雷達(dá)原理(第三版)第8章

1、第 8 章 運(yùn)動目標(biāo)檢測及測速 第 8 章 運(yùn)動目標(biāo)檢測及測速 8.1 多卜勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用多卜勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用8.2 動目標(biāo)顯示雷達(dá)的工作原理及主要組成動目標(biāo)顯示雷達(dá)的工作原理及主要組成8.3 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8.4 回波和雜波的頻譜及動目標(biāo)顯示濾波器回波和雜波的頻譜及動目標(biāo)顯示濾波器8.5 動目標(biāo)顯示雷達(dá)的工作質(zhì)量及質(zhì)量指標(biāo)動目標(biāo)顯示雷達(dá)的工作質(zhì)量及質(zhì)量指標(biāo)8.6 動目標(biāo)檢測動目標(biāo)檢測(MTD)8.7 自適應(yīng)動目標(biāo)顯示系統(tǒng)自適應(yīng)動目標(biāo)顯示系統(tǒng)8.8 速度測量速度測量 第 8 章 運(yùn)動目標(biāo)檢測及測速 8.1 多卜勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)

2、用多卜勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用 8.1.1 多卜勒效應(yīng)多卜勒效應(yīng) 1. 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。 第 8 章 運(yùn)動目標(biāo)檢測及測速 在雷達(dá)發(fā)射站處接收到由目標(biāo)反射的回波信號sr(t)為 )(cos)()(0rrrttkAttksts(8.1.1) 式中, tr = 2R/c, 為回波滯后于發(fā)射信號的時(shí)間, 其中R為目標(biāo)和雷達(dá)站間的距離; c為電磁波傳播速度, 在自由空間傳播時(shí)它等于光速; k為回波的衰減系數(shù)。 如果目標(biāo)固定不動, 則距離R為常數(shù)?；夭ㄅc發(fā)射信號之間有固定相位

3、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。 第 8 章 運(yùn)動目標(biāo)檢測及測速 當(dāng)目標(biāo)與雷達(dá)站之間有相對運(yùn)動時(shí), 則距離R隨時(shí)間變化。 設(shè)目標(biāo)以勻速相對雷達(dá)站運(yùn)動, 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 式中，R0 為 t=0 時(shí)的距離；vr為目標(biāo)相對雷達(dá)站的徑向運(yùn)動速度。 式(8.1.1)說明, 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)間的相對運(yùn)動速度vr遠(yuǎn)小于電磁波速度c, 故時(shí)延tr可近似寫為 )(2)(20tvRcctRtrr(8.1.1)第 8 章

4、 運(yùn)動目標(biāo)檢測及測速 回波信號比起發(fā)射信號來, 高頻相位差 )(22)(20000tvRtvRctrrr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 rdvdtdf221(8.1.3)這就是多卜勒頻率, 它正比于相對運(yùn)動的速度而反比于工作波長。當(dāng)目標(biāo)飛向雷達(dá)站時(shí), 多卜勒頻率為正值, 接收信號頻率高于發(fā)射信號頻率, 而當(dāng)目標(biāo)背離雷達(dá)站飛行時(shí), 多卜勒頻率為負(fù)值, 接收信號頻率低于發(fā)射信號頻率。 第 8 章 運(yùn)動目標(biāo)檢測及測速 多卜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, 如果接收者相對于振蕩源是不動的, 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

5、率相等。如果振蕩源與接收者之間有相對接近的運(yùn)動, 則接收者在單位時(shí)間內(nèi)收到的振蕩數(shù)目要比他不動時(shí)多一些, 也就是接收頻率增高；當(dāng)二者作背向運(yùn)動時(shí), 結(jié)果相反。 第 8 章 運(yùn)動目標(biāo)檢測及測速 2. 窄帶信號時(shí)的多卜勒效應(yīng)窄帶信號時(shí)的多卜勒效應(yīng) 常用雷達(dá)信號為窄帶信號(帶寬遠(yuǎn)小于中心頻率)。 其發(fā)射信號可以表示為 )(Re)(0tjetuts式中，Re表示取實(shí)部; u(t)為調(diào)制信號的復(fù)數(shù)包絡(luò); 0為發(fā)射角頻率。 同連續(xù)波發(fā)射時(shí)的情況相似, 由目標(biāo)反射的回波信號sr(t)可以寫成 )(Re)()()(0rttjrrrettkuttksts(8.1.4) 當(dāng)目標(biāo)固定不動時(shí), 回波信號的復(fù)包絡(luò)有一固

