系列文章目录

《雷达简单介绍》

《信号类型（雷达）——雷达波形认识（一）》

《信号类型（雷达）——连续波雷达（二）》

《信号类型（雷达）——脉冲雷达（三）》

文章目录

前言

一、脉冲雷达信号处理流程示例

二、相应的雷达技术

2.1、信号调节

2.2、信号成像

2.3、信号检测

2.4、信号跟踪

总结

前言

《雷达简单介绍》主要介绍了雷达的基本功能以及简单的应用场景，并简单介绍了相参体制雷达系统的硬件组成以及对应实现的功能，《信号类型（雷达）——脉冲雷达（三）》等系列文章主要介绍了雷达系统的波形设计以及对应的设计依据，这篇文章将介绍处理目标回波信号的基本信号处理技术以及他们之间的关联。考虑到绝大多数雷达是按照单基地（可以认为收发一体化）、脉冲体制（可以实现距离多普勒信息的独立获取）进行设计的，本文介绍的雷达信号处理技术以单基地脉冲体制雷达为例进行分析。

一、脉冲雷达信号处理流程示例

上图为常规雷达信号处理的一般流程示意图，大致分类为：信号调节、成像、检测和后处理。

首先接收机接收雷达照射到目标后的回波信号，即图示中到达接收机的信号，这个信号是由雷达自身特性（包括发射波形、极化方式、天线增益）和反射回波的实际物体的特性（物体尺寸，相对于雷达的方向、姿态速度）共同决定。信号调节的目的一方面通过A/D变换，将接收的模拟信号转换为数字信号，这样可以很方便的运用先进的计算机网络技术，甚至和大数据方面的理论技术相结合；除了目标反射的雷达回波信号，信号中必然存在接收机本身的热噪声，可能存在传播空间中的有意或无意干扰，所以信号调节另一方面通过波束形成、脉冲压缩、杂波滤除、多普勒处理等相关信号处理技术抑制接收机接收信号的噪声以及各种干扰。

接收机经过信号调节后，信号的信噪比可能会得到提升，即噪声得到抑制，信号中的干扰可以根据干扰相关的先验信息得到高效滤除。此时可以基于最优检测理论以及CFAR处理，直接进行信号的检测，判断目标是否存在；当然也可以进一步进行成像处理然后再对目标进行检测，这里的成像一般指SAR成像，具体是对雷达信号的慢时间维进行合成孔径处理，使得目标位置在雷达飞行的方向上聚焦，而距离上的能量聚焦通过脉冲压缩实现，由于信号在慢时间维上相干处理，使得成像后的信噪比得到进一步提升，检测性能也能得到提升。

在判断目标存在后，需要对目标的相关参数进行估计，即信号后处理。基于最优估计，能够实现目标位置、速度等信息的估计，对多个驻留时间内估计的位置进行卡尔曼滤波，可以得到目标运动的轨迹估计信息，实现对目标的跟踪。通过对SAR成像的物体形状对目标进行识别，通过目标的极化特性识别目标。

二、相应的雷达技术

雷达系统的基本功能包括：检测、跟踪和成像。目标的检测主要判断目标有无，核心理论为线性滤波和统计检测理论；目标跟踪主要实时定位目标位置，核心理论为参数估计和卡尔曼滤波理论；成像主要形成目标散射特性的图像，核心理论为脉冲压缩和合成孔径理论。下面表格简单总结了不同功能下关注的性能指标以及对应的影响因素。

雷达功能	指标	影响因素	描述
检测	检测概率虚警概率	单目标由信号和干扰的统计特性SNR决定；多目标检测还受分辨率以及旁瓣特性影响；	分辨率以及旁瓣特性取决于雷达波形（距离向）以及天线方向图（角度域）；
跟踪	定位精度速度精度	位置精度（目标的距离、角度）取决于信干比SNR	分辨率可以作为跟踪精度的一个粗略上界
成像	空间分辨率动态范围	空间分辨率取决于天线口径以及信号波形带宽；动态范围取决于SNR	空间分辨率决定可分辨物体尺寸；动态范围决定图像的对比度

