雷達系統及其信息處理(第2版)（簡體書）

本書定位為高等院校信息類專業高年級本科生和研究生教材，其特色是：不是單純地講授雷達原理或雷達基本理論，而是根據現代雷達系統的特點，站在雷達系統及其同目標與環境的相互作用、信號獲取與信息處理的角度，闡述雷達系統及其信息處理中的相關問題。在內容編排上，本書強調雷達信號基本理論、雷達系統同目標與環境的相互作用，以及先進雷達系統中的信息獲取與信息處理技術。為此，本書按照4個模塊編寫。第1章和第2章介紹雷達基本概念、發展歷史和趨勢及預備知識；第3、4、5章闡述雷達系統基本原理和基本理論，包括雷達發射與接收、雷達方程與目標檢測、雷達波形與處理；第6章和第7章著重分析雷達系統同目標與環境的相互作用，包括雷達目標、大氣傳播和背景散射等；第8、9、10章討論先進雷達系統及其處理技術，包括雷達測量與跟蹤、脈衝多普勒和動目標指示雷達及高分辨率雷達成像。本次修訂重點增加了波形分集等前沿技術、雷達目標高分辨率圖像理解、環境雜波模型等方面的論述。本書既可作為高等院校相關專業本科高年級學生和研究生相關課程的教材，又可作為從事雷達系統、微波遙感、電磁散射、信號與信息處理等相關專業的工程技術人員及雷達部隊官兵的參考書。

許小劍，1986-1999年，航天總公司二院207所，研究員，先後任室主任、副所長和所長；1999-2002年，美國University of Nebraska-Lincoln，研修並獲博士學位；2003―，北京航空航天大學，信號與信息處理學科責任教授。

再 版 前 言

《雷達系統及其信息處理》教材第一版于2009年成稿、2010年出版。正如作者在第一版前言中所指出的，本書目的不是提供一本完整的關於雷達原理的教程，而是站在雷達系統同目標與環境的相互作用、信息獲取與信息處理的角度，討論現代雷達系統及其信息處理中的基礎理論、基本原理及前沿技術問題。《雷達系統及其信息處理》教材從第一版出版至今已近十年，十年間電子技術的迅猛發展及其他新興技術的湧現，使得雷達在內涵、技術，甚至形態上發生著日新月異的變化，例如，寬帶高分辨率雷達成像技術已完全進入成熟應用期，波形分集、太赫茲、多輸入多輸出(MIMO)、認知雷達、微波光子及量子雷達等新技術、新體制取得突破或得以湧現。很明顯，原版教材已經很難滿足新的雷達課程教學的需要。
本次修訂依然沿用了第一版教材中將教學內容劃分為4個模塊共10章的全書結構安排，但針對新的教學需求，對各模塊、各章節具體做了大量的充實和修訂。本次修訂的重點包括：一是增加對雷達前沿技術（如波形分集技術和各種新體制雷達）的論述，主要體現在對第1、第5章的修改；二是呼應高分辨率雷達成像技術得到廣泛應用的現狀和需求，增加擴展目標雷達散射特性表徵、雷達圖像理解等前沿技術內容，主要體現在對第6、第7、第10章的修改充實；三是針對現代雷達信號處理對背景雜波模型提出了越來越多需求這一技術趨勢，以較大的篇幅增加了地、海雜波半經驗模型和統計模型的內容，主要體現在對第7章的修改和內容充實。此外，在每一章的最後增加了思考題，便於讀者通過對思考題的解答檢驗學習效果。
對各模塊、章節的具體修訂內容如下。