6、定遲延, 而高頻則有一個(gè)固定相位差。 第 8 章 運(yùn)動目標(biāo)檢測及測速 當(dāng)目標(biāo)相對雷達(dá)站勻速運(yùn)動時(shí), 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)的回波信號表示式說明, 回波信號比起發(fā)射信號來講, 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 rdvdtdf221稱為多卜勒頻率, 即回波信號的頻率比之發(fā)射頻率有一個(gè)多卜勒頻移。 第 8 章 運(yùn)動目標(biāo)檢測及測速 附注附注: 下面從式(8.1.1)出發(fā), 較嚴(yán)格地討論運(yùn)動目標(biāo)回波的特點(diǎn)。在t時(shí)刻收到的回波是在t-t

7、r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 ) (0tvRtRr(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 rtctR2) (可解得結(jié)果 )22(10tvRvctrrr(8.1.6) 第 8 章 運(yùn)動目標(biāo)檢測及測速 將tr代入式(8.1.1)可得運(yùn)動目標(biāo)回波為 rrrrrrrvcRtvcvckvcRtvcvckts000002cos2cos)(8.1.7) 由式(8.1.7)可以看出, 運(yùn)動目標(biāo)回波信號的角頻率變?yōu)?, 可化簡并近似為 0rrvcvc1cvr002001111cvcvcvcvvcvcrrrrrr第 8 章

8、 運(yùn)動目標(biāo)檢測及測速 即信號角頻率的變化值d = (2vr/c) 0 = 2 2vr/, 為多卜勒頻移。近似后的結(jié)果, 與常用的多卜勒頻率表達(dá)式(8.1.3)相同。 對于窄帶發(fā)射信號而言, 要嚴(yán)格地討論運(yùn)動目標(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: rrrrrrrrrrrrrvcRtvcvcjvcRtvcvcukvcRtvcvcjvcRtvcvcukts0000002exp2Re2exp2Re)(8.1.8) 第 8 章 運(yùn)動目標(biāo)檢測及測速 由式(8.1.8)可以討論窄帶信號時(shí)的運(yùn)動目標(biāo)回波的幾個(gè)特點(diǎn): (1) 由指數(shù)項(xiàng), 信號角頻率已變?yōu)?, 通?？倽M足c

9、 vr, 故角頻率可作近似簡化處理，得到信號角頻率的變化量為 0rrvcvcrrdvcv2220稱為多卜勒頻率。 第 8 章 運(yùn)動目標(biāo)檢測及測速 (2) 對于復(fù)數(shù)包絡(luò)u(t)來講, rrrvcRtvcvcu02中的因子(c+vr)/(c-vr)表示信號在時(shí)間軸上的增長或壓縮。根據(jù)目標(biāo)運(yùn)動的方向可確定其是增長還是壓縮。 目標(biāo)和雷達(dá)站相對運(yùn)動時(shí), vr為正值, 相當(dāng)于波形在時(shí)間軸上壓縮, 而在頻率軸上頻譜將展寬。第 8 章 運(yùn)動目標(biāo)檢測及測速 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 cvvcvvcvcrrrrr22當(dāng)信

10、號的帶寬為f時(shí), 上述時(shí)間誤差可忽略的條件為 1212fcvfcvrr或(8.1.9) 第 8 章 運(yùn)動目標(biāo)檢測及測速 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, 這樣即使信號的時(shí)間帶寬積f為1000數(shù)量級時(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。可以看出, 在當(dāng)前目標(biāo)運(yùn)動的速度范圍內(nèi), 運(yùn)動目標(biāo)回波的表達(dá)式(8.1.4)可以近似為 )(exp)(Re)(00ttjttuktsdrr(8.1.10) 運(yùn)動目標(biāo)回波的主要特征是其中心頻率偏移多卜勒頻率, 其它影響均可忽略。前面近似結(jié)果完全可以實(shí)用。