雷达相关技术研发目标是为了更快、更稳定、更精准地实现雷达功能。为了更好地实现上述雷达功能，需要改善对应的指标，可以看出，雷达功能的性能指标普遍受信噪比SNR影响，而实际环境中随机噪声以及干扰的影响不可避免，为了抑制这方面的影响，相关理论得到研究，如噪声干扰信号的建模以及噪声干扰对性能指标影响的机理，相关的雷达信号技术得到开发，包括波束形成形成，脉冲压缩（原本是为了实现距离高分辨，但也能提升信噪比），杂波滤波等技术。除了这方面的问题，还存在强弱信号共存导致的信号动态范围大的问题，频谱资源紧张的问题等，下面重点讲一下信号调节方面的相关。

2.1、信号调节

接收机设计

雷达系统中的接收机的噪声系数影响接收输出的雷达回波信号中噪声的噪底，而由于整个射频电路的噪声主要由第一个器件的噪声系数决定，为了减低接收机热噪声的影响，一般会在接收天线之后接上一个低噪声放，提高信号的信噪比。

带通滤波（高速的A/D转换器）

一般认为数字信号处理效果比模拟信号处理效果更好（具体原因感兴趣的可以评论区讨论）。一般会将模拟信号通过AD转化器转化为数字信号。信号采样率满足奈奎斯特定理，而距离高分辨的雷达信号带宽大，所需采样率高，导致高速率的数据吞吐量，因此工程上需要设计非常高速的A/D转换器。

IQ技术

我们知道实信号的频谱关于零频对称，也就是说我们知道信号的一半频谱，就可以知道信号另一边频谱，这样实际发射的信号可以采用半边频谱的复信号进行波形设计，这样降低一半的带宽，这样能降低信号的采样率，降低数据率，同时降低频带所用宽度，节约频带资源。但是实际传输的信号只能是实信号，为了实现等效的复信号发射功能，设计了IQ两路正交的信号，分别对应复信号的实部和虚部。

波束形成技术

波束形成技术可以从阵列天线理论来理解，我们通过给予不同阵列单元不同的相移来在空间形成特定波束指向的方向图（当波束指向确定，方向图展示了在不同方向阵列天线辐射的信号强度，在波束指向的方向，辐射信号强度最强），不同阵列单元下相移构造的等幅值复数组成导向矢量，接收多路信号（每个阵元接收的信号）受这个导向矢量的加权影响会使得合成后的信号对波束形成的方向得到增强，在其他方向得到减弱。但抑制干扰信号的方向，可以通过控制导向矢量控制波束形成方向，进而抑制波束形成方向外的干扰信号。

杂波滤除

波束形成是从信号的空域特性实现杂波干扰的抑制，而MTI等杂波抑制技术是基于杂波的频域特性去除杂波的，针对运动目标，接收的雷达回波信号存在多普勒信号，而地面产生的杂波由于反射物体静止，基本不产生多普勒信号，根据这一差异，可以很好的抑制地杂波。

脉冲压缩

脉冲压缩是为了解决分辨率和探测距离之间的矛盾，从波形设计的角度通过设计大时宽带宽积的信号波形实现距离维的高分辨同时不影响雷达探测距离。由于脉冲压缩利用了匹配滤波手段，实际也能改善信号信噪比。

多普勒处理

多普勒处理是将慢时间维的多普勒信号通过一系列的滤波器组实现相干累加，进而实现动目标的检测。

旁瓣控制技术

由于旁瓣存在，弱目标易被强目标遮蔽，通过加窗改善雷达的旁瓣特性

增益控制设计

雷达信号具有非常高的动态范围，通常可达几十分贝，极端能达到100dB

2.2、信号成像

合成孔径技术

利用多普勒信号展宽实现方位维的高分辨，利用脉冲压缩技术实现距离维的高分辨。

自聚焦技术

实现平台存在抖动，导致方位维合成孔径散焦，需要进行自聚焦处理。

2.3、信号检测

最优检测

基于检测理论实现目标检测。

2.4、信号跟踪

最优估计

目标的跟踪主要是对不同驻留时刻位置的估计，基于最优估计理论能够得到接近克拉美罗界的估计位置。

插值技术/增大SIR

由于数据离散，实际可能未采到最高点，可以通过插值提高测量精度。

总结

本文结合常规雷达信号处理流程简单介绍了雷达领域的相关技术，文章内容主要参考Mark A. Richards著，邢孟道等译的《雷达信号处理基础》（第二版）。内容上根据自己的理解有些许改变，如有问题可评论区留言，另外相关内容后续会完善补充。转载请附链接【杨（_> <_)】的博客_CSDN博客-信号处理,SAR,代码实现领域博主