本书作者为国际著名雷达信号处理专家。该书介绍了雷达系统与信号处理的基本理论和方法，包括雷达系统与信号处理概述、雷达信号模型、脉冲雷达数据采集、雷达波形、多普勒处理、检测基础原理、测量与跟踪、合成孔径雷达成像技术及干涉合成孔径雷达、波束形成和空-时处理的介绍。书中包含了大量反映雷达信号处理最新研究成果和当前研究热点的补充内容，提供了大量有助于读者深入探究的示例。该书对基础理论和方法进行了详尽介绍与深入严谨的论述。

经过全面更新和扩展，《雷达信号处理基础（第二版）》更全面地涵盖了实践中所有现代雷达系统倚重的基本数字信号处理技术，其中包括目标和干扰建模、匹配滤波、波形设计、多普勒处理、门限检测以及测量精度等技术。全书使用了线性系统、滤波、采样和傅里叶分析的方法及解释，从而可以提供统一的指导方法。章末习题的覆盖范围更广。本书综合了作者多年的理论和专业教育实践经验，对研究生和实践工程技术人员来说是一本理想的权威教材。 本书配套网站http://www.radarsp.com 主要内容 ● 雷达系统简介 ● 雷达波形 ● 测量与跟踪 ● 信号模型 ● 多普勒处理 ● 合成孔径成像简介 ● 脉冲雷达数据获取 ● 检测基础知识 ● 波束形成和空-时自适应处理简介 译者序 本书作者Mark A. Richards现在是佐治亚理工学院电子和计算工程系的首席研发工程师、副教授，他是专门从事雷达信号处理的知名学者，同时有着丰富的教学经验和科研经历，长期从事关于雷达信号处理、雷达图像处理和相关学科的研究生教学和专业课程教学。他曾被聘为美国国防部高级研究计划署的项目经理，IEEE 2001年雷达会议的总主席，以及IEEE图像和信号处理期刊的副编辑。 本书从数字信号处理的角度出发，对雷达信号处理这一基本的课题进行了深入的探讨。不仅对雷达信号处理的基础技术，包括匹配滤波、脉冲压缩、多普勒处理和阈值检测等进行了详尽的介绍，同时结合当前雷达信号处理的发展，对一些更先进的课题包括合成孔径雷达成像和空-时自适应阵列信号处理等进行了论述。本书在国外高校被作为研究生教材已使用多年，国内现在引入本书，使众多对雷达信号处理这一课题进行学习的研究生和从事这一领域工作或者相关专业的研究人员，可以更深入地了解国际雷达发展动态和更多的技术成果。 全书共分为9章及附录，内容安排罗列如下。 第1章对雷达的历史和应用进行了简要介绍，并介绍了关于雷达信号处理中的基本概念，引出了雷达成像、检测和后处理等应用。 第2章介绍了在雷达信号处理中如何对信号进行模型建立，包括了从各种不同性能需求出发建立的几种雷达信号模型。 第3章介绍了脉冲雷达信号在不同域的采样，主要是快慢时间域的采样以及多普勒频谱采样，同时介绍脉冲雷达信号的量化以及补偿问题。 第4章在雷达发射信号模型的基础上介绍了有关雷达波形的问题，包括匹配滤波、模糊函数、脉冲压缩、距离旁瓣控制等。 第5章则是对雷达信号的多普勒处理，包括各种形式的多普勒谱、动目标识别、脉冲多普勒处理、脉冲对处理以及其他多普勒处理问题，如杂波图和运动目标检测器、自适应偏移相位中心天线(DPCA)处理。 第6章介绍了雷达检测的基础原理，包括假设检验检测、阈值检测、二元积分和有用的数值近似等。本章还介绍了目标检测中的恒虚警率检测(CFAR)，重点对单元平均CFAR检测进行了介绍，分析了这种方法的性能和局限，并提出了改进方法，同时简要介绍了其他多种CFAR检测。 第7章介绍了测量与跟踪，包括估计量、克拉美罗下界、距离、多普勒、角度估计量、跟踪理论、?-? 滤波器。 第8章则对合成孔径雷达(SAR)这一热门研究课题做了详尽介绍，包括了合成孔径雷达基础知识，条带式SAR数据的特性及成像算法，聚束式SAR的数据特性及成像算法，干涉SAR技术等。 