雷達數字信號處理

為完成雷達數字信號檢測和信息提取功能所採取的實施手段。物體的反射回波是微弱的高頻信號,經過變頻、放大和濾波等處理變成具有一定強度的模擬信號（時間上連續，幅度上可為任意實數值）。數字處理須採用模擬-數字轉換器,把模擬信號轉換成為數字信號（時間上離散，幅度上分層），然後進行各種運算和處理。早期的雷達信號處理，幾乎全部是模擬的。50年代出現利用計算機進行信號處理的雷達系統。這是雷達數字信號處理的開端，功能還僅限於自動檢測。

同模擬信號處理相比，採用數字信號處理的優點是：①把許多功能綜合設計在一部處理機中，可以根據外來指令或預先編好的程序靈活地選擇和組合使用。②精度僅與字長有關，不像模擬處理那樣，性能與使用人員的調整有關，因此性能穩定可靠。③有利於高速大規模集成電路的應用，從而可使信號處理機的重量減輕和體積縮小。同其他領域的數字信號處理相比，雷達數字信號處理的特點是信號帶寬大,因而採樣率高,並且實時輸出。因此，單位時間內的處理量（或稱吞吐率、解題率）極大。

把模擬視頻信號轉換成數字信號（見圖）,從原理上可分為三個步驟，即採樣、保持和量化。

①採樣：先用一組等間距的極窄脈衝與輸入模擬信號（圖a中）相乘，獲得時域離散而幅值為模擬量的信號(圖b中)，這由採樣電路完成。有時需要採用不等間距的採樣脈衝，如動目標顯示雷達中使用多重重複頻率。

②保持:為使分層穩定,一般用保持電路使信號在採樣間隔期間保持同採樣幅值一樣的電平（圖c中），通常利用電容器充電放電的原理來達到。

③量化：電路將各個採樣間隔期間保持的電平轉換成數字信號，通常採用二進制，也可以採用其他進制。數字信號可以用多根信號線上的電平表示各位的二進制值,這稱為並行式;也可以用單根信號線上按各時刻上有無脈衝表示各位的二進制值,這稱為串行式。圖d中表示三位並行式數字信號及其代表的數值。在用二進制時,分層數N =2b,式中b為位數。分層方法依所需位數和轉換速度而定。當速度很高但位數不多時，可採用同時分層法,即把輸入信號同標準的N-1個等差距的參考電平相比較。每個比較器的輸出電平用 1和0分別代表高電平和低電平,表示輸入信號大於或小於參考電平。這N-1個比較器的輸出電平通過編碼器,即得到二進位數字信號。在多位數時，為減少比較器可採用級聯分層法。如每級只用一個比較器,需要採用的級數等於二進制數的位數,於是比較器總個數由N-1減為log2N,但工作速度有所降低。在位數更多而不計較速度時，也可採用只有一個比較器而反覆進行比較的順序分層法。

在脈衝雷達中，數字信號處理可劃分為週期內處理和隔週期處理兩大部分。週期內處理是指對一個週期之內的回波脈衝進行匹配或最佳濾波處理，使單個脈衝的信-噪比達到最大;隔週期處理是指對多個週期中回波脈衝串的復包絡進行匹配或最佳濾波處理，使整個脈衝串中某時刻的信－噪比達到最大。對於週期內處理，採樣週期應小於或等於測時延（距離）的分辨單元。對於隔週期處理，採樣週期可以長達一個重複週期。

數字信號處理可分為四類，即線性非時變、線性時變、非線性非時變和非線性時變。在理論上最容易解決的是線性非時變型的處理。這一類型的模擬處理用線性常係數微分方程描述，從而可以用傅里葉級數或傅里葉變換求解。同樣，這一類型的數字處理可以採用線性常係數差分方程描述,從而可以用Z變換或離散傅里葉變換求解。

採用狀態變量法解決線性時變型數字處理的分析問題效果較好。這種方法尤其適用於利用電子計算機進行仿真分析。關於含有非線性性質的數字處理，只能對特定問題進行計算機仿真計算，而不能應用疊加原理。

信號處理方法有兩種，一種是信號依次進入而形成信號流，另一種是執行完一條指令再執行下一條指令，形成指令流。雷達中的數字信號處理機可採用這兩種方法中的任一種，也可以兼用兩種方法。一般來説，採樣速度高而功能較簡單者宜用前者；採樣速度較低而功能複雜者則宜採用後者。

在處理中對數據結構有一定要求，位數會影響全機精度。為保持很高精度勢必增加字長。為了不使字長過分增加，則須採取截尾或舍入的措施。這些措施等效於在系統中加入噪聲。因此，為確保一定精度，系統運算字長應適當地大於輸入數據的字長。過長的運算字長會導致機器結構龐大。

對處理機的硬件結構有一定要求特別重要的是數據和指令的存儲方式。早期多采用移位寄存器控制方式，後來隨機存取存儲器方式得到更多的應用，現代雷達信號處理更多采用只讀存儲器程序固化的方式。

對指令語言也有一定要求。使用語言的級別越高(即面向任務),操作時越方便，即只需一個動作就可適應事先規定的一種場合；語言級別越低（即面向機器），操作時越靈活，即可臨時編制程序執行多種不同的任務。