北京航空航天大学研究生院《现代雷达系统理论》course.buaa.edu.cn/access/content/group/4c8fd30a-c... · 模块2－雷达系统基本理论（第3-5章）；模块3－雷达系统同目标与环境的相互作用(第6-7章)；

Xu: Radar Systems, Chapter-01

北京航空航天大学研究生院

《现代雷达系统理论》

北京航空航天大学电子信息工程学院许小剑

2020年秋季学期

第1讲导论

Xu: Radar Systems, Chapter-01 2

1.1 无所不在的雷达

1.2 雷达的概念

1.3 电磁波谱及雷达频段

1.4 雷达系统同目标与环境的相互作用模型

1.5 雷达探测与识别中的若干问题

1.6 雷达的起源和发展

1.7 本课程教学安排

第一讲导论



1.2 雷达的概念






第一章导论


军用：系统和功能日益复杂

民用：发展迅猛，越来越广

现代雷达


例-1F-35隐身飞机机载火控雷达：APG-81

有源相控阵（AESA）雷达


APG-81 AESA雷达


例-2汽车自动驾驶雷达


不同层级的驾驶自动化（时钟表示人或系统驾驶的时间占比）

L0

L1

L2

L3

L4

L5


参考文献：IEEE Spectrum, Dec. 2019IEEE Vehicular Technology Magazine, June 2019

自动驾驶汽车上的常见传感器

前向

尾向


Bertha Benz自动驾驶实验系统


(a) 左侧相机图像 (b) 立体视匹配结果

(c) Stixel世界表达 (d) 分割成静态背景和运动目标

光学相机


参考文献：Eduardo Arnold et. al， IEEE Trans. on Intelligent transportation Systems, Oct. 2019

激光雷达3D点云处理

精细点云

较粗点云

3D激光雷达360°扫描点云成像


短距雷达(Short-Range Radar,40m): 前后驻车防撞、两侧防剐蹭，常安装于四角中距雷达(Medium-Range Radar,60m): 交通和盲区告警远距雷达(Long-Range Radar,200m): 自适应巡航（前向）、尾部防撞检测（后向）

Bertha Benz 雷达传感器

参考文献：IEEE Access, July 2015;IEEE Microwave Magazine, Sept. 2019


Bertha雷达在一个交叉路口的感知结果

不同颜色圆点表示雷达探测到的目标

红色点-线表示雷达跟踪的目标


前视

尾视

注意：此处“前视”、“尾视”非同一时刻场景！系Bertha车载雷达对相同目标从尾部靠近目标时前视雷达和超越目标以后尾部后视雷达探测的处理结果


雷达对行人的感知：微多普勒


雷达对行驶车道的测绘

左-原图中-道路网格图右-空间偏离

雷达估计图-监视相机图像叠合


雷达对车道两侧障碍物/驻车情况测绘图

上-雷达测绘图（白线为驾驶路线）

下-车上相机现场照片


雷达可以在多精细的程度上对目标成像？

低分辨率高分辨率

既然远不如光学相机，为什么还要用雷达传感器？

有源（自发自收）全自主不分白昼黑夜风雨雾霾无阻动目标能力，。。。北航遥感特征实验室MIMO-SAR结果


Make Bertha See with Radar – IEEE Access 2015


例-3谷歌Soli雷达芯片：双手控制一切


Face Unlock IR Camera（面部解锁红外摄像头） Front Camera（前置摄像头） Ambient Light/Proximity Sensor（环境光/近距离传感器） Audio port（音频端口） Soli Radar Chip（Soli雷达芯片） Face Unlock Dot Projector（面部解锁点阵投射器） Face Unlock IR Camera（面部解锁红外摄像头） Face Unlock Flood Illuminator（面部解锁泛光照明器）

谷歌Pixel4手机上的传感器

黑暗环境下“刷脸”

黑暗环境下“隔空操作”