模塊1――雷達基礎和預備知識：本模塊由第1、第2章構成。根據雷達技術的最新進展，在第1章增加了太赫茲波、汽車雷達等新內容，同時增加了“雷達的未來”作為1.4.3節，簡要概述MIMO雷達、認知雷達、微波光子雷達和量子雷達等近年來得到迅速發展的前沿雷達技術。第2章在原版內容基礎上，進一步強化了同雷達密切相關的近場與遠場、電磁波極化等概念；同時，為了更好地呼應第6章中關於目標電磁散射的討論，重寫了2.6.4節，增加了擴展目標對於平面波的繞射現象等問題的介紹，為第6、第7章關於目標與環境電磁散射問題的討論提供必要的預備知識。
模塊2――雷達系統基本理論：本模塊由第3、第4、第5章組成。第3章對3.7.6節關於雷達接收機I/Q通道失真及其校正進行了重寫，同時增加3.7.7節，討論系統非線性的影響，後者對於寬帶高分辨率成像雷達至關重要；增加了3.8節，專門討論系統噪聲和靈敏度問題，並且把原版中3.6.3節內容併入本節。第4章增加了搜索雷達方程相關內容。第5章對本章的標題、5.3節內容進行了調整，並對5.6節進行了完全重寫。其中，5.3節討論雷達波形與分辨率，增加了5.3.4節，討論波形評價準則；刪除了原版中5.6節關於雷達自適應信號處理概念的內容，增加了波形分集概念及其應用的相關內容，包括波形分集概念、抗干擾和雜波抑制波形優化、目標識別波形優化和認知雷達等技術內容，以便更好地反映現代雷達系統對於信號與波形設計、優化和智能化處理等新技術、新方法的需求。
模塊3――雷達系統同目標與環境的相互作用：由第6、第7章構成。第6章中對6.2節和6.4節進行了重寫，並增加了6.9節。其中，6.2節介紹雷達散射截面（RCS）的概念，討論其物理意義，並針對現代雷達成像技術的成熟和廣泛應用，引入擴展目標的散射函數和散射分佈函數概念，為後續關於成像原理的討論提供必要基礎；6.4節討論極化散射矩陣問題，主要對極化散射矩陣概念和變換的數學模型與表達式等做了重新整理，使初學者更易理解；6.9節討論目標RCS圖像理解問題，通過對各種典型目標散射機理在一維和二維雷達像中的表現形式的深入分析，闡述了複雜目標RCS圖像的理解問題。第7章在原版內容基礎上進行了大幅的內容擴充，主要包括：在7.6.7節增加地面後向散射係數的烏拉比(Ulaby)模型；7.7.4節增加了多個海面後向散射係數半經驗模型；新增7.9節，討論地海雜波統計模型，包括瑞利分佈模型、韋布爾分佈模型、對數-正態分佈模型和複合K分佈模型，同時討論了統計模型的應用問題。
模塊4――先進雷達系統及其信息處理技術：由第8、第9、第10章構成。第8章對8.2.3節原有內容進行了擴充，增加了同時測量速度大小與運動方向相關內容，並對其他各節做了較多的修改。第9章重寫了9.1節，以便更好地體現脈衝多普勒(PD)雷達是以動目標指示(MTI)雷達技術為基礎發展而來的，體現今天的技術發展使得PD和MTI的區分邊界已經模糊的現實；對9.2節和9.5節內容進行了重新調整，將原版9.2.4節關於多普勒濾波器組的內容併入9.5節，作為9.5.3節，便於讀者更好地理解MTI技術的發展沿革。第10章重寫了10.3.1節，採用“散射分佈函數”替換原版中關於三維擴展目標散射表徵時採用的“目標複反射率”這一不嚴謹術語；增加了10.7節，簡要討論合成孔徑雷達（SAR）圖像理解問題。
本書由許小劍，黃培康編著。本書的修訂得到了北京航空航天大學領導及諸多同仁的大力支持和幫助，恕不一一羅列，謹在此一併致以誠摯的謝意！
在本書修訂過程中，作者盡可能嚴謹地完成每一章節的勘誤、內容調整和充實，但由於作者學識和水平所限，百密必有一疏，還望讀者海涵並不吝指教。
作者
2018年10月