11、 第 8 章 運(yùn)動目標(biāo)檢測及測速 回波信號產(chǎn)生的多卜勒頻移可由發(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： dtRRdfrtd)(1在單基地雷達(dá)情況下, 引起多卜勒頻移的是雷達(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) 第 8 章 運(yùn)動目標(biāo)檢測及測速 8.1.2 多卜勒信息的提取多卜勒信息的提取 已經(jīng)知道, 回波信號的多卜勒頻移fd正比于徑向速度，而反比于雷達(dá)工作波長, 即 cvffvcfvfrdrrd22200 多卜勒頻移的相對值正比于目標(biāo)速度與光速之比, fd的正負(fù)值取決于目標(biāo)運(yùn)動

12、的方向。在多數(shù)情況下, 多卜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。因此要從接收信號中提取多卜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 。 第 8 章 運(yùn)動目標(biāo)檢測及測速 1. 連續(xù)波多卜勒雷達(dá)連續(xù)波多卜勒雷達(dá) 為取出收發(fā)信號頻率的差頻, 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, 即多卜勒頻率電壓。這時(shí)的基準(zhǔn)電壓通常稱為相參(干)電壓,

13、 而完成差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相位的信號電壓。 圖 8.1(a) (c)畫出了連續(xù)波多卜勒雷達(dá)的原理性組成方框圖、獲取多卜勒頻率的差拍矢量圖及各主要點(diǎn)的頻譜圖。 第 8 章 運(yùn)動目標(biāo)檢測及測速 圖 8.1 連續(xù)波多卜勒雷達(dá)原理框圖(a) 組成框圖; (b) 多卜勒頻率差拍矢量; (c) 頻譜圖 第 8 章 運(yùn)動目標(biāo)檢測及測速 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。混合的發(fā)射信號和接收信號經(jīng)過放大后, 在相位

14、檢波器輸出端取出其差拍電壓, 隔除其中直流分量, 得到多卜勒頻率信號送到終端指示器。 對于固定目標(biāo)信號, 由于它和基準(zhǔn)信號的相位差=0tr保持常數(shù), 故混合相加的合成電壓幅度亦不改變。當(dāng)回波信號振幅Ur遠(yuǎn)小于基準(zhǔn)信號振幅U0時(shí), 從矢量圖上可求得其合成電壓為 cos0rUUU(8.1.12) 第 8 章 運(yùn)動目標(biāo)檢測及測速 包絡(luò)檢波器輸出正比于合成信號振幅。對于固定目標(biāo), 合成矢量不隨時(shí)間變化, 檢波器輸出經(jīng)隔直流后無輸出。而運(yùn)動目標(biāo)回波與基準(zhǔn)電壓的相位差隨時(shí)間按多卜勒頻率變化。即回波信號矢量圍繞基準(zhǔn)信號矢量端點(diǎn)以等角速度d旋轉(zhuǎn), 這時(shí)合成矢量的振幅為 )cos(00tUUUdr經(jīng)相位檢波器取

15、出二電壓的差拍, 通過隔直流電容器得到輸出的多卜勒頻率信號為 )cos(0tUdr(8.1.13)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卜勒頻率fd送到終端指示(例如頻率計(jì)), 即可測得目標(biāo)的徑向速度值。 第 8 章 運(yùn)動目標(biāo)檢測及測速 2. 脈沖工作狀態(tài)時(shí)的多卜勒效應(yīng)脈沖工作狀態(tài)時(shí)的多卜勒效應(yīng) 脈沖雷達(dá)是最常用的雷達(dá)工作方式。當(dāng)雷達(dá)發(fā)射脈沖信號時(shí), 和連續(xù)發(fā)射時(shí)一樣, 運(yùn)動目標(biāo)回波信號中產(chǎn)生一個(gè)附加的多卜勒頻率分量。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畫出了利用多卜勒效應(yīng)的脈沖雷達(dá)方框圖及各主要點(diǎn)的波形圖, 圖中所示為多卜勒頻率fd

16、小于脈沖寬度倒數(shù)的情況。 第 8 章 運(yùn)動目標(biāo)檢測及測速 圖 8.2 利用多卜勒效應(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)第 8 章 運(yùn)動目標(biāo)檢測及測速 圖 8.2 利用多卜勒效應(yīng)的脈沖雷達(dá) (a) 原理方塊圖; (b) 主要波形圖;(c) A顯畫面(對消前) 連續(xù)振蕩脈沖發(fā)射回波(固定)回波(運(yùn)動)相干檢波(運(yùn)動)相干檢波(固定)tttttt(b)cR02cRR)(20第 8 章 運(yùn)動目標(biāo)檢測及測速 圖 8.2 利用多卜勒效應(yīng)的脈沖雷達(dá) (a) 原理方塊圖; (b) 主

