本书对天基雷达的原理、设计方法及应用进行了全面的讲解。在详细介绍天基雷达运动学（包括二体问题和开普勒定律、雷达-地球几何关系、擦地入射角、主波束覆盖、距离模糊现象、地球自转引起的多普勒频移及偏航角推导等）的基础上，重点论述了天基雷达平台下杂波和目标数据的产生，以及基于空时自适应处理技术进行杂波抑制和目标检测的方法，并深入分析了多传感器、多脉冲环境下多参数估计的Cramer-Rao界。同时，提出了噪声环境下，联合发射机和接收机的波形分集设计及信号处理方法。

总序 Foreword 我国的雷达事业， 经过数十年几代人的努力， 从无到有， 从小到大， 从弱到强， 在许多领域已经进入了国际先进行列。为了总结这些经验， 给今后的雷达发展打好基础， 前些年， 我们在众多雷达专家、学者的支持和参与下， 在总结长期雷达科研、生产、教学、使用经验的基础上， 聚集体智慧， 组织了“雷达技术丛书”的编写工作。该套丛书一经电子工业出版社隆重推出， 便受到业内同行的热烈欢迎， 也成为我国雷达界的一项重要科研成果。转眼， 距“雷达技术丛书”的出版已近十年， 在我国国防建设与经济建设需求的推动下， 在电子信息技术高速发展的基础上， 雷达及雷达相关技术又有了新的进步。近年来， 我国在相控阵天线及其发射接收组件技术方面取得了很大进步， 并推广应用于各种对空目标监视雷达及各类机载雷达；开展了高分辨率多维雷达信息获取前沿技术研究， 实现了机载与星载高分辨率合成孔径雷达（SAR）成像和超宽带雷达成像， 这些都在国防建设和各个民用领域发挥着重要作用。在天线、微波、信号处理、数据处理等雷达基础技术快速发展的同时， 与通信、网络技术的快速发展相同步， 我国在雷达组网、雷达数据整合等雷达系统技术方面也取得了骄人的进步， 使得雷达成为空间射频信息获取的重要工具。特别值得一提的是， 为适应航空、航天和空间应用的需要， 我国在用于空间目标探测、跟踪和精密测量的大型单脉冲雷达与相控阵雷达技术方面获得了新的进展， 其中相当部分拥有发明专利与自主知识产权。与此同时， 在推动我国雷达技术进步的队伍中也涌现出不少优秀的年轻专家。在总结近几年雷达及雷达系统技术快速发展的基础上， 为满足雷达信息获取的新要求， 包括地基雷达对高速、高机动飞行目标及机载与星载雷达对地面、海面乃至地下目标获取信息的要求， 我们再次组织编写了“空间射频信息获取新技术丛书”（以下简称丛书）。该套丛书的正式出版和推广， 将有利于正确把握雷达技术发展方向， 促进我国雷达事业的创新发展。为使丛书较系统地总结和反映我国在空间射频信息获取与应用方面所取得的创新技术与理论成果， 同时吸纳国外在该领域的相关前沿基础科研成果， 为该领域技术发展提供借鉴作用， 本套丛书除包括本版内容之外， 还充实了国外引进版内容。全套丛书的内容定位主要突出空间射频信息获取技术的工程设计性， 反映空间射频信息获取的新技术。在本版内容中， 强调总结我国科技人员近年来在空间射频信息获取技术领域取得的重大科技成果和突破性进展， 框架设想上体现新技术和创新发展；在国外引进版内容上， 重点吸纳国外空间射频信息获取技术领域的前沿基础科学研究和对该领域技术发展具有借鉴作用的新技术。全套丛书尽可能提供有关研究图表、数据、曲线和计算公式， 使设计举例更具有实用性。丛书的编写创作主要由领域内几位院士和众多中青年专家担纲， 他们既要完成繁重的科研和管理任务， 又要抓紧时间撰写书稿， 工作十分辛苦， 在此， 我们谨代表丛书编委会， 向各册作者和审稿专家表示深深的敬意！我们希望本套丛书所展示的新技术、新成果和新理论等能对从事该技术领域科研、设计、教学、管理工作的人员， 部队干部、战士， 以及高等学校相关专业的学生、研究生有所帮助， 从而促进我国空间射频信息获取技术的发展， 为国家信息化建设和国民经济建设作出贡献。