第9章则讲解了波束形成和空-时二维自适应处理(STAP)，包括了空域滤波、空-时信号环境及建模、空-时信号处理、STAP计算问题、降维STAP、高级STAP算法和分析以及STAP限制等。 在整个翻译至出版的过程中，原作者给予了很多关注和支持，希望该书在中国的翻译出版，能为该领域的广大研究者提供有用的参考。 本书的第1章和第2章由王彤翻译，第3章和第4章的翻译工作由白雪茹和周峰完成，第5章和第9章由李真芳翻译，第6章在刘玲和丁金闪翻译的第一版的基础上，邢孟道做了修改和完善，第7章由戴奉周翻译，第8章在丁金闪翻译的第一版基础上，邢孟道做了修订和完善，附录由邢孟道翻译。全书由邢孟道统稿并审阅。 本书的翻译工作得到了西安电子科技大学雷达信号处理重点实验室的多位专家的帮助，而李学仕、陈溅来、左绍山、邵鹏、张升、高悦欣、曾乐天、符吉祥、景国彬、刘会涛等博士生对本书的第二版翻译工作也提出了诸多建议。值得一提的是，翻译过程中对原书的一些细节错误进行了更正，并在译著付印前根据作者在网站公布的最新勘误文件再次修改译文，以呈现尽可能完善的中译本。另外，译者忠实遵从原著对多普勒频率(frequency)和多普勒频移(shift)的用法，未加变动；遵从原著对横向(cross-range)的用法，需要说明的是，一般对于正侧视SAR来说，横向和方位向表述的内容是一致的，但是对于斜视SAR来说，横向正交于距离向但与方位向存在斜视角度的偏差；原著中对于Point Scatterer Response和Point Spread Response缩略词使用不当，译者做出如下统一：PSR Point Scatterer Response(点散射响应)代表的是在脉压之前由点目标生成点目标回波时的响应函数，而Point Spread Response(点散布响应，PSR)代表的是进行脉压时的响应函数。 需要说明的是，中译本的首要原则是尽可能准确地表达原著的基本知识。由于译者的时间和经验限制，翻译中难免会出现未尽和疏漏之处，敬请广大同行读者批评指正。同时，对所有为本书出版提供帮助的人们表示诚挚的感谢！ 前言 本书这一版与前版的目的相同，即以数字信号处理的角度深入全面地阐述雷达信号处理中的基本概念。本书全文贯彻了对线性系统、滤波、采样和傅里叶分析等技术的应用技巧与诠释，提供了一种流行的、规范的辅导方法。本书的主要内容涵盖了所有雷达系统都依赖的一系列信号处理的基础技术，包括：目标和干扰模型、匹配滤波、波形设计、多普勒处理、阈值检测以及检测精度等。此外，书中还介绍了跟踪滤波技术、合成孔径雷达成像以及空-时自适应阵列信号处理这三种新提出来的技术，以方便读者深入研究相关方向。 2005年，本书出版发行了第一版，填补了雷达科技类文献中的一些空白。同时，还有一些优秀的关于雷达系统的图书(如Skolnik、Edde的著作)，提供了对雷达系统整体的一个较好的定量分析介绍。建议对该课题有兴趣的读者，可以把这些著作作为入门级的阅读文献。最早，当我接受与雷达相关的工作时，曾阅读了Skolnik著的Introduction to Radar Systems，希望能避免在新岗位上表现出愚昧无知，尽管在这之前，我已经在研究生阶段注意语言增强，但还是事与愿违，当然，这错不在Skolnik。一些雷达教科书(如Peebles、Mahafza的著作)，对雷达系统和信号处理的问题进行了更具深度的量化分析。同时，还有大量关于雷达信号处理、合成孔径雷达成像(Jakowatz等人、Carrara等人以及Soumekh的著作)和空-时自适应信号处理(Klemm、Guerci的著作)等当下比较热门技术的高质量的教科书。然而，我个人认为，当前著作存在的问题是大量的关于雷达系统的图书和先进的雷达信号处理技术类图书之间缺少衔接；更具体地，就是雷达界缺少一本简明、统一、先进的，可以提供雷达信号处理基础技术的教科书。希望该书能填补这一空白。 从本书第一版的读者反馈来看，结果令人高兴。