17、要波形圖;(c) A顯畫面(對消前) 動目標(biāo)強(qiáng)固定目標(biāo)噪聲(c)第 8 章 運(yùn)動目標(biāo)檢測及測速 和連續(xù)波雷達(dá)的工作情況相類比: 發(fā)射信號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)射信號有相同的起始相位, 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)射信號相同; 回波信號ur, ur = Ursin0(t-tr)+0 , 當(dāng)雷達(dá)為脈沖工作時(shí), 回波信號是脈沖電壓, 只在信號來到期間即trttr+時(shí)才存在, 其它時(shí)間只有基準(zhǔn)電壓Uk加在相位檢

18、波器上。經(jīng)過檢波器的輸出信號為 )cos1 ()cos1 (0mUmUKukd(8.1.14) 第 8 章 運(yùn)動目標(biāo)檢測及測速 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分量。 在脈沖雷達(dá)中, 由于回波信號為按一定重復(fù)周期出現(xiàn)的脈沖, 因此, U0m cos表示相位檢波器輸出回波信號的包絡(luò)。圖8.3給出了相位檢波器輸出波形圖。 對于固定目標(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。對運(yùn)動目標(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)動速度vr及雷達(dá)工作波長決定

19、。 )(22)(2000tvRctRtrr第 8 章 運(yùn)動目標(biāo)檢測及測速 合成矢量為基準(zhǔn)電壓Uk以及回波信號相加, 經(jīng)檢波及隔去直流分量后得到脈沖信號的包絡(luò)為 )cos(2coscos000000tmUtRcmUmUdrd(8.1.15) 即回波脈沖的包絡(luò)調(diào)制頻率為多卜勒頻率。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), 回波信號按脈沖重復(fù)周期依次出現(xiàn), 信號出現(xiàn)時(shí)對多卜勒頻率取樣輸出。 脈沖工作時(shí), 相鄰重復(fù)周期運(yùn)動目標(biāo)回波與基準(zhǔn)電壓之間的相位差是變化的, 其變化量為 rrrrdtTcvT002第 8 章 運(yùn)動目標(biāo)檢測及測速 圖 8.3 相位檢波器輸出波形 ttTrcos(dt0)u

20、uUrUkUinUr2UkUr100第 8 章 運(yùn)動目標(biāo)檢測及測速 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)周期回波信號與基準(zhǔn)信號之間相位差的變化來檢測運(yùn)動目標(biāo)回波, 相位檢波器將高頻的相位差轉(zhuǎn)化為輸出信號的幅度變化。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)的多卜勒頻移, 但在fd1/的條件下(這是常遇到的情況), 這個(gè)多卜勒頻移只使相位檢波器輸出脈沖的頂部產(chǎn)生畸變。這就表明要檢測出多卜勒頻率需要多個(gè)脈沖信號。 只有當(dāng)fd 1/時(shí), 才有可能利用單個(gè)脈沖測出其多卜勒頻率

21、。 對于運(yùn)動目標(biāo)回波, 其重復(fù)周期的微小變化Tr = (2vr/c) Tr通常均可忽略。 第 8 章 運(yùn)動目標(biāo)檢測及測速 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, 即盲速和頻閃效應(yīng)。 所謂盲速, 是指目標(biāo)雖然有一定的徑向速度vr, 但若其回波信號經(jīng)過相位檢波器后, 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)動速度稱為盲速。 而頻閃效應(yīng)則是當(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)動的徑向速度vr不再保持正比關(guān)系。此時(shí)如用包絡(luò)調(diào)制頻率測速時(shí)將產(chǎn)生測速模糊。 產(chǎn)生盲速和頻閃效應(yīng)的基本原因在于

22、, 脈沖工作狀態(tài)是對連續(xù)發(fā)射的取樣, 取樣后的波形和頻譜均將發(fā)生變化, 下面將予以討論。 第 8 章 運(yùn)動目標(biāo)檢測及測速 由式(8.1.10)知, 當(dāng)雷達(dá)信號為窄帶信號時(shí), 運(yùn)動目標(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為高頻的多卜勒頻移。當(dāng)雷達(dá)處于脈沖工作狀態(tài)時(shí), 簡單脈沖波形時(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。 第 8 章 運(yùn)動目標(biāo)檢測及測速 u(t)的頻譜U(f)是一串間隔fr = 1/Tr的譜線, 譜線的包絡(luò)取決于脈沖

