雷達(dá)原理_第八章-運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)【技術(shù)材料】

1、第七章 作業(yè)解答,第七章 作業(yè)解答,第七章 作業(yè)解答,第七章 作業(yè)解答,第七章 作業(yè)解答,第七章 作業(yè)解答,第七章 作業(yè)解答,第八章 運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè), 電話V網(wǎng): 66286 西南科技大學(xué)國(guó)防科技學(xué)院,黃傳波,角度測(cè)量,主要內(nèi)容 多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用 動(dòng)目標(biāo)顯示雷達(dá)的工作原理及主要組成 盲速、 盲相的影響及其解決途徑 回波和雜波的頻譜及動(dòng)目標(biāo)顯示濾波器 動(dòng)目標(biāo)顯示雷達(dá)的工作質(zhì)量及質(zhì)量指標(biāo) 動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)(MTD) 自適應(yīng)動(dòng)目標(biāo)顯示系統(tǒng) 速度測(cè)量,MTD濾波器組示意圖,8.1 多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用,8.1.1 多普勒效應(yīng),雷達(dá)發(fā)射連續(xù)波的情況 這時(shí)發(fā)射信號(hào)可表

2、示為,s(t) = A cos(0t +,式中, 0為發(fā)射角頻率, 為初相; A為振幅,在雷達(dá)發(fā)射站處接收到由目標(biāo)反射的回波信號(hào)sr(t)為,8.1.1,式中, tr = 2R/c, 為回波滯后于發(fā)射信號(hào)的時(shí)間, k為回波的衰減系數(shù)。 如果目標(biāo)固定不動(dòng), 則距離R為常數(shù)?；夭ㄅc發(fā)射信號(hào)之間有固定相位差0tr=2f02R/c = (2/) 2R, 它是電磁波往返于雷達(dá)與目標(biāo)之間所產(chǎn)生的相位滯后,8.1 多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用,當(dāng)目標(biāo)與雷達(dá)站之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí), 則距離R隨時(shí)間變化。 設(shè)目標(biāo)以勻速相對(duì)雷達(dá)站運(yùn)動(dòng), 則在時(shí)間t時(shí)刻, 目標(biāo)與雷達(dá)站間的距離R(t)為,R(t) = R0 - vrt

3、,式中，R0 為 t=0 時(shí)的距離；vr為目標(biāo)相對(duì)雷達(dá)站的徑向運(yùn)動(dòng)速度,由目標(biāo)反射的回波信號(hào)sr(t)說(shuō)明, 在t時(shí)刻接收到的波形sr(t)上的某點(diǎn), 是在t-tr時(shí)刻發(fā)射的。 由于通常雷達(dá)和目標(biāo)間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度vr遠(yuǎn)小于電磁波速度c, 故時(shí)延tr可近似寫為,8.1.2,8.1 多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用,回波信號(hào)比起發(fā)射信號(hào)來(lái), 高頻相位差,是時(shí)間t的函數(shù), 在徑向速度vr為常數(shù)時(shí), 產(chǎn)生頻率差為,8.1.3,這就是多普勒頻率, 它正比于相對(duì)運(yùn)動(dòng)的速度而反比于工作波長(zhǎng)。當(dāng)目標(biāo)飛向雷達(dá)站時(shí), 多普勒頻率為正值, 接收信號(hào)頻率高于發(fā)射信號(hào)頻率, 而當(dāng)目標(biāo)背離雷達(dá)站飛行時(shí), 多普勒頻率為負(fù)值,

4、接收信號(hào)頻率低于發(fā)射信號(hào)頻率,8.1 多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用,多普勒頻率可以直觀地解釋為: 振蕩源發(fā)射的電磁波以恒速c傳播, 如果接收者相對(duì)于振蕩源是不動(dòng)的, 則他在單位時(shí)間內(nèi)收到的振蕩數(shù)目與振蕩源發(fā)出的相同, 即二者頻率相等。如果振蕩源與接收者之間有相對(duì)接近的運(yùn)動(dòng), 則接收者在單位時(shí)間內(nèi)收到的振蕩數(shù)目要比他不動(dòng)時(shí)多一些, 也就是接收頻率增高；當(dāng)二者作背向運(yùn)動(dòng)時(shí), 結(jié)果相反,8.1 多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用,2. 窄帶信號(hào)時(shí)的多普勒效應(yīng) 常用雷達(dá)信號(hào)為窄帶信號(hào)(帶寬遠(yuǎn)小于中心頻率)。 其發(fā)射信號(hào)可以表示為,式中，Re表示取實(shí)部; u(t)為調(diào)制信號(hào)的復(fù)數(shù)包絡(luò); 0為發(fā)射角頻率。 由目

5、標(biāo)反射的回波信號(hào)sr(t)可以寫成,8.1.4,當(dāng)目標(biāo)固定不動(dòng)時(shí), 回波信號(hào)的復(fù)包絡(luò)有一固定遲延, 而高頻則有一個(gè)固定相位差,8.1 多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用,當(dāng)目標(biāo)相對(duì)雷達(dá)站勻速運(yùn)動(dòng)時(shí), 按式(8.1.2)近似地認(rèn)為其延遲時(shí)間tr為,則式(8.1.4)的回波信號(hào)表示式說(shuō)明, 回波信號(hào)比起發(fā)射信號(hào)來(lái)講, 復(fù)包絡(luò)滯后tr, 而高頻相位差=-0tr=-2 (2/)(R0-vrt)是時(shí)間的函數(shù)。當(dāng)速度vr為常數(shù)時(shí), (t)引起的頻率差為,稱為多普勒頻率, 即回波信號(hào)的頻率比之發(fā)射頻率有一個(gè)多普勒頻移,8.1 多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用,附注: 從式(8.1.1)出發(fā), 較嚴(yán)格地討論運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波

6、的特點(diǎn)。在t時(shí)刻收到的回波是在t-tr時(shí)刻發(fā)射的, 而照射到目標(biāo)上的時(shí)間是t=t - (1/2) tr, 照射時(shí)的目標(biāo)距離為,8.1.5,往返R(t)距離所需的時(shí)間正是目標(biāo)的延遲時(shí)間tr, 即,可解得結(jié)果,8.1.6,8.1 多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用,將tr代入式(8.1.1)可得運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波為,8.1.7,由式(8.1.7)可以看出, 運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波信號(hào)的角頻率變?yōu)?, 可化簡(jiǎn)并近似為,8.1 多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用,即信號(hào)角頻率的變化值d = (2vr/c) 0 = 2 2vr/, 為多普勒頻移。近似后的結(jié)果, 與常用的多普勒頻率表達(dá)式(8.1.3)相同。 對(duì)于窄帶發(fā)射信號(hào)而言,

7、要嚴(yán)格地討論運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波的特點(diǎn), 可將式(8.1.6)代入式(8.1.4)后, 得到的結(jié)果是,8.1.8,8.1 多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用,由式(8.1.8)可以討論窄帶信號(hào)時(shí)的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波的幾個(gè)特點(diǎn): (1) 由指數(shù)項(xiàng), 信號(hào)角頻率已變?yōu)?, 通?？倽M足c vr, 故角頻率可作近似簡(jiǎn)化處理，得到信號(hào)角頻率的變化量為,稱為多普勒頻率,8.1 多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用,2) 對(duì)于復(fù)數(shù)包絡(luò)u(t)來(lái)講,中的因子(c+vr)/(c-vr)表示信號(hào)在時(shí)間軸上的增長(zhǎng)或壓縮。根據(jù)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的方向可確定其是增長(zhǎng)還是壓縮。目標(biāo)和雷達(dá)站相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí), vr為正值, 相當(dāng)于波形在時(shí)間軸上壓縮, 而在頻率軸上頻

8、譜將展寬,8.1 多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用,但在雷達(dá)的大多數(shù)應(yīng)用情況下, 上述復(fù)包絡(luò)變化的效應(yīng)可以忽略。設(shè)發(fā)射信號(hào)的時(shí)寬為, 由于忽略時(shí)間軸伸縮所引起的時(shí)間誤差為,當(dāng)信號(hào)的帶寬為f時(shí), 上述時(shí)間誤差可忽略的條件為,8.1.9,8.1 多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用,這個(gè)條件是經(jīng)常滿足的, 例如若目標(biāo)速度為10倍音速, vr=3.3103 m/s, 則2vr/c 210-5, 這樣即使信號(hào)的時(shí)間帶寬積f為1000數(shù)量級(jí)時(shí), 不等式(8.1.9)仍能滿足。以上討論均忽略了目標(biāo)加速度引起的影響?？梢钥闯? 在當(dāng)前目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的速度范圍內(nèi), 運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波的表達(dá)式(8.1.4)可以近似為,8.1.10,運(yùn)