本套丛书的出版， 得到了中国电子科技集团公司、中国电子科学研究院、南京电子技术研究所、西安电子科技大学等各参与单位的大力支持， 得到了电子工业出版社领导和刘宪兰首席策划编辑的积极推动， 得到了参与丛书工作全体同志的热情帮助， 在此一并表示衷心的感谢！ 丛书主编、中国工程院院士 王小谟 张光义 2013年5月 译者序 天基雷达以航天器为载体平台， 大致分为三类， （1）空间交会对接雷达； （2）资源遥感雷达， 如合成孔径雷达（SAR）、散射计、高度计等， 用以获得地物图像、散射特性和高度等遥感信息； （3）天基预警监视雷达， 用来检测地面和空中运动目标。其中前两类已经实现， 而第三类由于技术难度、系统复杂性和成本等原因， 目前还没有在太空中部署。天基雷达采用居高临下的俯视工作方式， 可全天时、全天候、大范围、远距离发现目标， 具有地基和空基雷达不具备的优势， 是雷达进入太空时代的必然发展。但天基雷达受航天器平台体积、质量、功耗的约束， 以及轨道动力学、观测体制和造价成本因素的影响， 其设计复杂， 研制难度大， 具有极大技术挑战性， 亟须全面系统的理论来支撑研究工作。 该书的三位作者分别来自美国纽约布鲁克林理工大学、C＆P技术公司和美国空军实验室， 长期从事雷达信号处理研究工作， 具有深厚的理论功底和丰富的工程经验。本书比较全面地讲解了天基雷达的相关理论知识， 首先对轨道动力学形成的二次曲线进行分析总结， 接着系统研究了天基雷达的几何关系、主波束足印、距离模糊、杂波模型和杂波谱， 在此基础上， 重点研究了空时自适应处理（STAP）算法及其在地面动目标指示（GMTI）和空中动目标指示（AMTI）中的应用。本书还探讨了发射接波形分集， 以及轨道动力学中的三体问题， 后者对于未来工作于空间站和深空探测平台的雷达具有重要意义。 为了阐述天基雷达理论， 本书应用了大量数学推导建立各种关系， 涉及矩阵论、球面几何学、曲线方程、概率随机过程等， 给阅读和理解带来一定的难度， 但通过深入细致学习， 读者从中必能获益匪浅。希望本书能成为研究天基雷达专业人士的重要参考书籍。本书的译者来自中国科学院电子学研究所航天微波遥感系统部， 长期从事星载/机载雷达系统设计和研制工作， 曾参与我国多型合成孔径雷达系统的研发。 本书译者结合在星载雷达领域的研究经验， 认真阅读理解了本书的英文原著， 完成了全书的翻译工作。全书共8章， 由邓云凯、禹卫东主译。陆萍萍、王朔、祁丽娟、王春乐等参加翻译， 李红霞对翻译稿进行了整理。本书的翻译工作还得到中国科学院电子学研究所多位专家的支持。 由于本书涉及专业面广， 内容深入， 语言风格多变， 我们对原著内的理解难免有不到之处， 敬请各位同行和专家批评指正。 前言 本书主要对象为大学高年级学生或研究生， 以及具有雷达基础知识的工程师。材料的组织使其能够在一个学期的课程中完成。概率论和随机过程的基础背景有助于对本书中统计学方面的理解。为了对信号处理部分有所帮助， 本书包含了传感阵列处理和空时自适应处理（STAP）的介绍章节。其他一些教师所需要的诸如讲义、 课后作业及解答的材料可以在课程网站上获得（访问： www.mhprofessional.com可获得更多细节）。 所有天体和人造卫星在空间的运动都受牛顿万有引力定律的制约。在二体情况下， 就形成了各种二次曲线轨道， 如圆、 椭圆、 抛物线和双曲线。在第2章和第3章中， 介绍了各种二次曲线， 用开普勒定律形式给出它们与牛顿引力定理间的关系。 第4章介绍了天基雷达的动力学， 包括雷达地球间的几何关系， 掠地角， 距离和地面上的波束脚印， 距离模糊现象， 地球自转引起的多普勒频移， 以及由此引起的倾斜角推导。地球非球面效应对掠地角的影响、 局部经纬度下的距离函数等相关问题在附录中考虑。 第5章介绍了阵列信号处理和STAP， 对接收处理的一些基本方法进行了详细讨论。这里列举的只是表明STAP的优势， 远没有穷尽。 第6章详细给出了天基雷达杂波模型和目标检测性能评估的明细。对影响杂波数据的各种因素进行了讨论， 诸如距离模糊效应、 地球自转的倾斜角现象、 风和地形效应。