23、寬度的值。運(yùn)動目標(biāo)的回波信號是u(t-tr)和具有多卜勒頻移的連續(xù)振蕩相乘, 因而其頻譜是兩者的卷積, )()()()()()()(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。 第 8 章 運(yùn)動目標(biāo)檢測及測速 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nfrfd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產(chǎn)生“盲速”的原因: 固定目標(biāo)時(shí)，fd=0,

24、 其回波的頻譜結(jié)構(gòu)與發(fā)射信號相同, 是由f0和f0nfr的譜線所組成。對于運(yùn)動目標(biāo)回波, 譜線中心移動fd, 故其頻譜由f0+fd、f0+fdnfr的譜線組成, 經(jīng)過相位檢波器后, 得到fd及nfrfd的差頻, 其波形為多卜勒頻率fd調(diào)幅的一串脈沖。當(dāng)fd=nfr時(shí), 運(yùn)動目標(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)無法區(qū)分運(yùn)動目標(biāo)與固定目標(biāo)。 第 8 章 運(yùn)動目標(biāo)檢測及測速 從圖8.4的頻譜圖上也可以分析產(chǎn)生頻閃的原因: 當(dāng)多卜勒頻率fd超過重復(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

25、置上交叉。 兩個(gè)不同的多卜勒頻率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)頻率來單值地測定目標(biāo)的速度, 必須滿足的條件是 rdff21(8.1.16) 第 8 章 運(yùn)動目標(biāo)檢測及測速 圖 8.4 脈沖工作時(shí)各主要點(diǎn)信號頻譜(a) 發(fā)射信號頻譜; (b) 接收信號頻譜; (c) 相參電壓譜; (d) 相位檢波輸出譜 frfrfrfr f0f01f01f0ffff0 fd1f0 fd1f0 fd( f0 fd)1( f0 fd

26、) f0f0S( f )Sr( f )000(a)(b)(c)f1 fdfdfr fdfr fd10(d ) f01第 8 章 運(yùn)動目標(biāo)檢測及測速 盲速和頻閃效應(yīng)也可以從矢量圖和相對應(yīng)的波形圖加以說明。 從矢量圖8.5(a)可以看出, 相鄰周期運(yùn)動目標(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)動的, 但相鄰周期回波與基準(zhǔn)電壓間的相對位置不變, 其效果正如目標(biāo)是不運(yùn)動的一樣, 這就是盲速。可求得盲速與雷達(dá)參數(shù)的關(guān)系。 當(dāng)=2n, 即 =dTr =2n n=1, 2, 3, 時(shí), 會產(chǎn)生盲速, 這時(shí) fdTr = n 或

27、fd = nfr 第 8 章 運(yùn)動目標(biāo)檢測及測速 因 fd = 2vr/, 所以盲速 rrfnv210盲速的出現(xiàn)是因?yàn)槿酉到y(tǒng)的觀察是間斷而不是連續(xù)的。 在連續(xù)系統(tǒng)中, 多卜勒頻率總是正比于目標(biāo)運(yùn)動的速度而沒有模糊。 但在脈沖工作時(shí), 相位檢波器輸出端的回波脈沖包絡(luò)頻率只在多卜勒頻率較脈沖重復(fù)頻率低時(shí)(fd1/2fr)才能代表目標(biāo)的多卜勒頻率。在盲速時(shí), nTvfnvrrr212100或即在重復(fù)周期內(nèi), 目標(biāo)走過的距離正好是發(fā)射高頻振蕩半波長的整數(shù)倍, 由此引起的高頻相位差正好是2的整數(shù)倍。 第 8 章 運(yùn)動目標(biāo)檢測及測速 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

28、號的相位差=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, 脈沖信號的包絡(luò)調(diào)制頻率相同。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)制頻率與回波信號的多卜勒頻率不相等。 包絡(luò)調(diào)制頻率隨著多卜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)的多卜勒頻率為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)制頻率和多卜