9、動(dòng)目標(biāo)回波的主要特征是其中心頻率偏移多普勒頻率, 其它影響均可忽略。前面近似結(jié)果完全可以采用,8.1 多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用,回波信號(hào)產(chǎn)生的多普勒頻移可由發(fā)射站到目標(biāo)的距離Rt加上由目標(biāo)到接收站的距離Rr隨時(shí)間變化求得,在單基地雷達(dá)情況下, 引起多普勒頻移的是雷達(dá)和目標(biāo)連線方向的徑向速度vr。設(shè)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)方向與該連線的夾角為, 目標(biāo)速度為v, 則徑向速度分量vr為,8.1.11,8.1 多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用,8.1.2 多普勒信息的提取 已經(jīng)知道, 回波信號(hào)的多普勒頻移fd正比于徑向速度，而反比于雷達(dá)工作波長(zhǎng), 即,多普勒頻移的相對(duì)值正比于目標(biāo)速度與光速之比, fd的正負(fù)值取決于目

10、標(biāo)運(yùn)動(dòng)的方向。在多數(shù)情況下, 多普勒頻率處于音頻范圍。例如當(dāng)= 10 cm, vr= 300 m/s時(shí), 求得fd = 6kHz 。而此時(shí)雷達(dá)工作頻率f0 = 3000MHz , 目標(biāo)回波信號(hào)頻率為fr = 3000 MHz6kHz, 兩者相差的百分比是很小的。因此要從接收信號(hào)中提取多普勒頻率需要采用差拍的方法, 即設(shè)法取出f0和fr的差值fd,8.1 多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用,1. 連續(xù)波多普勒雷達(dá) 為取出收發(fā)信號(hào)頻率的差頻, 可以在接收機(jī)檢波器輸入端引入發(fā)射信號(hào)作為基準(zhǔn)電壓, 在檢波器輸出端即可得到收發(fā)頻率的差頻電壓, 即多普勒頻率電壓。這時(shí)的基準(zhǔn)電壓通常稱為相參(干)電壓, 而完成差

11、頻比較的檢波器稱為相干檢波器。相干檢波器就是一種相位檢波器, 在其輸入端除了加基準(zhǔn)電壓外, 還有需要鑒別其差頻率或相對(duì)相位的信號(hào)電壓。 圖 8.1(a) (c)畫出了連續(xù)波多普勒雷達(dá)的原理性組成方框圖、獲取多普勒頻率的差拍矢量圖及各主要點(diǎn)的頻譜圖,8.1 多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用,圖 8.1 連續(xù)波多普勒雷達(dá)原理框圖 (a) 組成框圖; (b) 多普勒頻率差拍矢量; (c) 頻譜圖,8.1 多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用,發(fā)射機(jī)產(chǎn)生頻率為f0的等幅連續(xù)波高頻振蕩, 其中絕大部分能量從發(fā)射天線輻射到空間, 很少部分能量耦合到接收機(jī)輸入端作為基準(zhǔn)電壓?；旌系陌l(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后, 在相位

12、檢波器輸出端取出其差拍電壓, 隔除其中直流分量, 得到多普勒頻率信號(hào)送到終端指示器,8.1 多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用,1）固定目標(biāo) 對(duì)于固定目標(biāo)信號(hào), 由于它和基準(zhǔn)信號(hào)的相位差=0tr保持常數(shù), 故混合相加的合成電壓幅度亦不改變。當(dāng)回波信號(hào)振幅Ur遠(yuǎn)小于基準(zhǔn)信號(hào)振幅U0時(shí), 從矢量圖上可求得其合成電壓為,包絡(luò)檢波器輸出正比于合成信號(hào)振幅。對(duì)于固定目標(biāo), 合成矢量不隨時(shí)間變化, 檢波器輸出經(jīng)隔直流后無(wú)輸出,8.1 多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用,2）運(yùn)動(dòng)目標(biāo) 運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波與基準(zhǔn)電壓的相位差隨時(shí)間按多普勒頻率變化。即回波信號(hào)矢量圍繞基準(zhǔn)信號(hào)矢量端點(diǎn)以等角速度d旋轉(zhuǎn), 這時(shí)合成矢量的振幅為,經(jīng)相位

13、檢波器取出二電壓的差拍, 通過(guò)隔直流電容器得到輸出的多普勒頻率信號(hào)為,8.1.12,在檢波器中, 還可能產(chǎn)生多種和差組合頻率, 可用低通濾波器取出所需要的多普勒頻率fd送到終端指示(例如頻率計(jì)), 即可測(cè)得目標(biāo)的徑向速度值,8.1 多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用,2. 脈沖工作狀態(tài)時(shí)的多普勒效應(yīng) 當(dāng)雷達(dá)發(fā)射脈沖信號(hào)時(shí), 和連續(xù)發(fā)射時(shí)一樣, 運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波信號(hào)中產(chǎn)生一個(gè)附加的多普勒頻率分量。所不同的是目標(biāo)回波僅在脈沖寬度時(shí)間內(nèi)按重復(fù)周期出現(xiàn)。 圖8.2畫出了利用多普勒效應(yīng)的脈沖雷達(dá)方框圖及各主要點(diǎn)的波形圖, 圖中所示為多普勒頻率fd小于脈沖寬度倒數(shù)的情況,8.1 多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用,圖 8

14、.2 利用多普勒效應(yīng)的脈沖雷達(dá) (a) 原理框圖; (b) 主要波形圖;(c) A顯畫面(對(duì)消前,8.1 多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用,圖 8.2 利用多普勒效應(yīng)的脈沖雷達(dá) (a) 原理方塊圖; (b) 主要波形圖;(c) A顯畫面(對(duì)消前,8.1 多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用,圖 8.2 利用多普勒效應(yīng)的脈沖雷達(dá) (a) 原理方塊圖; (b) 主要波形圖;(c) A顯畫面(對(duì)消前,8.1 多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用,和連續(xù)波雷達(dá)的工作情況相類比: 發(fā)射信號(hào)按一定的脈沖寬度和重復(fù)周期Tr工作。由連續(xù)振蕩器取出的電壓作為接收機(jī)相位檢波器的基準(zhǔn)電壓, 基準(zhǔn)電壓在每一重復(fù)周期均和發(fā)射信號(hào)有相同的起

15、始相位, 因而是相參的。 相位檢波器輸入端所加電壓有兩個(gè): 連續(xù)的基準(zhǔn)電壓uk，uk=Uksin(0t+0), 其頻率和起始相位均與發(fā)射信號(hào)相同; 回波信號(hào)ur, ur = Ursin0(t-tr)+0 , 當(dāng)雷達(dá)為脈沖工作時(shí), 回波信號(hào)是脈沖電壓, 只在信號(hào)來(lái)到期間即trttr+時(shí)才存在, 其它時(shí)間只有基準(zhǔn)電壓Uk加在相位檢波器上。經(jīng)過(guò)檢波器的輸出信號(hào)為,8.1.14,8.1 多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用,式中, U0為直流分量, 為連續(xù)振蕩的基準(zhǔn)電壓經(jīng)檢波后的輸出, 而U0m cos則代表檢波后的信號(hào)分量。在脈沖雷達(dá)中, 由于回波信號(hào)為按一定重復(fù)周期出現(xiàn)的脈沖, 因此, U0m cos表示

16、相位檢波器輸出回波信號(hào)的包絡(luò)。圖8.3給出了相位檢波器輸出波形圖。 對(duì)于固定目標(biāo)來(lái)講, 相位差是常數(shù),合成矢量的幅度不變化, 檢波后隔去直流分量可得到一串等幅脈沖輸出。對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波而言, 相位差隨時(shí)間t改變, 其變化情況由目標(biāo)徑向運(yùn)動(dòng)速度vr及雷達(dá)工作波長(zhǎng)決定,8.1 多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用,圖 8.3 相位檢波器輸出波形,8.1 多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用,合成矢量為基準(zhǔn)電壓Uk以及回波信號(hào)相加, 經(jīng)檢波及隔去直流分量后得到脈沖信號(hào)的包絡(luò)為,8.1.15,即回波脈沖的包絡(luò)調(diào)制頻率為多普勒頻率。這相當(dāng)于連續(xù)波工作時(shí)的取樣狀態(tài), 在脈沖工作狀態(tài)時(shí), 回波信號(hào)按脈沖重復(fù)周期依次出現(xiàn), 信