我收到了很多善意的令人鼓舞的建议，并且本书被很多大学和公司采用。我相信本书基本完成了当初的创作目标。然而，也正是该书的成功促使了可以从很多方面改进其内容。 新书不断呈现，尤其是优秀的Principles of Modern Radar系列图书。但某种程度仍令我感到惊讶的是，直到今天，关于雷达的图书仍然存在衔接空缺的问题，大部分的雷达教科书手册一般要么介绍完整的雷达系统，要么介绍非常专业的处理技术，但却几乎不介绍构成先进信号处理技术最基础的、每一部雷达都使用的基本的信号处理概念。因此，本书第二版仍然致力于填补该空缺。第二版除了致力于加强内容覆盖，稍微拓宽研究方向，并纠正和提高语言表述外，还提供了其他内容，以增强本书作为教科书或者专业参考书的可用性。 该书作为美国佐治亚理工学院两门课程的教学参考书已经使用了多年，最初是电子和计算工程系的教材，用于研究生第一年一学期课程。同时，这本书的缩简版也在佐治亚理工职业教育部周期性开设的为时一周的同名职业教育课程中使用。自本书第一版出版以来，我一直使用其作为以上两门课程的教材。通过实践和经验的积累，我学会了更多，不仅局限于本书的研究内容，还包括如何表述这些内容，因此也尝试将这些都融入到本书的新版内容中。 除了一些小的改变以外，第二版相对第一版的最主要改变是增加了新版的第7章“测量与跟踪”。这一章介绍的是第一版中遗漏了的一个重要的基础性研究方向——测量精度。主要介绍了克拉美罗下界和最大似然估计，并说明了在使用常见技术，如带峰值检测的匹配滤波、上升沿脉冲检测、离散傅里叶变换和单脉冲测角等，对时延、频率、相位和角度进行测量时，如何应用克拉美罗下界和最大似然估计。此外，本章还包含对基本跟踪滤波器包括?-? 滤波器和卡尔曼滤波器的概述。这些内容本应该包含在第一版中，现在包括进来正好可以弥补之前的缺失。 第二版其他部分内容的变化不大，主要变化罗列如下。 之前在第1章介绍的数字信号处理的基础概念被安排到了附录B中，并且内容进行了少量扩充。增加了全新的附录A，介绍阅读本书所需要了解的随机变量和随机信号的相关的基本信息，具体包括雷达中常见的概率密度函数，估计量与克拉美罗下界，以及随机信号在线性移不变系统中的响应。 第2章改进了目标起伏模型的阐述。当前传统的Swerling模型在很多情况下不再适用，这不仅因为高分辨率的雷达需要新的概率密度函数，还因为“扫描间”和“脉冲间”不适用于基于相干处理间隔(CPI)的处理。然而，分析的策略却仍然有效，因此，我极大程度地保留了基于奈曼-泊松准则检测器设计和分析策略的阐述，而减少了在“扫描间”和“脉冲间”模式下讨论非相干积累的问题，但是还会用这两种模式理解文献资料，并将它们应用于现代系统。第2章的另一处改动是适当增加了对杂波反射的阐述。 第3章则极大地保留了原内容，但重新命名为“脉冲雷达数据采集”。为了使本章内容更加清晰，对关于一个CPI内获取的数据块的阐述顺序做了稍许调整。类似地，第4章雷达波形的内容做了一些扩展，增加了线性调频信号旁瓣的时域控制和步进频波形的入门知识，以及二相编码信号滤波器的失配和连续波雷达。 第5章多普勒处理扩充了很多内容，包括：关于存在距离和多普勒模糊时，脉冲多普勒谱的行为的更多解释；简单地提及了低、中、高脉冲重复频率体制的优缺点；增加了关于模糊分辨率的内容和盲区的讨论；以脉冲重复间隔的形式，对动目标检测的参差脉冲重复频率重新进行了讨论。 原第6章检测基础原理和第7章恒虚警率检测经过一些小的改动在新版中合并为新第6章。同样，第8章合成孔径成像技术也做了一些修正和提炼，并且增加了干涉合成孔径雷达的内容。第9章自适应波束形成和空-时自适应滤波也做了修正和提炼。唯一重要的区别是第二版中去除了关于空-时自适应处理(STAP)计算问题的大部分内容(或许以后在第三版中将会有新的一章，阐述所有雷达信号处理技术的计算问题)。