雷達(dá)原理_第八章-運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)

1、第七章第七章 作業(yè)解答作業(yè)解答第七章第七章 作業(yè)解答作業(yè)解答第七章第七章 作業(yè)解答作業(yè)解答第七章第七章 作業(yè)解答作業(yè)解答第七章第七章 作業(yè)解答作業(yè)解答第七章第七章 作業(yè)解答作業(yè)解答第七章第七章 作業(yè)解答作業(yè)解答第八章第八章 運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)電話電話: V網(wǎng)網(wǎng): 66286 西南科技大學(xué)國(guó)防科技學(xué)院西南科技大學(xué)國(guó)防科技學(xué)院黃傳波黃傳波角度測(cè)量角度測(cè)量u多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用u動(dòng)目標(biāo)顯示雷達(dá)的工作原理及主要組成動(dòng)目標(biāo)顯示雷達(dá)的工作原理及主要組成u盲速、盲速、 盲相的影響及其解決途徑盲相的影響及其解決途徑u 回波和雜波的頻譜及動(dòng)目標(biāo)顯示濾波器回波和雜波的頻譜

2、及動(dòng)目標(biāo)顯示濾波器u 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)顯示雷達(dá)的工作質(zhì)量及質(zhì)量指標(biāo)u動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)(MTD)u自適應(yīng)動(dòng)目標(biāo)顯示系統(tǒng)自適應(yīng)動(dòng)目標(biāo)顯示系統(tǒng)u速度測(cè)量速度測(cè)量 MTDMTD濾波器組示意圖濾波器組示意圖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)多普勒效應(yīng) 雷達(dá)發(fā)射連續(xù)波的情況雷達(dá)發(fā)射連續(xù)波的情況這時(shí)發(fā)射信號(hào)可表示為發(fā)射信號(hào)可表示為 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)由目標(biāo)反射的回波信號(hào)sr(t)為為 )(cos)()(0rrrttkA

3、ttksts(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)如果目標(biāo)固定不動(dòng), 則距離R為常數(shù)。回波與發(fā)射信號(hào)之間有固定相位差固定相位差0tr=2f02R/c = (2/) 2R, 它是電磁波往返于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)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)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)站間目標(biāo)與雷達(dá)站間的

4、距離的距離R(t)為為 R(t) = R0 - vrt 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)由目標(biāo)反射的回波信號(hào)sr(t)說明說明, 在在t時(shí)刻接收到的波形時(shí)刻接收到的波形sr(t)上上的某點(diǎn)的某點(diǎn), 是在是在t-tr時(shí)刻發(fā)射的。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可近似寫為近似寫為 )(2)(20tvRcctRtrr(8.1.2)8.1 多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用多普勒效應(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)來回波信號(hào)比起發(fā)射信號(hào)來, 高頻相位差高頻相位差 )(22)(20000tv

5、RtvRctrrr是時(shí)間t的函數(shù), 在徑向速度在徑向速度vr為常數(shù)時(shí)為常數(shù)時(shí), 產(chǎn)生頻率差為產(chǎn)生頻率差為 rdvdtdf221(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)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)當(dāng)目標(biāo)飛向雷達(dá)站時(shí), 多普勒頻率為正值多普勒頻率為正值, 接收信號(hào)頻率高于接收信號(hào)頻率高于發(fā)射信號(hào)頻率發(fā)射信號(hào)頻率, 而當(dāng)目標(biāo)背離雷達(dá)站飛行時(shí)當(dāng)目標(biāo)背離雷達(dá)站飛行時(shí), 多普勒頻率為負(fù)值多普勒頻率為負(fù)值, 接收信號(hào)頻率低于發(fā)射信號(hào)頻率接收信號(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)用多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用 多普勒頻率可以直

6、觀地解釋為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)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, 即二者頻率相等即二者頻率相等。如果如果振蕩源與接收者之間有相對(duì)接近的運(yùn)動(dòng)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；接收頻率增高；當(dāng)二者作背向運(yùn)動(dòng)時(shí)當(dāng)二者作背向運(yùn)動(dòng)時(shí), 結(jié)果相反結(jié)果相反。 8.1 多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用多普勒效應(yīng)及其在雷

7、達(dá)中的應(yīng)用 2. 窄帶信號(hào)時(shí)的多普勒效應(yīng)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)射發(fā)射信號(hào)可以表示為信號(hào)可以表示為 )(Re)(0tjetuts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。 由目標(biāo)反射的回波信號(hào)目標(biāo)反射的回波信號(hào)sr(t)可以寫成 )(Re)()()(0rttjrrrettkuttksts(8.1.4) 當(dāng)目標(biāo)固定不動(dòng)時(shí)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)當(dāng)目標(biāo)相對(duì)雷達(dá)站勻速運(yùn)動(dòng)時(shí),

8、 按式(8.1.2)近似地認(rèn)為其延遲時(shí)間tr為 )(2)(20tvRcctRtrr則式(8.1.4)的回波信號(hào)表示式說明的回波信號(hào)表示式說明, 回波信號(hào)比起發(fā)射信號(hào)來講回波信號(hào)比起發(fā)射信號(hào)來講, 復(fù)包絡(luò)滯后復(fù)包絡(luò)滯后tr, 而高頻相位差而高頻相位差=-0tr=-2 (2/)(R0-vrt)是時(shí)間的函是時(shí)間的函數(shù)數(shù)。當(dāng)速度vr為常數(shù)時(shí), (t)引起的頻率差為 rdvdtdf221稱為多普勒頻率多普勒頻率, 即回波信號(hào)的頻率比之發(fā)射頻率有一個(gè)多普回波信號(hào)的頻率比之發(fā)射頻率有一個(gè)多普勒頻移勒頻移。 8.1 多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用 附注附注: 從式從式(8.1.1)出

