什么是雷达数字信号处理?

什么是雷达数字信号处理?

[拼音]：leida shuzi xinhao chuli

[外文]：radar digital signal processing

为完成雷达数字信号检测和信息提取功能所采取的实施手段。物体的反射回波是微弱的高频信号，经过变频、放大和滤波等处理变成具有一定强度的模拟信号（时间上连续，幅度上可为任意实数值）。数字处理须采用模拟-数字转换器，把模拟信号转换成为数字信号（时间上离散，幅度上分层），然后进行各种运算和处理。早期的雷达信号处理，几乎全部是模拟的。50年代出现利用计算机进行信号处理的雷达系统。这是雷达数字信号处理的开端，功能还仅限于自动检测。

特点

同模拟信号处理相比，采用数字信号处理的优点是：

（1）把许多功能综合设计在一部处理机中，可以根据外来指令或预先编好的程序灵活地选择和组合使用。

（2）精度仅与字长有关，不像模拟处理那样，性能与使用人员的调整有关，因此性能稳定可靠。

（3）有利于高速大规模集成电路的应用，从而可使信号处理机的重量减轻和体积缩小。同其他领域的数字信号处理相比，雷达数字信号处理的特点是信号带宽大，因而采样率高，并且实时输出。因此，单位时间内的处理量（或称吞吐率、解题率）极大。

模拟-数字转换器

把模拟视频信号转换成数字信号（见图），从原理上可分为三个步骤，即采样、保持和分层。

（1）采样：先用一组等间距的极窄脉冲与输入模拟信号（图a中）相乘，获得时域离散而幅值为模拟量的信号(图b中)，这由采样电路完成。有时需要采用不等间距的采样脉冲，如动目标显示雷达中使用多重重复频率。

（2）保持:为使分层稳定，一般用保持电路使信号在采样间隔期间保持同采样幅值一样的电平（图c中），通常利用电容器充电放电的原理来达到。

（3）分层：电路将各个采样间隔期间保持的电平转换成数字信号，通常采用二进制，也可以采用其他进制。数字信号可以用多根信号线上的电平表示各位的二进制值，这称为并行式;也可以用单根信号线上按各时刻上有无脉冲表示各位的二进制值，这称为串行式。图d中表示三位并行式数字信号及其代表的数值。在用二进制时，分层数N =2b，式中b为位数。分层方法依所需位数和转换速度而定。当速度很高但位数不多时，可采用同时分层法，即把输入信号同标准的N-1个等差距的参考电平相比较。每个比较器的输出电平用 1和0分别代表高电平和低电平，表示输入信号大于或小于参考电平。这N-1个比较器的输出电平通过编码器，即得到二进位数字信号。在多位数时，为减少比较器可采用级联分层法。如每级只用一个比较器，需要采用的级数等于二进制数的位数，于是比较器总个数由N-1减为log2N，但工作速度有所降低。在位数更多而不计较速度时，也可采用只有一个比较器而反复进行比较的顺序分层法。

性能分析

在脉冲雷达中，数字信号处理可划分为周期内处理和隔周期处理两大部分。周期内处理是指对一个周期之内的回波脉冲进行匹配或最佳滤波处理，使单个脉冲的信-噪比达到最大;隔周期处理是指对多个周期中回波脉冲串的复包络进行匹配或最佳滤波处理，使整个脉冲串中某时刻的信－噪比达到最大。对于周期内处理，采样周期应小于或等于测时延（距离）的分辨单元。对于隔周期处理，采样周期可以长达一个重复周期。

数字信号处理可分为四类，即线性非时变、线性时变、非线性非时变和非线性时变。在理论上最容易解决的是线性非时变型的处理。这一类型的模拟处理用线性常系数微分方程描述，从而可以用傅里叶级数或傅里叶变换求解。同样，这一类型的数字处理可以采用线性常系数差分方程描述，从而可以用Z变换或离散傅里叶变换求解。

采用状态变量法解决线性时变型数字处理的分析问题效果较好。这种方法尤其适用于利用电子计算机进行仿真分析。关于含有非线性性质的数字处理，只能对特定问题进行计算机仿真计算，而不能应用叠加原理。

处理方法

信号处理方法有两种，一种是信号依次进入而形成信号流，另一种是执行完一条指令再执行下一条指令，形成指令流。雷达中的数字信号处理机可采用这两种方法中的任一种，也可以兼用两种方法。一般来说，采样速度高而功能较简单者宜用前者；采样速度较低而功能复杂者则宜采用后者。

在处理中对数据结构有一定要求，位数会影响全机精度。为保持很高精度势必增加字长。为了不使字长过分增加，则须采取截尾或舍入的措施。这些措施等效于在系统中加入噪声。因此，为确保一定精度，系统运算字长应适当地大于输入数据的字长。过长的运算字长会导致机器结构庞大。

对处理机的硬件结构有一定要求特别重要的是数据和指令的存储方式。早期多采用移位寄存器控制方式，后来随机存取存储器方式得到更多的应用，现代雷达信号处理更多采用只读存储器程序固化的方式。

对指令语言也有一定要求。使用语言的级别越高(即面向任务)， *** 作时越方便，即只需一个动作就可适应事先规定的一种场合；语言级别越低（即面向机器）， *** 作时越灵活，即可临时编制程序执行多种不同的任务。

参考书目

E. Brookner， Radar Technology，Artech House，Dedham，1977.