17、號(hào)出現(xiàn)時(shí)對(duì)多普勒頻率取樣輸出。 脈沖工作時(shí), 相鄰重復(fù)周期運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波與基準(zhǔn)電壓之間的相位差是變化的, 其變化量為,8.1 多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用,相鄰重復(fù)周期延遲時(shí)間的變化量tr=2R/c=2vrTr/c是很小的數(shù)量, 但當(dāng)它反映到高頻相位上時(shí), =0tr就會(huì)產(chǎn)生很靈敏的反應(yīng)。相參脈沖雷達(dá)利用了相鄰重復(fù)周期回波信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)之間相位差的變化來(lái)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波, 相位檢波器將高頻的相位差轉(zhuǎn)化為輸出信號(hào)的幅度變化,8.1 多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用,脈沖雷達(dá)工作時(shí), 單個(gè)回波脈沖的中心頻率亦有相應(yīng)的多普勒頻移, 但在fd1/的條件下(這是常遇到的情況), 這個(gè)多普勒頻移只使相位檢波器輸出

18、脈沖的頂部產(chǎn)生畸變。這就表明要檢測(cè)出多普勒頻率需要多個(gè)脈沖信號(hào)。只有當(dāng)fd 1/時(shí), 才有可能利用單個(gè)脈沖測(cè)出其多普勒頻率。對(duì)于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波, 其重復(fù)周期的微小變化Tr = (2vr/c) Tr通常均可忽略,8.1 多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用,8.1.3 盲速和頻閃,當(dāng)雷達(dá)處于脈沖工作狀態(tài)時(shí), 將發(fā)生區(qū)別于連續(xù)工作狀態(tài)的特殊問(wèn)題, 即盲速和頻閃效應(yīng)。 盲速是指目標(biāo)雖然有一定的徑向速度vr, 但若其回波信號(hào)經(jīng)過(guò)相位檢波器后, 輸出為一串等幅脈沖, 與固定目標(biāo)的回波相同，此時(shí)的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度稱為盲速。 頻閃效應(yīng)是當(dāng)脈沖工作狀態(tài)時(shí), 相位檢波器輸出端回波脈沖串的包絡(luò)調(diào)制頻率Fd, 與目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的徑向速

19、度vr不再保持正比關(guān)系。此時(shí)如用包絡(luò)調(diào)制頻率測(cè)速時(shí)將產(chǎn)生測(cè)速模糊。 產(chǎn)生盲速和頻閃效應(yīng)的基本原因在于, 脈沖工作狀態(tài)是對(duì)連續(xù)發(fā)射的取樣, 取樣后的波形和頻譜均將發(fā)生變化,8.1 多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用,由式(8.1.10)知, 當(dāng)雷達(dá)信號(hào)為窄帶信號(hào)時(shí), 運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的雷達(dá)回波sr(t)為,sr(t) =Reku(t-tr)expj(0+d)(t-t0,式中，tr為復(fù)包絡(luò)遲延, 而fd為高頻的多普勒頻移。當(dāng)雷達(dá)處于脈沖工作狀態(tài)時(shí), 簡(jiǎn)單脈沖波形時(shí)的復(fù)調(diào)制函數(shù)u(t)可寫成,式中, rect表示矩形函數(shù); 為脈沖寬度; Tr為脈沖重復(fù)周期,8.1 多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用,u(t)的頻譜U(

20、f)是一串間隔fr = 1/Tr的譜線, 譜線的包絡(luò)取決于脈沖寬度的值。運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的回波信號(hào)是u(t-tr)和具有多普勒頻移的連續(xù)振蕩相乘, 因而其頻譜是兩者的卷積,如圖8.4(b)所示，相當(dāng)于把U(f)的頻譜中心分別搬移到f0+fd和-(f0+fd)的位置上,8.1 多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用,圖 8.4 脈沖工作時(shí)各主要點(diǎn)信號(hào)頻譜 發(fā)射信號(hào)頻譜; (b) 接收信號(hào)頻譜; (c) 相參電壓譜; (d) 相位檢波輸出譜,8.1 多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用,相位檢波器的輸入端加有頻率為f0的相參電壓和回波信號(hào)電壓, 在其輸出端得到兩個(gè)電壓的差頻, 如圖8.4(d)所示, 其譜線的位置在nfrf

21、d處, n=0, 1, 2, , 譜線的包絡(luò)與U(f)相同。 由圖8.4的頻譜圖可以看出脈沖信號(hào)產(chǎn)生“盲速”的原因: 固定目標(biāo)時(shí)，fd=0, 其回波的頻譜結(jié)構(gòu)與發(fā)射信號(hào)相同, 是由f0和f0nfr的譜線所組成。對(duì)于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波, 譜線中心移動(dòng)fd, 故其頻譜由f0+fd、f0+fdnfr的譜線組成, 經(jīng)過(guò)相位檢波器后, 得到fd及nfrfd的差頻, 其波形為多普勒頻率fd調(diào)幅的一串脈沖。當(dāng)fd=nfr時(shí), 運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波的譜線由nfr所組成, 頻譜結(jié)構(gòu)與固定目標(biāo)回波的相同, 這時(shí)無(wú)法區(qū)分運(yùn)動(dòng)目標(biāo)與固定目標(biāo),8.1 多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用,從圖8.4的頻譜圖上也可以分析產(chǎn)生頻閃的原因: 當(dāng)多

22、普勒頻率fd超過(guò)重復(fù)頻率fr的一半時(shí), 頻率nfr的上邊頻分量nfr+fd與頻率(n+1)fr的下邊頻分量(n+1)fr-fd在譜線排列的前后位置上交叉。兩個(gè)不同的多普勒頻率fd1和fd2, 只要滿足fd1=nfr-fd2, 則二者的譜線位置相同而無(wú)法區(qū)分。同樣, 當(dāng)fd1=nfr+fd2時(shí), 二者的頻譜結(jié)構(gòu)相同也是顯而易見(jiàn)的。因此, 在相參脈沖雷達(dá)中, 如果要用相位檢波器輸出脈沖的包絡(luò)頻率來(lái)單值地測(cè)定目標(biāo)的速度, 必須滿足的條件是,8.1.16,8.1 多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用,盲速和頻閃效應(yīng)也可以從矢量圖和相對(duì)應(yīng)的波形圖加以說(shuō)明。 1、關(guān)于盲速 從矢量圖8.5(a)可以看出, 相鄰周期

23、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的回波和基準(zhǔn)電壓之間相位差的變化量為=dTr, 根據(jù)的變化規(guī)律即可得到一串振幅變化的視頻脈沖。當(dāng)=2時(shí), 雖然目標(biāo)是運(yùn)動(dòng)的, 但相鄰周期回波與基準(zhǔn)電壓間的相對(duì)位置不變, 其效果正如目標(biāo)是不運(yùn)動(dòng)的一樣, 這就是盲速?？汕蟮妹に倥c雷達(dá)參數(shù)的關(guān)系。 當(dāng)=2n, 即,=dTr =2n n=1, 2, 3,時(shí), 會(huì)產(chǎn)生盲速, 這時(shí),fdTr = n 或 fd = nfr,8.1 多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用,圖 8.5 用矢量和波形圖說(shuō)明盲速和頻閃 (a) 盲速說(shuō)明; (b) 頻閃說(shuō)明; (c) Fa的變化規(guī)律,8.1 多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用,因 fd = 2vr/, 所以盲速,盲速的出現(xiàn)