9、發(fā)出發(fā), 較嚴(yán)格地討論運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波的特點(diǎn)較嚴(yán)格地討論運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波的特點(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)距離目標(biāo)距離為 ) (0tvRtRr(8.1.5) 往返往返R(t)距離所需的時(shí)間正是目標(biāo)的延遲時(shí)間距離所需的時(shí)間正是目標(biāo)的延遲時(shí)間tr, 即 rtctR2) (可解得結(jié)果可解得結(jié)果 )22(10tvRvctrrr(8.1.6) 8.1 多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用多普勒效應(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)回波為運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波為 rrrrrrrvcRtvcvckvcRtv

10、cvckts000002cos2cos)(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)并近似為化簡(jiǎn)并近似為 0rrvcvc1cvr002001111cvcvcvcvvcvcrrrrrr8.1 多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用 即信號(hào)角頻率的變化值信號(hào)角頻率的變化值d = (2vr/c) 0 = 2 2vr/, 為多普勒為多普勒頻移頻移。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)而言對(duì)于窄帶發(fā)射信號(hào)而言, 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

11、.4)后, 得到的結(jié)果是: rrrrrrrrrrrrrvcRtvcvcjvcRtvcvcukvcRtvcvcjvcRtvcvcukts0000002exp2Re2exp2Re)(8.1.8) 8.1 多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用多普勒效應(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)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)由指數(shù)項(xiàng), 信號(hào)角頻率已變?yōu)樾盘?hào)角頻率已變?yōu)?, 通常總滿足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 0rrvcvcrrdvcv2220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)用多普勒效應(yīng)及其在

12、雷達(dá)中的應(yīng)用 (2) 對(duì)于復(fù)數(shù)包絡(luò)對(duì)于復(fù)數(shù)包絡(luò)u(t)來講來講, rrrvcRtvcvcu02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)站相目標(biāo)和雷達(dá)站相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí), vr為正值為正值, 相當(dāng)于波形在時(shí)間軸上壓縮相當(dāng)于波形在時(shí)間軸上壓縮, 而在頻率軸而在頻率軸上頻譜將展寬上頻譜將展寬。8.1 多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用多普勒效應(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)寬為設(shè)發(fā)射信號(hào)的時(shí)寬為, 由于忽略時(shí)間軸伸縮由于忽略時(shí)間軸伸縮所引

13、起的時(shí)間誤差為時(shí)間誤差為 cvvcvvcvcrrrrr22當(dāng)信號(hào)的帶寬為當(dāng)信號(hào)的帶寬為f時(shí)時(shí), 上述時(shí)間誤差可忽略的條件為時(shí)間誤差可忽略的條件為 1212fcvfcvrr或(8.1.9) 8.1 多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用多普勒效應(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以上討論均忽略了目標(biāo)加速度引起的影響標(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)在當(dāng)前目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的速度范圍

14、內(nèi), 運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波的表達(dá)式運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波的表達(dá)式(8.1.4)可以近似為可以近似為 )(exp)(Re)(00ttjttuktsdrr(8.1.10) 運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波的主要特征是運(yùn)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中心頻率偏移多普勒頻率, 其它影其它影響均可忽略響均可忽略。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)的距離發(fā)射站到目標(biāo)的距離Rt加加上由目標(biāo)到接收站的距離上由目標(biāo)到接收站的距離Rr隨時(shí)間變化求得隨時(shí)間變化求得： dtRRdfrtd)(1在單基地雷達(dá)情況下在單

15、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 cosvvr(8.1.11) 8.1 多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用多普勒效應(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 cvffvcfvfrdrrd2,2200 多普勒頻移的相對(duì)值多普勒頻移的相對(duì)值正比于目標(biāo)速度與光速之比正比于目標(biāo)速度與光速之比, fd的正負(fù)的正負(fù)值值取決于目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的方向取決于目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的方向

16、。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)中要從接收信號(hào)中提取多普勒頻率需要采用差拍的方法提取多普勒頻率需要采用差拍的方法, 即設(shè)法取出即設(shè)法取出f0和和fr的差值的差值fd 。 8.1 多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用 1. 連續(xù)波多普勒雷達(dá)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)檢波器輸入端引在接收機(jī)檢波器輸入端引入發(fā)射信號(hào)作為

17、基準(zhǔn)電壓入發(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)頻率檢波器輸出端即可得到收發(fā)頻率的差頻電壓的差頻電壓, 即多普勒頻率電壓多普勒頻率電壓。這時(shí)的基準(zhǔn)電壓基準(zhǔn)電壓通常稱為相相參參(干干)電壓電壓, 而完成差頻比較的檢波器稱為相干檢波器相干檢波器。相干檢相干檢波器波器就是一種相位檢波器相位檢波器, 在其輸入端在其輸入端除了除了加基準(zhǔn)電壓外加基準(zhǔn)電壓外, 還有還有需要需要鑒別其差頻率或相對(duì)相位的信號(hào)電壓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)用多普

