（信号与信息处理专业论文）三毫米雷达显控终端及数据采集系统研究.pdf

电子科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i s t h e s i s m a i n l y d i s c u s s e s t h e r e a l i z a t i o n o f k e y p a r t s o f t h e s i g n a l p r o c e s s i n g s y s t e m f o r a 3 m i l l i m e t r e w a v e r a d a r . t h e t e r m i n a t i o n d i s p l a y a n d c o n t r o l i s o n e o f t h e i m p o r t a n t p a r t s f o r a r a d a r s y s t e m . a c o m p u t e r i s s e l e c t e d a s t h e t e r m i n a t i o n , w h i c h c a u s e s m a n y a d v a n t a g e s s u c h a s s i m p l e , f l e x i b l e , c h a n g e a b l e , e t c . t h e c o m p u t e r c r t d i s p l a y o r s e r v e s a s t h e r a d a r t e r m i n a t i o n t o p r e s e n t t h e t a r g e t i n f o r m a t i o n w i t h s t a n d a r d s y m b o l s a n d a c c o m p a n y i n g a l p h a n u m e r i c s . t h e c o m p u t e r s o f t w a r e c a n e x t r a c t t h e t a r g e t i n f o r m a t i o n a n d e a s i l y c h a n g e t h e r a d a r d i s p l a y m o d e . i n a d d i t i o n , t h e s y s t e m p a r a m e t e r s c a n b e a d j u s t e d f l e x i b l y t o c o n t r o l t h e o t h e r r a d a r s u b s y s t e m s . a s a t e s t f u n c t i o n a l r a d a r s y s t e m , a c o m p u t e r s u b s y s t e m i s n e c e s s a r y . t h e c o m p u t e r a c q u i s i t i o n s y s t e m c a n a c q u i r e t h e r e c e i v e d t a r g e t i n f o r m a t i o n i n r e a l - t i m e a n d s t o r e i t t o m a k e a d a t a b a s e f o r f u r t h e r a n a l y s i s a n d r e s e a r c h . s i n c e t h e s i g n a l p r o c e s s i n g s y s t e m i s a d i g i t a l s y s t e m , i t i s n e c e s s a r y t o e m p l o y a n a l o g - t o - d i g i t a l ( a / d ) c o n v e r t e r b e f o r e t h e s i g n a l s p a s s t h e s i g n a l p r o c e s s i n g s y s t e m . b e c a u s e t h e d a t a a c q u i s i t i o n s y s t e m i s t h e f r o n t - e n d o f t h e s i g n a l p r o c e s s i n g s y s t e m , i t s p e r f o r m a n c e s w i l l d i r e c t l y a f f e c t s y s t e m p e r f o r m a n c e . t h e m a i n t o p i c s i n c l u d e d i n t h i s t h e s i s a r e a s f o l l o w s : 1 . t h e f e a t u r e s o f t h e m m w a v e r a d a r a n d o u r s i g n a l p r o c e s s i n g s y s t e m a r e i n t r o d u c e d . 