29、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, 它隨著多卜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。 第 8 章 運(yùn)動目標(biāo)檢測及測速 圖 8.5 用矢量和波形圖說明盲速和頻閃(a) 盲速說明; (b) 頻閃說明; (c) Fa的變化規(guī)律 TrFdfdtUr1Ur2UkdTr2 Fd0fd frTrUr1Ur2UkdTr2 1 2 2 FdTrFd fr fdFdfdfdFdfr2frr21fr21f0t(a)(b)(c)2第 8 章 運(yùn)動目標(biāo)檢測及測速 圖 8.6 高速目標(biāo)(fd 1/)的多卜勒效應(yīng)(a) 波形;

30、 (b) 頻譜 UrUkfdtuf0ff0 fdU( f )0f01(a)(b)0第 8 章 運(yùn)動目標(biāo)檢測及測速 8.2 動目標(biāo)顯示雷達(dá)的工作原理及主要組成動目標(biāo)顯示雷達(dá)的工作原理及主要組成 8.2.1 基本工作原理基本工作原理 從上節(jié)分析可看出, 當(dāng)脈沖雷達(dá)利用多卜勒效應(yīng)來鑒別運(yùn)動目標(biāo)回波和固定目標(biāo)回波時(shí), 與普通脈沖雷達(dá)的差別是必須在相位檢波器的輸入端加上基準(zhǔn)電壓(或稱相參電壓), 該電壓應(yīng)和發(fā)射信號頻率相參并保存發(fā)射信號的初相, 且在整個(gè)接收信號期間連續(xù)存在。工程上，基準(zhǔn)電壓的頻率常適在中頻。這個(gè)基準(zhǔn)電壓是相位檢波器的相位基準(zhǔn), 各種回波信號均與基準(zhǔn)電壓比較相位。從相位檢波器輸出的視頻脈

31、沖, 有固定目標(biāo)的等幅脈沖串和運(yùn)動目標(biāo)的調(diào)幅脈沖串。通常在送到終端(顯示器或數(shù)據(jù)處理系統(tǒng))去之前要將固定雜波消去, 故要采用相消設(shè)備或雜波濾波器, 濾去雜波干擾而保存運(yùn)動目標(biāo)信息。 第 8 章 運(yùn)動目標(biāo)檢測及測速 8.2.2 獲得相參振蕩電壓的方法獲得相參振蕩電壓的方法 1. 中頻全相參中頻全相參(干干)動目標(biāo)顯示動目標(biāo)顯示 當(dāng)雷達(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

32、持和高頻相位檢波相同的相位關(guān)系。第 8 章 運(yùn)動目標(biāo)檢測及測速 圖 8.7 中頻全相參(干)動目標(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消器脈沖調(diào)制器主振源f0fcfcf1 f0 fc本地振蕩回波信號f0 fd中頻脈沖fc fd相參電壓相參視頻輸出對消視頻第 8 章 運(yùn)動目標(biāo)檢測及測速 如圖8.7所示，主振源連續(xù)振蕩的信號為U0cos(0t+0), 它控制發(fā)射信號的頻率和相位。中頻相參振蕩器的輸出為Uc cos(ct+c)。本振信號取主振源連續(xù)振蕩信號和相參源的和頻, 即 )cos(0011cctUu(8.2.1) 回波信號為Urco

33、s0(t-tr)+0, 對于固定目標(biāo), tr為常數(shù)。而對于運(yùn)動目標(biāo),tr在每個(gè)重復(fù)周期均發(fā)生變化。 回波信號與本振混頻后取出中頻信號: tftvRctRtddr2)22(2)(20000對于運(yùn)動目標(biāo)的回波, 二者相位差按多卜勒頻率變化。 第 8 章 運(yùn)動目標(biāo)檢測及測速 2. 鎖相相參動目標(biāo)顯示鎖相相參動目標(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

34、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。 第 8 章 運(yùn)動目標(biāo)檢測及測速 圖 8.8 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消器中頻回波對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) fc fd第 8 章 運(yùn)動目標(biāo)檢測及測速 直接用發(fā)射機(jī)輸出在高頻進(jìn)行鎖相存在著實(shí)際困難, 因?yàn)槿菀讓?shí)現(xiàn)鎖相和高頻率穩(wěn)定度兩個(gè)要求對鎖相