18、勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用 圖圖 8.1 連續(xù)波多普勒雷達(dá)原理框圖連續(xù)波多普勒雷達(dá)原理框圖(a) 組成框圖組成框圖; (b) 多普勒頻率差拍矢量多普勒頻率差拍矢量; (c) 頻譜圖頻譜圖 8.1 多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用多普勒效應(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, 其中絕大部分絕大部分能量能量從發(fā)射天線輻射到空間, 很少部分能量很少部分能量耦合到接收機(jī)輸入端作為基準(zhǔn)電壓。混合的發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)經(jīng)過放大后混合的發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)經(jīng)過放大后, 在在相位檢波器輸出端取出其差拍電壓相位檢波器輸出端取出其差拍電壓, 隔除其中直流分量隔除其中直流分量, 得到多得到多普勒頻率

19、信號(hào)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)用多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用 （1）固定目標(biāo)）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)的相位差由于它和基準(zhǔn)信號(hào)的相位差=0tr保保持常數(shù)持常數(shù), 故混合相加的合成電壓幅度亦不改變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 cos0rUUU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)對(duì)于固定目標(biāo), 合成矢合成矢量不隨時(shí)間變化量不隨時(shí)間變化, 檢波器輸出經(jīng)隔直流后無輸出檢波器輸出經(jīng)隔直流后無輸出。8.1 多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的

20、應(yīng)用 （2）運(yùn)動(dòng)目標(biāo)）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)旋轉(zhuǎn), 這時(shí)合成矢量的振幅為這時(shí)合成矢量的振幅為 )cos(00tUUUdr經(jīng)相位檢波器經(jīng)相位檢波器取出二電壓的差拍取出二電壓的差拍, 通過隔直流電容器得到輸出通過隔直流電容器得到輸出的多普勒頻率信號(hào)為的多普勒頻率信號(hào)為 )cos(0tUdr(8.1.12)在檢波器中在檢波器中, 還可能產(chǎn)生多種和差組合頻率還可能產(chǎn)生多種和差組合頻率, 可用低通濾波器取出低通濾波器取出

21、所需要的多普勒頻率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)可測(cè)得目標(biāo)的徑向速度值的徑向速度值。 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)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。所不同的是所不同的是目標(biāo)回波目標(biāo)回波僅在脈沖寬度時(shí)間內(nèi)按重復(fù)周期出現(xiàn)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)用多普勒

22、效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用 圖圖 8.2 利用多普勒效應(yīng)的脈沖雷達(dá)利用多普勒效應(yīng)的脈沖雷達(dá) (a) 原理框圖原理框圖; (b) 主要波形圖主要波形圖;(c) A顯畫面顯畫面(對(duì)消前對(duì)消前) 脈沖調(diào)制器功率放大器連續(xù)振蕩器接收機(jī)顯示系統(tǒng)f0 fdf0發(fā)射接收基準(zhǔn)電壓(a)8.1 多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用 圖圖 8.2 利用多普勒效應(yīng)的脈沖雷達(dá)利用多普勒效應(yīng)的脈沖雷達(dá) (a) 原理方塊圖原理方塊圖; (b) 主要波形圖主要波形圖;(c) A顯畫面顯畫面(對(duì)消前對(duì)消前) 連續(xù)振蕩脈沖發(fā)射回波(固定)回波(運(yùn)動(dòng))相干檢波(運(yùn)動(dòng))相干檢波(固定)tttttt(b)cR02cR

23、R)(208.1 多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用 圖圖 8.2 利用多普勒效應(yīng)的脈沖雷達(dá)利用多普勒效應(yīng)的脈沖雷達(dá) (a) 原理方塊圖原理方塊圖; (b) 主要波形圖主要波形圖;(c) A顯畫面顯畫面(對(duì)消前對(duì)消前) 動(dòng)目標(biāo)強(qiáng)固定目標(biāo)噪聲(c)8.1 多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用多普勒效應(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)基準(zhǔn)電壓在每一重復(fù)周期均和發(fā)射信號(hào)有相同的起始相位有相同的起始相位, 因

24、而是相參的因而是相參的。 相位檢波器輸入端所加電壓有兩個(gè)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; 回波信回波信號(hào)號(hào)ur, ur = Ursin0(t-tr)+0 , 當(dāng)雷達(dá)為脈沖工作時(shí)當(dāng)雷達(dá)為脈沖工作時(shí), 回波信號(hào)回波信號(hào)是脈沖電壓是脈沖電壓, 只在信號(hào)來到期間即只在信號(hào)來到期間即trttr+時(shí)才存在時(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)過檢波器的輸出信號(hào)為經(jīng)過檢波器的輸出信號(hào)為 )cos1 ()cos1 (0mUmUKukd(8.1.14) 8.1 多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用多普

25、勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用 式中, U0為直流分量為直流分量, 為連續(xù)振蕩的基準(zhǔn)電壓經(jīng)檢波后的輸為連續(xù)振蕩的基準(zhǔn)電壓經(jīng)檢波后的輸出出, 而U0m cos則代表檢波后的信號(hào)分量代表檢波后的信號(hào)分量。在脈沖雷達(dá)中在脈沖雷達(dá)中, 由于由于回波信號(hào)為按一定重復(fù)周期出現(xiàn)的脈沖回波信號(hào)為按一定重復(fù)周期出現(xiàn)的脈沖, 因此因此, U0m cos表示相表示相位檢波器輸出回波信號(hào)的包絡(luò)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)來講對(duì)于固定目標(biāo)來講, 相位差是常數(shù), cRtr0002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)回波而言對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波而