3D面部解锁}


2016年，谷歌推出了Project Soil雷达芯片，它采用60GHz、波长为5毫米的毫米波无线电波来捕捉动作、距离、速度等信息，换言之就是现实世界当中的捏转、搓动、转动等动作的感知，采样频率18kHz，感应误差精细到毫米级。

---谷歌 ProjectSoli雷达芯片:双手控制一切

“无处不在无所不需”的手势感知

23

Soli项目团队历经了至少4年的开发时间，才将电脑一样大的雷达芯片缩小到现有体积，同时保证其准确度和功能。随后，花了10个月时间开发出第一种应用。


翻页音量控制

指针拨动局部放大

24


汽车-驾驶员手势交互

25


安全锁手势交互

26


物体自动识别

27


2019年10月，谷歌Pixel 4 手机凭借 Soli 毫米波雷达实现了全新的 Motion Sense 技术，使得独特的隔空手势操作终成现实。



1.2 雷达的概念






第一章导论


RADAR=Radio Detection and Ranging

雷达

无线电探测与测距

第一个雷达装置（德国，1904）

第一部用于作战的防空雷达 —“本土链”（英国）


尺度测量（metric measurement)雷达：早期的雷达将所探测的目标对象看作为一个“点”，雷达的功能是测

定该“点目标”的三维位置坐标、速度与加速度等参数。

(雷达=望远镜）

特征信号（signature）测量雷达：雷达回波的幅度(amplitude)与相位(phase)

被观测目标的其它各种特征参量：目标的雷达散射截面（RCS）、角闪烁(glint)特征、复极化(polarization)散射矩阵、目标自然谐振频率(natural resonance frequency) 、目标成像（imagery)等。

（雷达=显微镜）

现代雷达=“望远镜”+“显微镜”


最基本的雷达系统

雷达天线雷达发射机雷达接收机信号与信息处理器

32


雷达天线把发射机大功率信号转换为EM场定向照射目标

把目标/环境回波EM场转换为电压/电流馈给接收机

( )ts t

( )rs t( )t

33


雷达发射机

( )ts t

( )t

作用：产生所需强度的高频脉冲信号，并将高频信号馈送到天线。雷达发射机可分为单级振荡式发射机和主振放大式发射机等类型。

工作频率（频段）射频带宽输出功率信号形式（调制形式）信号稳定度和纯度。。。

发射机重要技术指标：

34


( )rs t

( )t

作用：将从天线接收到的微弱射频信号从伴随的噪声和干扰中分选出来，并经过放大和检波，再送至显示器、信号处理器等后端设备。

雷达接收机

接收机重要技术指标：

灵敏度(dBm) 动态范围 (dB) 中频频率和带宽 I/Q通道一致性(相参接收机）。。。

35


雷达信号与信息处理器

对接收机输出信号采样和量化，并从中提取目标信号、抑制杂波，实现对目标的检测、跟踪、识别与成像等。。。

36


发射一串脉冲、对每个脉冲回波采样（慢时间）

发射一个脉冲、对回波快速采样（快时间）

Soli雷达芯片信号获取与处理


静手势

动手势

Soli雷达芯片信号获取与处理


Soli雷达芯片是如何理解人的手势动作的？

手势动作 Soli芯片原始信号

Soli信号变换

手势分类

检测到的虚拟手势

虚拟手势库


手势动作 Soli芯片原始信号

Soli信号变换

手势分类

检测到的虚拟手势

Soli雷达芯片感知和识别手势动作流程的学术化描述

目标

雷达硬件雷达软件应用

Xu: Principles of Radar System, Lecture-1

一要有手势传感器（毫米波雷达）

二要进行信号处理、提取和理解（实时信号处理器）

三要基于所获取的信息并依据已有的知识库触发相应动作

可见，“信息获取与处理”是其核心所在！

Soli雷达芯片对手势的感知和理解：总结

41

Xu: Principles of Radar System, Lecture-1 42

The main challenge with self-driving vehicles is acquiring the necessary information to go from point A (departure) to point B (arrival).

