＋中放 混频的参考频率为20MHz 中放采用50阶FIR滤波器，中心频率为10MHz，通带为4MHz。 图4 混频＋中放后时域频域图形 4、相干检波 参考源的时钟频率f0=10MHz; I 路：I=0.5*X*cos(Φ(t))；Q路：Q=0.5*X*sin(Φ(t))； 原理图： 中放之后 的信号 sin2πf0t cos2πf0t LDF LDF I路 Q路 波形图：
图5 相位检波后I、Q两路时域图 5、A/D转换 采样频率为5MHz。 x0=(Vmax/2a)*int{xi*2a / Vmax };其中，a为AD位数
图6 AD采样后后I、Q两路时域图 6、脉冲压缩 采用发射信号作为匹配滤波。 匹配滤波的脉冲响应： H(k)=X*(k)exp(-j2πkN), k=0,1,2…N 线性调频信号： x(n)=rect(n/N)exp(jπkn2) (k=B/tao); 图7 脉冲压缩时域图8、MTI MTI采用一次对消： y(n)=x(n)-x(n-1); n=1,2,3…N
深度剖析激光雷达核心技术 从四个维度深度剖析激光雷达核心技术 激光雷达（LiDAR）的产业化热潮来源于自动驾驶汽车的强烈需求。在美国汽车工程师学会（SAE）定义的L3级及以上的自动驾驶汽车之中，作为3D视觉传感器的激光雷达彰显了其重要地位，为自动驾驶的安全性提供了有力保障。因此，激光雷达成为了产业界和资本界追逐的“宠儿”，投资和并购消息层出不穷。很多老牌整车厂和互联网巨头都展开了车载激光雷达的“军备竞赛”。近期，MEMS激光雷达技术发展最为活跃，并且吸引了大多数投资，同时宝马宣布将于2021年推出集成MEMS激光雷达的自动驾驶汽车。 不同自动驾驶等级对传感器的需求分析（数据来源：Yole） 伴随着自动驾驶热度上升，激光雷达相关新闻铺天盖地袭来。但是这项在自动驾驶领域尚不成熟的3D视觉技术，不仅公开技术资料稀缺，而且企业和媒体关于各种激光雷达的分类和称谓表达五花八门，例如：机械式、固态、全固态、混合固态；又如：MEMS（微机电系统）、OPA（光学相控阵）、Flash（闪光）；亦如：FMCW（调频连续波）、脉冲波；还如：飞行时间法、三角测距法等。这些称谓常常让圈内圈外的人士感到困惑。不用担心，麦姆斯咨询为您答疑解惑，本报告从“测距原理、光源、光束操纵、探测器”四个维度对激光雷达核心技术及分类进行了分析，力求让读者对激光雷达错综复杂的技术脉络有清晰的认知。 当我们在交流“直接/间接飞行时间法、三角测距法”等概念时，这实际上是激光雷达的“测距原理”维度；而谈及“机械式、MEMS、OPA、Flash”等关键词时，这属于激光雷达的“光束操纵”维度；无论是905nm还是1550nm的波长，还是边发射激光器（EEL）或垂直腔面发射激光器（VCESL），这是从激光雷达的“光源”维度交流问题；而涉及PIN、APD（雪崩光电二极管）/SPAD（单光子雪崩二极管）、SiPM（硅光电培增管），或是单点、线阵、面阵，则是从激光雷达的“探测器”维度分析技术。 掌握不同类型激光雷达技术路线及“硬核”
第六部分 多普勒天气雷达原理与应用（周长青） 我国新一代天气雷达原理；天气雷达图像识别；对流风暴的雷达回波特征；新一代天气雷达产品 第一章 我国新一代天气雷达原理 一、了解新一代天气雷达的三个组成部分和功能 新一代天气雷达系统由三个主要部分构成：雷达数据采集子系统（RDA ）、雷达产品生成子系统（RPG ）、主用户处理器（PUP ）。 二、了解电磁波的散射、衰减、折射 散射：当电磁波束在大气中传播，遇到空气分子、大气气溶胶、云滴和雨滴等悬浮粒子时，入射电磁波会从这些粒子上向四面八方传播开来，这种现象称为散射。 