26、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。 )(22)(2000tvRctRtrr8.1 多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用 圖圖 8.3 相位檢波器輸出波形相位檢波器輸出波形 ttTrcos(dt0)uuUrUkUinUr2UkUr1008.1 多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用 合成矢量為基準(zhǔn)電壓合成矢量為基準(zhǔn)電壓Uk以及回波信號(hào)相加以及回波信號(hào)相加, 經(jīng)檢波及隔去檢波及隔去直流分量后得到脈沖信號(hào)的包絡(luò)為直流分量后得到脈沖信號(hào)的包絡(luò)為 )cos(2coscos000000tmUtRcmUmUdrd(8.1.1

27、5) 即回波脈沖的包絡(luò)調(diào)制頻率回波脈沖的包絡(luò)調(diào)制頻率為多普勒頻率多普勒頻率。這相當(dāng)于連續(xù)波工相當(dāng)于連續(xù)波工作時(shí)的取樣狀態(tài)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)周期回波信號(hào)按脈沖重復(fù)周期依次出現(xiàn)依次出現(xiàn), 信號(hào)出現(xiàn)時(shí)對(duì)多普勒頻率取樣輸出信號(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, 其變化量變化量為 rrrrdtTcvT0028.1 多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用 相鄰重復(fù)周期延遲時(shí)間的變化量相鄰重復(fù)周期延遲時(shí)間的變化量tr=2R/c=2vrTr/c是很是很小的數(shù)量小的數(shù)量, 但當(dāng)它反映到高頻相

28、位上時(shí)它反映到高頻相位上時(shí), =0tr就會(huì)產(chǎn)生很就會(huì)產(chǎn)生很靈敏的反應(yīng)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檢測(cè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波, 相位檢波器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)的單個(gè)回波脈沖的中心頻率亦有相應(yīng)的多普勒頻移多普勒頻移, 但在在fd1/的條件下的條件下(這是常遇到的情況), 這這個(gè)多普勒頻移只使相位檢波器輸出脈沖的頂部產(chǎn)生畸變個(gè)多普勒頻移只使相位檢波器輸出脈沖的頂部產(chǎn)生畸變。這就表明

29、要檢測(cè)出多普勒頻率需要多個(gè)脈沖信號(hào)要檢測(cè)出多普勒頻率需要多個(gè)脈沖信號(hào)。只有當(dāng)只有當(dāng)fd 1/時(shí)時(shí), 才有可能利用單個(gè)脈沖測(cè)出其多普勒頻率才有可能利用單個(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)的特殊問題, 即盲速盲速和頻閃效應(yīng)頻閃效應(yīng)。 盲速盲速是指目標(biāo)雖然有一定的徑向速度vr, 但若其回波信號(hào)經(jīng)過相位檢波回波信號(hào)經(jīng)過相位檢波器后器后, 輸出為一串等幅脈沖輸出為一串等幅脈沖, 與

30、固定目標(biāo)的回波相同與固定目標(biāo)的回波相同，此時(shí)的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度稱為盲速。 頻閃效應(yīng)頻閃效應(yīng)是當(dāng)脈沖工作狀態(tài)時(shí), 相位檢波器輸出端檢波器輸出端回波脈沖串回波脈沖串的包絡(luò)調(diào)包絡(luò)調(diào)制頻率制頻率Fd, 與目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的徑向速度目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的徑向速度vr不再保持正比關(guān)系不再保持正比關(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)射的取脈沖工作狀態(tài)是對(duì)連續(xù)發(fā)射的取樣樣, 取樣后的波形和頻譜均將發(fā)生變化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)用多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用 由式(8.1.1

31、0)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)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的雷達(dá)回波回波sr(t)為為 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)處于脈當(dāng)雷達(dá)處于脈沖工作狀態(tài)時(shí)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)脈沖波形時(shí)的復(fù)調(diào)制函數(shù)u(t)可寫成 nrnTtrecttu)(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)用多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用 u(t)的頻譜的頻譜U(f)是一串間隔是一串間隔fr = 1/Tr的譜線的譜線, 譜線的包絡(luò)取決譜線的包絡(luò)取決于脈沖寬

32、度于脈沖寬度的值的值。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頻譜是兩者的卷積, )()()()()()()(0000ddddrrfffUfffUfffffffUfSts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)用多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用 圖圖 8.4 脈沖工作時(shí)各主要點(diǎn)信號(hào)頻譜脈沖工作時(shí)各主要點(diǎn)信號(hào)頻譜(a)發(fā)射信號(hào)頻譜發(fā)射信號(hào)頻譜; (b) 接收信號(hào)頻譜接收信號(hào)頻譜; (c) 相參電壓譜相參電壓譜; (d) 相位檢波輸出譜相位檢波輸出譜 frfrf

33、rfr f0f01f01f0ffff0 fd1f0 fd1f0 fd( f0 fd)1( f0 fd) f0f0S( f )Sr( f )000(a)(b)(c)f1 fdfdfr fdfr fd10(d ) f018.1 多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用 相位檢波器的輸入端相位檢波器的輸入端加有頻率為頻率為f0的相參電壓的相參電壓和回波信號(hào)電壓回波信號(hào)電壓, 在其輸出端輸出端得到兩個(gè)電壓的差頻兩個(gè)電壓的差頻, 如圖8.4(d)所示, 其譜線的位置在nfrfd處, n=0, 1, 2, , 譜線的包絡(luò)與U(f)相同。 由圖由圖8.4的頻譜圖可以看出脈沖信號(hào)產(chǎn)生的頻譜圖可