--- Alexandros Gazis et al., IEEE Potentials, Jan/Feb. 2020.

信息获取/预处理

信息提取

信息利用

汽车自动驾驶：总结


通过现代先进雷达系统探测，不但能告诉我们目标在哪里，而且还能告诉我们所观测的是个具有什么样特征的目标、或者实现目标区域测绘。因此，现代雷达较为确切的定义可以这样说：

雷达是对远距离目标进行“无线电探测、定位、测轨、识别和成像测绘的一种遥感设备（传感器）”。

Radar represents a fundamentally important use of the EM spectrum, in applications which include Air Traffic Control, Marine Navigation, Geophysical Monitoring of Earth Resources from Space, Automotive Safety, Weather Tracking, as well as numerous applications in Defense and Security.

---------- Hugh Griffiths, “Where Has All the Spectrum Gone?”, Radar’2013, Sept. 9-14, Adelaide, Australia



1.2 雷达的概念






第一章导论


正弦波

频率：波长：

传播速度：

kHz 1Hz 101 3 T

f

m/s 103 8c

m 10310

103 53

8

f

c

周期： s 10ms 1s 1000 -3 T


电磁波谱


可见，在不同电磁谱段上，银河系的辐射图像特征是很不相同的。

VHFmmW可见光X-ray

-ray 红外紫外


1900年，Max Planck 提出了主宰黑体辐射的Planck方程（Planck’s Blackbody Equation）。

]1[ )/(51

2

Tce

CM

黑体的光谱辐射出射度:

式中 T 为黑体温度 (K)为波长 (m)

81 1074151.3 C

42 1043879.1 C (m-K)

(W-m2-m4)


Images at different Spectral Bands for a Tank

Lidar (0.5m) Sub-MMW (240m) X band SAR (3 cm)

Acknowledgment: X band SAR images from GTRI public dataset, Sub-MMW image from UML Submillimeter Wave Lab website, and the Lidar image from Lincoln Lab’s Jigsaw image)

Visible

2-D3-D


1855年，James Clerk Maxwell 在研究色盲时，提出了”三基色原理”（ “trichromatic process” ），这是现代彩色摄影的基础。

1865年, James Clerk Maxwell 推导了主宰电磁波现象的麦克斯韦尔方程（ “Maxwell‘s Equations”)。他从数学上指出，振荡的电荷产生电磁场，且该电磁场以光速传播。他同时推测，可见光只是电磁能量所具有的频谱的很小一部分。

t

BE

t

DJH

vD

0 B


可见光“散射中心” ？


雷达与光学遥感

可见光与反射红外

热红外

激光／亚毫米波 (THz)

微波／毫米波


传统雷达频段

Radar Frequency Bands*:

HF 3-30 MHz

VHF 30-300 MHz

UHF 300-1000MHz

L 1-2 GHz

S 2-4 GHz

C 4-8 GHz

X 8-12 GHz

Ku 12-18 GHz

K 18-27 GHz

Ka 27-40 GHz

V 40-75 GHz

W 75-110 GHz

mm 110-300 GHz* IEEE Std 521-2002



1.2 雷达的概念






第一章导论


)(*)(*)(*)(*)()( tathttatsts brftr

雷达系统同目标与环境的相互作用：信号模型

“黑箱”分析法


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dtsttsts ttr

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理想接收机

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传输特性为衰减常数 )(

1)()( t

Atata bf


教材

本书定位为高等学校信息类专业高年级本科生和研究生教材，兼具专著的一些特征。本书的特色是：不是单纯地讲授雷达原理或雷达基本理论，而是根据现代雷达系统的特点，站在雷达系统及其同目标与环境的相互作用、信号获取与信息处理两者的角度，阐述雷达系统及其信息处理中的相关问题。