衰减：电磁波能量沿传播路径减弱的现象称为衰减，造成衰减的物理原因是当电磁波投射到气体分子或云雨粒子时，一部分能量被散射，另一部分能量被吸收而转变为热能或其他形式的能量。 折射：电磁波在真空中是沿直线传播的，而在大气中由于折射率分布的不均匀性 （密度不同、介质不同），使电磁波传播路径发生弯曲的现象，称为折射。 2 /3730/776.0T e T P N +=波束直线传播 波束向上弯曲波束向下弯曲000=> 最大不模糊距离：最大不模糊距离是指一个发射脉冲在下一个发射脉冲发出前能向前走并返回雷达的最长距离，Rmax=0.5c/PRF, c 为光速，PRF 为脉冲重复频率。 距离折叠是指雷达对雷达回波位置的一种辨认错误。当距离折叠发生时，雷达所显示的回波位置的方位角是正确的，但距离是错误的（但是可预计它的正确位置）。当目标位于最大不模糊距离（Rmax ）以外时，会发生距离折叠。换句话说，当目标物位于Rmax 之外时，雷达却把目标物显示在Rmax 以内的某个位置，我们称之为‘距离折叠’。 五、理解雷达探测原理。 反射率因子Z 值的大小，反映了气象目标内部降水粒子的尺度和数密度，反射率越大，说明单位体积中，降水粒子的尺度大或数量多，亦即反映了气象目标强度大。 反射率因子（回波强度）： ?=dD D D N Z 6)( 0lg 10Z Z dBZ ?= 360/1m mm Z = 即反射率因子为单位体积内中降水粒子直径6次方的总和。 意义：一般Z 值与雨强I 有以下关系： 层状云降水 Z=200I1.6 地形雨 Z=31I1.71 雷阵雨 Z=486I1.37 新一代天气雷达取值 Z=300I1.4 六、了解雷达资料准确的局限性、资料误差和资料的代表性 由于雷达在探测降水粒子时，以大气符合标准大气情况为假定，与实际大气存在一定的差别，使雷达资料的准确度具有一定的局限性，且由于雷达本身性能差异及探测方法的固有局限，对探测目标存在距离折叠及速度模糊现象，对距离模糊和速度模糊的处理等，均增大了雷达资料的误差。虽然如此，由于径向速度是从多个脉冲对得到的径向速度的平均值，为平均径向速度，雷达反射率因子通过对沿径向上的四个取样体积平均得到的，其径向分辨率相当于四个取样体积的长度，这也使雷达探测的资料具有一定的代表性。 第二章 天气雷达图像识别 一、掌握多普勒效应 多普勒效应为，当接收者或接受器与能量源处于相对运动状态时，能量到达接受者或接收器时频率的变化。多普勒频率，是由于降水粒子等目标的径向运动引起的雷达回波信号的频率变化，也称为多普勒频移，其与目标的径向运动速度成正比，与多普勒天气雷达波长成反比。 二、了解多普勒天气雷达测量反射率因子、平均径向速度和速度谱宽的主要技术方法 多普勒雷达利用降水粒子的后向散射与多普勒效应来达到对其探测的目的。通过发射信号与接收信号的延迟来测量距离，通过降水粒子的多普勒频移来测量其速度。 反射率因子：雷达的反射率因子是降水粒子后向散射被雷达天线接收到的回波，为单位体积内中降水粒子直径6次方的总和，反射率因子Z 值的大小，反映了气象目标内部降水粒子的尺度和数密度，反射率越大，说明单位体积中，降水粒子的尺度大或数量多。 测速雷达原理 雷达原理简介 首先，大家必须先了解雷达的基本原理，因为雷达仍是当前用来检测移动物体最普遍的方法。雷达英文为RADAR ，是Radio Detection And Ranging 的缩写。所有利用雷达波来检测移动物体速度的原理，其理论基础皆源自于「多普勒效应」，其应该也是一般常见的多普勒雷达(Doppler Radar)，此原理是在19世纪一位澳地利物理学家所发现的物理现象，后来世人为了纪念他的贡献，就以他的名字来为该原理命名。 