34、以看出脈沖信號(hào)產(chǎn)生“盲速盲速”的原因的原因: 固定目標(biāo)時(shí)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)相同其回波的頻譜結(jié)構(gòu)與發(fā)射信號(hào)相同, 是由是由f0和和f0nfr的譜線所組成的譜線所組成。對(duì)于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波對(duì)于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波, 譜線中心移動(dòng)譜線中心移動(dòng)fd, 故其頻譜由故其頻譜由f0+fd、f0+fdnfr的譜線組的譜線組成成, 經(jīng)過相位檢波器后經(jīng)過相位檢波器后, 得到得到fd及及nfrfd的差頻的差頻, 其波形為多普勒頻率其波形為多普勒頻率fd調(diào)幅調(diào)幅的一串脈沖的一串脈沖。當(dāng)當(dāng)fd=nfr時(shí)時(shí), 運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波的譜線由運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波的譜線由nfr所組成所組成, 頻譜結(jié)構(gòu)與固頻譜結(jié)構(gòu)與固定目標(biāo)

35、回波的相同定目標(biāo)回波的相同, 這時(shí)無法區(qū)分運(yùn)動(dòng)目標(biāo)與固定目標(biāo)這時(shí)無法區(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)用多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用 從圖從圖8.4的頻譜圖上也可以分析產(chǎn)生頻閃的原因的頻譜圖上也可以分析產(chǎn)生頻閃的原因: 當(dāng)多普勒頻率當(dāng)多普勒頻率fd超過超過重復(fù)頻率重復(fù)頻率fr的一半時(shí)的一半時(shí), 頻率頻率nfr的上邊頻分量的上邊頻分量nfr+fd與頻率與頻率(n+1)fr的下邊頻分的下邊頻分量量(n+1)fr-fd在譜線排列的前后位置上交叉在譜線排列的前后位置上交叉。兩個(gè)不同的多普勒頻率兩個(gè)不同的多普勒頻率fd1和和fd2, 只要滿足只要滿足fd1=nfr-fd2, 則

36、二者的譜線位置相同而無法區(qū)分則二者的譜線位置相同而無法區(qū)分。同樣。同樣, 當(dāng)當(dāng)fd1=nfr+fd2時(shí)時(shí), 二者的頻譜結(jié)構(gòu)相同也是顯而易見的二者的頻譜結(jié)構(gòu)相同也是顯而易見的。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)頻率來單值地測(cè)定目標(biāo)的速度, 必須滿足的條件是 rdff21(8.1.16) 8.1 多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用多普勒效應(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)的波形圖加以說明盲速和頻閃效應(yīng)也可以從矢量圖和相對(duì)應(yīng)的波形圖加以說明。 1、關(guān)于盲速、關(guān)于盲速 從矢量圖從矢量圖8.5(a)可以看出可以看出, 相鄰周期運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的回波相鄰周期運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的回

37、波和基準(zhǔn)電壓基準(zhǔn)電壓之間相位相位差的變化量為差的變化量為=dTr, 根據(jù)的變化規(guī)律即可得到一串振幅變化的視頻脈一串振幅變化的視頻脈沖沖。當(dāng)當(dāng)=2時(shí)時(shí), 雖然目標(biāo)是運(yùn)動(dòng)的雖然目標(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)位但相鄰周期回波與基準(zhǔn)電壓間的相對(duì)位置不變置不變, 其效果正如目標(biāo)是不運(yùn)動(dòng)的一樣其效果正如目標(biāo)是不運(yùn)動(dòng)的一樣, 這就是盲速這就是盲速?？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)用多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用 圖圖 8.5 用矢量和波用矢

38、量和波形圖說明盲速和形圖說明盲速和頻閃頻閃(a) 盲速說明盲速說明; (b) 頻閃說明頻閃說明; (c) Fa的變化規(guī)律的變化規(guī)律 TrFdfdtUr1Ur2UkdTr2 Fd0fd frTrUr1Ur2UkdTr2 1 2 2 FdTrFd fr fdFdfdfdFdfr2frr21fr21f0t(a)(b)(c)28.1 多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用 因 fd = 2vr/, 所以盲速 rrfnv210盲速的出現(xiàn)的原因是盲速的出現(xiàn)的原因是取樣系統(tǒng)的觀察是間斷而不是連續(xù)的取樣系統(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

39、度而沒有模糊多普勒頻率總是正比于目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的速度而沒有模糊。但在脈沖工作時(shí)在脈沖工作時(shí), 相位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)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)的多普勒頻率才能代表目標(biāo)的多普勒頻率。在盲速時(shí)在盲速時(shí), nTvfnvrrr212100或即在重復(fù)周期內(nèi)即在重復(fù)周期內(nèi), 目標(biāo)走過的距離正好是發(fā)射高頻振蕩半波長(zhǎng)的整數(shù)倍目標(biāo)走過的距離正好是發(fā)射高頻振蕩半波長(zhǎng)的整數(shù)倍, 由由此引起的高頻相位差正好是此引起的高頻相位差正好是2的整數(shù)倍。的整數(shù)倍。 8.1 多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)