24、的原因是取樣系統(tǒng)的觀察是間斷而不是連續(xù)的。在連續(xù)系統(tǒng)中, 多普勒頻率總是正比于目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的速度而沒(méi)有模糊。但在脈沖工作時(shí), 相位檢波器輸出端的回波脈沖包絡(luò)頻率只在多普勒頻率較脈沖重復(fù)頻率低時(shí)(fd1/2fr)才能代表目標(biāo)的多普勒頻率。在盲速時(shí),即在重復(fù)周期內(nèi), 目標(biāo)走過(guò)的距離正好是發(fā)射高頻振蕩半波長(zhǎng)的整數(shù)倍, 由此引起的高頻相位差正好是2的整數(shù)倍,8.1 多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用,2、關(guān)于頻閃效應(yīng) 可從圖8.5(b)的矢量圖上看出，當(dāng)相鄰重復(fù)周期回波信號(hào)的相位差=2n-時(shí), 在相位檢波器輸出端的結(jié)果與=時(shí)是相同的, 差別僅為矢量的視在旋轉(zhuǎn)方向相反, 因此上述二種情況下, 脈沖信號(hào)的包絡(luò)調(diào)制頻

25、率相同。相位差=2n+時(shí), 其相位檢波器輸入端合成矢量與=完全一樣, 因而其輸出脈沖串的調(diào)制頻率亦相同。當(dāng)=0時(shí)表現(xiàn)為盲速現(xiàn)象,一般情況下0, 表現(xiàn)為頻閃現(xiàn)象, 這時(shí)相位檢波器輸出脈沖包絡(luò)調(diào)制頻率與回波信號(hào)的多普勒頻率不相等,8.1 多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用,8.1 多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用,包絡(luò)調(diào)制頻率隨著多普勒頻率的增加按雷達(dá)工作的重復(fù)頻率周期性地變化。包絡(luò)調(diào)制頻率的最大值產(chǎn)生在=2n-時(shí), 相應(yīng)的多普勒頻率為nfr-(1/2)fr, 而這時(shí)的包絡(luò)調(diào)制頻率Fd=fr/2 。只有當(dāng)fdfr/2時(shí), 包絡(luò)調(diào)制頻率和多普勒頻率才相等。圖8.5(c)中畫出了脈沖包絡(luò)調(diào)制頻率Fd變化規(guī)律曲線

26、, 它隨著多普勒頻率的增加而周期性變化, 這就是頻閃效應(yīng)。當(dāng)fd=nfr時(shí), 包絡(luò)調(diào)制頻率Fd=0, 這就是盲速,圖 8.6 高速目標(biāo)(fd 1/)的多普勒效應(yīng) (a) 波形; (b) 頻譜,8.1 多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用,一、動(dòng)目標(biāo)顯示雷達(dá)與普通雷達(dá)的主要區(qū)別 當(dāng)脈沖雷達(dá)利用多普勒效應(yīng)來(lái)鑒別運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波和固定目標(biāo)回波時(shí), 與普通脈沖雷達(dá)的差別是： 有產(chǎn)生相干振蕩電壓的系統(tǒng)； 用相干檢波器代替普通振幅檢波器，輸出相干視頻脈沖串； 信號(hào)經(jīng)相消設(shè)備后送到終端，顯示運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波脈沖,8.2 動(dòng)目標(biāo)顯示雷達(dá)的工作原理及主要組成,二、動(dòng)目標(biāo)顯示雷達(dá)的基本類型,1. 中頻全相參(干)動(dòng)目標(biāo)顯示 當(dāng)雷

27、達(dá)發(fā)射機(jī)采用主振放大器時(shí), 每次發(fā)射脈沖的初相由連續(xù)振蕩的主振源控制, 發(fā)射信號(hào)是全相參的, 即發(fā)射高頻脈沖、本振電壓、相參電壓之間均有確定的相位關(guān)系。相位檢波通常是在中頻上進(jìn)行的, 因?yàn)樵诔獠罱邮諜C(jī)中, 信號(hào)的放大主要依靠中頻放大器。在中頻進(jìn)行相位檢波, 仍能保持和高頻相位檢波相同的相位關(guān)系,8.2 動(dòng)目標(biāo)顯示雷達(dá)的工作原理及主要組成,圖 8.7 中頻全相參(干)動(dòng)目標(biāo)顯示雷達(dá)方框圖,主振源為U0cos(0t+0,中頻相參振蕩器Uc cos(ct+c,和頻,回波信號(hào)為Urcos0(t-tr)+0,回波與本振混頻后中頻信號(hào),Urcosct+c+0tr,8.2 動(dòng)目標(biāo)顯示雷達(dá)的工作原理及主要組

28、成,2. 鎖相相參動(dòng)目標(biāo)顯示 當(dāng)雷達(dá)發(fā)射機(jī)采用自激振蕩器(如磁控管振蕩器)時(shí), 它的每一發(fā)射脈沖高頻起始相位是隨機(jī)的。因此，為了得到與發(fā)射脈沖起始相位保持嚴(yán)格關(guān)系的基準(zhǔn)電壓, 應(yīng)該采用鎖相的辦法, 也就是使振蕩電壓的起始相位受外加電壓相位的控制。原則上有兩種鎖相的辦法: 一種是將發(fā)射機(jī)輸出的高頻電壓加到相參振蕩器去鎖相; 另一種是將連續(xù)振蕩的相參電壓加到發(fā)射機(jī)振蕩器去, 以控制發(fā)射脈沖的起始相位。后一種方法要求較大的控制功率, 因而在實(shí)際中用得較少,8.2 動(dòng)目標(biāo)顯示雷達(dá)的工作原理及主要組成,圖 8.8 中頻鎖相的脈沖相參雷達(dá)方框圖,本地振蕩器,發(fā)射機(jī)輸出,混頻后取其差頻作為鎖相電壓,目標(biāo)回波

29、信號(hào)為,混頻后得到中頻信號(hào),回波信號(hào)ur與基準(zhǔn)電壓比較相位位差只決定于,8.2 動(dòng)目標(biāo)顯示雷達(dá)的工作原理及主要組成,對(duì)磁控管發(fā)射機(jī)的雷達(dá), 如果后面用數(shù)字信號(hào)處理, 則接收相參可用圖8.9所示的方式。將發(fā)射信號(hào)的隨機(jī)相位t測(cè)量出來(lái), 并與送到數(shù)字對(duì)消器前的接收信號(hào)相位r相減, 消去發(fā)射信號(hào)隨機(jī)相位的影響而獲得等效的接收相參。發(fā)射信號(hào)經(jīng)穩(wěn)定本振混頻后獲得中頻發(fā)射脈沖, 而后以相參振蕩器(COHO)的電壓為基準(zhǔn), 在正交相位檢波器中相參檢波, 獲得I與Q兩路基帶輸出,t的信息包含在基帶輸出中, t = arctan Q/I,8.2 動(dòng)目標(biāo)顯示雷達(dá)的工作原理及主要組成,圖 8.9 相位存儲(chǔ)式接收相參

30、MTI,如果A/D變換器的精度足夠, 則這種方式的接收相參所能得到的對(duì)消結(jié)果將優(yōu)于通常所用的鎖相相參振蕩器。這是因?yàn)檫B續(xù)工作的相參振蕩器, 其頻率穩(wěn)定性比每次發(fā)射脈沖均要被鎖相而處于啟斷工作狀態(tài)的相參振蕩器要好得多,8.2 動(dòng)目標(biāo)顯示雷達(dá)的工作原理及主要組成,三、 消除固定目標(biāo)回波,1. 相消設(shè)備特性 由相位檢波器輸出的脈沖包絡(luò)為,式中，為回波與基準(zhǔn)電壓之間的相位差,回波信號(hào)按重復(fù)周期Tr出現(xiàn), 將回波信號(hào)延遲一周期后, 其包絡(luò)為,u=U0 cosd(t-Tr)-0,8.2.6,8.2 動(dòng)目標(biāo)顯示雷達(dá)的工作原理及主要組成,相消器的輸出為兩者相減,8.2.7,輸出包絡(luò)為一多普勒頻率的正弦信號(hào),

