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  • 1.雷达基础知识了解 2.雷达测距 最大不模糊距离 3.距离分辨率 4.多普勒频率‘ 5.雷达方程 噪声和信噪比 6.搜索(警戒) 7.脉冲积累 相干积累与非相干积累 8.雷达损失

    1.1.雷达分类

    一般来讲,雷达系统是使用调制波形和方向性天线来发射电磁能量到空间的特定区域以搜索目标,在搜索区域内的目标物会反射部分能量(雷达反射信号或回波)回到雷达,然后这些回波被雷达接收机处理,以提取目标的信息,例如距离,速度,角位置和其他目标识别特征
    在这里插入图片描述
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    1.1.1.基础知识了解

    radar-radio detection and ranging
    CW:连续波雷达
    PR:脉冲雷达
    低PRF雷达主要用于测距,而对于目标的速度(多普勒频移)不感兴趣
    高PRF雷达主要用于测量目标速度

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    1.1.2. 工作波段划分

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    1.2.距离

    1.2.1.距离的测量

    以脉冲雷达为例:
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    PRF:脉冲重复频率&PRI:脉冲重复间隔

    一般来说,脉冲雷达发射和接收脉冲串,自然就会存在脉冲重复间隔
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    占空比和相关功率

    在每一个PRI期间,雷达只会发射tao秒的能量,其余时间用于监听目标回波,则发射信号自然存在一个占空比
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    1.2.2.最大不模糊距离

    最大不模糊距离是对应于双程延迟时间T的距离,雷达发射了一个脉冲,雷达必须等待足够长的时间,以使最大距离处目标的反射信号在下一个脉冲发射前返回,也就是说最大不模糊距离对应半个PRI
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    1.3.距离分辨率

    (1)基本概念描述

    距离分辨率描述雷达将相互非常接近的目标检测为不同目标的能力的指标
    在这里插入图片描述

    (2)距离单元门的引入

    雷达系统通常设计在最小距离Rmin和最大距离Rmax之间工作,将其之间的距离划分成为M个单元门,每一个距离单元门的宽度就是距离分辨率
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    那么这步做完就相当于进行了分出来了一个个距离单元条

    (3)距离单元门宽度的确定

    确定距离单元门的宽度也就是要确定距离分辨率
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    (4)脉冲压缩技术的引入

    一般来说雷达用户和设计者都追求距离分辨率足够小,来增强雷达的性能,要提高雷达距离分辨率就需要使脉冲宽度足够小,然而这样的话,将会减少平均发射功率和增加工作带宽,从而产生矛盾。获得好的距离分辨率的同时维持足够的平均发射功率,就必须要通过使用脉冲压缩技术来实现

    1.4.多普勒频率

    雷达使用多普勒频率来提取目标的径向速度以及区分运动目标和静止目标

    多普勒现象描述的是由于目标相对于辐射源的运动而引起的入射波形中心频率的偏移

    而根据目标运动的方向,此频移可能是正的,也可能是负的
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    注意:多普勒频移的大小依赖于在雷达方向上的目标速度分量,也就是径向速度。
    这三个目标都具有速度,但是多普勒频移很不一样,目标一产生0多普勒频移,目标二产生最大多普勒频移,目标三产生多普勒频移在两者之间

    1.5.雷达方程

    1.5.1.雷达基本方程

    理解雷达基本方程的推导过程
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    1.5.2.噪声和信噪比

    (1)功率谱密度:PSD
    在实际情况下,雷达接收的回波信号会被噪声污染噪声本质上是随机的,可以用其功率密谱度来描述,同时噪声功率也是雷达工作带宽的函数
    在这里插入图片描述
    (2)信噪比及改写雷达方程
    在这里插入图片描述

    1.5.2.1.信噪比的仿真(1)matlab实现

    注释:下面的函数用于实现(1.56),即实现雷达距离方程,也就是实现了相关指标都确定,检测距离也确定下来之后的雷达系统所需要的最小输出信噪比SNR

    当然:我们也可以修改,对于一组给定的雷达参数,最大可检测距离是所要求的最小可检测SNR的函数,同时也可以修改雷达方程来计算对于给定的检测距离为获得一定的SNR所需要的脉冲宽度
    在这里插入图片描述
    (1)相关基础参数解释

    在这里插入图片描述 Column 2

    (2)输入参数举例:
    在这里插入图片描述
    (3)matlab代码编写函数
    注意我们通常使用分贝计数来执行与雷达方程有关的计算

    function [snr] = radar_eq(pt, freq, g, sigma, te, b, nf, loss, range)
    % This program implements Eq. (1.56)
    c = 3.0e+8; % 光速
    lambda = c / freq; % 波长
    p_peak = 10*log10(pt); % 峰值功率转为DB形式
    lambda_sqdb = 10*log10(lambda^2); % 波长的平方转为db形式
    sigmadb = 10*log10(sigma); % 雷达截面积转为db形式
    four_pi_cub = 10*log10((4.0 * pi)^3); % (4pi)^3 转为db形式_db = 10*log10(1.38e-23); % 玻尔兹曼常数转为db形式
    te_db = 10*log10(te); % noise temp. in dB
    b_db = 10*log10(b); % 带宽转为db形式
    range_pwr4_db = 10*log10(range.^4); % 雷达目标距离的四次方转为db形式
    % 呈现公式1.56
    num = p_peak + g + g + lambda_sqdb + sigmadb;
    den = four_pi_cub + k_db + te_db + b_db + nf + loss + range_pwr4_db;
    snr = num - den;
    return
    