2 . t h e d e s i g n a n d r e a l i z a t i o n o f t h e c o m p u t e r t e r m i n a l d i s p l a y a n d c o n t r o l i s d i s c u s s e d , i n c l u d i n g b o t h t h e h a r d w a r e a n d t h e s o f t w a r e . 3 . t h e i m p l e m e n t a t i o n o f t h e r e a l - t i m e a c q u i s i t i o n s y s t e m i s d i s c u s s e d . 4 . t h e d e s i g n a n d i m p l e m e n t a t i o n o f t h e h i g h - s p e e d a / d c o n v e r t e r i s p r e s e n t e d . k e y w a r d s : c o 叩u t e r t e r m i n a l d i s p l a y a n d c o n t r o l , r e a l - t i m e a c q u i s i t i o n s y s t e m， h i g h - s p e e d a / d c o n v e r t e r 电子科技大学硕士学位论文 第一章绪论 互 1 . 1 引言 毫米波通常是指波长为1 - l o m m ，相应的频率为3 0 -3 0 0 0 h z 的电 磁波。 其 低端毗邻厘米波段，具有厘米波段全天候的 特点，高端邻接红外波段，具有红外 波的高分辨率特点。 人类对毫米波的探讨始于 1 8 8 7年德国 科学家 h r赫兹， 几年后历史上就 有人研究毫米波技术;直至本世纪六十年代毫米波通信才受到重视， 如法、 意、 日 、英、美和前苏联等国 家发展的宽带大容童中继波导电信系统等; 七十年代又 因光电 子技术发展， 光通信损耗优于毫米波损耗，使其通信业受阻， 但促进了 器 件的发展: 进入 8 0年代， 毫米波与光电子结合，为其推广和应用开辟了 新领域 一毫米波雷达。 毫米波在国民经济、国防和科学技术中的重要作用，引起了 世界许多国家 的重视， 特别是发达国家为毫米波技术投入了 大量的经费。目 前， 毫米波技术己 在雷达、导弹制导、通信、电子对抗、遥感、辐射测量、目 标与背景散射测量、 射电 天文、光谱学和生物学等多种技术领域中 得到日 益广泛的 应用。 本章从毫米波的特性出发，论述三毫米波雷达的特点及其应用，并简介了 国内外毫米波雷达技术的发展概况。 夸 ， . 2 毫米波的特性 在电 磁频谱领域中，目 前能用于跟踪和制导的是:微波段、毫米波段和红外 光波段. 毫米波兼备了 微波、红外和光波的一些优点，开辟这一新频段在军事和 国民经济中的应用将有其重要的意义。 妇. 2 . 1穿透能力强 在 3 0 g h z -3 0 0 0 h z 的毫米波段，目 前能利用的有 3 5 , 9 4 , 1 4 0 和 2 2 0 g h z 四 电子科技大学硕士学位论文 表1 不同降 雨童大气下对 毫米波的 衰减系 致和 后向 散射 降雨速度 ( 1 6 m m v h r ) 频段 g h z 降雨速度 衰减系数 ( d b / c m ) ( 1 m n 角r ) 后向散射 ( c m 加， ) 衰减系数后向 散射 ( d b / c m) ( c m 加， ) 3 5 0 . 2 4 0 . 2 1 4 4 . 9 7 0 0 . 7 3 0 . 7 2 6 . 9 4 . 1 0 . 9 50 . 9 9 个窗口。 这四个窗口 处的毫米波束， 大气对其吸收和散 射损耗均较低， 在雨、 雾、 烟尘及大气微粒中的 衰减主要是散射和吸收 ( 其中雾的功率损耗与湿度成正比， 并与 温 度有 关) ， 而 其中 损 耗均比 中 波 和长 波红 外 1 . 5 4 , 2 - 5 , 1 0 . 6 p m低一 个 数量级。 在晴天， 氧和水蒸气中的吸收衰减与红外波段接近. 表一给出了不同 衰 减量大气下对毫米 波的衰 减系 数， 其中0 . l g / c m 3 的 雾见 度相当 于光能见度1 2 0 - 3 0 0 米，因 此雾的后向 散射比 雨低得多， 对毫米波的跟踪和制导影响不大。 大气云层对毫米波的 衰减一般比雨天小得多， 在含雨量为7 . 