31、其振幅為,也是多普勒頻率的函數(shù)。當(dāng)dTr/2 = n(n=1, 2, 3)時(shí), 輸出振幅為零。這時(shí)的目標(biāo)速度正相當(dāng)于盲速。此時(shí)，運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波在相位檢波器的輸出端與固定目標(biāo)回波相同, 因而經(jīng)相消設(shè)備后輸出為零, 如圖 8.10 所示,8.2 動(dòng)目標(biāo)顯示雷達(dá)的工作原理及主要組成,圖 8.10 遲延相消設(shè)備及其輸出響應(yīng) (a) 組成框圖; (b) 速度響應(yīng); (c) 頻率響應(yīng)特性,8.2 動(dòng)目標(biāo)顯示雷達(dá)的工作原理及主要組成,相消設(shè)備也可以從頻率域?yàn)V波器的觀點(diǎn)來(lái)說(shuō)明。下面求出相消設(shè)備的頻率響應(yīng)特性。輸出為,網(wǎng)絡(luò)的頻率響應(yīng)特性為,8.2.8,其頻率響應(yīng)特性如圖8.10(c)所示,8.2 動(dòng)目標(biāo)顯示雷達(dá)的

32、工作原理及主要組成,相消設(shè)備等效于一個(gè)梳齒形濾波器, 其頻率特性在f=nfr各點(diǎn)均為零。固定目標(biāo)頻譜的特點(diǎn)是, 譜線位于nfr點(diǎn)上, 因而在理想情況下, 通過(guò)相消器這樣的梳齒濾波器后輸出為零。當(dāng)目標(biāo)的多普勒頻率為重復(fù)頻率整數(shù)倍時(shí), 其頻譜結(jié)構(gòu)也有相同的特點(diǎn), 故通過(guò)上述梳狀濾波器后無(wú)輸出,8.2 動(dòng)目標(biāo)顯示雷達(dá)的工作原理及主要組成,2. 數(shù)字式相消器 用數(shù)字遲延線代替模擬遲延線是數(shù)字動(dòng)目標(biāo)顯示(DMTI)的基本點(diǎn)。采用數(shù)字式對(duì)消器具有許多優(yōu)點(diǎn): 它穩(wěn)定可靠, 平時(shí)不需要調(diào)整, 便于維護(hù)使用, 且體積小、重量輕。 此外， 數(shù)字式對(duì)消器還具有一些特點(diǎn): 容易得到長(zhǎng)的延時(shí), 因而便于實(shí)現(xiàn)多脈沖對(duì)消,

33、 以改善濾波器頻率特性; 容易實(shí)現(xiàn)重復(fù)周期的參差跳變, 以消除盲速并改善速度響應(yīng)特性; 容易和其它數(shù)字式信號(hào)處理設(shè)備(如數(shù)字式信號(hào)積累器等)配合, 以提高雷達(dá)性能; 動(dòng)態(tài)范圍可做得較大?？傊? 它可以實(shí)現(xiàn)更為完善和靈活的信號(hào)處理功能,8.2 動(dòng)目標(biāo)顯示雷達(dá)的工作原理及主要組成,圖 8.11 數(shù)字式相消器簡(jiǎn)單組成方框,8.2 動(dòng)目標(biāo)顯示雷達(dá)的工作原理及主要組成,模擬信號(hào)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)要經(jīng)過(guò)時(shí)間取樣和幅度分層兩步。以時(shí)鐘脈沖控制取樣保持電路對(duì)輸入相參視頻信號(hào)取樣, 被時(shí)間量化的取樣保持信號(hào)送到模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(A/D變換器)進(jìn)行幅度分層, 轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)輸出,首先要把從相位檢波器輸出的模擬信號(hào)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)

34、,數(shù)字信號(hào)的遲延可用存儲(chǔ)器完成, 將數(shù)字信號(hào)按取樣順序?qū)懭氪鎯?chǔ)器內(nèi), 當(dāng)下一個(gè)重復(fù)周期的數(shù)字信號(hào)到來(lái)時(shí), 由存儲(chǔ)器中讀出同一距離單元的信號(hào)進(jìn)行相減運(yùn)算, 在輸出端得到跨周期相消的數(shù)字信號(hào)。這個(gè)數(shù)字信號(hào)可以很方便地用來(lái)作其它數(shù)字處理(例如積累、恒虛警等), 如果需要模擬信號(hào)作顯示, 則可將數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器, 變?yōu)槟M信號(hào)輸出,8.2 動(dòng)目標(biāo)顯示雷達(dá)的工作原理及主要組成,8.3 盲速、盲相的影響及其解決途徑,8.3.1 盲速 1. 盲速以及消除盲速影響的方法 盲速在相鄰兩周期運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波的相位差為2的整數(shù)倍, 即,此n=1時(shí)為第一盲速, 要可靠地發(fā)現(xiàn)目標(biāo), 應(yīng)保證第一盲速大于可能出現(xiàn)的目標(biāo)最

35、大速度,在均勻重復(fù)周期時(shí), 盲速和工作波長(zhǎng)以及重復(fù)頻率fr的關(guān)系是確定的, 這兩個(gè)參數(shù)的選擇還受到其他因素的限制。 以3cm雷達(dá)為例, 如果最大測(cè)距范圍為30km, 則其重復(fù)頻率fr應(yīng)小于5kHz, 由這個(gè)參數(shù)決定的第一盲速值vr01 = (/2) fr=75m/s, 這個(gè)速度遠(yuǎn)低于目前超音速目標(biāo)的速度, 也就是說(shuō), 如果不采取措施, 在目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的速度范圍內(nèi), 將多次碰到各個(gè)盲速點(diǎn)而發(fā)生丟失目標(biāo)的危險(xiǎn)。 因此, 當(dāng)雷達(dá)工作時(shí), 采用兩個(gè)以上不同重復(fù)頻率交替工作(稱為參差重復(fù)頻率), 就可以改善“盲速”對(duì)動(dòng)目標(biāo)顯示雷達(dá)的影響,8.3 盲速、盲相的影響及其解決途徑,2. 參差重復(fù)頻率對(duì)動(dòng)目標(biāo)顯示性

36、能的影響 設(shè)雷達(dá)采用兩種脈沖重復(fù)頻率fr1和fr2交替工作, 而fr1和fr2均滿足最大不模糊測(cè)距的要求, 則在一次對(duì)消器的輸出端其響應(yīng)分別為2usin(fdTr1) 和 2usin(fdTr2), 只有在兩種重復(fù)頻率上均出現(xiàn)盲速而輸出為零時(shí), 才等效于參差后的“盲速”vr0, 它所對(duì)應(yīng)的多普勒頻率為f d0, 這時(shí)要滿足,8.3 盲速、盲相的影響及其解決途徑,式中, n1、n2為整數(shù)。所以,如果選擇Tr1 = aT, Tr2 = b, 且a、b互為質(zhì)數(shù), 則合成第一盲速點(diǎn)產(chǎn)生于n1=a, n2=b點(diǎn)處。 可以作出比較: 當(dāng)不采用參差重復(fù)頻率時(shí), 其平均重復(fù)周期Tr = (Tr1+Tr2)/2

37、, 這時(shí)第一盲速值和其相應(yīng)的多普勒頻率值fd0為,8.3 盲速、盲相的影響及其解決途徑,采用參差后, 第一盲速對(duì)應(yīng)的多普勒頻率值為,8.3.2,這時(shí), 可求得采用參差頻率后, 第一等效“盲速”提高的倍數(shù)為,8.3.3,當(dāng)采用N個(gè)參差重復(fù)頻率, 且其重復(fù)周期的比值為互質(zhì)數(shù)(a1,a2,a3, , aN)時(shí), 第一等效“盲速”提高的倍數(shù)為,8.3.4,8.3 盲速、盲相的影響及其解決途徑,在實(shí)際工作中, 不僅要求第一等效盲速值要盡可能覆蓋目標(biāo)可能出現(xiàn)的速度范圍, 而且要求在該速度范圍內(nèi)響應(yīng)曲線比較平坦。這兩個(gè)要求實(shí)現(xiàn)起來(lái)常有矛盾, 需要選擇合適的參差數(shù)和最佳的參差比來(lái)解決。 以兩個(gè)重復(fù)頻率參差的情

38、況來(lái)說(shuō), 盲速提高倍數(shù)愈多, 則合成曲線愈不平坦, 特別是第一凹點(diǎn)深度愈大, 這是不希望的。改進(jìn)的辦法是采用三個(gè)以上重復(fù)頻率的參差及好的參差比來(lái)得到較好的速度響應(yīng)特性。圖8.12畫出了幾種不同情況下的速度響應(yīng), 橫坐標(biāo)為歸一化的速度響應(yīng)vr/vr0, k表示合成盲速比原盲速增大的倍數(shù), 參差比不同時(shí), k的值是不同的,8.3 盲速、盲相的影響及其解決途徑,圖 8.12 參差周期時(shí)的速度響應(yīng)曲線 (a) 二參差; (b) 三參差,8.3 盲速、盲相的影響及其解決途徑,在8.12(a)圖中, 當(dāng)Tr1/Tr2 = 2/3時(shí), 盲速提高為原來(lái)的2.5倍, 而當(dāng)Tr1/Tr2 =7/8時(shí), 盲速提高為