    1.5.2.2.信噪比的仿真(2)matlab实现

    (1)研究信噪比与雷达目标距离及雷达截面积的关系 (2)研究信噪比与雷达目标距离及峰值功率的关系
    在这里插入图片描述 在这里插入图片描述

    (3)此部分的matlab代码实现
    注意在本程序中用到了上一仿真的函数,此处调用

    % 用此程序产生 Fig. 1.12
    close all
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    pt = 1.5e+6; % 峰值功率in W
    freq = 5.6e+9; %峰值功率in W
    g = 45.0; % 天线增益in dB
    sigma = 0.1; % 雷达截面积 in m squared
    te = 290.0; % 有效噪声温度 in Kelvins
    b = 5.0e+6; % 雷达工作带宽in Hz
    nf = 3.0; %噪声系数 in dB
    loss = 6.0; % 雷达损失in dB
    range = linspace(25e3,165e3,1000); % 雷达目标距离 from 25 Km 165 Km, 1000 points
    snr1 = radar_eq(pt, freq, g, sigma, te, b, nf, loss, range);
    snr2 = radar_eq(pt, freq, g, sigma/10, te, b, nf, loss, range);
    snr3 = radar_eq(pt, freq, g, sigma*10, te, b, nf, loss, range);
    % 画出输出信噪比随目标距离的变化
    figure(1)
    rangekm  = range ./ 1000;
    plot(rangekm,snr3,'k',rangekm,snr1,'k -.',rangekm,snr2,'k:')
    grid
    legend('\sigma = 0 dBsm','\sigma = -10dBsm','\sigma = -20 dBsm')
    xlabel ('目标距离- Km');
    ylabel ('SNR - dB');
    snr1 = radar_eq(pt, freq, g, sigma, te, b, nf, loss, range);
    snr2 = radar_eq(pt*0.4, freq, g, sigma, te, b, nf, loss, range);
    snr3 = radar_eq(pt*1.8, freq, g, sigma, te, b, nf, loss, range);
    figure (2)
    plot(rangekm,snr3,'k',rangekm,snr1,'k -.',rangekm,snr2,'k:')
    grid
    legend('Pt = 2.7 MW','Pt = 1.5 MW','Pt = 0.6 MW')
    xlabel ('Detection range - Km');
    ylabel ('SNR - dB');
    

    1.5.2.3.输出信噪比的作用

    (1)当我们求出来输出信噪比的时候,由于最小可检测信号与信噪比线性关系,因此对于一组给定的雷达参数,我们就可以求出对应的信噪比,其中雷达监测门限所对应的输出信噪比就可以带入雷达基本方程求出雷达的最大作用距离(威力范围)
    在这里插入图片描述
    (2)可以修改雷达方程来计算对于给定的检测距离为获得一定的SNR所需要的脉冲宽度
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述

    使用plot函数展示 使用semilogy函数展示
    centered 文本居中 right-aligned 文本居右
    % 用这个程序产生 Fig. 1.13 of text.
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    pt = 1.e+6; % 峰值功率in Watts
    freq = 5.6e+9; % 雷达的工作频率 in Hz
    g = 40.0; %天线增益in dB
    sigma = 0.1; % 雷达截面积 in m squared
    te =300.0; % 等效噪声温度 in Kelvins
    nf = 5.0; %噪声系数 in dB
    loss = 6.0; % 雷达损失 in dB
    range = [75e3,100e3,150e3]; % 三个不同的探测距离要求
    snr_db = linspace(5,20,200); % SNR values from 5 dB to 20 dB 200 points
    snr = 10.^(0.1.*snr_db); % convert snr into base 10
    gain = 10^(0.1*g); %convert antenna gain into base 10
    loss = 10^(0.1*loss); % convert losses into base 10
    F = 10^(0.1*nf); % convert noise figure into base 10
    lambda = 3.e8 / freq; % 计算波长
    % Implement Eq.(1.57)
    den = pt * gain * gain * sigma * lambda^2;%各项分母
    num1 = (4*pi)^3 * 1.38e-23 * te * F * loss * range(1)^4 .* snr;%各项分子
    num2 = (4*pi)^3 * 1.38e-23 * te * F * loss * range(2)^4 .* snr;
    num3 = (4*pi)^3 * 1.38e-23 * te * F * loss * range(3)^4 .* snr;
    tau1 = num1 ./ den ;
    tau2 = num2 ./ den;
    tau3 = num3 ./ den;
    % 画图
    figure(1)
    plot(snr_db,1e6*tau1,'k',snr_db,1e6*tau2,'k -.',snr_db,1e6*tau3,'k:')
    %因为上面得到的是s,我们要转为us,1e6
    grid
    legend('R = 75 Km','R = 100 Km','R = 150 Km')
    xlabel ('所要求的 SNR - dB');
    ylabel ('\tau (脉冲宽度) in \mu sec');
    
    figure(2)
    semilogy(snr_db,1e6*tau1,'k',snr_db,1e6*tau2,'k -.',snr_db,1e6*tau3,'k:')
    %因为上面得到的是s,我们要转为us,1e6
    grid
    legend('R = 75 Km','R = 100 Km','R = 150 Km')
    xlabel ('所要求的 SNR - dB');
    ylabel ('\tau (脉冲宽度) in \mu sec');
    

    1.5.3.雷达参考距离

    当我们不知道用户的雷达设计情况,我们可以先提供一个参考
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述

    1.6.搜索(警戒)

    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述

    搜索雷达方程

    在这里插入图片描述

    天线的波束宽度

    两种情况,圆形孔径与锥形孔径
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述

    1.6.1.函数power_aoerture–复现搜索雷达方程(功率孔径积)

    代入的都是db,最后求出来的都是db形式
    用于重现搜索雷达方程–计算功率孔径积
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    注意我们重现的实际上是功率孔径积,功率孔径积的研究很有价值

    在这里插入图片描述
    复现搜索雷达–复现为功率孔径积的形式
    在这里插入图片描述

    function PAP = power_aperture(snr,tsc,sigma,range,te,nf,loss,az_angle,el_angle)
    % This program implements Eq. (1.67)
    Tsc = 10*log10(tsc); % convert Tsc into dB
    Sigma = 10*log10(sigma); % convert sigma to dB
    four_pi = 10*log10(4.0 * pi); % (4pi) in dB
    k_db = 10*log10(1.38e-23); % Boltzman's constant in dB
    Te = 10*log10(te); % noise temp. in dB
    range_pwr4_db = 10*log10(range.^4); % target range^4 in dB
    omega = (az_angle/57.296) * (el_angle / 57.296); % compute search volume in steraradians
    Omega = 10*log10(omega); % search volume in dB
    % implement Eq. (1.67)
    PAP = snr + four_pi + k_db + Te + nf + loss + range_pwr4_db + Omega ...
        - Sigma - Tsc;
    return
    