在内容编排上, 本书强调雷达信号基本理论、雷达系统同目标与环境的相互作用以及先进雷达系统中的信息获取与处理技术。为此，本书按照四个模块编写。

许小剑黄培康编著，《雷达系统及其信息处理》(第2版），电子工业出版社，2018年11月。


模块1－雷达基础和预备知识（第1-2章）；

模块2－雷达系统基本理论（第3-5章）；

模块3－雷达系统同目标与环境的相互作用(第6-7章)；

模块4－先进雷达系统及其信息处理技术（第8-10章）。

各模块基本内容如下：


第一章引论1.1 雷达的概念1.2 电磁波谱及雷达频段1.3 雷达系统的分类1.4 雷达的起源、发展和未来1.5 雷达的应用1.6 雷达系统及其同目标与环境的相互作用

第二章电磁场与电磁波基础2.1 麦克斯韦方程2.2 时谐场2.3 球面波和平面波2.4 电磁波的极化2.5 平面波的传播2.6 平面波的反射、折射、绕射和散射

模块1－雷达基础和预备知识（第1-2章）


模块2－雷达系统基本理论（第3-5章）

第三章雷达发射和接收3.1 雷达信号及其表示方式3.2 脉冲雷达与目标距离测量3.3 相参雷达与多普勒频率测量3.4 雷达天线3.5 雷达发射机3.6 雷达接收机3.7 相参雷达系统3.8 系统噪声和灵敏度

第四章雷达方程与目标检测4.1 基本雷达方程4.2 噪声中的信号检测4.3 虚警概率和检测概率4.4 恒虚警率检测4.5 对雷达方程的进一步讨论

第五章雷达波形与信号处理5.1 匹配滤波器5.2 雷达模糊度函数5.3 雷达波形与分辨率5.4 典型雷达波形及其模糊度函数5.5 数字脉冲压缩5.6 波形分集概念及应用


模块3－雷达系统同目标与环境的相互作用(第6-7章)

第六章雷达目标6.1 概述6.2 目标RCS的基本概念6.3 雷达目标的三个散射区6.4 目标散射的极化特性6.5 散射中心6.6 复杂目标的高频散射机理6.7 几种简单目标的RCS6.8 目标RCS起伏的统计模型6.9 目标RCS图像理解

第七章雷达系统与外部环境的相互作用7.1 大气传播衰减7.2 大气折射的影响7.3 地球曲率的影响7.4 粗糙表面的反射和散射7.5 多路径效应7.6 地杂波7.7 海杂波7.8 体散射杂波7.9 地、海杂波统计模型7.10 杂波的内部调制谱7.11 外部噪声


第八章雷达尺度测量和目标跟踪8.1 雷达测距8.2 雷达测速8.3 雷达“测不准”原理介绍8.4 雷达测角8.5 雷达跟踪

第九章脉冲多普勒雷达与处理9.1 基本概念9.2 运动平台和目标的多普勒特性9.3 测距和测速模糊的解算9.4 延时线对消器9.5 MTI雷达9.6 PD雷达低重频方式9.7 PD雷达中重频方式9.8 PD雷达高重频方式

第十章高分辨率雷达成像与处理10.1 雷达的径向距离高分辨率10.2 雷达的横向距离分辨率10.3 转台目标的距离-多普勒成像10.4 逆合成孔径雷达成像及其运动补偿10.5 合成孔径雷达成像10.6 干涉合成孔径雷达成像10.7 SAR图像理解

模块4－先进雷达系统及其处理技术（第8-10章）


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thtatatts

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第五章第六章第七章第三章第四章

信号模型：

章节安排：



1.2 雷达的概念






第一章导论


讨论和回答什么问题？

1、雷达是“望远镜”

能看多远？

如何看得更遥远？

2、雷达是“显微镜”

能看见啥？

如何测得更精细？


涉及的雷达理论与技术问题

雷达系统的体制问题

电磁波传播问题

目标与环境的电磁散射问题

雷达分辨率问题

雷达信号处理问题

。。。


雷达系统的体制问题



A型显示器：幅度vs.距离

B型显示器：距离 vs.方位


PPI(平面位置指示器）：距离 vs.360方位

C型显示器：方位角 vs. 俯仰角


扇形PPI显示器：距离 vs.方位扇面

Patch图：距离 vs.横向距离，一般用于显示被测区域的二维雷达像


电磁波传输问题


是真是假?