针对不同情况， 这些因素对各种STAP算法在杂波抑制和目标检测上的影响， 做了定量化和说明。为了有助于理解地形模型， 本书采用了NASA Terra卫星获得的地图， 该地图把地球真实表面按每1 km2的小块分为16种陆地类型——森林、 城市、 湖泊等。这些小块的平均雷达后向散射面积（RCS）数值被用来模拟单独的随机散射回波。为了更高的保真度， 还考虑了RCS随掠地角变化的影响。在风效应的模拟中， 把其作为一个低阶平稳ARMA过程模型， 该过程依赖于载频、 风速和雷达脉冲重复频率（PRF）。还给出了风效应对算法性能影响的有趣分析。第7章对机载和天基雷达在多传感器、 多脉冲环境中的性能， 用CramerRao界进行了分析， 涉及两种未知参数——目标方位和功率电平。 第8章介绍了发射接收联合波形分集。众所周知， 对于某个给定的发射波形， 以及目标（通道）响应和噪声场景， 传统的匹配滤波器可以得到最优接收机性能。本章研究了发射机优化问题， 在特定情况下， 如特定目标和干扰/噪声情形， 通过发射特定的波形， 可以获得潜在的优势。 第9章进一步考虑有趣的话题， 诸如在空间寻找合适的位置部署未来的空间站、 近地小行星跟踪天基雷达。这里， 考察了一种特殊的三体问题及其稳定解： 一个极小物体在两个有限旋转体影响下的运动。这些稳定解用众所周知的情形进行了举例说明， 如木星附近的特洛伊小行星， 以及处于地球与太阳之间， 靠近地球一侧的Gegenschein光带。其中一些稳定解可能与人造任务一样令人感兴趣， 如太阳地球或地球月亮系统。从长远看， 我们的最终生存依赖于深空雷达对于近地天体的发现和跟踪的警戒能力， 如小行星、 彗星， 并最终改变其轨道以避免与地球相撞。 作者要趁此机会感谢AFRL的Peter博士、 林肯实验室的James Ward博士对手稿的审阅。他们的反馈对于改进本书的质量非常有用。Peter从一开始就是我们的热心支持者， 很感谢他就各专题所做的技术讨论， 以及帮助我们通过AFRL内部各层面的公开发布。这里也要感谢AFRL雷达信号处理分部的Paul Gilgallon先生， William Baldygo主管的努力。要特别感谢Mark Davis博士、 Joseph Guerci博士、 Michael Wicks博士、 S.Radhakrishnan Pillai博士、 Stephen Mangiat博士的有益反馈和评论。作者还要进一步感谢Gerard Genello先生、 Yuhong Zhang先生、 Abdelhak Hajjari先生和Lawrence Adzima先生的支持和鼓励。最后， AFRL的幻想家们在提出广阔技术项目上的远见和始终如一的执行力值得赞扬。 McGraw Hill团队高效协调的工作和本书出版过程中自始至终的指导值得特别赞扬， 包括工程部编辑主任Wendy Rinaldi女士、 协调员Mandy Canales女士， 项目经理Harleen Chopra女士。Rinaldi高效的管理风格使整个过程对我们轻松自如， 我们要同样感谢她。 最后， 第一作者要趁此机会表达对他在纽约布鲁克林理工大学的导师Dante Youla教授的深深谢意， 他是一位真正在多方面激发作者灵感的人。为了表达谢意， John Bunyan的一段话正合适： 你一直是那么热心指导我们 我们永远不会忘记你对我们的恩惠…… S.Unnikrishna Pillai Ke Yong LiBraham Himed 缩写词 AMTI Air Moving Target Indication空中动目标指示 AR Auto Regressive自回归 ARMA Auto Regressive Moving Average自回归滑动平均 CMT Covariance Matrix Tapering协方差矩阵锥削 CNR Clutter to Noise Ratio杂噪比 