    1.6.2.在实际情况之中分析关系

    在这里插入图片描述

    功率孔径积相对于测距范围 平均功率相对于孔径大小
    centered 文本居中 right-aligned 文本居右

    1.6.3.matlab代码实现

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    tsc = 2.5; % 扫描时间2.5 seconds
    sigma = 0.1; % 雷达截面积in m sqaured
    te = 900.0; % 等效噪声温度in Kelvins
    snr = 15; % 要求的SNR in dB
    nf = 6.0; %噪声系数in dB
    loss = 7.0; % 雷达损失 in dB
    az_angle = 2; % 搜索区域的方位角范围in degrees
    el_angle = 2; %搜索区域的俯仰角范围 in degrees
    range = linspace(20e3,250e3,1000); % 检测距离 from 20 Km 250 Km, 1000 points
    pap1 = power_aperture(snr,tsc,sigma/10,range,te,nf,loss,az_angle,el_angle);
    pap2 = power_aperture(snr,tsc,sigma,range,te,nf,loss,az_angle,el_angle);
    pap3 = power_aperture(snr,tsc,sigma*10,range,te,nf,loss,az_angle,el_angle);
    % plot power aperture prodcut versus range
    % figure 1.16a
    figure(1)
    rangekm  = range ./ 1000;
    plot(rangekm,pap1,'k',rangekm,pap2,'k -.',rangekm,pap3,'k:')
    grid
    legend('\sigma = -20 dBsm','\sigma = -10dBsm','\sigma = 0 dBsm')
    xlabel ('测距范围 in Km');
    ylabel ('功率孔径积 in dB');
    
    
    %生成Figure 1.16b
    lambda = 0.03; % 波长in meters
    G = 45; % 天线增益 in dB
    ae = linspace(1,25,1000);%孔径面积 to 25 meter squared, 1000 points
    Ae = 10*log10(ae);
    range = 250e3; % 感兴趣的距离 is 250 Km
    pap1 = power_aperture(snr,tsc,sigma/10,range,te,nf,loss,az_angle,el_angle);
    pap2 = power_aperture(snr,tsc,sigma,range,te,nf,loss,az_angle,el_angle);
    pap3 = power_aperture(snr,tsc,sigma*10,range,te,nf,loss,az_angle,el_angle);
    Pav1 = pap1 - Ae;
    Pav2 = pap2 - Ae;
    Pav3 = pap3 - Ae;
    figure(2)
    plot(ae,Pav1,'k',ae,Pav2,'k -.',ae,Pav3,'k:')
    grid
    xlabel('孔径面积 in square meters')
    ylabel('平均功率 in dB')
    legend('\sigma = -20 dBsm','\sigma = -10dBsm','\sigma = 0 dBsm')
    

    1.7.脉冲积累

    当一个目标在单次扫描期间位于雷达波束内时,它可能会反射好几个脉冲。通过把一个给定目标在单次扫描期间反射的所有脉冲的回波相加,雷达的灵敏度(SNR)就会增加

    脉冲回波的相加过程称为雷达脉冲积累,有两种积累方式:
    (1)脉冲积累可以对包络检波之前积累–相干积累&检波前积累,相干积累保持了接受脉冲之间的相位关系,实现了信号幅度的相加
    (2)脉冲积累也可以在包络检波之后完成–非相干积累&检波后积累,相位关系被破坏

    1.7.1.概述

    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述

    1.7.2.相干积累

    对于相干积累,当使用理想累积器(100%的积累效率)的时候,积累n个脉冲,信噪比也会提高n倍
    在这里插入图片描述

    1.7.3.非相干积累

    非相干积累经常在包络检波器之后(也称为正交检波器)实现,非相干积累的积累效果不如相干积累有效

    事实上,非相干积累效益总是小于非相干积累脉冲数的
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述

    1.7.4.脉冲积累的检测距离

    **思考过程:
    (1)首先确定使用相干积累还是非相干积累
    (2)其次确定检测和跟踪所足够要求的最小SNR
    (3)确定应该积累多少脉冲n,n的选择受雷达扫描速率,雷达PRF,天线波束宽度等指标控制
    (4)最后使用SNR计算雷达监测距离
    **

    当使用相同的SNR时,我们可以看到,由于积累使得SNR减小,雷达监测距离比单个脉冲的大
    在这里插入图片描述

    1.7.5.matlab仿真

    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述

    1.7.5.1.相干积累

    在这里插入图片描述

    1.7.5.2.非相干积累

    在这里插入图片描述

    1.7.5.3.函数参数了解

    在这里插入图片描述

    1.7.5.4.函数的matlab代码

    function [snrout] = pulse_integration(pt, freq, g, sigma, te, b, nf, loss, range,np,ci_nci)
     snr1 = radar_eq(pt, freq, g, sigma, te, b, nf, loss, range) % single pulse SNR
     snr1=0
    if (ci_nci == 1) % 相干积累
       snrout = snr1 + 10*log10(np);
    else % 非相干积累
        if (ci_nci == 2)
            snr_nci = 10.^(snr1./10);
            val1 = (snr_nci.^2) ./ (4.*np.*np);
            val2 = snr_nci ./ np;
            val3 = snr_nci ./ (2.*np);
            SNR_1 = val3 + sqrt(val1 + val2); % 等式 1.87 of text
            LNCI = (1+SNR_1) ./ SNR_1; % 等式 1.85 of text
            snrout = snr1 + 10*log10(np) - 10*log10(LNCI);
        end
    end
    return
    