40、中的應(yīng)用 2、關(guān)于頻閃效應(yīng)、關(guān)于頻閃效應(yīng) 可從圖可從圖8.5(b)的矢量圖上看出的矢量圖上看出，當(dāng)相鄰重復(fù)周期回波信號(hào)的當(dāng)相鄰重復(fù)周期回波信號(hào)的相位差相位差=2n-時(shí)時(shí), 在相位檢波器輸出端相位檢波器輸出端的結(jié)果與與=時(shí)是相同的時(shí)是相同的, 差別僅為矢量矢量的視在旋轉(zhuǎn)方向相反的視在旋轉(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)制頻率相同脈沖信號(hào)的包絡(luò)調(diào)制頻率相同。相位差相位差=2n+時(shí)時(shí), 其相位檢波器輸入端合成矢量相位檢波器輸入端合成矢量與=完全一樣完全一樣, 因而其輸出脈沖串的調(diào)制頻率亦相同。當(dāng)當(dāng)=0時(shí)時(shí)表現(xiàn)為盲速現(xiàn)象表現(xiàn)為盲速現(xiàn)象,一般情況下0, 表表現(xiàn)為頻閃現(xiàn)象現(xiàn)為頻閃現(xiàn)象,

41、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)制頻率包絡(luò)調(diào)制頻率隨著多普勒頻率的增加多普勒頻率的增加按雷達(dá)工作的重復(fù)頻率雷達(dá)工作的重復(fù)頻率周期周期性地變化性地變化。包絡(luò)調(diào)制頻率的最大值產(chǎn)生在包絡(luò)調(diào)制頻率的最大值產(chǎn)生在=2n-時(shí)時(shí), 相應(yīng)的多普勒多普勒頻率為頻率為nfr-(1/2)fr, 而這時(shí)的包絡(luò)調(diào)制頻率包絡(luò)調(diào)制頻率Fd=fr/2 。只有當(dāng)只有當(dāng)fdfr/2時(shí)時(shí), 包包絡(luò)調(diào)制頻率絡(luò)調(diào)制頻率和多普勒頻率多普勒頻率才相等相等。圖8.5(c)中

42、畫出了脈沖包絡(luò)調(diào)制頻率脈沖包絡(luò)調(diào)制頻率Fd變化規(guī)律曲線變化規(guī)律曲線, 它隨著多普勒頻率的增加而周期性變化隨著多普勒頻率的增加而周期性變化, 這就是頻閃頻閃效應(yīng)效應(yīng)。當(dāng)當(dāng)fd=nfr時(shí)時(shí), 包絡(luò)調(diào)制頻率包絡(luò)調(diào)制頻率Fd=0, 這就是盲速盲速。圖圖 8.6 高速目標(biāo)高速目標(biāo)(fd 1/)的多普勒效應(yīng)的多普勒效應(yīng)(a) 波形波形; (b) 頻譜頻譜 UrUkfdtuf0ff0 fdU( f )0f01(a)(b)08.1 多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用多普勒效應(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)來鑒別運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波和

43、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)的基本類型二、動(dòng)目標(biāo)顯示雷達(dá)的基本類型1. 1. 中頻全相參中頻全相參( (干干) )動(dòng)目標(biāo)顯示動(dòng)目標(biāo)顯示 當(dāng)雷達(dá)發(fā)射機(jī)采用主振放大器主振放大器時(shí), 每次發(fā)射脈沖的初相由連續(xù)振蕩的主振源控制主振源控制, 發(fā)射信號(hào)是全相參的全相參的, 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。相相位檢波位檢波通常是在中頻上進(jìn)行的, 因?yàn)?/p>

44、在超外差接收機(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動(dòng)目標(biāo)顯示雷達(dá)的工作原理及主要組成 圖圖 8.7 中頻全相參中頻全相參(干干)動(dòng)目標(biāo)顯示雷達(dá)方框圖動(dòng)目標(biāo)顯示雷達(dá)方框圖連續(xù)波振蕩器上變頻器中頻相干振蕩器脈沖功率放大器相位檢波器收發(fā)開關(guān)混頻器中頻放大器對(duì)消器脈沖調(diào)制器主振源f0fcfcf1 f0 fc本地振蕩回波信號(hào)f0 fd中頻脈沖fc fd相參電壓相參視頻輸出對(duì)消視頻主振源為U0cos(0t+0)中頻相參振蕩器Uc cos(ct+c)cos(0011cctUu和頻回波信號(hào)為Urcos0(t-

45、tr)+0回波與本振混頻后中頻信號(hào): tftvRctRtddr2)22(2)(20000Urcosct+c+0tr8.2 動(dòng)目標(biāo)顯示雷達(dá)的工作原理及主要組成動(dòng)目標(biāo)顯示雷達(dá)的工作原理及主要組成 2. 2. 鎖相相參動(dòng)目標(biāo)顯示鎖相相參動(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)電壓基準(zhǔn)電壓, 應(yīng)該采用鎖相鎖相的辦法的辦法, 也就是使振蕩電壓的起始相位受外加電壓相位的控使振蕩電壓的起始相位受外加電壓相位的控制制。原則上有兩種鎖相的辦法兩種鎖相的辦法: :

46、 一種是一種是將發(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動(dòng)目標(biāo)顯示雷達(dá)的工作原理及主要組成 圖圖 8.8 中頻鎖相的脈沖相參雷達(dá)方框圖中頻鎖相的脈沖相參雷達(dá)方框圖 脈沖調(diào)制器磁控管發(fā)射機(jī)收發(fā)開關(guān)混頻器穩(wěn)定本地振蕩器混頻器中頻相參振蕩器相位檢波器高頻鎖相脈沖相參電壓中頻放大器對(duì)消器中頻回波對(duì)消視頻中頻鎖相脈沖f0f1f1f0f0 fdf0 fdf1 f0fc fdfc 中頻高頻回波脈沖中頻回波f1( f0 fd)