CR CramerRaoCramerRao界 DFT Discrete Fourier Transform离散傅里叶变换 EC Eigen Canceller特征值对消器 ECSASPFB Eigen Canceller with SubarraySubpulse and子阵子脉冲与前后向平滑 ForwardBackward smoothing（ECSASPFB）的特征值对消器 EFA Extended Factored TimeSpace Approach扩展分解时空方法 FTS Factored TimeSpace Approach分解时空方法 GMTI Ground Moving Target Indication地面动目标指示 HTP HungTurner Projection投影 HTPSASPFB HungTurner Projection with SubarraySubpulse子阵子脉冲前后向平滑 and ForwardBackward smoothing（HTPSASPFB） HungTurner投影 i.i.d. Independent and Identically Distributed独立同分布 JDL Joint Domain Localized approach局域联合方法 MDV Minimum Detectable Velocity最小可检测速度 MF Matched Filter匹配滤波器 ML Maximum Likelihood最大似然 PRF Pulse Repetition Frequency脉冲重复频率 PRI Pulse Repetition Interval脉冲重复间隔 RCS Radar Cross Section雷达截面积 SAR Synthetic Aperture Radar合成孔径雷达 SBR Space Based Radar天基雷达 SINR Signal to Interference plus Noise Ratio信号与干扰+噪声之比 SMI Sample Matrix Inversion采样矩阵求逆法 SMIDL Sample Matrix Inversion with Diagonal Loading对角加载采样矩阵求逆法 SMIDLSASPFB Sample Matrix Inversion with Diagonal Loading，对角加载、 子阵子脉冲和前Subarray-Subpulse and Forward Backward 后向平滑的采样矩阵求逆法 smoothing（SMIDL-SASP-FB） SMIPROJ Sample Matrix Inversion with Convex Projection 凸映射采样矩阵求逆法 SMISASPFB Sample Matrix Inversion with SubarraySubpulse子阵子脉冲和前后向平 and ForwardBackward smoothing（SMI-SASP-FB） 滑的采样矩阵求逆法 SNR Signal to Noise Ratio 信噪比 STAP SpaceTime Adaptive Processing 空时自适应处理 SVD Singular Value Decomposition 奇异值分解 UAV Unmanned Aerial Vehicle 无人机