    1.7.5.5.结果及运用函数的matlab代码

    在这里插入图片描述

    %use thsi figure to generate Fig. 1.21 of text
    clear all
    close all
    np = linspace(1,10000,1000);
    snrci = pulse_integration(4,94.e9,47,20,290,20e6,7,10,5.01e3,np,1);
    snrnci = pulse_integration(4,94.e9,47,20,290,20e6,7,10,5.01e3,np,2);
    semilogx(np,snrci,'k',np,snrnci,'k:')
    legend('相干积累','非相干积累')
    grid
    xlabel ('积累的脉冲数');
    ylabel ('SNR - dB');
    

    1.8.雷达损失

    在这里插入图片描述
    在雷达方程中指出,接收机SNR与雷达损失成反比,任何雷达损失的增加都会导致SNR的降低
    在这里插入图片描述

    1.8.1.发射和接收损失

    在这里插入图片描述

    1.8.2.天线方向图损失和扫描损失

    在这里插入图片描述

    1.8.3.大气损失

    在这里插入图片描述

    1.8.4.叠加损失

    当积累的噪声回波脉冲数大于目标回波脉冲数的时候,就会出现SNR的下降,出现叠加损失
    在这里插入图片描述

    1.8.5.处理损失

    算法和硬件的处理会导致损失
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述

    1.8.3.其他损失

    在这里插入图片描述

    1.9. 我的雷达-设计案例研究

    只用本章的知识来满足设计需求,当后续章节引入新的知识之后,我们可以进行设计的更新,适应不同章节的理论和技术

    1.9.1. 前言

    这是一部地基防空雷达
    采用的设计方法是基于对很多雷达系统组件的建模,不考虑任何硬件的约束和任何实际限制

    1.9.2. 问题陈述

    在这里插入图片描述
    在这个地方我们有必要把重点指标再次强调一下
    (1)相应的雷达截面积已经给出(2)扫描速度(3)距离分辨率(4)噪声系数(5)接收机损失(6)合理的检测门限(最小可检测信噪比)

    1.9.3. 设计

    **(1)距离分辨率-脉冲宽度/等效出要求的工作带宽,在这个地方要确定雷达的工作频率,孔径大小,单个脉冲峰值功率
    **
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
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    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
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    1.9.4. 备选设计

    在这里插入图片描述
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    展开全文
  • 提出一种基于STFRFT的无源雷达目标时延与多普勒联合估计新方法。首先,给出了一种STFRFT时频分辨率量化方法及其数学表达式;其次,利用STFRFT的投影包络对回波信号时延与Doppler频移进行了联合估计;最后,讨论分析了脉内...
  • 对于机载侧视雷达,若是实孔径雷达,其分辨率将受到很大的...当时,有些科学家想突破经典分辨率的限制,提出了一些新的设想:利用目标与雷达的相对运动所产生的多普勒频移现象来提高分辨力;用线阵天线概念证明运动...
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    对于机载侧视雷达,若是实孔径雷达,其分辨率将受到很大的限制,特别是方位向分辨率,下面列举具体参数计算方位和距离向分辨率。其中,SLAR是指Side Looking Airborne Radar。

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    合成孔径雷达(SAR)思想的产生

    合成孔径的概念始于50年代初期。当时,有些科学家想突破经典分辨率的限制,提出了一些新的设想:

    • 利用目标与雷达的相对运动所产生的多普勒频移现象来提高分辨力;
    • 用线阵天线概念证明运动着的小天线可获得高分辨力

    SAR基本概念

    合成孔径雷达天线往往仅用单个辐射单元,沿一直线依次在若干个位置平移,且在每一个位置发射一个脉冲信号,接收相应发射位置的雷达回波信号并储存起来,然后通过信号处理的方法产生一个等效的长的线性阵列天线。合成孔径雷达的特点是分辨率高,能全天候工作,可有效地识别伪装和穿透掩盖物。

    相参性

    要想通过在不同的位置发射信号并收集后再联合处理,那么首先就要确保发射的脉冲是相参的,相参性是SAR系统获得高分辨率的必要条件。

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    发射信号、本振电压、相参震荡电压和定时器的触发脉冲均由同一基准信号提供,接收机也需要具备很高的时间精度。

    多普勒历程

    随着平台的运动,地面目标逐渐进入雷达波束,平台接近目标时多普勒频率为正,远离目标时为负,频率随时间变化曲线的斜率为负,目标的多普勒历程如下图所示。

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    SAR的距离和方位分辨率

    SAR通过脉冲压缩技术改善距离分辨率,它与发射信号的带宽有关,带宽越大,分辨率越小;通过合成孔径技术改善方位分辨力,条带SAR理论上可以达到天线尺寸的1/2,聚束SAR分辨率更小。

    高的分辨力要求采用小的天线而不是大的天线,并且与距离和波长无关。当然,受到其他因素的影响,天线孔径也不可能无限小。

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    回波的存储

    SAR是需要存储雷达回波,由于数据不是同时采集的,需要对一定的时间间隔内接收的信号进行运算。 A/D转换之后对数字信号进行存储,选择存储介质必须考虑到信息记录的速率、记录的数据容量、完成方位压缩和脉冲压缩时存储数据的读取速度。

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    SAR的信号模型和处理过程

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    SAR天线在每个位置发射脉冲信号并接收目标回波并按顺序存储,然后通过二维匹配滤波实现目标的距离和方位向的高分辨。

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    运动补偿

    SAR信号处理是假定雷达随飞机做直线等速飞行。实际上,运载天线的飞行器总是与这种典型的直线等速飞行状态有偏差的。因此就需要用辅助设备来补偿非直线运动。

    运动补偿设备必须包含能检测飞行路线与直线路径偏离的传感器,可以用各种方式使用此敏感元件的输出。为了完善运动补偿,还必须调整接收信号的相位,以补偿实际天线与理想的形成合成天线位置之间的偏移。

    极化合成孔径雷达

    极化是电磁波的本质属性之一,是除频率、幅度、相位之外的又一维重要信息。电磁波的传播和散射都是矢量现象,而极化正是用来研究电磁波的这种矢量特征。SAR系统常用四种极化方式——HH、VV、HV、VH。