47、 fc fd本地振蕩器 )cos(1111tUu發(fā)射機(jī)輸出 )cos(0000tUu混頻后取其差頻作為鎖相電壓: )(cos()()cos(010101tUtUucccc目標(biāo)回波信號(hào)為:)(cos00rrrttUu混頻后得到中頻信號(hào):)()cos(00101rrrttUu回波信號(hào)回波信號(hào)ur與基準(zhǔn)電壓比較相位位差只決與基準(zhǔn)電壓比較相位位差只決定于定于rt08.2 動(dòng)目標(biāo)顯示雷達(dá)的工作原理及主要組成動(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), 如果后后面用數(shù)字信號(hào)處理面用數(shù)字信號(hào)處理, 則接收相參接收相參可用圖8.9所示的方式。將發(fā)射信號(hào)的隨機(jī)相將發(fā)射信號(hào)的隨機(jī)相位位t測(cè)量出來測(cè)量

48、出來, 并與送到數(shù)字對(duì)消器前送到數(shù)字對(duì)消器前的接收信號(hào)相位的接收信號(hào)相位r相減相減, 消去消去發(fā)射信號(hào)發(fā)射信號(hào)隨機(jī)相位的影響而獲得等效的接收相隨機(jī)相位的影響而獲得等效的接收相參參。發(fā)射信號(hào)發(fā)射信號(hào)經(jīng)穩(wěn)定本振混頻穩(wěn)定本振混頻后獲得中頻發(fā)射脈沖中頻發(fā)射脈沖, 而后以相參振蕩器相參振蕩器(COHO)的電壓的電壓為基準(zhǔn), 在正交相位檢正交相位檢波器中相參檢波波器中相參檢波, 獲得I與與Q兩路基帶兩路基帶輸出輸出,t的信息包含在基帶輸出中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動(dòng)目標(biāo)顯示雷達(dá)的工作原理及主要組成 穩(wěn)定本振基準(zhǔn)混頻脈沖振蕩器接收混頻

49、相參振蕩雙工器中頻放大IQ信號(hào)A / D數(shù)字式減中頻放大IQ基準(zhǔn)A / D數(shù)字MTI基準(zhǔn)MTI輸出QI天線圖圖 8.9 相位存儲(chǔ)式接收相參相位存儲(chǔ)式接收相參MTI 如果如果A/D變換器的精度足夠變換器的精度足夠, 則這種方式的接收相參所能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。這是因因?yàn)闉檫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動(dòng)目標(biāo)顯示雷達(dá)的工作原理及主要組成 三、三、 消除固定目標(biāo)回波消除固定目標(biāo)回波 1. 相消設(shè)

50、備特性相消設(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與基準(zhǔn)電壓之間的相位差, 0000)(2tctvRtdrr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動(dòng)目標(biāo)顯示雷達(dá)的工作原理及主要組成 cos0U相消器的輸出為兩者相減, 002sin2sin2rddrdTtTUuuu(8.2.7) 輸出包絡(luò)輸出包絡(luò)為一多普勒頻率的正弦信號(hào)一多普勒頻率的正弦信號(hào), 其振幅振幅為 2sin20rdTU也是多普勒頻率的函數(shù)。當(dāng)當(dāng)dTr/2 = n

51、(n=1, 2, 3)時(shí)時(shí), 輸出振幅為零。輸出振幅為零。這時(shí)的目標(biāo)速度正相當(dāng)于盲速這時(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動(dòng)目標(biāo)顯示雷達(dá)的工作原理及主要組成 圖圖 8.10 遲延相消設(shè)備及其輸出響應(yīng)遲延相消設(shè)備及其輸出響應(yīng)(a) 組成框圖組成框圖; (b) 速度響應(yīng)速度響應(yīng); (c) 頻率響應(yīng)特性頻率響應(yīng)特性 延遲 Tr相位檢波器相減回波 ur相參電壓uc相消器輸出(a)0Uu)

52、(jKfr2frfdf3fr2frfr(vr 01)(vr 02)(vr)(b)(c)uiuoejTr008.2 動(dòng)目標(biāo)顯示雷達(dá)的工作原理及主要組成動(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)來說明相消設(shè)備也可以從頻率域?yàn)V波器的觀點(diǎn)來說明。下面求出相消設(shè)備的頻率響應(yīng)特性。輸出為 )1 (rTjioeuu網(wǎng)絡(luò)的頻率響應(yīng)特性為 rrfTjrrrTjioefTTjTeuujK2sin2sin)cos1 ()1 ()(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)的工作原理及主要組成動(dòng)目標(biāo)顯示雷達(dá)的工作原理及主要組成 相消設(shè)備等效于一個(gè)梳齒形濾波

53、器相消設(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)是固定目標(biāo)頻譜的特點(diǎn)是, 譜線位于譜線位于nfr點(diǎn)上點(diǎn)上, 因而在理想情況下, 通過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)當(dāng)目標(biāo)的多普勒頻率為重復(fù)頻率整數(shù)倍時(shí)倍時(shí), 其頻譜結(jié)構(gòu)也有相同的特點(diǎn)其頻譜結(jié)構(gòu)也有相同的特點(diǎn), 故通過上述梳狀濾波器后無輸出。 8.2 動(dòng)目標(biāo)顯示雷達(dá)的工作原理及主要組成動(dòng)目標(biāo)顯示雷達(dá)的工作原理及主要組成 2. 2. 數(shù)字式相消器數(shù)字式相消器 用數(shù)字遲延線數(shù)字遲延線代替模擬遲延線模擬遲延線是數(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