5 g / m 的积云和 含雨量为1 5 g / m 3 的卷积云中典型衰减均方值:在频率为3 5 g h z 处为0 . 4 d b / la n , 9 4 g h z处为 2 . omb/ian。因 云 层厚 度一般 在数百米， 对毫米波的 衰 减损耗低。 表 2列出了上述两窗口 对毫米波的大气传输特性。 毫米波的大气传输特性与红外光 波比 较具有明显优势， 但比 微波雷达稍低。因此， 毫米波雷达具有准全天候工作 能力。 1 . 2 . 2天线尺寸小、波束窄 一般情况下，波长短，束宽可窄。雷达天线的波束宽度0 与与工作波长入 和天线口 径d 的比 值成正比，即波长越短， 天线口 径越小.雷 达角分辨率的 性质 由 天线波束宽度决定。对于给定的天线孔径， 毫米波雷达天线的波束宽度可做到 0 . 1 。 -1 . 0 0 ， 仅仅是x波段或k u 波段雷达的1 / 2 - 1 / 2 0 。 天 线工作频率越高， 波 束宽度越窄。例如，一个直径为1 0 0 m m的天线，工作频率为1 0 0 g h z 时， 其波 束宽度为2 . 1 度。 表 2 列出了微波雷达 i o g h z 和毫米波雷达 3 5 g h z , 9 4 g h z 和 1 4 0 g h z 几种天 线的束宽和 0 和口径d 的对应关系。 电子科技大学硕士学位论文 表 2天线波束宽度0 与口 径 d的对应关 波束宽度 0( 。 口 径d ( m ) i o g h z 3 5 g h z 9 4 g h z1 4 0 g h z 0 . 2 5 0 . 5 1 . 53.891.3 2 . 2 2 1 . 1 1 4 0 . 3 7 0 . 8 2 9 0 . 4 1 5 0 . 1 3 8 0 . 5 5 6 0 . 2 7 8 0 . 0 9 2 7 1 . 2 . 3较大的多普勒频移 雷达动目 标回波的多普勒频移关系式为: 2 v , ( 1 . 2 ) 式中，v , 为目 标相 对于雷达的 径向 速 度。由 于 动目 标产生的多 普勒频 移反比 于 雷达波长，因此对于同一目 标的径向 速度， 毫米波雷达产生的多普勒频移约为微 波雷达的1 0 倍。 例如，一个以%o la n / h 的径向 速度运动的空中目 标， 在9 5 g h z 雷达上产生的多普勒频移为 1 6 9 .8 k h z ， 而同一目 标在 x波段雷达所产生的多普 勒频移只有 1 8 k h z左右。 可见，在信号处理系统频率分辨率相等时，三毫米波 雷达具有较高的速度分辨能力。 ; 1 . 2 . 4可用带宽宽 任一毫米波窗口， 其频率的可用带宽都可以容纳包括微波在内的所有较低频 率。例如， 9 4 g h z 窗口的可用带宽为2 3 g h z ， 大大超过了x 波段 ( 9 g h z )以下的 所有频率。因此， 毫米波段适合于各种宽带信号处理技术. 总之，窄的波束宽度，大的系统带宽和大的多普勒频移， 十分有利于增强 抗电磁干扰的能力， 有利于系统采取扩谱工作方式， 有利于提高系统的距离和速 度分辨率， 有利于目 标识别处理。这些均为雷达系统的发展提供了巨 大的 潜力。 妇. 3 三毫米波雷达的特点及其应用 电子科技大学硕士学位论文 随着毫米波发射源、接收机、器件和部件，特别是毫米波单片集成电路 ( m m i c )的发展，毫米波技术进入了 各种应用的实用阶段。 毫米波技术应用范 围极广， 在雷达、 通信、精密制导、 遥感、 射电 天文学、医学、生物学等方面都 有极其广泛的应用， 其中毫米波技术在雷达中的应用是最活跃的领域之一。 m.s k o l n i k 认为， 虽然k a 波段属于毫米波范围，但k a 波段雷达技术接近于 微波技术，因而很少有人把该波段作为毫米波波段的代表，而通常把 9 4 g h z o m m) 波段看作毫米波雷达的典型频率。 与微波和k a 波段相比，三毫米波雷 达在尺寸小， 重量轻， 波束窄，多 普勒频移大， 跟踪精度高， 不易受电 磁干扰， 低仰角工作时多径效应和地杂波干扰小， 多目 标鉴别性能好等方面有更为突出的 优势。 近年来，由 于高达1 0 0 g h z 的毫米波元器件均能 批量生产，因此三毫米波 雷达出 现了 蓬勃发展的趋势。 由于毫米波雷达的大气传输损耗较大，只适合于近作用距离 ( 1 0 - 2 0 1c m) 应 用场合。 在远程和超远程应用中， 微波雷达仍将是探测目 标的主力军。 现代战争 的双方将在电、 磁、 声、 光、 热等物理场中 进行激烈的斗争， 因 此在预等、 探测、 跟踪、识别、 精密制导、引 信引爆等方面， 微波、毫米波、红外、激光等军用系 统的作用应该是互补的，缺一不可。 以下阐述三毫米波雷达的主要应用: ( 1 ) 用奄米波雷达对抗反辐射导弹 近年来， 发达国家都在积极发展和装备反辐射导弹 ( a r m ) 。这种导弹利用 雷达发射的电 磁波来跟踪雷达以 达到摧毁雷达的目 的. a r m的射程从数公里到上 百公里，频率从0 . 8 到2 0 g h z 。 