虽然合成孔径雷达和自适应干扰抑制在现代雷达中非常重要，但本书的目的是介绍基本原理和为学生深入研究这些问题做准备。 纵观全书，我希望我的工作能够更好地发现并揭示雷达信号处理中一再出现的普遍的主题，包括相位历程、相干积累、匹配滤波、积累增益和最大似然估计。 一学期的雷达信号处理课程可以覆盖本书的第1章至第7章，或许也可以跳过第2章和第3章中后几节的部分内容以节省时间。这门课程为检测理论、自适应阵列信号处理、合成孔径雷达成像以及更高级的被动双基系统提供了坚实的理论基础。四分之一学期的课程应该可以涵盖第1章至第5章以及除去恒虚警检测部分的第6章。同时，学习之前必须有关于连续信号处理和离散信号处理的坚实的理论基础，同时要对随机信号处理至少有大概了解。在第二版中，为了增加本书作为大学教材的实用性，我在每章后面增加了练习题，使用本书作为教材的教师可以向出版社索要练习题的答案。 自第一版出版至今，我集中维护了一个由读者反馈和我自己发现的完整错误报告列表，并将之公布于本书的配套网站http://www.radarsp.com。该网站还提供其他的支撑信息，比如：与本书相关的临时性的专业术语备忘录，以及我在课堂上使用的一些简单的MATLAB软件演示和研究课题工程。在第二版中，我试图消除所有已知的错误，而不引入新问题。然而，完全没有错误出现是不可能的，但是我真心希望能够尽可能做到(由于新增加的第7章及附录A存在错误的风险较高)。我希望读者能够将发现的所有问题发送到邮箱mrichards@gatech.edu。一如往常，我将在网站上设立一个专门记录本书错误的文档。 Mark A. Richards博士

第1章 雷达系统与信号处理概述 1 1.1 雷达的历史和应用 1 1.2 雷达的基本功能 2 1.3 脉冲体制雷达的基本组成 4 1.3.1 发射机和波形产生器 5 1.3.2 天线 7 1.3.3 接收机 11 1.4 雷达信号处理的共同主线 14 1.4.1 信干比与积累 15 1.4.2 分辨率 16 1.4.3 数据积累与相位历程建模 18 1.4.4 带宽扩展 20 1.5 基本雷达信号处理概述 21 1.5.1 雷达的时间尺度 22 1.5.2 现象学 22 1.5.3 信号调节和干扰抑制 23 1.5.4 成像 25 1.5.5 检测 27 1.5.6 测量与跟踪滤波器 28 1.6 雷达文献 29 1.6.1 雷达系统和组成 29 1.6.2 基本雷达信号处理 29 1.6.3 高级雷达信号处理 29 1.6.4 雷达的应用 30 1.6.5 当前的雷达研究 30 参考文献 30 习题 32 第2章 信号模型 34 2.1 雷达信号的组成 34 2.2 幅度模型 35 2.2.1 简单点目标的雷达距离方程 35 2.2.2 分布式目标的距离方程 37 2.2.3 雷达截面积 42 2.2.4 气象目标的雷达截面积 43 2.2.5 雷达截面积的统计描述 44 2.2.6 目标起伏模型 54 2.2.7 Swerling模型 57 2.2.8 目标起伏对多普勒谱的影响 58 2.3 杂波 59 2.3.1 ? 0的性质 59 2.3.2 信杂比 61 2.3.3 杂波的时间和空间相关性 61 2.3.4 雷达截面积的混合模型 63 2.4 噪声模型和信噪比 64 2.5 干扰 67 2.6 频率模型：多普勒频移 67 2.6.1 多普勒频移 67 2.6.2 停-跳近似和相位历程 71 2.6.3 多普勒频移的测量：空间多普勒 频移 72 2.7 空间模型 73 2.7.1 相干散射 74 2.7.2 随角度的变化 75 2.7.3 随距离的变化 77 2.7.4 非相干积累 78 2.7.5 投影 79 2.7.6 多径 79 2.8 谱模型 80 2.9 总结 81 参考文献 82 习题 83 第3章 