第5講_雷達(dá)信號的相參檢測和處理【借鑒教學(xué)】

1、第五講 雷達(dá)信號的相參檢測和處理,1.引言 一、使用非相參處理的缺點(diǎn) 二、相參處理的原理和發(fā)展 三、相參處理的幾個(gè)問題 2. MTI 一、分類 二、MTI改善因子及參差MTI的頻率響應(yīng) (一) MTI的改善因子 (二) 參差MTI的頻率響應(yīng)特性 (三) 參差MTI的權(quán)系數(shù)設(shè)計(jì) 3MTI處理對改善因子和信噪比的損失 一、 I上限 二.、MTI處理損失,1,第五講 雷達(dá)信號的相參檢測和處理,1.引言 一、非相參處理的缺點(diǎn) 僅使用幅度信息，失去了相位信息！ 不能區(qū)分目標(biāo)的運(yùn)動方向,2,信號的矢量表示方法,3,不能通過時(shí)域積累改善信雜比，因雜波相關(guān)時(shí)間擊中數(shù)時(shí)間 對S/N的改善有限，當(dāng)N=100；S/

2、N的改善約為10dB。 即使能獲得獨(dú)立雜波樣本，S/C改善也難達(dá)到要求。如海雜波，相關(guān)時(shí)間1020ms，當(dāng)采樣間隔1020ms時(shí)，為獨(dú)立樣本。積累1s，有 50100個(gè)樣本，S/C改善 10dB，遠(yuǎn)不滿足要求。因輸入S/C為-20-50dB,1.引言,4,1.引言,二、相參處理的原理和發(fā)展 同時(shí)利用幅度和相位信息 本質(zhì)上屬頻域處理,5,固定目標(biāo)，fd=0， f =0，處于零頻單根譜線； 雜波（地、海）， fd約等于0 ， f 0 ，處于零頻或低頻有一定譜寬的信號； 氣象、箔條雜波，fd較高， f 0； 動目標(biāo)信號， fd較高（0 fr任意）， f 0 （可近似認(rèn)為f 0,1.引言,相參雷達(dá)中,

3、6,不同目標(biāo)信號的頻譜特性,7,下圖表示了固定目標(biāo)（雜波）和動目標(biāo)頻譜特性 相參檢波處理， 可獲得fd 信息,1.引言,8,9,1.引言,10,1.引言,11,動目標(biāo)處理: MTI和MTD MTI 一次對消 頻率響應(yīng)為梳狀濾波器， 凹口在fr整數(shù)倍處,1.引言,12,缺點(diǎn)： 凹口太窄 過濾帶太緩 通帶太窄 所以雜波抑制差，動目標(biāo)損失大,改進(jìn)： 多次對消，或反饋型MTI,1.引言,13,發(fā)展： 水銀延遲線 如CPS-5D，我國64年581雷達(dá)，清華的403MTI ，S/C改善1820 dB。 熔融石英延遲線（60年代） 移位寄存器（70年代） RAM延遲線（80年代初） MTI指標(biāo)25dB 80

4、年代以后，出現(xiàn)MTD,AMTI,AMTD,SMTD等,1.引言,14,1.引言,三 相參處理中的幾個(gè)問題 （一）指標(biāo) 改善因子 - -信號平均增益， -雜波抑制比,15,改善因子-IS/N NA -噪聲抑制比 雜波中可見度-SCV 信、雜重疊； 經(jīng)處理仍能以一定PF和PD 檢測動目標(biāo)時(shí)的(C/S)in=SCV 工程計(jì)算 SCV=I s/c -6dB,1.引言,16,動目標(biāo)處理損失 -L 動目標(biāo)譜落在凹口或過渡帶處時(shí)造成信號損失 理想 fd=0fr時(shí) ， =1， 實(shí)際： 定義,1.引言,17,二）雙通道（I,Q）處理的優(yōu)點(diǎn) 可克服盲相 可區(qū)分fd （證） 單通道 可見fd輸出均一樣，不能分辨目標(biāo)

5、運(yùn)動方向,1.引言,18,盲速和盲相,19,信號的矢量表示方法（I、Q雙通道表示方法,20,雙通道,1.引言,21,同樣,1.引言,22,則有 當(dāng)為d時(shí) 因此，當(dāng)為正d時(shí)，X(t)和Y(t)差90；當(dāng)為-d時(shí)， X(t)和Y(t)差270。因此，可區(qū)分 d 了,1.引言,23,能保留相對中頻L的非對稱頻譜特性,1.引言,24,實(shí)窄帶帶通信號的復(fù)包絡(luò)表示方法,復(fù)包絡(luò),調(diào)制信號,實(shí)信號,下變頻,25,單通道,1.引言,26,1.引言,27,正交雙通道相參處理 該式頻譜保留了中頻譜中非對稱形式,1.引言,28,該結(jié)論的意義：可利用Kalmus濾波器檢測雜波中慢目標(biāo)，正負(fù)頻率部分絕對值相減消除雜波，保