它采取高 速计算机和数字可编程技术以 及复合制 导方式，能自 动搜索和截获目 标， 对雷达有记忆能力， 航速从 2 到 3 7 马赫， 可 从高、中、 低空发射去袭击目 标， 破坏性极大。为了 对抗 a r m ， 应发展低截获概 率雷达，而毫米波雷达具有低截获概率的 特点. 从目 前的a r m 水平来看，由 于技术难度和器件成本等因素的影响， a r m的最 高 工作 频率 仅扩展到2 0 g h z ， 无 法覆盖毫米波段。 如 果雷 达工作频率选在毫米波 段，就能实现雷达频率隐蔽。 ( 2 ) 用班米波雷达对抗低空突防 毫米波雷达在对付低空突防方面有很多优点。 毫米波雷达的工作频率较高， 信号有效相关带宽较宽，故有很高的距离分辨 力。毫米波雷达可获得良 好的速度分辨力， 且雷达低角跟踪性能不仅受到多路径 电子科技大学硕士学位论文 效应影响，同时也受地面杂波的影响， 毫米波雷达杂波反射强度比 较弱， 有利于 改善低角跟踪性能。 毫米波雷达的良 好的 低空性能已 得到肯定和应用。 例如， 英国 长剑地空导弹 系统 “ 盲射”雷达是世界上第一个毫米波防空雷达，能在强杂波背景中探测低 空目 标， 跟踪精度达0 . 1 密位。 ( 3 ) 用奄米波雷达对抗隐身目 标 目 前隐身目 标主要采取以下隐身措施:利用气动结构外形技术减少垂直于雷 达照射方向的回波信号或使反射波偏离人射方向;涂敷透射和吸波材料， 使雷达 电 磁波消耗在吸收材料中;施放干扰，降 低雷达获得目 标有用信号的能力。 但这 些措施都有一定局限性.隐身技术所采用的雷达波吸收材料涂层有一定频率范 围，主要针对厘米波段， 在 1 -2 0 g h z频率范围内 起作用。 如果将雷达波段扩展 到毫米波段，那么就会使目 标现有隐身效果大大降低。 根据目 前的隐身水平， 在 毫米波段使用介质涂层等材料进行隐身，由 于技术难度大， 工艺复杂，故难以 实 现。同时、隐身目 标机体不可能做成理想光滑和连续表面， 而任何不平滑部位和 缝隙都可能 产生强的角反射。 对于毫米波段来说， 这种特点更为明 显，所以 能够 得到更多的目 标信息。 ( 4 ) 毫米波雷达的抗干扰特性和电 磁兼容性 我们知道，雷达最基本的抗千扰要素是在频域上占 有新频段。频带很宽， 使敌方很难发现和复制信号波形。 要有良 好的分辨力， 需窄的天线波束和低天线 旁瓣。 尽量避免和减少千扰进入雷达波束， 对于进入雷达接收机的 干扰， 应进行 抑制和消除。 毫米波雷达接收机容易实现宽频带。随着接收机频带增宽， 千扰有效作用距 离将会降低。同时毫米波雷达容易实现较窄的脉冲宽 度和波束宽度， 所以 在对抗 箔条干扰方面要比 微波雷达好得多。 特别由于毫米波雷达穿透云、 雾、尘、 烟的 能力远超过红外和光频设备， 在实战中具有重要意义。 ( 5 ) 搜索和目 标截获 有关机动装甲 车的远距离进攻的作战研究表明，三毫米波雷达系统比 其它 传感器技术有重大的优点，它能在各种气候条件和杂波环境下， 识别静止和运动 目 标，所以它特别适用于车载或坦克载战场目 标识别应用。 例如，美国 n o r d e n 公司 研制的 无人机载雷达 ( 峰值功率 2 k w，天线孔径 5 0 c m ，探测吉普车的地 电子科技大学硕士学位论文 面距离为3 .2 k m) e ( 6 ) 庵米波精密制导 三毫米波精密制导、激光制导炸弹、红外跟踪导弹等是电子战和导弹战中 的重要攻击手段，具有很高的命中精度和杀伤力。 三毫米波精密制导主要由制导雷达和导引头两部分组成。雷达将测得的目 标位置进行数据处理，变换成控制运行的信息。装在导弹头部的三毫米波导引头 根据雷达给出的信息，控制导弹运行， 捕获和摧毁目 标。目 前己开发出多种这类 雷达系统。 ( 7 ) 火控和跟踪 由于毫米波雷达具有较高的空间测量精度， 机动性又好， 所以 可用于近程、 闭环火控系统对付低空飞机、导弹和地面目 标。例如， 前面已 提到过的 s t a rt l e 型 ( 9 4 g h z ) 雷 达装在坦克 上， 用于探 测和跟踪目 标。目 前国 外先进的炮瞄雷达 己 广 泛 配置 八 毫米的 跟踪 系 统。 例如， h s a公司 的f l y c a t c h e 型 雷 达 ( j / k双 波 段) ， 康德 拉 夫 斯公 司 研 制的s k y g u a r d 型 雷 达( u j 与k波 段) ， 以 及更 先 进的e a g l e 型雷达等均采用厘米波段和八毫米波段实现搜索与跟踪。 ( 8 ) 测试雷达 为了 对毫米波雷达系统进行有意义的分析， 有必要掌握所研究目 标和杂波 信号的 特征数据和雷达截面积数据。 近十年来已 研制了多种毫米波测试雷达和测 试系统。另外， 三毫米波雷达还有效地用于雷达的缩比 模型测t。因为要获得军 舰那么大目 标的详细散射信息，在微波波段上显得目 标太大，因而可通过在三毫 米波频率上测量缩小比 例的目 标， 利用变比 例频率的关系求得目 标的 微波雷达截 面积。 ( 9 ) 其它应用 三毫米波雷达特别适合于外层空间应用，因为那里大气吸收效应已不复存 在，可以 认为 这是毫米波雷达最理想的应用场合。 