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    雷达发射的能量脉冲的电场矢量,可以在垂直或水平面内被偏振。无论哪个波长,雷达信号可以传送水平(H)或者垂直(V)电场矢量,接收水平(H)或者垂直(V)或者两者的返回信号。

    单极化是指(HH)或者(VV),就是水平发射水平接收或垂直发射垂直接收。气象雷达领域那一般都是(HH)。

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    双极化是指在一种极化模式的同时,加上了另一种极化模式,如(HH:水平发射水平接收)和(HV:水平发射垂直接收)。全极化技术难度最高,要求同时发射H和V,也就是HH/HV/VV/VH四种极化方式。

    电磁波的极化对目标的介电常数、物理特性、几何形状和取向等比较敏感,因而极化测量可以大大提高成像雷达对目标各种信息的获取能力。下图是同一个地区不同极化方式下的成像结果。

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    雷达极化已经发展成为一种比较成熟的技术,在农业(分辨不同的农作物耕地)、森林(植被高度、衰减系数等生物量的估计、物种识别)、地质(地质结构描述)、水文(表面粗糙度和土壤湿度估计、雪湿度估计)、海冰监测(冰龄和厚度估计)和海洋学(波特性估计,热和波前探测)等很大范围内都得到广泛的研究和应用。

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    水平极化波和垂直极化波在地物或海洋的后向散射系数和相位特性均不相同,因此除了通过多波段来增加遥感的信息含量,也可以通过不同的极化来提高目标的识别的准确度。

    通过对雷达目标和地物杂波的极化特性测量与分析,可以实现对不同目标的分类与识别,这在雷达抗干扰领域的作用也日渐突出。

    SAR波段选择

    雷达波段的选择可以说是相当重要,对于星载SAR,波段选择主要考虑了大气传输窗口、频率和极化对信息提取的影响,图像质量与设备复杂度之间的权衡等因素。

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    大气窗口都知道,大气中的氧和水分子、云雾和雨雹等对高频电磁能量吸收明显,在几个频率上有尖锐的吸收峰值,并且雷达信号在穿透电离层和对流层时会产生相位失真、极化旋转和损耗等,从而使图像出现误差、甚至难以成像。

    1GHz频率以下,虽然大气对电磁波的吸收不明显,但是存在明显的极化旋转效应,因此星载SAR的工作频段适宜选择L、C、X波段。

    星载SAR观测的后向散射波既包含目标表面发射波,还包含穿透得到的回波。波长越长、穿透能力越强,这种穿透作用在稠密作物或树木的情况下特别明显,从而产生多路径反射,从而形成了极化旋转。

    X波段适合对冰的观测和分类,以及对海面污染情况的观察;L波段适合对淡水和穿透地下目标的观测;C波段适合观察海洋上的强目标。

    SAR应用领域

    合成孔径雷达主要用于航空测量、航空遥感、卫星海洋观测、航天侦察、图像匹配制导等。它能发现隐蔽和伪装的目标,如识别伪装的导弹地下发射井、识别云雾笼罩地区的地面目标等。

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  • 动目标指示(MTI)雷达:MTI雷达也使用多普勒频率区分动目标与静止目标和杂波。它的波形是一系列低PRR脉冲,从而避免距离模糊,但牺牲了速度精度。这些类型的雷达系统通常用于地面飞机搜索和监视应用。 脉冲压缩雷达:...

    测量目标距离仍然是大多数雷达系统的基本用途。然而,雷达系统在其组成方式、使用的信号、可捕获的信息以及如何在不同的应用中使用这些信息等方面都有了显著的发展。

    雷达广泛应用于军事和民用领域,包括:

    • 监视(威胁识别、运动检测或接近引信)
    • 探测和跟踪(目标识别和追踪或海上救援)
    • 导航(避免汽车碰撞或空中交通管制)
    • 高分辨率成像(地形测绘或着陆制导)
    • 天气跟踪(风暴预警或风廓线)

    按信号类型分类
    下面列出了一些具有各种信号类型的常见雷达系统:

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    连续波(多普勒)雷达:连续波雷达系统以恒定频率发射连续波信号。接收信号存在多普勒频移,可用于确定目标速度。该雷达系统通常用于交通监控。FMCW雷达:FMCW雷达系统对CW信号进行调频以产生定时基准。有了这些信息,除了可以测速之外,还可以测距。连续波雷达的一个显著优势是它们提供连续的结果(与脉冲雷达系统相比)。这种雷达系统常用于飞机在着陆过程中的精确测高。脉冲雷达:基本的(非相干)脉冲雷达系统,通过测量发射和接收脉冲之间的时间差来确定目标的距离和方向。由于相位在脉冲间是随机的,所以系统是非相参的。远程空中监视是这些雷达系统的常见的应用场景。多普勒脉冲雷达:这是一种相参雷达系统,在该系统中,根据接收脉冲间相位的变化可以获得除目标距离和方向之外的信息——目标速度。通常采用高脉冲重复率(PRRs),这使得径向速度测量更精确,但测距精度较低。利用多普勒脉冲雷达系统在抑制静杂波的同时检测运动目标,这对气象监测应用具有重要意义。动目标指示(MTI)雷达:MTI雷达也使用多普勒频率区分动目标与静止目标和杂波。它的波形是一系列低PRR脉冲,从而避免距离模糊,但牺牲了速度精度。这些类型的雷达系统通常用于地面飞机搜索和监视应用。