35、振蕩器的實(shí)現(xiàn)是互相矛盾的。如果允許的頻偏量f相同(f的值影響動目標(biāo)顯示的工作質(zhì)量), 則鎖相相參振蕩器工作在中頻時(shí)對頻率穩(wěn)定度f/fc的要求將明顯降低。加之超外差接收通常在中頻進(jìn)行主要放大, 并將中頻信號送到相位檢波器, 因此, 典型動目標(biāo)顯示的相參振蕩器均工作于中頻, 在中頻上實(shí)現(xiàn)鎖相。 其組成方框圖如圖8.8所示。鎖相電壓直接由發(fā)射機(jī)取出, 避免了收發(fā)開關(guān)可能帶來的干擾, 以保證鎖相質(zhì)量。高頻鎖相電壓與回波信號用同一本振電壓混頻, 然后將混頻所得的中頻鎖相電壓加到相參振蕩器輸入端。用這個(gè)鎖相電壓鎖定的中頻相參振蕩器電壓可以作為相位檢波器的基準(zhǔn)電壓。發(fā)射信號和本振信號的隨機(jī)初相在比較相位時(shí)均

36、可以消去。 第 8 章 運(yùn)動目標(biāo)檢測及測速 中頻鎖相時(shí), 各點(diǎn)電壓及其相位關(guān)系為: 本地振蕩器 )cos(1111tUu(8.2.2) 發(fā)射機(jī)輸出 )(cos()()cos(010101tUtUucccc(8.2.3) )cos(0000tUu當(dāng)0t時(shí)存在 式中, l及0為初相, 通常是隨機(jī)量。經(jīng)混頻后取其差頻作為鎖相電壓 (8.2.4) 第 8 章 運(yùn)動目標(biāo)檢測及測速 相參振蕩器的初相在每一重復(fù)周期均由中頻鎖相電壓決定, 而在整個(gè)接收回波時(shí)間內(nèi)也連續(xù)存在, 作為相參接收的相位基準(zhǔn)。 這時(shí), 目標(biāo)回波信號為 )(cos00rrrttUu(8.2.5) 這里忽略了目標(biāo)反射引起的相移。ur只當(dāng)tr

37、ttr+時(shí)存在。 經(jīng)混頻后得到中頻信號 )()cos(00101rrrttUu在相位檢波器中, 回波信號ur與基準(zhǔn)電壓比較相位時(shí), 初相l(xiāng)-0可以消去, 兩者的相位差只決定于0tr。當(dāng)目標(biāo)運(yùn)動時(shí), 相鄰重復(fù)周期的相位差按多卜勒頻率變化。 第 8 章 運(yùn)動目標(biāo)檢測及測速 對磁控管發(fā)射機(jī)的雷達(dá), 如果后面用數(shù)字信號處理, 則接收相參可用圖8.9所示的方式。將發(fā)射信號的隨機(jī)相位t測量出來, 并和送到數(shù)字對消器前的接收信號相位r相減, 消去發(fā)射信號隨機(jī)相位的影響而獲得等效的接收相參。發(fā)射信號經(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

38、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。 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。 第 8 章 運(yùn)動目標(biāo)檢測及測速 圖 8.9 相位存儲式接收相參MTI 穩(wěn)定本振基準(zhǔn)混頻脈沖振蕩器接收混頻相參振蕩雙工器中頻放大IQ信號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天線第 8 章 運(yùn)動目標(biāo)檢測及測速 8.2.3 消除固定目標(biāo)回波消除固定目標(biāo)回波 1. 相消設(shè)備特性相

39、消設(shè)備特性由相位檢波器輸出的脈沖包絡(luò)為 u = U0cos 式中，為回波與基準(zhǔn)電壓之間的相位差, 0000)(2tctvRtdrr回波信號按重復(fù)周期Tr出現(xiàn), 將回波信號延遲一周期后, 其包絡(luò)為 u=U0 cosd(t-Tr)-0 (8.2.6) 第 8 章 運(yùn)動目標(biāo)檢測及測速 相消器的輸出為兩者相減, 002sin2sin2rddrdTtTUuuu(8.2.7) 輸出包絡(luò)為一多卜勒頻率的正弦信號, 其振幅為 2sin20rdTU也是多卜勒頻率的函數(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)動目標(biāo)回波在相位檢波器的輸出端與固定目標(biāo)回波相

