一文匯總SIMO雷達(dá)的基礎(chǔ)基礎(chǔ)知識(shí)

雷達(dá)主要用于探測(cè)并定位目標(biāo)，它通過(guò)發(fā)射特定種類(lèi)的波形，對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，從而達(dá)到探測(cè)目標(biāo)的目的。通過(guò)對(duì)雷達(dá)進(jìn)行設(shè)計(jì)，能夠使其穿透一些極端條件，例如黑暗，薄霧，煙霧，雨水，降雪等，這些往往都是人的視線無(wú)法看到的。雷達(dá)還具有能夠測(cè)量目標(biāo)距離和速度等參數(shù)的優(yōu)點(diǎn)。

雷達(dá)在軍事、民用和科技等領(lǐng)域均有廣泛運(yùn)用，例如用于大氣監(jiān)測(cè)，地表探測(cè)，跟蹤和導(dǎo)航，天氣監(jiān)測(cè)，地球觀測(cè)等。

圖1 基本雷達(dá)構(gòu)成的框圖

圖1示出了一種基本的雷達(dá)構(gòu)成：一個(gè)發(fā)射電磁波的發(fā)射天線，一根接收天線以及處理數(shù)據(jù)并發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的器件。發(fā)射信號(hào)的一部分被目標(biāo)截獲并向所有方向再次輻射出去，接收天線將返回的電磁能量收集起來(lái)，發(fā)送給下一級(jí)的接收機(jī)，接收機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，同時(shí)提取目標(biāo)的相關(guān)參數(shù)。

盡管合適的電磁波調(diào)制方式有很多，大多數(shù)雷達(dá)還是采用了脈沖調(diào)制的信號(hào)來(lái)滿足對(duì)目標(biāo)的探測(cè)與定位。

雷達(dá)信號(hào)包含的信息

距離

如圖2所示，雷達(dá)與目標(biāo)之間的距離用r表示，它可以通過(guò)電磁波在雷達(dá)與目標(biāo)之間的雙重傳播延時(shí)經(jīng)下式計(jì)算得出：

圖2 雷達(dá)脈沖傳播的示意圖

信號(hào)的傳播速度通常對(duì)應(yīng)光速c。系統(tǒng)的最大不模糊距離受脈沖重復(fù)頻率的限制：

系統(tǒng)的距離分辨率，即兩個(gè)相鄰目標(biāo)的最小可分辨距離，與信號(hào)帶寬成反比。

速度

由于多普勒效應(yīng)的存在，目標(biāo)相對(duì)于雷達(dá)的徑向速度 會(huì)使得接收到的信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)相移，表現(xiàn)為接收信號(hào)的頻移：，其中為信號(hào)載頻。

方向（方位向或俯仰向）

通過(guò)使天線形成特定的方向圖，能夠在每一時(shí)刻都將發(fā)射功率集中在某個(gè)特定方向上。因此，雷達(dá)天線波束的指向給出了該角度上目標(biāo)的信息。這個(gè)角度可以是方位向（雷達(dá)與目標(biāo)連線在水平面上投影的角度）和/或俯仰向（雷達(dá)與目標(biāo)連線與水平面之間的角度）。

極化

極化雷達(dá)具有估計(jì)接收信號(hào)極化方式（水平極化，垂直極化，圓極化等）的能力。這使得雷達(dá)系統(tǒng)提供了諸如確定和/或區(qū)分環(huán)境（植被，建筑等）中不同種類(lèi)結(jié)構(gòu)的可能性。實(shí)際上，取決于被照射物體的材料和幾何形狀，接收信號(hào)的極化會(huì)受到不同的影響。

SIMO單輸入多輸出雷達(dá)

SIMO雷達(dá)的發(fā)射天線通常是陣列天線，由若干個(gè)獨(dú)立的陣元組成，需要對(duì)這些陣元進(jìn)行合適的排布，使其間距等于載波波長(zhǎng)或等于載波波長(zhǎng)的一半。通過(guò)對(duì)每個(gè)陣元的激勵(lì)信號(hào)的相對(duì)幅度和相位進(jìn)行獨(dú)立地調(diào)控，當(dāng)所有陣元同時(shí)發(fā)射時(shí)，就能夠獲得期望的輻射方向圖（例如筆型波束，寬波束）。這種天線被稱(chēng)作相控陣天線。