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    脉冲压缩雷达:短脉冲宽度信号提供更好的距离分辨率,但作用距离有限。长脉冲宽度信号包含更多能量,提供更长的探测范围,但牺牲了距离分辨率。脉冲压缩结合了长脉冲宽度与功率相关的优点和短脉冲宽度的分辨率优点。通过调制发送信号的频率(例如线性调频)或相位(例如使用巴克码),长脉冲可以在接收机中压缩相当于调制信号带宽倒数的量;许多天气监测系统已趋向于使用脉冲压缩雷达。按天线配置分类单站雷达:在单站雷达中,发射机和接收机通过时域复用的方式共用同一个天线。双基地雷达:发射天线和接收天线分离(通常以较大的距离或偏移角)的雷达系统称为双基地雷达系统。双基地雷达系统通常用于探测隐身目标,其中隐身技术有意避免将雷达信号反射到发射机方向。电子扫描阵列(ESA):雷达系统可以使用天线阵列,可包含1000或10000个天线阵列。通过精确地控制每个天线阵元的相位和幅度,可以形成阵列的整体波束方向图。这些相控阵天线是机械扫描天线的替代品,机械扫描天线通常更重,更容易发生故障。
    此外,电机的单点故障会造成机械系统失效,而相控阵天线的一个或多个阵元发生故障时,不会导致整个雷达系统失效。电子扫描阵列(ESA)雷达系统有两种基本类型:无源ESA(PESA)和有源ESA(AESA)。

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    PESA:无源电子扫描阵列。通常,PESA雷达系统从一个信号源获得信号,然后将其分成数百条路径,并对其中一些进行延迟和(或)衰减,直到每条路径到达单个天线阵元。AESA:有源电子扫描阵列。AESA雷达系统阵列的每个天线阵元都是独立发射/接收模块(TRM)。这提供了很大的灵活性,使AESA雷达系统能够同时在多个频率下工作,产生多个波束模式以实现不同的雷达功能。AESA雷达现在是最先进的战斗机基线。影响雷达性能的要素

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  • 余杨,眭晓林固体激光技术重点实验室摘要:激光雷达具有抗干扰能力强、分辨率高、隐蔽性好等优点,已被广泛应用于精密测量、侦察监视、火控、制导等领域。针对远程激光测速测距中回波信号微弱难以检测的现实情况,...

    本文内容转载自《激光与红外》2019年第2期,版权归《激光与红外》编辑部所有。

    余杨,眭晓林

    固体激光技术重点实验室

    摘要:激光雷达具有抗干扰能力强、分辨率高、隐蔽性好等优点,已被广泛应用于精密测量、侦察监视、火控、制导等领域。针对远程激光测速测距中回波信号微弱难以检测的现实情况,提出了一种新的双频激光测速测距方法,采用脉冲压缩技术实现信号检测。通过实验,本文对该方法的原理进行了分析与验证。结果表明,该方法可以实现对运动目标的测速与测距。

    关键词:相干激光雷达;脉冲压缩算法;双频激光;激光多普勒测速;激光测距

    1 引言

    目标的速度和距离信息是激光雷达获取其三维空间的重要参数。然而,在远距离探测和水下、雾天等恶劣环境中,因介质衰减,回波信号幅值大大降低,脉冲波形因介质折射、散射而畸变展宽,但散弹噪声、暗噪声以及热噪声等噪声信号幅度和频带特性基本不变,所以目标回波淹没在噪声中,接收信噪比较小,用传统的阈值检测法无法提取目标信号。

    相干检测(光学外差检测)是利用相干光源,可以间接地探测光波的振幅、频率和相位。相比较而言,直接探测(即非相干探测)使用相干光源或非相干光源均可,装置较为简单,但只能对光功率(光强)进行探测。目前,激光测距仪通常采用阈值检测法,在直接探测的基础上提取目标回波。直探方式与阈值检测适宜于强光信号(信噪比>5)探测,而对弱信号的远程目标难以探测。相干探测是一个重要的发展方向,具有转换增益高、信噪比高、检测灵敏度高、滤波(空间滤波和光谱滤波)好、稳定性和可靠性高、抗干扰能力强等优点。在激光相干探测中采用线性调频信号,可有效提高探测灵敏度和测距精度,增强系统的探测能力。通过本振光提高回波光信号的增益。高信噪比可以得到准确的频率值,进而精确获得目标的速度与距离。

    2 原理

    2.1 脉冲压缩原理

    雷达的距离分辨率δr取决于信号的带宽:

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    对于普通脉冲雷达,雷达信号的时宽T与带宽B满足:

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    对于脉冲压缩雷达,雷达信号的时宽与带宽满足:

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    这样,经过压缩后雷达信号的时宽为:

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    压缩后与压缩前雷达信号时宽之比为:

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    定义雷达信号时宽与带宽的乘积为脉冲压缩比:

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    测距精度和距离分辨力主要取决于信号的频率结构,为提高测距精度和距离分辨力,要求信号具有大的带宽。而测速精度和速度分辨力则取决于信号的时域结构,为提高测速精度和速度分辨力,要求信号具有大的时宽。此外,提高时宽也可增加功率,提高雷达系统的发现能力。

    为了提高雷达系统的发现能力、测量精度和分辨能力,要求信号具有大的时宽、带宽、能量乘积。但是在简单脉冲信号的雷达中,雷达信号的时宽带宽积约为1,不能兼顾距离分辨率和速度分辨率,距离分辨率和最大距离这两对指标,而当使用时宽带宽积远大于1的LFM线性调频等信号时,可以利用脉冲压缩,使得信噪比增强,并且可以很好的解决作用距离和分辨能力之间的矛盾,使得在提升距离分辨力的同时,也可以提高作用距离。因此,为了获得线性调频信号的大带宽所对应的高距离分辨能力,对接收到的LFM宽脉冲回波进行压缩滤波处理,使其变为窄脉冲。

    2.1.1 Chirp信号的脉冲压缩

    相比通用的正弦载波和余弦载波,Chirp信号在信号形式、调制方式上都变得更为复杂,但是,正是由于其复杂性为其带来了许多优点,其优秀的匹配滤波特性就是其中之一,即在白噪声环境中,通过对线性调频信号进行匹配滤波处理可以获得良好的信噪比,而且其匹配滤波器的响应与线性调频信号本身的区别仅仅在于频率变化的方向相反,因此对于线性调频信号的匹配滤波器构造极其简单,下面通过一个频率线性递增的Chirp 信号为例,来说明其匹配滤波的独有特性。