真！


雷达观测空间目标时可能的射线弯曲示意图


目标与环境的电磁散射问题


可见光图像中产生倒影的条件：

照射光、摄影者与目标之间合适的几何关系；

风平浪静。


海面上方桥梁的极化SAR图像：多径散射

Courtesy of J.S. Lee, T.L. Ainsworth, E. Krogagor and W. M. Boerner,“Polarimetric Analysis of radar signatures of a manmade structure”, Proc. IGARSS 2006.

AB

C

A -- Single bounce B – Double bounce: radar-cable/tower-sea-radar or radar-sea-cable/tower-radarC – Triple bounce: radar-sea-cable/tower-sea-radar

Deck not installed


复杂目标散射结构


三维目标的二维SAR图像：位移失真


雷达分辨率问题


人眼视觉：爱因斯坦还是梦露？取决于观测距离

（分辨率）


同一目标，不同成像分辨率下的SAR图像表现出不同特征


不同雷达分辨率下的海杂波特性

雷达分辨率的提高显著降低海杂波SAR图像的平均杂波电平；

大入射余角条件下，杂波电平峰值对分辨率和极化不敏感；较小入射余角时杂波电平峰值对分辨率和极化敏感。

入射余角30

°

3

级海情

VV

HH

入射余角60

°

3

级海情

HH

VV

分辨率： 0.5m 1m 2m 3m 5m 10m


雷达波段：X 分辨率：1-10m 入射余角：70° 极化：VV 风速：12.5m/s 风向角：45° 目标：CVN73 航速：0 Knot

SAR仿真参数：

海面目标SAR图像随雷达分辨率的变化特性

雷达信噪比/信杂比问题


雷达信号处理问题



1.2 雷达的概念






第一章导论


雷达的起源和发展100+年

Telemobiloscope,1904

早期雷达50年：

雷达成像60年：


早期的声音探测预警

在雷达用于探测飞机之前，英国于1920年代建造了大量的钢筋混凝土结构的声音探测装置，用于国土防御，可以探测25km外的飞机。


到1936年，雷达功能日益强大后，他们意识到，这种早期预警装置不再有发展前途。


1904年4月30日，德国的Christian Huelsmeyer申请了一项名为“telemobiloscope”的专利。这是一个利用电波来探测远处金属物体的发射机-接收机系统。

Telemobiloscope 设计用来防止轮船之间的碰撞，但该系统最初没有考虑测距功能。。他的这一想法最初产生于看到一位因轮船相撞失去儿子而悲痛欲绝的母亲。

世界上的第一部雷达


1927年Hans E. Hollmann对Huelsmeyer的装置进行改进的基础上，制造了第一部厘米波段的发射-接收机，它便是“微波”（Microwave)通讯系统的“祖宗”。

Hollmann等3人完善了该系统，使得该系统可以探测到8km远的轮船和30km远在500m高空飞行的飞机。以后，上述系统分别形成了舰载（Seetakt) 和地基(Freya)两个系列的雷达

The 500 MHz antenna of the Seetakt radar on the top of the mast of the "Admiral Graf Spee", 1939.

The Freya FuMG 39G was the first operational early warning radar defense system.