39、原來(lái)的7.5倍, 但在原來(lái)第一盲速處輸出較小, 速度響應(yīng)不平坦。圖8.12(b)是三參差周期, 其比值為313233的速度響應(yīng)?？梢钥闯?，三參差可較二參差獲得較平坦的響應(yīng)曲線。 如果選用合適參差比的四參差時(shí), 其速度響應(yīng)將更為平坦,8.3.2 盲相 1. 點(diǎn)盲相和連續(xù)盲相 相位檢波器輸出經(jīng)一次對(duì)消器后, 運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波u已由式(8.2.7)得到,u= u-u= 2U0sin(fdTr)sin(dt-fdTr-0,輸出的振幅值大小為2U0sinfdTr, 與多普勒頻率有關(guān), 其輸出的振幅受多普勒頻率調(diào)制。在某些點(diǎn)上, 輸出幅度為零, 這些點(diǎn)稱為盲相, 它由相位檢波器的特性(見(jiàn)圖8.15(a)決定,

40、8.3 盲速、盲相的影響及其解決途徑,圖 8.15 相檢特性和相消器輸出脈沖波形 (a) 相檢特性; (b) 相消器輸出脈沖波形,從相檢特性上看, 如果相鄰兩個(gè)回波脈沖的相位相當(dāng)于相檢特性的a、c二點(diǎn), 其相位差雖不同, 但卻是一對(duì)相檢器輸出相等的工作點(diǎn), 因此經(jīng)過(guò)相消器后, 其輸出為零而出現(xiàn)點(diǎn)盲相,8.3 盲速、盲相的影響及其解決途徑,2. 正交雙通道處理(零中頻處理,圖 8.17 正交雙通道處理 (a) 原理框圖; (b) 矢量,8.3 盲速、盲相的影響及其解決途徑,正交雙通道處理：一支路和基準(zhǔn)電壓cosit 進(jìn)行相位檢波, 稱為同相支路I; 另一路和基準(zhǔn)電壓sinit進(jìn)行相位檢波, 得到

41、正交支路Q, sinit 由cosit移相90得來(lái)。故輸出值分別為a(t)cos(t) 和a(t) sin (t,如果要取振幅函數(shù)a(t)(中頻矢量值), 則同相和正交支路取平方和再開(kāi)方; 如果要判斷相位調(diào)制函數(shù)的正負(fù)值, 則需比較I、Q兩支路的相對(duì)值來(lái)判斷。正交支路的輸出也可以重新恢復(fù)為中頻信號(hào)，如下所示,即將零中頻的I .Q分量分別與正交中頻分量相重后組合即可,8.3 盲速、盲相的影響及其解決途徑,8.6 動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)(MTD,8.6.1 限幅的影響和線性MTI 1. 限幅的影響 早期動(dòng)目標(biāo)顯示雷達(dá)的性能較差, 其改善因子一般在20 dB左右, 而通常雷達(dá)收到的雜波強(qiáng)度比機(jī)內(nèi)噪聲高出20 d

42、B以上, 例如50 dB甚至更強(qiáng)。因此通過(guò)對(duì)消器之后的雜波剩余功率c2為,8.6.1,式中，I為改善因子；Ci為輸入雜波功率, Ni和No分別表示輸入和輸出的噪聲功率。 而,即雜波剩余高出噪聲的分貝數(shù)是輸入雜噪比(分貝)與改善因子之差。在強(qiáng)雜波時(shí), 大的雜波剩余將使檢測(cè)虛警明顯增大及終端飽和。當(dāng)時(shí)解決這個(gè)問(wèn)題的辦法是在對(duì)消器前的中頻放大采用限幅中放。限幅電平L的選擇滿足以下關(guān)系,式中，Ni為輸入噪聲。這樣，相消器輸出的雜波電平近似為噪聲電平, 得到近似恒虛警的性能,8.6 動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)(MTD,中放限幅也會(huì)帶來(lái)一些不利的因素:（1）限幅會(huì)使強(qiáng)雜波背景上的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)信號(hào)受到損失, 波形產(chǎn)生失真, 并

43、妨礙后續(xù)的信號(hào)處理, 個(gè)別情況還可能產(chǎn)生連續(xù)盲相。（2）限幅作用會(huì)使雜波的相關(guān)性減弱, 雜波譜展寬。以硬限幅為例, 若輸入雜波的相關(guān)系數(shù)為i(), 則輸出雜波的相關(guān)系數(shù)o()為,8.6.2,上式表明, 限幅作用使相關(guān)系數(shù)的圖形變窄, 從而使雜波的梳狀譜展寬, 特別是在高頻端拖有長(zhǎng)的“尾巴”, 深入到相消濾波特性的通帶中去。加寬濾波特性的凹口寬度對(duì)抑制“尾巴”部分的雜波譜分量沒(méi)有什么好處。因此采用限幅后會(huì)加大雜波剩余, 而且雜波譜的展寬對(duì)于后續(xù)的信號(hào)處理將帶來(lái)不能彌補(bǔ)的損失,8.6 動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)(MTD,2. 線性MTI的實(shí)現(xiàn) 由于雷達(dá)收到的雜波回波強(qiáng)度很大, 為了避免產(chǎn)生限幅, 就應(yīng)當(dāng)采用動(dòng)態(tài)范

44、圍達(dá)60dB或80 90 dB的高頻和中頻放大器。一般的高頻放大器, 特別是中頻放大器不可能有這樣大的動(dòng)態(tài)范圍, 只有借助于增益控制。 在動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)系統(tǒng)中保證中頻處于線性工作狀態(tài)所用的增益控制有它的特殊性。增益控制電壓應(yīng)隨著輸入雜波的強(qiáng)度成比例地變化。但雜波特別是地物雜波的情況是多變的。即使在一次掃描里, 距離單元不同, 雜波強(qiáng)度也可能有很大變化。因此，增益控制必須是快速的。此外, 由于要進(jìn)行相消運(yùn)算, 對(duì)于任一距離單元, 相繼掃描周期的增益變化必須是準(zhǔn)確和已知的, 而且還必須把它儲(chǔ)存下來(lái), 以便在相消運(yùn)算中加以考慮,8.6 動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)(MTD,圖 8.35 用雜波圖存儲(chǔ)控制中放增益 (a)

45、雜波圖存儲(chǔ)的原理圖; (b) 線性MTI的實(shí)現(xiàn)框圖,8.6 動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)(MTD,將雷達(dá)所監(jiān)視的空間按距離和方位分割成許多空間單元，每一空間單元的距離長(zhǎng)度相當(dāng)于一個(gè)脈沖寬度或稍大些，方位寬度相當(dāng)于半個(gè)波瓣寬度或更大些，每個(gè)空間單元的回波振幅分別加以儲(chǔ)存。采用單回路反饋積累的辦法。例如將新接收到的雜波值乘以1-K1, 然后和該空間單元的原存儲(chǔ)值乘以K1相加后作為新的存儲(chǔ)值,圖 8.33 用雜波圖存儲(chǔ)控制中放增益 (a) 雜波圖存儲(chǔ)的原理圖; (b) 線性MTI的實(shí)現(xiàn)框圖,8.6 動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)(MTD,地雜波圖存儲(chǔ)應(yīng)該隨著實(shí)際情況及時(shí)更新, 因?yàn)橐谩皶r(shí)間單元平均”的雜波圖作為檢測(cè)切向飛行目標(biāo)之用?！?/p>