脉冲雷达数据采集 87 3.1 脉冲雷达数据的获取与存储 结构 87 3.1.1 单脉冲：快时间 87 3.1.2 多脉冲：慢时间和相参处理 时间 89 3.1.3 多普勒和距离模糊 91 3.1.4 多通道：数据立方 94 3.1.5 驻留时间 95 3.2 多普勒频谱采样 96 3.2.1 多普勒频谱内的奈奎斯特速率 96 3.2.2 跨越损失 98 3.3 空间和角度维采样 101 3.3.1 空间阵列采样 101 3.3.2 角度采样 102 3.4 I/Q通道不均衡以及数字I/Q 104 3.4.1 I/Q通道不均衡及其补偿 104 3.4.2 I/Q通道误差校正 106 3.4.3 数字I/Q 108 参考文献 111 习题 112 第4章 雷达波形 114 4.1 简介 114 4.2 波形匹配滤波器 115 4.2.1 匹配滤波器 115 4.2.2 简单脉冲匹配滤波器 117 4.2.3 全距离匹配滤波器 118 4.2.4 跨越损失 119 4.2.5 匹配滤波器的距离分辨率 119 4.3 动目标的匹配滤波 120 4.4 模糊函数 122 4.4.1 模糊函数的定义和性质 122 4.4.2 简单脉冲的模糊函数 124 4.5 脉冲串波形 126 4.5.1 脉冲串波形的匹配滤波器 126 4.5.2 逐个脉冲处理 127 4.5.3 距离模糊 129 4.5.4 脉冲串波形的多普勒响应 131 4.5.5 脉冲串波形的模糊函数 132 4.5.6 慢时间频谱和模糊函数 的关系 135 4.6 调频脉冲压缩波形 136 4.6.1 线性调频脉冲压缩波形 137 4.6.2 驻相原理 139 4.6.3 LFM波形的模糊函数 140 4.6.4 距离-多普勒耦合 142 4.6.5 展宽处理 143 4.7 FM波形的距离旁瓣控制 147 4.7.1 匹配滤波器频率响应整形 147 4.7.2 匹配滤波器脉冲响应整形 149 4.7.3 波形频谱整形 149 4.8 步进频率波形 151 4.9 步进线性调频波形 155 4.10 相位调制脉冲压缩信号 155 4.10.1 二相编码 156 4.10.2 多相编码 160 4.10.3 失配相位编码滤波器 163 4.11 Costas频率编码 164 4.12 连续波雷达 165 参考文献 165 习题 166 第5章 多普勒处理 170 5.1 运动平台对多普勒谱的影响 171 5.2 运动目标指示 174 5.2.1 脉冲对消器 175 5.2.2 匹配滤波器的矢量表示 177 5.2.3 杂波抑制的匹配滤波器 178 5.2.4 盲速和参差脉冲重复频率 181 5.2.5 质量图 186 5.2.6 MTI性能限制 190 5.3 脉冲多普勒处理 192 5.3.1 运动目标的离散时间傅里叶 变换 193 5.3.2 DTFT采样：离散傅里叶 变换 196 5.3.3 噪声的离散傅里叶变换 197 5.3.4 脉冲多普勒处理增益 198 5.3.5 基于DFT的脉冲多普勒处理的 匹配滤波器和滤波器组解释 198 5.3.6 精细多普勒估计 200 5.3.7 脉冲多普勒处理的现代谱 估计 204 5.3.8 相干处理间隔间参差和 盲区图 205 5.4 脉冲对处理 208 5.5 其他多普勒处理问题 213 5.5.1 MTI和脉冲多普勒级联处理 213 5.5.2 暂态影响 213 5.5.3 脉冲重复频率体制 214 5.5.4 模糊解决 218 5.6 杂波图和动目标检测器 220 5.6.1 杂波图 220 5.6.2 动目标检测器 222 5.7 运动平台的MTI：自适应偏移 相位中心天线处理 222 5.7.1 偏移相位中心天线概念 222 5.7.2 自适应DPCA 224 参考文献 228 