雷达信号处理是指对观测到的信号进行分析、变换、综合等处理,以达到抑制干扰、杂波等非期望信号,增强有用信号,并估计有用信号的特征参数,或是将信号变成某种更符合要求的形式。
随着微电子技术的迅速发展,信号处理的方式也从早期的模拟域发展到几乎都采用数字域。数字信号处理以数字或符号序列表示信号,用数值计算的方法完成对信号的各种处理。
模拟信号转换为数字信号的过程(采样、量化)如下图所示。
数字信号处理的主要方法有数字卷积(时域处理)、频谱分析(频域处理)、数字滤波(包括有限冲激响应滤波器(FIR)和无限冲激响应滤波器(IIR))等。
雷达信号处理的任务
雷达信号处理的任务就是最大程度地抑制噪声和干扰,提取与目标属性有关的信息。
从狭义上讲,雷达信号处理是指对经接收机处理后的信号进行处理,在多种干扰背景中完成目标检测与信息的提取,主要包括干扰抑制、目标检测、信息提取。
从广义上讲,雷达信号处理涉及各种不同发射波形的选择、检测理论、性能评估以及天线和显示终端或数据处理计算机之间的电路装置(硬件和软件),以完成所要求的信号之间的变换和参数提取。
具体来说,信号处理包括信号产生、信号提取、信号变换三大类,其中信号产生包括调制、上变频、倍频、合成、放大和波束形成等;信号提取包括解调、下变频、分频、滤波、检测和成像等;信号变换包括频率变换、A/D变换、相关、放大及延时等。
根据雷达的任务及其工作环境,对雷达信号处理的要求是:
能够处理海量信息,即不仅能够获取目标的位置和数量等常规信息,还能获取目标的属性或图像信息实时性强,使完成一次处理所用的时间与雷达的数据率相匹配鲁棒性好,能够在复杂的电磁环境(特别是强电磁干扰环境)下正常工作实现上述要求取决于雷达的以下能力:
有效抑制杂波和干扰的能力目标回波能量的有效收集能力,主要措施有:①改善天线的主瓣增益,降低旁瓣;②降低天线转速,增加每个波位的驻留时间;③选择能量利用率高的信号形式;④提高雷达发射信号的峰值功率;⑤距离维匹配滤波(脉冲压缩);⑥方位维一次扫描周期内对个波位的多个脉冲的相干和非相干积累;⑦扫描周期间的积累(航迹提取)。
高效的空间搜索能力良好的空间分辨能力,主要措施有:①尽可能地增大天线的功率孔径积,提高角分辨能力;②改进测角方式,提高角度测量精度;③使用距离波门(时域滑窗)进行距离跟踪,减小多目标在频域的混叠;④使用大带宽信号和脉冲压缩技术,提髙距离分辨能力;⑤采用频率滤波,提高速度分辨能力;⑥通过合成孔径,提高方位分辨能力;⑦两天线干涉合成,提高俯仰角分辨能力。
良好的环境适应能力:①自适应杂波抑制(自适应滤波、自适应CFAR、杂波图等);②自适应数字波束形成;③智能化特征抽取和目标识别算法;④多模式协同工作(例如预警机、多模式SAR)。
雷达信号处理的分类
雷达信号处理的分类方法较多,按处理域分为时域信号处理、空域信号处理、频域信号处理、极化域信号处理和多域联合信号处理。
按实现方式分为基于通用数字信号处理器(DSP)的软件算法编程的信号处理实现方式;基于专用集成电路设计(ASIC)的全硬件的信号处理实现方式;基于 DSP、FPGA 或 ASIC 相结合的并行高速信号处理实现方式。
下表给出了雷达信号处理的常用方法。
本文参考《现代雷达系统分析与设计》。
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