第1章 引言 1.1概述 1.2雷达方程 1.3符号表示和矩阵等式 1.3.1特征值和特征向量 1.3.2Hermite矩阵 1.3.3奇异值分解（SVD） 1.3.4Schur， Kronecker 和KhatriRao积 1.3.5矩阵求逆引理 附录1A线谱和奇异方差矩阵 参考文献 第2章 二次曲线 2.1什么是二次曲线 2.1.1椭圆 2.1.2抛物线 2.1.3双曲线 2.2太阳系 附录2A球面三角形 参考文献 第3章 二体运动和开普勒定律 3.1轨道动力学 3.1.1质心的运动 3.1.2相对运动方程 3.2开普勒定律 3.3同步轨道和极轨道 3.4卫星速度 附录3A开普勒方程 附录3B欧拉方程和彗星的确认 附录3C椭圆轨道的兰勃特方程 参考文献 第4章 天基雷达——运动模型/动力学 4.1雷达地球几何关系 4.2最大距离 4.3主波束足印尺寸 4.4主波束足印集 4.5距离混叠现象 4.5.1主波束混叠 4.5.2总的距离混叠 4.6多普勒频移 4.7偏航角和偏航幅度： 考虑地球自转的天基雷达模型 附录4A经纬度坐标系下的地距计算 附录4B非正球体模型下的掠射角修正因子 附录4C多普勒效应 附录4D椭球地球和偏航角校正 参考文献 第5章 空时自适应处理 5.1空间阵列处理 5.1.1为什么使用阵列 5.1.2最大化输出SNR 5.2空时自适应处理 5.3侧视机载雷达 5.3.1最小可检测速度（MDV） 5.3.2采样矩阵求逆（SMI） 5.3.3对角加载的采样矩阵（Sample Matrix with Diagonal Loading， SMIDL） 5.4基于特征值结构的STAP 5.4.1Brennan准则 5.4.2特征对消法（Eigencanceler Methods， EC） 5.4.3HungTurner投影（HTP） 5.5子孔径平滑方法 5.6用于STAP的子孔径平滑方法 5.6.1子阵列方法 5.6.2子脉冲法 5.6.3子阵列子脉冲法 5.7阵列锥削和协方差矩阵锥削 5.8凸映射技术 5.8.1凸集 5.8.2Toeplitz性质 5.8.3正定特性 5.8.4交替投影方法 5.8.5松弛映射算子 5.9FTS算法 5.10局域联合法（JDL） 附录5A等距阵列旁瓣电平 参考文献 第6章 SBR平台的STAP算法 6.1SBR数据模型 6.1.1主瓣和旁瓣杂波 6.1.2理想杂波谱 6.2最小可检测速度（MDV） 6.3存在地球自转和距离混叠时的MDV 6.4正交脉冲法最小化距离混叠 6.5散射回波模型 6.5.1地形模型 6.5.2ICM模型 6.6地形模型和风浪影响下的MDV 6.6.1风浪对多普勒频率的影响 6.6.2风浪对多普勒频率的衰减效应的一般理论 6.7地形、 风浪、 距离混叠和地球自转对性能的联合影响 6.8适应于SBR的STAP算法 附录6A矩阵求逆恒等式 附录6B输出SINR的推导 附录6C谱因子分解 附录6D有理系统的表示 参考文献 第7章 采用Cramer-Rao界的性能分析 7.1多参数情况下的Cramer-Rao界 7.2机载和天基雷达情况下目标多普勒和功率的Cramer-Rao界 7.3仿真结果 参考文献 第8章 波形分集 8.1匹配滤波接收机 8.1.1白噪声匹配接收机 8.1.2色噪声匹配接收机 8.2线性调频信号和脉冲压缩 8.3噪声下的发射接收联合设计 8.4时宽带宽联合优化 附录8A线性调频信号的变换 参考文献 第9章 高级专题 9.1一个小体围绕两个有限体问题 9.1.1三体问题的特解 9.1.2特解的稳定性 9.1.3线性解的稳定性 9.1.4等边解的稳定性 附录9AHill球 参考文献

S. Unnikrishna Pillai是纽约布鲁克林理工大学教授。他的研究兴趣包括雷达信号处理、盲识别、谱估计和波形分集。Pillai博士是《阵列信号处理》的作者、《谱估计与系统辨识》和Papoulis教授《概率、随机变量和随机过程》的合著者。__eol____eol__Ke Yong Li是新泽西Closter C & P技术公司的高级工程师。他的研究兴趣包括空时自适应处理（STAP）、波形分集和雷达信号处理。__eol____eol__Braham Himed是位于纽约州罗马市的美国空军实验室传感器部门的高级研究员。Himed博士的研究兴趣包括雷达信号处理、检测、估计、多通道自适应处理、时间序列分析和阵列处理。__eol__