欲使陣列天線的波束對(duì)空間進(jìn)行掃描，可以采用使整個(gè)陣列天線所在機(jī)械結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)的方式。然而，通過(guò)改變天線陣元之間激勵(lì)電流的相對(duì)相位的方式對(duì)波束指向進(jìn)行操控，能夠更方便地使波束指向特定的方向。

傳統(tǒng)的相控陣?yán)走_(dá)只能發(fā)射固定的波形，而只在幅度上做文章（放大或縮小其幅度）。由于只發(fā)射單一的波形——盡管有多個(gè)發(fā)射陣元——相控陣?yán)走_(dá)也被稱(chēng)作SIMO（單輸入多輸出）雷達(dá)。

在接收中采用陣列天線的情況下，天線的方向性可以通過(guò)數(shù)字波束形成（DBF）技術(shù)形成，這包括以數(shù)字方式形成多個(gè)同時(shí)聚焦的波束。

雷達(dá)探測(cè)

典型的用于探測(cè)傳統(tǒng)飛行器的雷達(dá)發(fā)射的信號(hào)通常具有幾微秒的脈沖寬度和幾百Hz的脈沖重復(fù)頻率。發(fā)射機(jī)產(chǎn)生調(diào)制后的射頻脈沖，經(jīng)過(guò)傳輸線到達(dá)天線，由天線將脈沖信號(hào)輻射到空間中。

輻射能量的一部分經(jīng)由目標(biāo)反射回來(lái)，被雷達(dá)接收機(jī)捕獲。接收到的信號(hào)在前端進(jìn)行預(yù)處理，典型的雷達(dá)前端由如下幾部分構(gòu)成：低噪聲放大器和濾波器，下變頻器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器（對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣和量化）。

圖3 脈沖壓縮示意圖

為了從含有噪聲的回波信號(hào)中檢測(cè)出目標(biāo)的存在，必須要對(duì)信號(hào)中目標(biāo)的反射信號(hào)和噪聲進(jìn)行區(qū)分，這就是信號(hào)處理中脈沖壓縮階段的目的，此階段采用匹配濾波器（MF）對(duì)發(fā)射脈沖進(jìn)行匹配。如圖3所示，匹配濾波器的輸出是接收信號(hào)和發(fā)射信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)，可以用下式表示：

目標(biāo)的距離參數(shù)可以從脈沖的傳播延時(shí)（“快時(shí)間”）中直接估計(jì)，速度參數(shù)通常從脈沖間（“慢時(shí)間”）的相位變化進(jìn)行估計(jì)。目標(biāo)的方位信息通過(guò)天線的指向進(jìn)行估計(jì)，其精度取決于天線的方向性的好壞。

需要注意的是，雷達(dá)前端的性能會(huì)受限于噪聲，因?yàn)殡s波的電磁能量會(huì)大幅影響接收機(jī)檢測(cè)期望的回波信號(hào)的能力。這些雜波可能產(chǎn)生于接收機(jī)的內(nèi)部，也可能疊加在期望的回波信號(hào)上，由接收天線一起接收到。

圖4 噪聲的概率密度函數(shù)、噪聲和信號(hào)混疊時(shí)的概率密度函數(shù)

為了判斷是否有目標(biāo)存在，需要在匹配濾波器的輸出端設(shè)置一個(gè)檢測(cè)閾值，當(dāng)脈沖壓縮后的能量超過(guò)了閾值，則認(rèn)為有目標(biāo)存在。閾值的設(shè)置需要在虛警概率（噪聲通過(guò)匹配濾波器后，輸出能量超過(guò)閾值的概率）和發(fā)現(xiàn)概率（目標(biāo)存在時(shí)，匹配濾波器的輸出能量超過(guò)閾值的概率）之間做一個(gè)權(quán)衡。如圖4所示，較小的閾值選取能夠增加檢測(cè)概率并且降低虛警概率，反之亦然。
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