习题 229 第6章 检测基础原理 233 6.1 雷达假设检验检测 233 6.1.1 奈曼-皮尔逊检测准则 234 6.1.2 似然比检验 235 6.2 相干系统中的阈值检测 241 6.2.1 相干接收机的高斯情况 242 6.2.2 未知参数和阈值检测 244 6.2.3 线性检测算子和平方律检测 算子 249 6.2.4 其他未知参数 249 6.3 雷达信号的阈值检测 251 6.3.1 相干、非相干和二元积累 252 6.3.2 非起伏目标 253 6.3.3 Albersheim方程 256 6.3.4 起伏目标 259 6.3.5 Shnidman方程 262 6.4 二元积累 263 6.5 恒虚警概率检测 266 6.5.1 未知干扰对虚警概率的影响 266 6.5.2 单元平均CFAR 268 6.5.3 单元平均CFAR分析 270 6.5.4 单元平均CFAR的局限 274 6.5.5 单元平均CFAR的改进方法 278 6.5.6 有序统计CFAR 282 6.5.7 有关CFAR的其他问题 284 6.6 虚警概率的系统级控制 290 参考文献 290 习题 292 第7章 测量与跟踪 295 7.1 估计量 296 7.1.1 估计量的性质 296 7.1.2 克拉美罗下界 298 7.1.3 CRLB和信噪比 299 7.1.4 最大似然估计量 300 7.2 距离、多普勒、角度估计量 301 7.2.1 距离估计量 301 7.2.2 多普勒信号估计 311 7.2.3 角度估计 317 7.3 跟踪导论 329 7.3.1 序贯最小二乘估计 329 7.3.2 ??? 滤波器 333 7.3.3 卡尔曼滤波 336 7.3.4 跟踪周期 341 参考文献 345 习题 346 第8章 合成孔径成像技术 350 8.1 合成孔径雷达基础 353 8.1.1 雷达横向分辨率 353 8.1.2 合成孔径的观点 354 8.1.3 多普勒的观点 360 8.1.4 SAR的场景覆盖和采样 361 8.2 条带式SAR的数据特性 364 8.2.1 条带式SAR的成像几何 364 8.2.2 条带式SAR的回波数据特性 367 8.3 条带式SAR的成像算法 369 8.3.1 多普勒波束锐化 369 8.3.2 二次相位误差的影响 372 8.3.3 距离-多普勒算法 375 8.3.4 聚焦深度 379 8.4 聚束式SAR的数据特性 380 8.5 聚束式SAR的极坐标格式成像 算法 384 8.6 干涉SAR技术 386 8.6.1 地面高程在SAR图像中 的表现 386 8.6.2 IFSAR处理步骤 389 8.7 其他考虑 393 8.7.1 SAR运动补偿和自聚焦 393 8.7.2 自聚焦 396 8.7.3 相干斑抑制 401 参考文献 402 习题 404 第9章 波束形成和空-时二维自适应 处理导论 407 9.1 空域滤波 407 9.1.1 常规波束形成 407 9.1.2 自适应波束形成 410 9.1.3 预处理后的自适应波束形成 414 9.2 空-时信号环境 416 9.3 空-时信号建模 418 9.4 空-时信号处理 422 9.4.1 最优匹配滤波 422 9.4.2 STAP性能测度 422 9.4.3 STAP与偏移相位中心天线处理 之间的关系 426 9.4.4 自适应匹配滤波 428 9.5 降维STAP 430 9.6 高级STAP算法和分析 431 9.7 STAP限制 433 参考文献 434 习题 435 附录A 有关概率论和随机过程的课题 437 附录B 有关数字信号处理的几个课题 459

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