三毫米波雷达还特别适用于在 沿海检测、 引导和跟踪各种船只， 以 及飞机和直升飞机中的 地形回避和地形跟踪， 还可以 用作直升飞机的高度计以 及飞机着陆系统和防撞系统。 此外三毫米波雷达 还用于汽车、 火车的 测速和防撞， 测定炮弹速度， 引信引爆， 近距离气象观测等。 电子科技大学硕士学位论文 1 . 4 国内外毫米波雷达发展状况 ; 1 . 4 . 1国外发展概况 七十年代中期以来，毫米波技术的发展十分迅速，投资增加，市场扩大， 应用领域拓展。从八十年代开始，美苏等国己 相继将毫米波技术纳入了 新武器装 备计划的轨道，并己 制定一系列庞大的毫米波军事应用计划， 形成了以军事应用 为先导的毫米波热潮。毫米波战场侦察雷达的 研究己 有三十多年的历史， k a波 段雷达己 在适量生产和使用。 近十年来， 毫米波技术有了 重大突破， 特别是发达 国家对毫米波技术的 大量投资，使得许多毫米波试验雷达应运而生， 如俄罗斯的 s a -1 0和英国 “ 长剑”改进型地空导弹系统雷达， 其工作频率皆为 3 5 g h z ，配 有红外和激光跟踪设备，可在近距离对付隐身目 标。 瑞典艾瑞克森公司的 “ 鹰” 雷达是最新式毫米波跟踪雷达。 为完成搜索和目 标截获，美、 英等国 均己 研制出 了多频谱传感器来探测目 标.它由 三毫米波雷达、 前视激光器、激光雷达和摄像 机等组合而成。其中三毫米波雷达作搜索和截获目 标用。 例如， 美国 林肯实验室 研制的高分辨率多传感器系统，其毫米波雷达的频率为8 5 .5 g h z e 1 . 4 . 2我国的研究概况 近二十年来， 我国也注意到了毫米波技术的发展，国内已 有高校、 研究所和 工 厂等 许多单 位在不同的 技术和应用领域中 相 继开展对 毫米 波技术的 研究， 取得 了不少成果，其中有的接近或达到世界先进水平。 目 前，八毫米波雷达已 进入实用阶段，近程火控八毫米波雷达和导载八毫 米波无源雷达已研制成功。 ，/、 五”期间，电子科技大学和电子部十所联合研制了我国第一部三毫米 波实验雷达.该雷达系统采用全相参脉冲多普勒雷达体制。全相参收发信道大大 地提高了雷达系统的稳定性， 改善了雷达动目 标检测 ( mi d )性能。雷达系统 具有动目 标检测和固定目 标增强 ( f t e ) 两种工作模式。 它能实现脉间极化捷变 和脉组间频率捷变。 雷达系统的快速跳频性能， 使其抗有源干扰的能力得到 提高。 采用极化分集技术，可以 从地杂波中区分目 标，以 增强雷达系统检测硬性目 标的 能力。 对坦克 等目 标的 探测距离为1 - 2 k m ， 对单兵的 探测距离为5 0 0 - 1 0 0 0 m o 由电 子科技大学研制的毫米波三维成像雷达， 可以 检测封闭 金属容器内的 目 标，并对此目 标进行成像。它的研究背景是通过对高炉料面形状进行实时三维 成像，从而指导生产，改善高炉 “ 焦比” ，节约能 源。雷达系统采用调频连续波 雷达 ( f mc w) ，以 获得极高的距离分辨率。同时， 采用大口 径天线，以便得到 窄 天线波束，从而获得高的角分辨率。因 此，它是基于f m c w 的高距离分辨率 窄波束扫描的成像系统。 本课题 3 m m相参雷达多模式信号处理机和模拟器” 是九五预研项目 3 m m 宽带相参雷达关键技术( 课题代号 7 . 5 . 1 . 2 )的主要子课题之一，具有多模式 工作， 处理机处理速度高、 可编程、 体积小、 重量轻、 功耗低等特点， 在理论上、 实践上均具有特色， 属国内首创，与国 外成果相比，达到国际九十年代末期先进 水平， 对我国开辟3 毫米雷达新波段的应用具有重要意义。 纵观中国毫米波技术的发展，在过去十余年间，我国己 在毫米波技术的理 论研究、 元器件、 测试仪器和技术，以 及系统研究诸方面作了 大量工作，取得了 一些引人注目的成果，并获得了不少成功应用的例证。但从总体来看，与世界发 达国家相比，与国际先进水平相比， 确实存在相当大的差距. 这在毫米波器件及 先进测试仪器的研究方面尤为突出。因此，中国在今后几年内 应在以 上几个方面 取得突破， 力争赶上当前世界上毫米波技术的发展水平， 进而使毫米波技术尽快 成为国民经济中一个重要产业。 电子科技大学硕士学位论 第二章三毫米波相参雷达信号处理系统 本信号处理系统是九五预研项目 3 m m 宽带相参雷达关键技术的主要子 课题之一。 信号处理系统作为雷达三大子系统 ( 天馈系统、收发系统和信号处理 系统)之一， 它必须实时地对输入的雷达回波信号进行处理， 分辨出目 标并确定 出目 标的位置 ( 方位、距离) 。由 于毫米波脉冲雷达一般采用的是窄发射脉冲， 高重复频率，再加上它主要应用于要求结构小、 重量轻、作用距离近、分辨率高 和要求有多普勒滤波的场合， 这就对其回波信号的实时处理提出了高性能的要 求。主要包括系统必须具有高的信号采集和处理速度，高的距离和谱分辨率，小 的设备体积， 低功耗，以 及清晰明了的图 形显示，实时采集雷达数据建立数据库 等方面。 特别是机载雷达，由 于其杂波比 地面雷达的 杂波更为复杂， 信号处理系 统必须对杂波进行实时跟踪处理， 这无疑又给信号处理系统提出了 新的要求。 