6、留目標(biāo),1.引言,29,相參檢測和處理，MTI/MTD,2.MTI,30,2.MTI,在同一距離單元上 成組或滑動處理，注意這里不 需要形成局部的判斷0/1， 直接在原數(shù)據(jù)上進(jìn)行相參處理,31,2.MTI,本質(zhì)為一低阻，高通濾波器 分類 （一）非遞歸形MTI濾波器（FIR,Advanced radar techniques and systems,Gaspare Galati,第6章，茅于海,32,二）遞歸型,2.MTI,33,三）混合型,2.MTI,34,MTI濾波器,35,非遞歸型有： 一次對消,2.MTI,36,2) 二次對消 當(dāng) K=2時(shí)， 還有多次對消MTI濾波器,2.MTI,37,

7、一次和二次對消器的比較,38,混合型有,2.MTI,39,一個(gè)極點(diǎn) 一個(gè)零點(diǎn),2.MTI,40,MTI頻率響應(yīng)的評價(jià)： 凹口越深越好； 過渡帶越陡越好； 通帶應(yīng)盡量平坦和寬,2.MTI,41,二 MTI改善因子及參差MTI的頻率響應(yīng) (一) MTI的改善因子 等重頻情況 令采樣間隔為ti，i=1,2,N，t1=0。 即t1=T1=0,t2=tN=Tr， 各采樣點(diǎn)相對t1的時(shí)延為,2.MTI,42,MTI的加權(quán)矢量W為（FIR): MTI頻率響應(yīng)為,2.MTI,其中,43,44,MTI改善因子的計(jì)算公式,45,則MTI的增益為,R矩陣的對角線元素為1，該矩陣為Hermit矩陣,46,平均增益為,

8、2.MTI,即得到了信號的平均增益,47,設(shè)雜波由多種雜波組成，功率譜為,可能包含各種雜波類型,48,改善因子為,2.MTI,和雜波的自相關(guān)函數(shù)有什么關(guān)系,49,其中,2.MTI,雜波自相關(guān)矩陣的第ij個(gè)元素,50,其中，令雜波相關(guān)矩陣為C=Cij ，Cij代表用雜波功率歸一化后的C的元素 上式基于相關(guān)陣各元素與功率譜間互為傅立葉變換，且 為輸入雜波功率,2.MTI,51,所以，有,52,對相關(guān)陣C,有以下關(guān)系： 和W0為相關(guān)陣C的特征值和相應(yīng)的特征向量。 令 當(dāng)=min時(shí)， 而與min相對應(yīng)的W0,即為最佳加權(quán)矢量,2.MTI,53,總結(jié) 設(shè)計(jì)Wopt和求Imax的步驟為： 構(gòu)造雜波協(xié)方差陣

9、C 特征分解得 找與min相對應(yīng)的W0PT 求得,2.MTI,54,二) 參差MTI的頻應(yīng)特性 為克服等頻狀態(tài)下的盲速，采用重頻參差技術(shù)，可將速度響應(yīng)的零點(diǎn)推出幾倍馬赫之外。 1、等重頻時(shí) N階MTI的加權(quán)系數(shù)為Wn，n=1,2,N 則系統(tǒng)沖擊響應(yīng)為,2.MTI,55,MTI的速度響應(yīng)為： 其中V為目標(biāo)的徑向速度 此|H(V)|為周期性函數(shù)，在fr整數(shù)倍相對應(yīng)的速度處將為零,2.MTI,56,例：雷達(dá)工作頻率3GHz，波長為0.1m,57,2、參差重頻速度的響應(yīng) 設(shè)N個(gè)脈沖的相互間隔為：T1 T2, TN-1, 即第k個(gè)和第k-1個(gè)脈沖的間隔為Tk，則有沖擊響應(yīng)為,2.MTI,58,則系統(tǒng)頻率