46、時(shí)間單元”平均，就是以一個(gè)天線掃描周期作為一個(gè)單元。每個(gè)空間單元里儲(chǔ)存的應(yīng)是多次天線掃描所得雜波的平均值估值。用Z變換分析可以得到雜波圖存儲(chǔ)的傳輸函數(shù)。因?yàn)閅(z)=(1-K1)X(z)+ K1Y(z)z-1, 故傳輸函數(shù)H(z)為,這是一個(gè)單極點(diǎn)系統(tǒng), 其直流增益為1, 脈沖響應(yīng)是指數(shù)式的, 所以它相當(dāng)于對(duì)多次掃描(天線掃描周期為TA)作指數(shù)加權(quán)積累, 然后取得雜波的平均值估值,8.6 動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)(MTD,8.6 動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)(MTD,天線掃過(guò)一個(gè)點(diǎn)目標(biāo)時(shí)在方位上的相繼回波數(shù)，稱為擊中數(shù) H,8.6.1 多普勒濾波器組 根據(jù)最佳線性濾波理論, 在雜波背景下檢測(cè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波, 除了雜波抑制濾波器

47、H1(f)外, 還應(yīng)串接有對(duì)脈沖串信號(hào)匹配的濾波器H2(f), 而,式中，S(f)是運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波的頻譜, 則H2(f)是信號(hào)匹配濾波器的頻響。 對(duì)于相參脈沖串來(lái)講, H2(f)又可以表示為,8.6 動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)(MTD,式中, H21(f)為單個(gè)脈沖的匹配濾波器, 通常在接收機(jī)中放實(shí)現(xiàn); H22(f)是梳齒形濾波器, 齒的間隔為脈沖重復(fù)頻率fr, 齒的位置取決于回波信號(hào)的多普勒頻移, 而齒的寬度則應(yīng)和回波譜線寬度相一致。 H22(f)是對(duì)相參脈沖串進(jìn)行匹配濾波, 它利用了回波脈沖串的相參性而進(jìn)行相參積累,8.6 動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)(MTD,圖 8.36 動(dòng)目標(biāo)顯示濾波器和多普勒濾波器組的特性 (a) 動(dòng)

48、目標(biāo)顯示濾波; (b) 多普勒濾波器組的特性,8.6 動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)(MTD,在實(shí)際工作中, 多普勒頻移fd不能預(yù)知, 因此需要采用一組相鄰且部分重疊的濾波器組, 覆蓋整個(gè)多普勒頻率范圍, 這就是窄帶多普勒濾波器組，如圖8.36所示,1. 多普勒濾波器組的實(shí)現(xiàn)方法 具有N個(gè)輸出的橫向?yàn)V波器(N個(gè)脈沖和N-1根遲延線), 經(jīng)過(guò)各脈沖不同的加權(quán)并求和后, 可以做成N個(gè)相鄰的窄帶濾波器組。該濾波器組的頻率覆蓋范圍為0到fr, fr為雷達(dá)工作重復(fù)頻率,式中，i表示第i個(gè)抽頭; k表示從0到N-1的標(biāo)記, 每一個(gè)k值對(duì)應(yīng)一組不同的加權(quán)值, 相應(yīng)地對(duì)應(yīng)于一個(gè)不同的多普勒濾波器響應(yīng),權(quán)值,8.6 動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)(M

49、TD,8.6.4,圖8.37 橫向?yàn)V波器 a)組成 b) N=8時(shí)濾波器的頻響,每根遲延線的遲延時(shí)間Tr= 1/fr,8.6 動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)(MTD,橫向?yàn)V波器按式(8.6.4)加權(quán)時(shí)的脈沖響應(yīng)為,8.6.5,脈沖響應(yīng)的傅里葉變換就是頻率響應(yīng)函數(shù),8.6.6,濾波器振幅特性是頻率響應(yīng)取幅值, 即,8.6.7,8.6 動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)(MTD,濾波器的峰值產(chǎn)生于sin(fT-k/N)=0 或者(fT-k/N) = 0, , 2, ；當(dāng)k=0時(shí), 濾波器峰值位置為f = 0, 1/T, 2/T, , 即該濾波器的中心位置在零頻率以及重復(fù)頻率的整數(shù)倍處, 這個(gè)濾波器通過(guò)沒(méi)有多普勒頻移的雜波, 因此對(duì)地雜波沒(méi)有

50、抑制能力。 然而, 它的輸出在某些MTI雷達(dá)中可以作提供雜波地圖之用。這個(gè)濾波器的第一個(gè)零點(diǎn)是當(dāng)式(8.6.7)分子第一次取零值時(shí), 或f = 1/(NT)時(shí)。在第一對(duì)零點(diǎn)之間的頻帶寬度為2/(NT), 而半功率帶寬近似為0.9/(NT,8.6 動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)(MTD,當(dāng)k=1時(shí), 峰值響應(yīng)產(chǎn)生在f = 1/(NT)以及 f = 1/T + 1/(NT), 2/T+1/(NT), 等等。對(duì)k=2, 峰值響應(yīng)時(shí)的f = 2/(NT) 依次類推。 因而每一個(gè)k值決定一個(gè)獨(dú)立的濾波器響應(yīng)。全部的濾波器響應(yīng)覆蓋了從零到fr的頻率范圍, 由于信號(hào)的取樣性質(zhì), 其余的頻帶按同樣的響應(yīng)周期覆蓋, 因而會(huì)在頻率上

51、產(chǎn)生模糊。每個(gè)濾波器的形狀和k=0時(shí)的相同, 只是濾波器的中心頻率不同。圖8.37(b)所示的濾波器有時(shí)稱為相參積累濾波器, 因?yàn)橥ㄟ^(guò)該濾波器后, 它將N個(gè)相參進(jìn)行脈沖積累, 使信號(hào)噪聲比提高到N倍(對(duì)“白”噪聲而言,8.6 動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)(MTD,如果要同時(shí)得到N個(gè)濾波器的響應(yīng), 則圖8.37(a)中橫向?yàn)V波器的每一個(gè)抽頭應(yīng)該有N個(gè)分開(kāi)的輸出并有相應(yīng)的加權(quán), 其加權(quán)值由式(8.6.4)中令k=0至N-1分別得到。 產(chǎn)生N個(gè)濾波器組可以用上述橫向?yàn)V波器N組抽頭分別加權(quán)的辦法, 這時(shí)需完成(N-1)2次乘法運(yùn)算。但由式(8.6.4)亦可看出, 第k個(gè)濾波器完成的運(yùn)算是,8.6 動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)(MTD,8

52、.6.8,式中, s(i-1）T為橫向?yàn)V波器從輸入開(kāi)始各點(diǎn)的信號(hào)值。式(8.6.8)就是進(jìn)行離散傅里葉變換的表述式, 因此當(dāng)N是2的乘方時(shí)(例如N=2, 4, 8, 16, ), 可以用快速傅里葉變換(FFT)的算法來(lái)完成式(8.6.8), 亦即用FFT實(shí)現(xiàn)N個(gè)濾波器組, FFT算法差不多只要做(N/2) log2N個(gè)乘法運(yùn)算, 就可以明顯地節(jié)省處理所需的運(yùn)算量。 用橫向?yàn)V波器來(lái)實(shí)現(xiàn)窄帶濾波器組時(shí), 可以不采用式(8.6.4)所示的權(quán)值而是根據(jù)特定的需要靈活地選用不同的加權(quán)矢量, 這樣, 設(shè)計(jì)者就能根據(jù)要求在不同頻率處設(shè)置特性相異的濾波器,8.6 動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)(MTD,2. 窄帶濾波器組信號(hào)處理

53、的優(yōu)點(diǎn) (1)在用均勻排列的濾波器組時(shí), 每個(gè)窄帶濾波器只占遲延線對(duì)消器通頻帶的大約1/N寬度, 因而其輸出端的信噪比有相應(yīng)的提高。 對(duì)于“白色”噪聲(含由于系統(tǒng)不穩(wěn)所產(chǎn)生者), 采用窄帶濾波器組后信噪比應(yīng)提高近N倍。對(duì)于有色雜波(頻域不具備平坦特性的雜波)來(lái)講, 各個(gè)濾波器輸出端的改善因子均有提高(與遲延對(duì)消器比較), 但提高的程度是不相同的: 越靠近雜波中心的濾波器, 其改善程度愈差; 雜波譜越寬, 各濾波器的改善程度也變差,8.6 動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)(MTD,但要注意到, 雜波不僅由各濾波器的主瓣進(jìn)入, 而且未加權(quán)的濾波器由于其副瓣值較高(-13.2dB)而副瓣的頻率位置又處于強(qiáng)雜波處, 這時(shí)由