多普勒的理论基础为时间。波是由频率及振幅所构成，而无线电波是随着波而前进的。当无线电波在行进的过程中，碰到物体时，该无线电波会被反弹，而且其反弹回来的波，其频率及振幅都会随着所碰到的物体的移动状态而改变。若无线电波所碰到的物体是固定不动的，那么所反弹回来的无线电波其频率是不会改变的。然而，若物体是朝着无线电线发射的方向前进时，此时所反弹回来的无线电波会被压缩，因此该电波的率频会随之增加；反之，若物体是朝着远离无线电波方向行进时，则反弹回来的无线电波，其频率则会随之减小。下图为多普勒雷达(Doppler Radar)的基本原理图标： CS R-28测速雷达所应用的原理，就是可以检测到发射出去的无线电波，与遇到运动物体反弹回来的无线电波其间的频率变化及I 通道和Q 通道的相位变化。由频率的变化，依特定的比例关系，而计算出该波所碰撞到物体的速度。由I 通道和Q 通道之间的相位关系，计算判断运动物体是朝着无线电波的方向前进或朝其反方向前进。 根据多普勒原理，由于雷达发射和接受共用一个天线，且运动目标的运动方向与天线法线方向相一致，运动目标的多普勒频率fd 符合下列关系式。 (1) f d = 2V r f t C 雷达系统中的信号处理技术 摘要本文介绍了雷达系统及雷达系统信号处理的主要内容，着重介绍与分析了雷达系统信号处理的正交采样、脉冲压缩、MTD和恒虚警检测几种现代雷达技术，雷达系统通过脉冲压缩解决解决雷达作用距离和距离分辨力之间的矛盾，通过MTD来探测动目标，通过恒虚警（CFAR）来实现整个系统对目标的检测。 关键词雷达系统正交采样脉冲压缩MTD 恒虚警检测 1雷达系统概述 雷达是Radar（Radio Detection And Ranging）的音译词，意为“无线电检测和测距”，即利用无线电波来检测目标并测定目标的位置，这也是雷达设备在最初阶段的功能。雷达的任务就是测量目标的距离、方位和仰角，还包括目标的速度，以及从目标回波中获取更多有关目标的信息。典型的雷达系统如图1，它主要由雷达发射机、天线、雷达接收机、收发转换开关、信号处理机、数据处理机、终端显示等设备组成。 图1雷达系统框图 随着现代电子技术的不断发展，特别是数字信号处理技术、超大规模集成数字电路技术、计算机技术和通信技术的告诉发展，现代雷达信号处理技术正在向着算法更先进、更快速、处理容量更大和算法硬件化方向飞速发展，可以对目标回波与各种干扰、噪声的混叠信号进行有效的加工处理，最大程度低剔除无用信号，而且在一定的条件下，保证以最大发现概率发现目标和提取目标的有用信息。 雷达发射机产生符合要求的雷达波形，然后经馈线和收发开关由发射天线辐射出去，遇到目标后，电磁波一部分反射，经接收天线和收发开关由雷达接收机接收，然后对雷达回波信号依次进行信号处理、数据处理，就可以获知目标的相关信息。 雷达信号处理的流程如下： 图 2 雷达信号处理流程 2雷达信号处理的主要内容 雷达信号处理是雷达系统的主要组成部分。信号处理消除不需要的杂波，通过所需要的目标信号，并提取目标信息。内容包括雷达信号处理的几个主要部分：正交采样、脉冲压缩、MTD和恒虚警检测。 正交采样是信号处理的第一步，担负着为后续处理提供高质量数据的任务。采样的速率和精度是需要考虑的首要问题，采样系统引起的失真应当被限定在后续信号处理任务所要求的误差范围内，直接中频数字正交采样是当代雷达的主要技术之一。脉冲压缩技术在现代雷达系统中得到了广泛的应用。脉冲压缩雷达既能保持窄脉冲雷达的高距离分辨力，又能获得脉冲雷达的高检测力，并且抗干扰能力强。现在，脉冲压缩雷达使用的波形正在从单一的线性调频发展到时间、频率、编码混合调制，在尽可能不增加整机复杂度的条件下实现雷达性能的提升。