10、響應(yīng)為： 零點(diǎn)推出幾馬赫以外,2.MTI,59,三)參差MTI權(quán)系數(shù)設(shè)計(jì) 參差使I下降，權(quán)系數(shù)設(shè)計(jì)的目標(biāo)是使參差MTI的改善因子I非參差MTI的I。 兩種設(shè)計(jì)方法： 1、權(quán)系數(shù)修正法 （前提：非參差MTI權(quán)值已知，參差間隔Tn已知） 令非參差MTI最佳權(quán)為 頻率響應(yīng)為,2.MTI,60,參差時(shí)，設(shè)第n個(gè)脈沖發(fā)射時(shí)刻為Tn，時(shí)變加權(quán)系數(shù)為hn。 則參差MTI的頻應(yīng)為： 令在雜波中心附近范圍內(nèi)，參差和非參差MTI頻率響應(yīng)模的平方相等，則可保證兩者I相等，即： 其中f0為雜波中心頻率,2.MTI,注意這里和前面的Tn不同,61,當(dāng)f0=0時(shí)，將上式在零點(diǎn)做泰勒展開,2.MTI,其中,62,同樣，有,

11、令,則可以得到N-1個(gè)方程,63,則可以解得系數(shù)hn,進(jìn)一步可以得到方程組,64,f00時(shí)，由(2)式可得： 將hn代入上式，就可以得出雜波譜中心不在零頻處的參差MTI的時(shí)變加權(quán)系數(shù),2.MTI,65,總結(jié)：參差MTI設(shè)計(jì)步驟如下,1）設(shè)計(jì)凹口中心在零頻的非參差MTI的最佳權(quán)系數(shù)。 （2）解式（3）求出凹口中心在零頻處MTI的時(shí)變加權(quán)系數(shù)。 （3）當(dāng)凹口中心非零時(shí)（即雜波中心非零時(shí)），由式（4）可得出相應(yīng)的時(shí)變加權(quán)系數(shù),注：權(quán)系數(shù)修正法只適用于單雜波環(huán)境，當(dāng)多雜波存在時(shí)，可采用特征向量法直接設(shè)計(jì),2.MTI,66,2特征向量法： 這是已知參差碼時(shí)的最佳權(quán)系數(shù)直接設(shè)計(jì)法，設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是對已知模型的雜

12、波，平均改善因子最大,設(shè) 為參差時(shí)變加權(quán)，n=0,1,2,N-1. 則頻率響應(yīng)為,2.MTI,67,雜波功率譜為： 雜波相關(guān)陣為,2.MTI,68,改善因子: 所以求解權(quán)系數(shù)w,變?yōu)榍蠼饩仃嘋的最小特征值所對應(yīng)的特征向量。 當(dāng) 時(shí),2.MTI,69,例：設(shè)計(jì)6脈沖MTI能抗地雜波和中心在-50HZ+150HZ范圍內(nèi)的氣象雜波 雜波模型： 地雜波高斯譜，=4HZ， 強(qiáng)度=60dB. 氣象雜波高斯譜，=13HZ ，中心分別在-50HZ，50HZ，100HZ，150HZ，強(qiáng)度分別為 40dB，30dB，30dB，40dB,2.MTI,70,地雜波（f=0處）有深凹口 氣象雜波區(qū)，從-50HZ+150

13、HZ有一個(gè)200HZ寬的凹口 通帶內(nèi)波紋很小,2.MTI,71,下面兩表為設(shè)計(jì)的三和六脈沖MTI的改善因子,表1，三脈沖MTI,2.MTI,72,表2，六脈沖MTI，fr=657HZ 可見，參差時(shí)，不進(jìn)行權(quán)系數(shù)修正，I損失大,2.MTI,73,參差比選擇的原則： 使MTI速度響應(yīng)的第一盲速目標(biāo)最大速度 速度響應(yīng)通帶內(nèi)應(yīng)盡量平坦（波紋小,2.MTI,74,3MTI處理對改善因子和信噪比的損失,一、I上限： 受A/D和系統(tǒng)噪聲的限制 令A(yù)/D的量化誤差為，信號在A/D輸入，輸出分別為SD 和SA， 則：SA=SD+ ， =2-b(b為A/D有效位數(shù)) 設(shè)為均勻分布的白噪聲： 因 理想情況,75,則令 Ci=1（歸一化） Co=0（理想情況雜波全部被抑制）2為A/D量化噪聲的功率,3MTI處理對改善因子和信噪比的損失,76,表1 b與 的關(guān)系,實(shí)際上:因 ,Co0.因此 , 接收機(jī)和系統(tǒng)其它噪聲也會限制I,3MTI處理對改善因子和信噪比的損失,77,設(shè)系統(tǒng)總噪聲為 ，調(diào)整增益，使 ，(即系統(tǒng)最小方差=A/D最小量化間隔)，因此系統(tǒng)噪聲和A/D量化誤差兩者對I的限制為,表2， 與b的關(guān)系,3MTI處理對改善因子的限制和信噪比的損失,78,二. MTI處理損失 由有限字長造成 模型,3MTI處理對改善因子和信噪比的損失,79,MTI處理有限