目錄
第1章 引論 1
1.1 雷達的概念 1
1.2 電磁波譜及雷達頻段 1
1.2.1 電磁波譜 1
1.2.2 雷達頻段的特性 2
1.3 雷達系統的分類 3
1.4 雷達的起源、發展和未來 4
1.4.1 雷達的起源 4
1.4.2 雷達的發展 8
1.4.3 雷達的未來 11
1.5 雷達的應用 15
1.5.1 民用雷達的應用 15
1.5.2 軍用雷達的應用 17
1.6 雷達系統及其同目標與環境的相互作用 22
1.6.1 最基本的雷達系統 22
1.6.2 雷達系統同目標與環境的相互作用模型 23
第1章思考題 24
參考文獻 25
第2章 電磁場與電磁波基礎 27
2.1 麥克斯韋方程 27
2.1.1 麥克斯韋方程及其物理意義 27
2.1.2 電磁場的基本性質 29
2.1.3 電磁場的邊界條件 29
2.1.4 坡印亭定理 30
2.2 時諧場 32
2.2.1 相量形式的麥克斯韋方程 32
2.2.2 相量形式的邊界條件 33
2.2.3 相量形式的坡印亭定理 33
2.3 球面波和平面波 34
2.3.1 球面波與平面波的概念 34
2.3.2 近場與遠場 34
2.4 電磁波的極化 35
2.4.1 極化波的概念 35
2.4.2 線極化 37
2.4.3 圓極化 37
2.4.4 橢圓極化 38
2.4.5 場的極化分解 39
2.5 平面波的傳播 39
2.6 平面波的反射、折射、繞射和散射 41
2.6.1 惠更斯原理 41
2.6.2 平面波的反射 42
2.6.3 平面波的折射 43
2.6.4 平面波的繞射 44
2.6.5 平面波的散射 45
第2章思考題 46
參考文獻 46
第3章 雷達發射與接收 47
3.1 雷達信號及其表示方式 47
3.2 脈衝雷達與目標距離測量 49
3.2.1 脈衝雷達 49
3.2.2 目標距離的測量 50
3.3 相參雷達與目標多普勒頻率測量 50
3.3.1 相參雷達的概念 50
3.3.2 目標多普勒頻率的測量 51
3.4 雷達天線 53
3.4.1 天線的主要參數 53
3.4.2 孔徑天線 55
3.4.3 相控陣列天線 56
3.5 雷達發射機 59
3.5.1 雷達發射機的分類及特點 59
3.5.2 雷達發射機的主要技術指標 61
3.5.3 射頻功率源 62
3.5.4 脈衝調製器 63
3.6 雷達接收機 64
3.6.1 雷達接收機的組成 64
3.6.2 超外差式接收機的主要技術指標 65
3.7 相參雷達系統 66
3.7.1 振盪頻率源 66
3.7.2 波形調製 67
3.7.3 混頻器 68
3.7.4 限幅器 68
3.7.5 信號解調與正交檢波 69
3.7.6 I/Q通道失真及其校正 70
3.7.7 系統非線性的影響 72
3.7.8 相參雷達各點信號波形小結 75
3.8 系統噪聲和靈敏度 76
3.8.1 接收機噪聲 76
3.8.2 噪聲係數 77
3.8.3 噪聲係數的計算 78
3.8.4 接收機靈敏度的計算 79
第3章思考題 80
參考文獻 81
第4章 雷達方程與目標檢測 83
4.1 基本雷達方程 83
4.1.1 雷達方程的推導 83
4.1.2 雷達方程的討論 85
4.2 噪聲中的信號檢測 87
4.2.1 信號檢測基本原理 88
4.2.2 門限檢測 89
4.2.3 雷達脈衝的積累 90
4.3 虛警概率和檢測概率 91
4.3.1 虛警概率 91
4.3.2 檢測概率 92
4.3.3 提高檢測概率的方法 93
4.4 恒虛警率檢測 94
4.5 對雷達方程的進一步討論 95
4.5.1 用檢測因子和能量表示的雷達方程 95
4.5.2 雙站雷達方程 97
4.5.3 搜索雷達方程 97
4.5.4 雷達方程的使用 98
第4章思考題 99
參考文獻 100
第5章 雷達波形與處理 101
5.1 匹配濾波器 101
5.1.1 匹配濾波器的響應 101
5.1.2 匹配濾波器對時延和多普勒頻移信號的響應 103 5.2 雷達模糊度函數 104
5.2.1 雷達模糊度函數的定義 104
5.2.2 雷達模糊度函數的性質 105
5.2.3 模糊度函數的時延和多普勒切片 106
5.3 雷達波形與分辨率 106
5.3.1 徑向距離分辨率 106
5.3.2 信號帶寬與距離分辨率 108
5.3.3 多普勒頻率分辨率 109
5.3.4 波形評價準則 110
5.4 典型雷達波形及其模糊度函數 111
5.4.1 單頻脈衝 111
5.4.2 線性調頻脈衝 113
5.4.3 相干脈衝串 117
5.4.4 相位編碼信號 120
5.4.5 模糊函數輪廓圖 124
5.5 數字脈衝壓縮 126
5.5.1 脈衝壓縮的概念 126
5.5.2 線性調頻脈衝的數字脈衝壓縮 126
5.5.3 線性調頻脈衝的加權處理 128
5.5.4 相位編碼信號的數字脈衝壓縮 129
5.5.5 二相巴克碼信號的加權處理 130
5.6 波形分集概念及應用 132
5.6.1 波形分集概念 132
5.6.2 抗干擾波形優化：信幹噪比最大化 133
5.6.3 雜波抑制波形優化：信雜比最大化 134
5.6.4 目標識別波形優化：最大辨識度 136
5.6.5 認知雷達：知識輔助的全自適應方法 136
第5章思考題 137
參考文獻 138
第6章 雷達目標 140
6.1 概述 140
6.2 目標RCS的基本概念 141
6.2.1 RCS的定義及其物理意義 141
6.2.2 目標RCS與雷達探測 144
6.2.3 目標散射函數的概念 144
6.3 雷達目標的三個散射區 148
6.3.1 瑞利區 148
6.3.2 諧振區 149
6.3.3 光學區 149
6.4 目標散射的極化特性 150
6.4.1 極化散射矩陣 150
6.4.2 極化散射矩陣變換 152
6.5 散射中心 153
6.5.1 散射中心的概念 153
6.5.2 散射中心的帶通濾波解釋 155
6.6 複雜目標的高頻散射機理 157
6.7 幾種簡單目標的RCS 159
6.7.1 完純導體球 159
6.7.2 矩形金屬平板 160
6.7.3 球頭錐 162
6.8 目標RCS起伏的統計模型 164
6.8.1 RCS起伏的物理解釋 164
6.8.2平方分佈和Swerling模型 165
6.8.3 Rice分佈模型 167
6.8.4 對數-正態分佈模型 167
6.9 目標RCS圖像理解 168
6.9.1 金屬球的一維和二維散射圖像 168
6.9.2 不同散射機理在雷達圖像中的表現形式 173
第6章思考題 181
參考文獻 182
第7章 雷達系統與外部環境的相互作用 184
7.1 大氣傳播衰減 184
7.1.1 地球大氣層 184
7.1.2 傳播衰減 185
7.2 大氣折射的影響 188
7.3 地球曲