本章先简介了 三毫米波宽带相参雷达系统， 然后阐述了3 m m相参雷达信号 处理系统的结构和工作原理， 系统特点，系统成果所达到的科研水平以 及作者的 主要工作。 夸 2 . 1 三毫米波宽带相参雷达系统 无人侦察飞机是现代战争中一种不可缺少的侦察手段。它被用于侦察和监 视打击目 标，以及评估打击效果。由 于现代战争双方投入了 大量机械化部队和装 甲 部队，机动性强， 从而增加了受突然袭击的 可能性。 在这种瞬息万变的战场形 式下，必须及时获取战场侦察数据。因此有必要采用雷达、 激光器、 红外等来补 充 卫 星 对 冲 突 现 场 和 其 它 战 区 的 侦 察 。 ， 无人机与侦察飞机、侦察卫星等空中侦察平台相比，它具有机动灵活、效 费比高、代价小等优点。因此，具有较高的使用价值， 这点已 从海湾战争中的成 功应用得到证明。 但是， 在应用中也暴露出了 现役的无人侦察机的两个明显的问 题，一是续航时间短， 不能得到实时的大面积战场图象;二是由 于仅采用光学和 红外的侦察设备， 缺乏在恶劣气象条件和战场烟雾环境下进行战场侦察的能力. 我国的无人侦察飞 机也同样存在上述两个问 题。为了 适应现代战争的急需， 有关 部门己开始规划研制长航时、全天候工作的无人侦察飞机，提出了 在这种无人机 电子科技大学硕士学位论文 上采用战场侦察雷达与光学和红外侦察设备联合使用，实现全天候工作的方案。 2 . 1 . 1三毫米波相参雷达系统设计思想 由于毫米波雷达可以用较小孔径的天线得到较高的角分辨率和天线增益，并 且频带宽， 抗多径效应和抗干扰性能好。与 j . k波段的侦察雷达相比， 毫米波 雷达更便于小型化和轻型化。 毫米波雷达在较差的气象条件和战场烟雾环境中， 还具有比红外和光学侦察设备更好的探测性能。 所以， 用轻小型化的 毫米波战场 侦察雷达装备在无人侦察飞机上， 可以 在红外和光学侦察设备无法工作的恶劣环 境下， 完成实时战场侦察任务。 三毫米波宽带相参雷达研究的指导思想是:以无人机为主要的应用方向， 进行三毫米波宽带相参雷达系统技术研究， 重点突破增大发射功率和提高分辨率 等技术难点。 研制一台可进行地面模拟试验的性能试验样机。 试验样机应着眼于 未来工程型号任务，既具有演示功能，又具有测量雷达功能，目的在于测量杂波 谱和目 标反射的统计 特性， 逐步建立数据库，为研究工程实用算法和目 标自 动识 别奠定基础。 该试验雷达有五种工作模式:( 1 ) 机载动目 标检测 ( m t d ) 模式;( 2 ) 机载 高分辨率地图模式 ( h r g m) ; ( 3 ) 地面动目 标检测模式:( 4 ) 地面高分辨率地图 模式;( 5 ) 计算机实时采集模式。 2 . 1 . 2系统主要技术指标 工作频率:9 4 .2 -9 4 .5 g h z ; 发 射脉冲峰值功率: 2 0 -3 0 w; 工作模式:高分辨率地图模式，动目 标检测模式， 计算机实时采集模 式; 发 射 脉冲 宽 度: 2 5 -s o n s ; 脉冲重复频率: 2 5 k h z ; 天线增益:x 4 2 0: 天线半功率点波束宽度: 方位:0 .4 0; 俯仰: 2 。; 、j子、ij、j产 ，1，凡 了、了、了趁、 、1户、jj、了 4116 了、了.、厂、 : 电子科技大学硕士学位论 ( 7 )天线扫描 . 扫描方式:前下视，方位扫描，俯仰角中 心可调; . 方位扫描范围:+ 2 0 0; . 方位扫描速度:3 0 / s - 3 3 / s ; ( 8 )接收机噪声系数:岌l o d b ; ( 9 )探测距离:1 -3 k m ; ( 1 0 )分辨力 . 距离分辨力:3 . 7 5 m / 7 . 5 m 脉冲宽度为2 5 n s / 5 0 n s ) ; . 方位分辨力:0 .4 0 ( 横向 距离分辨力为7 m / k m ) ; ( 1 1 )操作控制及雷达图象显示; ( 1 2 )建立目 标和杂波回波数据库所需数据。 2 . 2 三毫米波相参雷达信号处理系统工作原理 互 2 . 2 . 1组成和工作原理 毫米波全相参雷达信号处理机框图 如图2 . 1 所示。 、 q视频回波信号经a / d采集后进行乒乓存储， 存储器容量为6 4 k x 8 b it 自 显控的 滤波器号 门限 图2 . 1 雷达信号处理系统组成及原理框 二片 ( 单路) ，分别存放 2 5 6个重复周期、 2 5 6个距离单元的回波信息，并采用 一. 4 : 3 14 #4 i : if tl iq 3c - 一一 一. a l t e r a 公司 生 产的 大规 模 可 编程 器 件f l e x 1 0 k实 现 地 址 产生 和 总 线 控 制， 以 便 实 现系 统的 低功 耗和 超小 型 化。 f f t 采 用英国p l e s s e y 公司的p d s p 1 6 5 1 0 芯 片， 求 模 采用p d s p 1 6 3 3 0 芯 片， 求 模 后 的 数据 存放 在6 4 k x 8 b it 的 存 储 器中， 以 便 进行各种模式的信号处理。 