54、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)容易得到長(zhǎng)的延時(shí), 因而便于實(shí)現(xiàn)多脈沖對(duì)消, 以改善濾波器頻率特性; 容易實(shí)現(xiàn)重復(fù)周期的參容易實(shí)現(xiàn)重復(fù)周期的參差跳變差跳變, 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)處理容易和其它數(shù)字式信號(hào)處理設(shè)備設(shè)備( (如數(shù)字式信號(hào)積累器等如數(shù)字式信號(hào)積累器等) )配合配合, 以提高雷達(dá)性能; 動(dòng)態(tài)范圍可做得動(dòng)態(tài)范圍可做得較大較大?？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動(dòng)目標(biāo)顯示雷達(dá)的工作原理及主要組成 圖圖 8.11 數(shù)

55、字式相消器簡(jiǎn)單組成方框數(shù)字式相消器簡(jiǎn)單組成方框 取樣保持電路模 數(shù)轉(zhuǎn)換電路數(shù)字延遲線(存儲(chǔ)器)相減器(運(yùn)算器)模 數(shù)轉(zhuǎn)換器相干視頻延遲數(shù)字信號(hào)相消視頻輸出8.2 動(dòng)目標(biāo)顯示雷達(dá)的工作原理及主要組成動(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)過時(shí)間取樣時(shí)間取樣和幅度分層幅度分層兩步。以時(shí)鐘脈沖控制以時(shí)鐘脈沖控制取樣保持電路取樣保持電路對(duì)輸入相參視頻信號(hào)取樣取樣, 被時(shí)間量化的取樣保持信號(hào)時(shí)間量化的取樣保持信號(hào)送到模數(shù)轉(zhuǎn)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路換電路(A/D變換器變換器)進(jìn)行幅度分層進(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首先要把從相位檢波器輸出的模擬信號(hào)變器輸出的模擬信號(hào)變?yōu)閿?shù)字

56、信號(hào)為數(shù)字信號(hào) 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)懭氪鎸?shù)字信號(hào)按取樣順序?qū)懭氪鎯?chǔ)器內(nèi)儲(chǔ)器內(nèi), 當(dāng)下一個(gè)重復(fù)周期的數(shù)字信號(hào)到來時(shí)當(dāng)下一個(gè)重復(fù)周期的數(shù)字信號(hào)到來時(shí), 由存儲(chǔ)器中讀出同一距由存儲(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)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盲速、盲相

57、的影響及其解決途徑 8.3.1 盲速盲速 1. 盲速以及消除盲速影響的方法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)回波的相位差為相位差為2的整數(shù)倍的整數(shù)倍, 即 nTfTvrdrr2222此n=1時(shí)為第一盲速, 要可靠地發(fā)現(xiàn)目標(biāo)要可靠地發(fā)現(xiàn)目標(biāo), 應(yīng)保證應(yīng)保證第一盲速大第一盲速大于可能出現(xiàn)的目標(biāo)最大速度。于可能出現(xiàn)的目標(biāo)最大速度。 在均勻重復(fù)周期時(shí), 盲速盲速和工作波長(zhǎng)工作波長(zhǎng)以及重復(fù)頻率重復(fù)頻率fr的關(guān)系是確關(guān)系是確定的定的, 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vr0

58、1 = (/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, 如果不采取措施如果不采取措施, 在目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的速在目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的速度范圍內(nèi)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)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)顯示性能的影響參差重復(fù)頻率對(duì)動(dòng)目標(biāo)顯示性能的影響 設(shè)雷達(dá)采用兩種脈沖重復(fù)頻率fr1和fr2交替工作, 而f

59、r1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)盲速而輸只有在兩種重復(fù)頻率上均出現(xiàn)盲速而輸出為零時(shí)出為零時(shí), 才等效于參差后的才等效于參差后的“盲速盲速”vr0, 它所對(duì)應(yīng)的多普勒頻率為f d0, 這時(shí)要滿足: 220110nTfnTfrdrd8.3 盲速、盲相的影響及其解決途徑盲速、盲相的影響及其解決途徑 式中, n1、n2為整數(shù)。所以 22110rrdTnTnf如果選擇Tr1 = aT, Tr2 = b, 且a、b互為質(zhì)數(shù), 則合成第一盲合成第一盲速點(diǎn)產(chǎn)生于速點(diǎn)產(chǎn)生于n1=a,

60、n2=b點(diǎn)處點(diǎn)處。 可以作出比較: 當(dāng)不采用參差重復(fù)頻率時(shí)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, 這時(shí)第一盲速值和其相應(yīng)的多普勒頻率值fd0為 210022rrrrdTTfvf8.3 盲速、盲相的影響及其解決途徑盲速、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 02211021rrrdvTTaaTnTnf(8.3.2) 這時(shí), 可求得采用參差頻率后采用參差頻率后, 第一等效第一等效“盲速盲速”提高的倍數(shù)提高的倍數(shù)為 NaaaavvkNrr32100(8.3.3) 221210000baTTTffvvkrrddrr當(dāng)采用采用N個(gè)參差重復(fù)