英国的Chain Home雷达是第一个完整的防空系统，也是真正用于作战(WWII)的第一部雷达，用于对高空飞行的飞机探测和测距。


早期的机载雷达

Me262 夜间作战喷气飞机上的“Lichtenstein” 雷达

螺旋桨飞机上的雷达天线


美国海军研究实验室（NRL)从1934起研究发射脉冲波形的雷达。1936年其80MHz频段的脉冲雷达可以探测到60km远的飞机，1938年12月其200 MHz XAF 雷达探测到了160km远的飞机目标。


1940年10月，麻省理工学院（MIT)建立了辐射实验室（ Radiation Laboratory），后改名Lincoln实验室，主要从事雷达研究。在最初6年时间里，美国投入了21亿美元对飞机截获、导航、火控等雷达技术进行研究。据称其投资强度和研制原子弹的投资几乎一样。今天的Lincoln实验室基本上是先进雷达技术发源地的代名词。


1944年对柏林（Berlin）的一次夜间攻击中， PPI雷达在显示屏上显示出发现了400多架轰炸机。

第一部PPI雷达

1940年德国Gema生产出世界上第一部平面位置指示（ Plane Position Indicator (PPI) )雷达。


第二次世界大战结束时，雷达的距离分辨力已达到150m，但对于1000km处目标的方位向分辨力则大于1500m。人们认识到，可以用机载雷达侧视工作方式进行地面测绘。当机载雷达用真实天线波束作地形测绘时，横向分辨率是依靠天线产生的方位向窄波束而达到的。

机载侧视雷达（SLAR）


Telemobiloscope,1904

早期雷达50年


1950年代，美国密执安大学一些科学家在一个夏季研讨会上首次提出合成孔径雷达（SAR)的概念：既然一个长的线阵列天线可以获得窄波束，由于机载雷达同地面目标之间的相对运动，只用单个阵元在不同时刻收发，通过相参积累同样也可以形成一个等效的长线阵列天线。

同样，雷达不动目标动时，也可形成类似的合成孔径，即逆合成孔径雷达（ISAR）。

合成孔径雷达（SAR）


World‘s first digitally processed synthetic aperture radar (SAR) image. The image is of Trois Rivieres, Quebec。(1978)

世界上第一幅数字处理的合成孔径雷达（SAR)图像


第一部星载合成孔径雷达：Seasat

加利福尼亚圣巴巴拉海峡

1978年美国发射的SEASAT是第一部星载合成孔径成像雷达，用于演示通过微波获取海洋表面的风速、温度、浪高、内波、大气水份、海冰特征以及海洋拓扑结构等。尽管由于供电系统故障，只获取了大约42小时的实时数据，该计划仍然取得了巨大成功。


B-52 Bomber

Lynx SAR Image

ISAR Image

缩比模型微波暗室成像结果

机载SAR成像


穿透浓密云层的SAR二维／三维成像


3-D干涉逆合成孔径雷达(ISAR)成像


穿透植被／地面（FOPEN/GPEN)的雷达成像

FOPEN

GPEN


雷达成像与相干变化检测

Single-pass image Change image


Construction of a New Metro Line in Budapest

In the Hungarian capital Budapest a complex building project was initiated in 2006, when the founding stone was laid for the construction of a new Metro line almost crossing the entire town. Metro Line 4 is planned to connect South West Budapest with the North Western parts of the city, comprising 16 stations along a length of 12.7 km, to be completed by 2013.

基于SAR复图像的位移检测



地面运动目标指示（GMTI)

联合监视与目标攻击雷达系统（Joint STARS）


SAR与GMTI相结合


无人机载SAR成像雷达


雷达成像60年


雷达 = 电磁波谱 “望远镜+显微镜”

雷达的历史就是围绕如何通过电磁波谱和信号

处理技术的利用，让“望远镜”看得更遥远、“显

微镜”看得更精细的理论与技术发展史。

图谱合一

智能感知

微波光子雷达

量子雷达

。。。

发展趋势：



1.2 雷达的概念






第一章导论


学时、学分与考核方式

学时：48

学分：3

授课方式：面授+专题研讨/课程设计

考核方式：

课程设计：30% (具体实施方法待定）

期末考试：70%(半闭卷 — 可携带A4纸手写笔记1页)

记分方式：百分制(按比例求和，60分为及格）


谢谢，请批评指正

许小剑

北京航空航天大学电子信息工程学院

Tel：010-82316065

Email: [email protected]

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