相控陣?yán)走_(dá)信號(hào)處理的基礎(chǔ).doc

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1、相控陣?yán)走_(dá)信號(hào)處理的基礎(chǔ)摘要本文節(jié)給出了一個(gè)關(guān)于相控陣?yán)走_(dá)原理和術(shù)語(yǔ)的簡(jiǎn)短的調(diào)查研究。波束形成、雷達(dá)探測(cè)與參數(shù)估計(jì)已經(jīng)描述過(guò)了。子陣的概念，單脈沖與任意子陣的估計(jì)開發(fā)。作為一個(gè)自適應(yīng)波束形成，這是在其他幾個(gè)部分處理的準(zhǔn)備，關(guān)于模型塑造的確定性加權(quán)的主題將會(huì)進(jìn)行詳細(xì)的介紹。1.0引言當(dāng)今陣列在許多應(yīng)用程序、視圖和術(shù)語(yǔ)中的運(yùn)用是完全不同的。我們?cè)谶@里介紹幾個(gè)相控陣?yán)走_(dá)天線和相關(guān)信號(hào)處理的具體特點(diǎn)。首先，雷達(dá)原理和術(shù)語(yǔ)的解釋。大量陣列單元的波束形成是典型雷達(dá)天線的特點(diǎn)和問(wèn)題，在其他應(yīng)用程序眾所周知。因此，我們討論了陣列填滿、大光圈和

2、帶寬的特殊問(wèn)題。為了降低成本和空間，天線的輸出通常歸結(jié)于子陣。數(shù)字化處理只能靠子陣輸出解決。等部分模擬和數(shù)字波束形成的問(wèn)題，特別是光柵的問(wèn)題進(jìn)行了討論。本主題將重新考慮自適應(yīng)波束形成，空時(shí)自適應(yīng)處理（STAP），和SAR。雷達(dá)探測(cè)范圍和方向估計(jì)由統(tǒng)計(jì)假設(shè)檢驗(yàn)和參數(shù)估計(jì)理論進(jìn)行計(jì)算。這一理論的主要應(yīng)用將在下一章的自適應(yīng)波束形成中進(jìn)行討論。在這個(gè)章中，我們提出了單脈沖估計(jì)的應(yīng)用，并且在下一章中擴(kuò)展到自適應(yīng)陣列或STAP的單脈沖估計(jì)。由于波束形成在相控陣中起著核心作用，也為各種自適應(yīng)波束形成做了準(zhǔn)備，并且為確定性天線波束形成和和相關(guān)

3、通道精度要求做了詳細(xì)介紹。2.0雷達(dá)和陣列的基礎(chǔ)2.1基本概念雷達(dá)原理在圖1中進(jìn)行了描述。一個(gè)長(zhǎng)度為τ的脈沖被傳輸，被反射在目標(biāo)上和在時(shí)刻雷達(dá)再次收到該脈沖。這個(gè)信號(hào)的傳輸時(shí)間經(jīng)計(jì)算為。這個(gè)過(guò)程中脈沖重復(fù)間隔為（PRI）T。因此，最大的明確范圍為。比之稱為占空比。接收到的信號(hào)與噪聲功率比（SNR）由雷達(dá)方程描述。這是的規(guī)則要求雷達(dá)設(shè)計(jì)師必須盡可能增加傳送或接收的能量。快速實(shí)時(shí)處理：過(guò)濾接收到的脈沖使得信號(hào)能量能夠最大限度地提?。ㄆヅ錇V波，脈沖壓縮）。這是實(shí)現(xiàn)卷積接收到的數(shù)據(jù)樣本發(fā)射波的形式，,。脈沖壓縮后距離分辨率為，其中τ是

4、脈沖壓縮后的有效脈沖長(zhǎng)度。通過(guò)壓縮后較短的長(zhǎng)度對(duì)長(zhǎng)發(fā)射脈沖進(jìn)行適當(dāng)?shù)木幋a，因此可以實(shí)現(xiàn)很高的分辨率。這需要一個(gè)更大的帶寬。脈沖之前的么長(zhǎng)度和壓縮后的長(zhǎng)度之比稱為壓縮比K，與時(shí)間帶寬積類似，。模擬波形，如用于脈沖壓縮的線性頻率調(diào)制（調(diào)頻），或通過(guò)某種子脈沖切換的離散碼，例如：二進(jìn)制代碼或多相碼。脈沖壓縮后的雷達(dá)旁瓣對(duì)于避免假目標(biāo)非常重要。此外，壓縮脈沖必須適應(yīng)多普勒頻移，多普勒頻移是一個(gè)典型的目標(biāo)重復(fù)移動(dòng)的頻率。慢時(shí)處理：接收信號(hào)能量可以增加整合電源脈沖。由于多普勒效應(yīng)，具有一定徑向速度的目標(biāo)回波經(jīng)歷了一個(gè)的頻移。從脈沖間隔時(shí)間