    频率线性递增Chirp 信号函数为:

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    频率线性递减的Chirp 信号函数为:

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    式中,f0为信号中心频率;Chirp信号的频率变化率μ为一定值。

    此时,线性递增的Chirp信号的匹配滤波输出为:

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    由式(10)看出,频率线性递增的线性调频信号经匹配滤波后,其输出信号的波形与sinc函数非常相似,且信号能量主要集中在(-1/B) ≤t≤(1/B)之间,即主瓣宽度为2/B,并且具有非常高的尖峰,其值为3a31467f4f57807ff5b9262c9232a4b7.png。由此可以看出线性调频信号的匹配处理将近乎90%的信号能量都被压缩在主瓣内,因此匹配滤波的过程可以理解为将能量进行了压缩,并且时间带宽积越高,Chirp信号的压缩特性就越好。实际应用中,为了获得良好的压缩特性,一般都要求Chirp信号的时间带宽积要在100以上。

    2.2 双频激光相干探测原理

    双频激光相干探测原理如图1所示。

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    图1 双频激光相干探测原理图

    在双频激光相干探测过程中,利用波的相干叠加原理和光电探测器平方律检测关系,本振信号的频率为:

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    式中,f1,f2分别为双频激光的两个频率,差值在百兆赫兹量级。双频激光经高速目标散射后产生不同的多普勒频移,经光电探测器检测得到回波信号,其频率为:

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    式中,f1',f2' 为含多普勒频移的双频激光的频率;fd1,fd2分别为双频激光产生的多普勒频移。回波信号与本振信号进行二次乘积混频及低通滤波后,得到双频激光多普勒信号,其频率为:

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    依据激光多普勒频移公式,双频激光多普勒信号的频率与目标相对速度的关系为:

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    式中,c为电磁波的传播速度;v为目标的相对速度;f1-f2为双频激光的频差。例如,当激光波长取1.0μm时,双频激光的频差为300MHz,目标相对速度为1000 m/s时,单频激光多普勒频移为2GHz,由式(14)可知,双频激光多普勒频移仅为2 kHz。

    由此可知,双频激光相干探测可将单频激光多普勒频移(GHz)转换到双频激光频差的多普勒频移(kHz),降低了高速目标的多普勒频移,从而实现激光探测系统对高速目标的速度获取。

    3 设计方案

    3.1 系统描述

    当应用本系统测速时,打开信号s1、s2,使用双频激光,关闭调制器;测距时,打开信号s1及Chirp调制器,关闭信号s2,使用单频脉冲压缩算法。如图2所示。

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    图2 系统原理图

    3.1.1 双频测速

    双频激光器发射频率为f1、f2的双频激光,合束后经分束器,其中1%的光进入光电探测器作为本振信号;99%的光照射到高速目标,经反射后被光电探测器接收,得到回波信号。衰减后的s1、s2分别作为两个本振信号,再与回波信号合束。本振信号与回波信号进行混频,得到双频激光多普勒信号,经信号处理系统解算获得高速目标运动信息。双频激光多普勒信号的频率与目标相对速度的关系可由式(14)计算。

    3.1.2 脉压测距

    目标至雷达站的距离R(斜距)可以通过测量电波往返一次所需的时间tR得到,即:

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    时间tR即为相对于发射信号的延迟,因此,目标距离测量就是要精确测定延迟时间tR。在常用的脉冲雷达中,回波信号滞后于发射脉冲tR的回波脉冲。在雷达显示器上,由收发开关泄漏过来的发射能量,通过接收机并在显示器荧光屏上显示出来(称为主波)。绝大部分发射能量经过天线辐射到空间。辐射的电磁波遇到目标后将产生反射。由目标反射回来的能量被天线接收后送到接收机,最后在显示器上显示出来。在荧光屏上目标回波出现的时刻滞后于主波,滞后的时间就是tR,测量距离就是要测出时间tR

    回波信号的延迟时间tR通常是很短促的,将光速c = 3 × 105 km/s代入式(15)后得:

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    式中,tR的单位为μs;测得的距离单位为km,即测距的计时单位是μs。测量这样量要采用快速计时方法。早期雷达均用显示器作为终端,在显示器画面上根据扫掠量程和回波位置直接测读延迟时间;现代雷达通常采用电子设备自动测读回波到达的延迟时间tR

    选用线性调频信号实现数字脉冲压缩技术是对雷达发射信号的载频进行调制,从而增加雷达的发射带宽,并在接收端实现脉冲压缩处理(匹配滤波)。脉冲压缩技术是基于最佳匹配滤波的基本原理来实现的。匹配滤波器的作用就是对输入信号进行一次相关运算。在某一时刻,信号各频率分量同相叠加并得到最大的输出,由于与输入信号中的强相关特性,并且与随机输入噪声之间没有相关性,因此最大输出功率只与信号的能量有关。匹配滤波器的这种相关运算,可以在高斯白噪声中将确定信号检测出来,是以输出信噪比最大为准则的最优接收机。因此以相关检测的算法作为测距方案。

    4 仿真及实验结果

    为了分析该算法在测速测距应用中的合理性,采用MATLAB进行仿真,分别是验证双频激光测速的优越性及脉冲压缩测距的处理方式是否可行。测速参数如表1所示,测距仿真参数如表2所示。

    实验一:验证双频激光处理方式能够有效降低高速目标的多普勒频移。

    表1 不同差频与速度相应fd(Hz)

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    由表1可知,当待测速度v很大时,fd依然很小,如选用频差为1GHz的双频激光器做光源,测量300 m/s的速度时,fd仅有2kHz,理论上,这种测速方法的测速上限是不受限制的。但是,当双频激光器的频差较小时,待测速度很低时,对应的fd很小,无法精确测量。因此,当需要测量以较低速度运动的物体的速度时,可以选用频差较大的双频激光器作为光源。在实际应用中,可以根据实际的测速需求,选择具有合适频差的双频激光器。