信号处理机有五种工作模式:机载 m t d模式、机载 h r g m、 地面 m t d 和h r g m、 计算机实时采集模式。 ( 1 )机载mt d : 对主杂波以外的同一距离单元的其他各个滤波器里的输出 进行选大，并与 显 控 终 端 根 据p a 和p f . 确 定 的 门 限v i d 比 较， 作出 有 无 动目 标 的 判 决， 同 时 对 主 杂 波 区 的 滤 波 器 选 大 输出 后 与 v iw 比 较 ， 超 过 门 限 即 作 为 背 景 或 固 定目 标 输出 。 ( 2 )机 载h r g m: 在 这 种 模 式 下， 对 主 杂 波 区 的 同 一 距 离 单 元 的 不同 滤 波 器 选 大 输出 后 与v a t 比 较 ， 对 主 杂 波 区 以 外 的 选 大 ， 与 v 7 , 比 较 ， 作 出 有 无目 标 的 判 决 。 ( 3 )地面m t d和h r g m 在地面工作的两种模式中，不需要进行主杂波判定，只要把主杂波的中心 位置定在零滤波器， 其他工作方式和机载时 相同。 经检测得到的目 标和背景信息，再进行非相参积累，进一步提高信噪比， 根据天线的扫描速度不同 分别进行 1 2 帧和4 帧的非相参积累，并写入双口r a m 中工供显控读取. ( 4 )计算机实时 采集模式 这种模式是雷达在地面工作时，由 信号处理机对感兴趣距离单元的雷达回 波信号进行实时采集，并作 事后数据分析，以 便对毫米波雷 达杂波和目 标回波 信号的特征作进一步研究。 信号处理机具有机内 故障自 动诊断能力，故障点定位到 重要模块。 在每次天 线扫描逆程时， 信号处理机将接收 机输入的回波信号， 替换为机内自 检信号， 完 成对 入 心变换器、f f t及求模、 主杂波判定、 动目 标选大、背景输出 和非相参 积累等重要模块进行功能测试，并输出相应的b i t 信号到显控。 电子科技大学硕士学位论 2 . 2 . 2信号处理系统性能分析 下面讨论与本文相关的技术指标。本三毫米雷达系统采用脉冲体制。 ( 1 )工作模式 模式1 :机载动目 标检测模式; 模式2 :机载高分辨力地图模式; 模式3 :地面动目 标检测模式; 模式4 :地面高分 辨力地图模式; 模式5 :计算机实时采集模式。 ( 2 )目 标速度选择:卿k / 快十 慢: ( 3 )发射脉冲宽度: 2 5 -5 0 n s ; 脉冲重复频率: 2 5 k h z ; 可 求 得 信 号 带 宽 鱿 = 丝= 4 8 m h z ， 由 此 参 数 可 求 得 a /d 的 采 样 率 。 丁 ( 4 )信号动态范围a = 4 8 d b ; 由 此可得出 量化位数b , k= 1 0 4 8 / 2 0 = 2 5 1 2 8 ， 取b = 8 ( 5 )动目 标检测模式主要技术指标 . 检测距离单元数:单元数可变， 最大2 5 6 ， 可在全程范围内 滑动; . 距离单元分析宽度:3 m; . 检测动目 标的径向 速度和多普勒频率 ( 相对于地面): 慢 速目 标: v ,= 3 .5 - 1 0 k m / h , f , 6 1 0 - 1 7 4 7 h z ; 快 速目 标 : v ,= 1 0 - 1 3 3 k m /h , f , 1 7 4 7 - 2 3 2 5 3 h z ; 目 标速度选择:慢/ 快/ 快十 慢: ( 6 )高分 辨率地图 模式主要技术指 标 处理距离单元数:单元数可变， 最大2 5 6 ，可在全程范围内 滑动; ( 7 )计 算机显示和控制终端的 主要功能 . 雷达系统的 操作 控制: . 雷达图象的 拼接和显示; . 目 标数据录取 ( 8 )计算机实时采集的主要技术要求 计算机实时采集的 任务和功能是: . 实时采集和存贮雷达目 标及环境的回 波数 据，并建立回波数据库 . 对回波数据进行统计分析，谱分析和相关分析处理; 电子科技大学硕士学位论文 . 每组数据采集时间约2 .5 分钟; 雷达在上述前四种工作模式下进行实时雷达数据采集。 可 计 算 出 需 存 贮 数 据 总 量 : m= 竺 2 0 x ( 其中 x 2 . 5 x 6 0 x 1 0 6 f rs x 7 .5 m b 1 w= 1 6 b i t = 2 b ) 圣 2 . 2 . 3系统特点及成果分析 本课题 3 m n 。 相参雷达多模式信号处理机和模拟器” 是九五预研项目 3 m m 宽带相参雷达关键技术( 课题代号7 .5 . 1 .2 )的 主要子课题之一，具 有以 下特点: 多 模式 工 作: 工 作 模式 有无 人 机 载 和地 面 两种 情况， 且 每种 情 况包 含m t d 模 式和高 分辨率地图 模式 ( h r g m) 。 在机 载 条件下并 提出了 一种 采用: 一 几平 面上判定主杂波和进行主杂波抑制的 方法进行运动平台补偿。 