5、，我們可以觀察到一次相移。如果這次變換得到補(bǔ)償就能收集到最大能量。正確的相位補(bǔ)償?shù)目偤捅环Q為連貫整合，。當(dāng)然，徑向速度和因此導(dǎo)致的多普勒頻是未知的，必須進(jìn)行估計(jì)。積分時(shí)間KT被稱為相干處理間隔，CPI。此外，也可以只對(duì)幅度進(jìn)行相加，叫做非相干積分，。在一個(gè)雷達(dá)的固定觀察方向（例如若干CPI）上的所有處理時(shí)間稱為延時(shí)。2.2相控陣原理相控陣的原理是從大量的基本球面波形如圖2所示，生成一個(gè)波前平面。一些陣列天線的技術(shù)實(shí)現(xiàn)也顯示在圖中。球面波通過(guò)基本天線單元的全方位特征來(lái)近似實(shí)現(xiàn)。在基本天線上應(yīng)用適合的激勵(lì)和接收的所有信號(hào)的總和被稱

6、為波束形成。為什么人們對(duì)相控陣天線如此感興趣?它的主要優(yōu)點(diǎn)是幾乎是無(wú)限快速地轉(zhuǎn)換陣列的觀察方向。這使得我們可以根據(jù)一些最優(yōu)準(zhǔn)則，而不是根據(jù)一個(gè)連續(xù)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)來(lái)闡明搜索空間?；仡櫆?zhǔn)則，這迫使我們集中傳輸能量。優(yōu)化目標(biāo)接收的能量的各個(gè)方面都可以用關(guān)鍵詞——能量管理來(lái)表示，這是相控陣的本質(zhì)上的優(yōu)勢(shì)。特定的能源管理組成部分是l相干積分幾乎可以達(dá)到任意長(zhǎng)。這可以做到更好的雜波抑制（多普勒分辨力），通過(guò)提取光譜的特征來(lái)進(jìn)行目標(biāo)分類，并最終進(jìn)行SAR和ISAR處理。l時(shí)分復(fù)用的不同雷達(dá)的任務(wù)，如搜索和跟蹤多個(gè)目標(biāo)的性能。這允許使用單相位陣列

7、雷達(dá)作為多功能雷達(dá)。l個(gè)別的雷達(dá)任務(wù)的優(yōu)化：優(yōu)化搜索，采集和跟蹤波形，需要時(shí)的高精度測(cè)量，變量的光束形狀，跟蹤優(yōu)化算法（雷達(dá)通過(guò)跟蹤算法和一個(gè)先驗(yàn)信息來(lái)進(jìn)行控制）。l較低的主要能量消耗（僅適用于主動(dòng)陣列，節(jié)省約2倍）l高故障間的平均時(shí)間間隔（MTBF）由于優(yōu)美的退化（只對(duì)于主動(dòng)陣列）l如果在天線孔徑的空間樣本可供選擇：自適應(yīng)波束形成（ABF）的時(shí)空自適應(yīng)處理（STAP），超高分辨率2.3波束形成相控陣的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題之一是波束形成的操作。為了連貫地總結(jié)所有信號(hào)，在位置的天線單元的接收信號(hào)的時(shí)間延遲必須進(jìn)行補(bǔ)償。我們通過(guò)如圖3所示

8、的天線坐標(biāo)系統(tǒng)U中的單位方向向量（有時(shí)也被稱為“方向余弦”），來(lái)表示入射波平面的入射角。綠色的平面可能代表一個(gè)平面天線的口徑。公式對(duì)于三維陣列也有效。位置r的元素和原點(diǎn)之間的路徑長(zhǎng)度是對(duì)于如圖3左邊子圖所示的線性天線，它等于。在元素r處的信號(hào)可寫為其中，f是發(fā)射頻率，c是光速