    实验二:验证脉冲压缩信号处理方式能够实现测距。

    首先产生一个模拟发射的Chirp信号(图3为LFM脉冲的瞬时频率、线性调频信号波形及其频谱,从图中可以更直观地表示线性调频信号),经过延时后当作目标回波,与本振信号相干并且加入高斯噪声。然后经过脉冲压缩得到延迟时间,从而得到距离信息。

    表2 测距仿真参数表

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    图3 线性调频信号及其频谱

    仿真结果如图4所示。图中分别表示发射信号及相关检测结果。在实际应用中,使用铌酸锂相位调制器和声光调制器,铌酸锂相位调制器进行线性调频,声光调制器用于将连续激光斩成高斯形状的脉冲激光。由图中可以看出,当信号淹没在噪声中时,通过脉冲压缩及相关检测可以检到10 km 处的目标,经MATLAB仿真解算出的距离符合实际情况,说明该方案可以实现目标的距离测量。

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    图4 脉冲压缩测距仿真结果

    5 结论

    本文在分析激光雷达相干探测基本原理的基础上,提出了一种新型的双频线性调制激光雷达相干测速测距方案。双频激光多普勒测速仪不同于单频激光多普勒测速仪,采用双频激光器作为光源,能够克服单频激光多普勒测速仪易受测量环境影响的缺点,抗干扰能力强,具有较高的信噪比。该系统可实现集测速、测距为一体,测速时使用双频激光;测距时使用Chirp信号脉冲压缩算法,即可获得高速目标的速度与距离信息。

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  • 这可以用来计算相位变化率, 从而确定多普勒频率. 速度测量的执行代码: % Doppler Velocity Calculation Fast Fourier Transform (FFT) 在本博客中我们不需要研究快速傅里叶变换的数学实现, 只需要了解FFT如何帮助...
  • 脉冲雷达的工作机理11.1脉冲发射的优点11.2脉冲波形11.2.1载波频率11.2.2脉冲宽度11.2.3脉内调制11.2.4脉冲重复频率11.3模糊图11.4输出功率和发射能量 11.4.1峰值功率11.4.2平均功率11.5总结11.6要记住的一些关系式...
  • 噪声产生的边带覆盖了发射频率两侧很宽的频带。虽然噪声边带的功率可以无限小(与近地回波比可以忽略),但是仍比空中目标回波强几个数量级。为了避免噪声对接收机的干扰,接收机必须和发射机隔离,如分配单独天线。...
  • 动目标指示(MTI)雷达: MTI雷达也使用多普勒频率区分动目标与静止目标和杂波。它的波形是一系列低PRR脉冲,从而避免距离模糊,但牺牲了速度精度。这些类型的雷达系统通常用于地面飞机搜索和监视应用。 脉冲压缩雷达...
  • 传统微波雷达受限于电子技术,在大宽带高速毫米波信号的...虽然微波光子雷达的大带宽和短波长大幅地提升了雷达分辨率,但是这也使得雷达信号对目标的运动非常敏感,甚至微小的运动误差都会造成雷达图像的散焦。图...
  • 雷达可以全天候、全天时、远距离对目标进行检测和定位,随着合成孔径雷达(SAR)技术的引入,可以...文中分析了MD算法实际工程应用,并完成了多普勒频率估计的快速估算。  1 基本原理  1.1 高分辨SAR成像计算流
  • 目录距离多普勒(Range-Dopple Matrix)处理方法快时间维度处理(Range-FFT)慢时间维度处理(Doppler-FFT)RDM中距离分辨率和速度分辨率推导方法参考资料 距离多普勒(Range-Dopple Matrix)处理方法   众所周知,距离...
  • 对基于法布里珀罗(F-P)标准具四边缘技术的双频率多普勒测风激光雷达进行研究。简要分析了F-P标准具四边缘双频率风速测量原理。详细介绍了基于F-P标准具四边缘双频率多普勒激光雷达系统结构。对发射激光双频率间隔、...
  • 介绍了基于电磁波的水流速度测量的基本原理-多普勒效应,分析了不同采样频率对多普勒频率分辨率、测量精度、最大可测速度以及系统实时性的影响,指出单一采样频率无法满足测量系统对测量精度、量程和嵌入式系统实时...
  • 针对连续波多普勒雷达外弹道测速的特点,为了解决频率分辨率与采样频率影响多普勒雷达速度测量精度的问题,提出应用快速傅里叶变换的频谱分析法。该方法基于目标弹道升、降规律对估计频率进行线性调整,能有效提高...
  • 采用数字采样技术进行信号合成,与传统的频率合成技术相比,DDS芯片具有频率分辨率高、频谱纯净,频率速率高,输出的变频信号相位连续,相位噪声低,全数字接口,易于编程控制,体积小、价格低,有助于提高系统的...
  • 利用相干激光雷达探测...在4 km光纤延迟时,本系统最低探测速度为0.5 mm/s,速度分辨率达到毫米每秒量级,频率分辨率达到千赫兹量级。利用微多普勒信息探测技术,实现了探测物体表面的微动状态信息和识别运动状态的目的。
  • [3] 此处暂停必不可少,且时间要足够,以便再打开声音系统,这个量与计算机...”就可以将向量y存储为取样频率为Fs的wav音频文件。[6] 另一个函数发生器是压控振荡器(VCO),它由输入向量来决定某个震荡频率的信号。...
  • 针对激光多普勒信号中存在较大噪声干扰的实际情况...频谱细化技术可以提高激光多普勒信号的频谱分辨率,频谱校正技术可以准确地校正多普勒频率,使校正后的频率更加接近于真实值;信号处理精度比直接进行FFT提高2~3倍。
  • 针对由运动目标在步进频间不同频点引入的多普勒频率跨速度分辨单元走动问题,提出了基于Keystone变换的补偿方法,即通过时域的伸缩变换来补偿多普勒频率走动问题,并研究了基于多通道Keystone变换和基于装订信息的两...

空空如也

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多普勒频率分辨率