处理 机采用 9 0年代中 后期超大规 模可 编程器件 ( f 1 e x 1 0 k系列) 和其它最 新器件， 具有处理速度高( 能处理时宽为2 0 n s 的脉冲信号， 2 5 6点复f f t处理 时 间 为2 0 .4 ,w) 、 可 编 程、 体 积小、 重 量 轻、 功 耗 低 等 优点。 该 信号 处 理 机与 系 统进行了 联试，工作正常， 指标测试结果与理论计算接近， 达到系统设计要求。 模拟器能正确模拟 w 波段高分辨力雷达机载和地面两种情况下的目 标、杂 波 ( w波段为 平方谱) 和噪声，且能方便灵活地改 变参数。 与国内外同类技术比 较，目 前国内， 虽有在某一方面如杂波抑制、运动平 台补偿、杂波模拟等有一定研究，但在实现方法上均与本课题不同。 在理论上、 实践上以 及实现的性能等方面本课题由 于针对毫米波相参高分辨率雷达， 均具有 特色， 属国内首创。与国 外成果相比， 功能相当。 该信号处理机和模拟器作为3 m m宽带相参雷达系统中的重要子系统之一， 可以 用于无人机载雷达、地面战场侦察雷达、 地面监视雷达、坦克载和直升机载 多功能毫米波雷达，具有广阔的应用前景， 具有良 好的潜在经济效益。由于该项 目 在上述军事和民用上均有应用前景，对我国开辟3 毫米雷达新波段的应用具有 重要意义，因此社会效益也十分明显。 电子科技大学硕士学位论 圣 2 . 3作者的主要工作 作者有幸参与了 “ 3 毫米波相参雷达信号处理系统”的研制，主要工作有以 下几点: 1 . 完成了显示和控制终端硬件设计，实现了显控终端和信号处理机之间的 数据和控制接口; 2 . 完成了显示和控制终端软件设计， 该软件具有和雷达扫描较好的同 步性 和良 好的用户界面，能正确地实现雷达信号的显示和对信号处理系统的 控制，集传数、显示、录取和控制于一体; 3 .完成了实时采集系统的硬件和软件设计， 解决了计算机实时性处理与大 容量内 存的矛盾， 该子系统能建立雷达回波数据库以 便信号处理系统进 行进一步分析: 4 .完成了i , q双路高 速a / d变换器的 设 计与 研制; 5 .协助系统联试。 电子科技大学硕士学位论文 第三章三毫米波相参雷达显示和控制终端实现 在我们的雷达系统中，使用计算机作为雷达的显示和控制终端。用计算机 作为显控终端，具有简单、 灵活、可变等优点。 本章将介绍雷达显示终端的发展 状况，以 及 3 m m相参雷达显控终端硬件和软件的设计与实现， 其中包括简介计 算机图形显示的一些特点。 3 . 1 三毫米波相参雷达显控终端及其性能分析 3 . 1 . 1雷达显示和控制终端 雷达所获得的情报通常是由显示装置显示出 来。 显示的内容包括目 标的位 置 及 其运动情况，目 标的 各 种特征参数等。 在指挥控制系统中，除了 情报显示之外， 还有综合显示和指挥控制显示。 综合显示是把许多雷达站的情况综合在一起， 经过坐标的归一，目 标的认同等加 工过程， 在指挥员面前形成一幅敌我情况动态形势图 像和数据。指挥控制显示则 是在综合显示的基础上加上我方命令显示。 一般常规的 誉戒， 引导雷达终端显示器， 其基本任务是用来发现目 标和测 定目 标的坐标，有时还根据回波形状及其变化规律来判别目 标的性质 如机型、 架数等) ， 供指挥员 全面掌握空 情。 在与 数字计算机协同 工作的 预带和精密跟踪 雷达中， 雷达终端显示器主要是在搜索状态时截获目 标， 在跟踪状态时监视目 标 运动情况和监视雷达系统工作情况， 这时 精确测定目 标位置的任务由 数据处理计 算机 ( 如数字式录取设备) 来完成。 早期的雷达终端显示主要是形成雷达原始图像， 而且采用的是模拟技术; 目 标的 发现、坐标的录取等工作，都依赖于显示器，由 人工来完成。 这样的雷达 终端， 虽然能发挥人的主观能动性， 设备简单， 但能够 检测和跟踪的目 标数量少， 工作速度慢，精度也比 较差，当 业务忙时， 往往不能适应实际的需要。 微处理技术的出现使计算机图形显示日 益普遍。 现代雷达系统使用计算机 来作信号处理器和目 标操纵器，因此自 然会将显示图形作为计算机的一部分任务 要求计算机来完成。雷达信号的录取， 也以 计算机为中心来完成，而操作员则通 过显示器监视。 计算机收集的信息经过处理可以 用显示、 打印、 绘图 等手段输出。 如果操作员企图对所显示的内 容进行干预、修改或向 计算机重发新命令， 可以通 过计算机通信装置来实现。计算机的显示读出 装置就是显示器件 ( 阴极射线管、 等离子显示板、液晶显示等) ， 它把电信号转为光信号。大多数采用阴极射线管 ( c r t ) 显示系统。 在 c r t屏幕上显示图 形和文字是通过偏转部件来控制电子束 的 运动， 使其击中屏幕的规定位置并控制在该位置上的发光强度来实现的。 计算 机图 形显示系统中常用的电 子束偏转方式 ( 扫描方式)由 随机扫描和光栅扫面两 种。 3 . 1 . 2三毫米波相参雷达显示和控制终端主要技术要求 一功能 . 雷达系统的 操作控制; . 雷达图像的拼接和显示; . 目 标数据录取。 二. 操作控制 1 . 工作模式选择: 雷达可选择下列工作模式: . m o d e l :机载高分辨率地图; . m o d e l :机载动目 标检测; . m o d e