54、副瓣進(jìn)入的雜波將明顯地降低其改善因子。解決的辦法可以有兩種, 一種是在窄帶濾波器組前面先采用對(duì)消器(一次或二次), 將雜波的主要部分濾去, 這樣后接的濾波器組中通過(guò)副瓣進(jìn)入的雜波明顯減少, 各濾波器的改善因子會(huì)提高。 這種方法實(shí)際上常用, 因?yàn)闉V去強(qiáng)雜波后, 濾波器組的動(dòng)態(tài)范圍可明顯減小, 利于技術(shù)實(shí)現(xiàn)。第二種辦法是采用加權(quán)法降低各個(gè)濾波器的副瓣, 同樣可以提高改善因子,所付代價(jià)是濾波器的主瓣有所加寬,8.6 動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)(MTD,2)窄帶濾波器組對(duì)于運(yùn)動(dòng)雜波的抑制效果較好。 來(lái)自鳥(niǎo)群或氣象的運(yùn)動(dòng)雜波, 其多普勒頻率不是零頻, 普通對(duì)消器無(wú)法抑制它。如果不止一個(gè)運(yùn)動(dòng)雜波同時(shí)出現(xiàn), 則采用自適應(yīng)濾

55、波抑制也很困難。但這種運(yùn)動(dòng)雜波可能出現(xiàn)在窄帶濾波器組中的某一濾波器內(nèi), 而每個(gè)濾波器的檢測(cè)門限可以根據(jù)該濾波器內(nèi)所含噪聲和雜波的強(qiáng)弱而選定, 雜波強(qiáng)時(shí)門限值選得高, 這樣就可以將運(yùn)動(dòng)雜波的影響排除, 使之不影響出現(xiàn)于其它濾波器內(nèi)的信號(hào),8.6 動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)(MTD,速度(頻率)補(bǔ)償?shù)脑? 加到正交雙通道相位檢波器的中頻雜波電壓為sc(t), 經(jīng)正交檢波后輸出的零中頻雜波復(fù)電壓Sc=Ic+jQc，等于中頻雜波sc(t)與相參電壓e-jit相乘后濾去高頻分量, 可參考式(8.3.10,sc(t) =a(t)cos(it+(t)+0) t=tr+nTr; n=0, 1, 2, , N-1,8.7.1

56、,式中，a(t)為雜波振幅;(t) =dct為運(yùn)動(dòng)雜波多普勒頻移。相鄰重復(fù)周期雜波回波之間的相位差 =dcTr,8.7.1 自適應(yīng)速度補(bǔ)償,8.7 自適應(yīng)動(dòng)目標(biāo)顯示系統(tǒng),如果將相參振蕩電壓的頻率由i變化到i+dc, 則正交雙通道輸出為sc(t)e-j(i+dc)t,這個(gè)雜波分量可以用普通MTI濾波器抑制,8.7 自適應(yīng)動(dòng)目標(biāo)顯示系統(tǒng),脈沖雷達(dá)工作時(shí), 雜波也是按重復(fù)周期Tr在有限時(shí)間內(nèi)出現(xiàn), 故只需在雜波出現(xiàn)時(shí)間內(nèi)相參振蕩器輸出電壓附加所需的移相量即可消去雜波回波中由于多普勒所產(chǎn)生的附加相移。這種附加相移的特點(diǎn)是每隔一個(gè)重復(fù)周期增加量為dcTr, 而以進(jìn)入MTI處理的第一個(gè)脈沖為基準(zhǔn), 因此移

57、相補(bǔ)償適宜于組處理。數(shù)字移相器的相移量可以在不同距離上根據(jù)需要而改變, 故數(shù)字移相補(bǔ)償適用于全距離量程上有多個(gè)不同多普勒頻移雜波源的情況,8.7 自適應(yīng)動(dòng)目標(biāo)顯示系統(tǒng),運(yùn)動(dòng)雜波的相移補(bǔ)償也可以在輸入雜波數(shù)據(jù)上完成。當(dāng)估計(jì)出雜波相移量dcTr后, 對(duì)正交相位檢波器輸出進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償。如果相參振蕩器的頻率和相位不變化, 則相位檢波器輸出端的雜波復(fù)數(shù)據(jù)為,要對(duì)上述Sc進(jìn)行補(bǔ)償, 只需對(duì)此雜波數(shù)據(jù)進(jìn)行如下復(fù)數(shù)乘法校正,8.7.3,8.7 自適應(yīng)動(dòng)目標(biāo)顯示系統(tǒng),自適應(yīng)的關(guān)鍵是實(shí)時(shí)地估計(jì)出雜波的多普勒頻移dc或相移dcTr。下面以高斯型雜波譜C(f)為例進(jìn)行討論(高斯譜與大多數(shù)分布雜波的譜形狀很接近,8.

58、7.4,式中，Pc為雜波功率；f為雜波譜寬的標(biāo)準(zhǔn)偏差；fdc為雜波的多普勒頻移。 雜波譜和雜波的自相關(guān)函數(shù)Rc()是一對(duì)傅里葉變換, 由此可獲得雜波的自相關(guān)函數(shù)Rc()為,Rc() = Pc exp-2(f)2expj2fdc,8.7.5,8.7 自適應(yīng)動(dòng)目標(biāo)顯示系統(tǒng),兩個(gè)雜波回波在相鄰重復(fù)周期Tr的復(fù)相關(guān)系數(shù)(Tr)可以寫成,8.7.6,式中，exp(j2fdcTr)為雜波多普勒頻移引起的相移。在復(fù)相關(guān)系數(shù)(Tr)中包含了脈沖間移相值dcTr的信息, 復(fù)相關(guān)系數(shù)可在一次對(duì)消器相鄰周期的雜波復(fù)回波中獲得, (Tr)所需的統(tǒng)計(jì)平均則由同一雜波區(qū)內(nèi)對(duì)多個(gè)距離單元內(nèi)的數(shù)據(jù)求平均后得到,8.7.7,8

59、.7 自適應(yīng)動(dòng)目標(biāo)顯示系統(tǒng),式中，E表示統(tǒng)計(jì)平均得到期望值；Sc(Tr)為Sc相鄰一個(gè)重復(fù)周期的雜波數(shù)據(jù)。由(Tr)中提取相位量exp(jdcTr)作為自適應(yīng)補(bǔ)償?shù)臋?quán)值。 圖8.40所示為采用數(shù)據(jù)補(bǔ)償?shù)淖赃m應(yīng)MTI框圖。如圖所示，雜波的多普勒相移量由相鄰重復(fù)周期的雜波取樣值中獲得,然后在雜波區(qū)多個(gè)距離單元內(nèi)求平均而獲得其期望值。由平均后的cos及sin兩項(xiàng)中可求出相移量 =dcTr 。送入累加器隔周期Tr累加依次獲得累加后的相移量 = n, n = 1, 2,8.7 自適應(yīng)動(dòng)目標(biāo)顯示系統(tǒng),圖 8.40 數(shù)據(jù)補(bǔ)償?shù)拈_(kāi)環(huán)自適應(yīng)MTI(對(duì)付固定和運(yùn)動(dòng)雜波,8.7 自適應(yīng)動(dòng)目標(biāo)顯示系統(tǒng),送至雜波數(shù)據(jù)復(fù)

60、乘校正的移相量為e-jdct(見(jiàn)式(8.7.3), 其中t=tr+nTr, 不失一般性，可令tr=0, 即校正相移量依次為e-jndcTr, n=1, 2, 。數(shù)據(jù)補(bǔ)償在直角坐標(biāo)進(jìn)行, 因?yàn)?8.7.8,所需的校正權(quán)值分別為cosdcnTr = cos以及sindcnTr = sin, 如8.40框圖所示,8.7 自適應(yīng)動(dòng)目標(biāo)顯示系統(tǒng),補(bǔ)償后的雜波數(shù)據(jù)相當(dāng)于將運(yùn)動(dòng)雜波譜中心移到零頻處, 故后面可接正常的正交雙通道MTI濾波器。濾波器的階數(shù)由雜波譜寬度及所需改善因子指標(biāo)決定。 因?yàn)殡s波多普勒相移的估值及相應(yīng)運(yùn)算均需要時(shí)間, 所以被補(bǔ)償校正的雜波回波數(shù)據(jù)必須有一個(gè)對(duì)應(yīng)的遲延，以便用估值出來(lái)的移相值