杂波抑制是雷达需要具备的重要功能之一。动目标指示与检测是通过回波多普勒频移的不同来区分动目标和固定目标，通过设计合理的滤波器（组），就可以把目标号和杂波分开。 1多普勒天气雷达原 理与应用 第六部分 多普勒天气雷达原理与应用（周长青） 我国新一代天气雷达原理；天气雷达图像识别；对流风暴的雷达回波特征；新一代天气雷达产品 第一章 我国新一代天气雷达原理 一、了解新一代天气雷达的三个组成部分和功能 新一代天气雷达系统由三个主要部分构成：雷达数据采集子系统（RDA ）、雷达产品生成子系统（RPG ）、主用户处理器（PUP ）。 二、了解电磁波的散射、衰减、折射 散射：当电磁波束在大气中传播，遇到空气分子、大气气溶胶、云滴和雨滴等悬浮粒子时，入射电磁波会从这些粒子上向四面八方传播开来，这种现象称为散射。 衰减：电磁波能量沿传播路径减弱的现象称为衰减，造成衰减的物理原因是当电磁波投射到气体分子或云雨粒子时，一部分能量被散射，另一部分能量被吸收而转变为热能或其他形式的能量。 折射：电磁波在真空中是沿直线传播的，而在大气中由于折射率分布的不均匀性 （密度不同、介质不同），使电磁波传播路径发生弯曲的现象，称为折射。 2 /3730/776.0T e T P N +=波束直线传播 波束向上弯曲波束向下弯曲000=> 雷达波长，K 表示与复折射指数有关的系数，C 为常数，之决定于雷达参数和降水相态。 四、了解距离折叠 最大不模糊距离：最大不模糊距离是指一个发射脉冲在下一个发射脉冲发出前能向前走并返回雷达的最长距离，Rmax=0.5c/PRF, c 为光速，PRF 为脉冲重复频率。 距离折叠是指雷达对雷达回波位置的一种辨认错误。当距离折叠发生时，雷达所显示的回波位置的方位角是正确的，但距离是错误的（但是可预计它的正确位置）。当目标位于最大不模糊距离（Rmax ）以外时，会发生距离折叠。换句话说，当目标物位于Rmax 之外时，雷达却把目标物显示在Rmax 以内的某个位置，我们称之为‘距离折叠’。 五、理解雷达探测原理。 反射率因子Z 值的大小，反映了气象目标内部降水粒子的尺度和数密度，反射率越大，说明单位体积中，降水粒子的尺度大或数量多，亦即反映了气象目标强度大。 反射率因子（回波强度）： ?=dD D D N Z 6)( 3 60/1m mm Z = 即反射率因子为单位体积内中降水粒子直径6次方的总和。 意义：一般Z 值与雨强I 有以下关系： 层状云降水 Z=200I1.6 地形雨 Z=31I1.71 雷阵雨 Z=486I1.37 新一代天气雷达取值 Z=300I1.4 六、了解雷达资料准确的局限性、资料误差和资料的代表性 由于雷达在探测降水粒子时，以大气符合标准大气情况为假定，与实际大气存在 一定的差别，使雷达资料的准确度具有一定的局限性，且由于雷达本身性能差异及探测方法的固有局限，对探测目标存在距离折叠及速度模糊现象，对距离模糊和速度模糊的处理等，均增大了雷达资料的误差。虽然如此，由于径向速度是从多个脉冲对得到的径向速度的平均值，为平均径向速度，雷达反射率因子通过对沿径向上的四个取样体积平均得到的，其径向分辨率相当于四个取样体积的长度，这也使雷达探测的资料具有一定的代表性。 第二章 天气雷达图像识别 一、掌握多普勒效应 多普勒效应为，当接收者或接受器与能量源处于相对运动状态时，能量到达接受者或接收器时频率的变化。多普勒频率，是由于降水粒子等目标的径向运动引起的雷雷达测速原理简介及系统应用
雷达系统中的信号处理技术
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