40、同, 因而經(jīng)相消設(shè)備后輸出為零, 如圖 8.10 所示。 第 8 章 運(yùn)動目標(biāo)檢測及測速 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 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)(jKfr2frfdf3fr2frfr(vr 01)(vr 02)(vr)(b)(c)uiuoejTr00第 8 章 運(yùn)動目標(biāo)檢測及測速 相消設(shè)備也可以從頻率域?yàn)V波器的觀點(diǎn)來說明, 而且為了得到更好的雜波抑制性能, 常從頻率域設(shè)計(jì)較好的濾波器來達(dá)到。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 rr

41、fTjrrrTjioefTTjTeuujK2sin2sin)cos1 ()1 ()(8.2.8) 其頻率響應(yīng)特性如圖8.10(c)所示。 第 8 章 運(yùn)動目標(biāo)檢測及測速 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, 通過相消器這樣的梳齒濾波器后輸出為零。當(dāng)目標(biāo)的多卜勒頻率為重復(fù)頻率整數(shù)倍時(shí), 其頻譜結(jié)構(gòu)也有相同的特點(diǎn), 故通過上述梳狀濾波器后無輸出。 第 8 章 運(yùn)動目標(biāo)檢測及測速 2. 數(shù)字式相消器數(shù)字式相消器 近20年來, 隨著大規(guī)模超大規(guī)模集成電路(LSI/VLSI)的迅猛發(fā)展, 已經(jīng)完全可以用數(shù)字技

42、術(shù)來實(shí)現(xiàn)信號的存儲、遲延和各種實(shí)時(shí)運(yùn)算。用數(shù)字遲延線代替模擬遲延線是數(shù)字動目標(biāo)顯示(DMTI)的基本點(diǎn)。采用數(shù)字式對消器具有許多優(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)字式對消器還具有一些特點(diǎn): 容易得到長的延時(shí), 因而便于實(shí)現(xiàn)多脈沖對消, 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)字式信號處理設(shè)備(如數(shù)字式信號積累器等)配合, 以提高雷達(dá)性能; 動態(tài)范圍可做得較大。總之, 它可以實(shí)現(xiàn)更為完善和靈活的信號處理功能。 第 8 章 運(yùn)動目標(biāo)檢測及測速 數(shù)字式相消器的簡單組成如圖8.11所示。作為模擬

43、和數(shù)字信號的接口, 首先要把從相位檢波器輸出的模擬信號變?yōu)閿?shù)字信號。 模擬信號變?yōu)閿?shù)字信號要經(jīng)過時(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輸入相參視頻信號取樣, 被時(shí)間量化的取樣保持信號送到模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(A/D變換器)進(jìn)行幅度分層, 轉(zhuǎn)為數(shù)字信號輸出。數(shù)字信號的遲延可用存儲器完成, 將數(shù)字信號按取樣順序?qū)懭氪鎯ζ鲀?nèi), 當(dāng)下一個(gè)重復(fù)周期的數(shù)字信號到來時(shí), 由存儲器中讀出同一距離單元的信號進(jìn)行相減運(yùn)算, 在輸出端得到跨周期相消的數(shù)字信號。這個(gè)數(shù)字信號可以很方便地用來作其它數(shù)字處理(例如積累、恒虛警等), 如果需要模擬信號作顯示, 則可將數(shù)字信號經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換器, 變?yōu)槟M信號輸出。 第

44、8 章 運(yùn)動目標(biāo)檢測及測速 圖 8.11 數(shù)字式相消器簡單組成方框 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)字信號相消視頻輸出第 8 章 運(yùn)動目標(biāo)檢測及測速 模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號時(shí), 取樣間隔和量化位數(shù)這兩個(gè)參數(shù)的選擇必須慎重。取樣定理證明, 如果取樣信號要保留原信號的全部信息, 取樣間隔T應(yīng)小于信號有效帶寬倒數(shù)的一半, 即取樣頻率1/T大于信號帶寬的2倍。 每一個(gè)雷達(dá)雜波的回波為許多反射單元的回波矢量和, 其功率譜與單個(gè)發(fā)射脈沖譜的形狀相類似。單個(gè)目標(biāo)雷達(dá)回波的有效帶寬通常以其脈沖寬度的倒數(shù)表示，所以取樣間隔應(yīng)小于脈沖寬度的一半, 即在一個(gè)脈

45、沖寬度以內(nèi)取樣兩次以上。 取樣次數(shù)增多雖可提高取樣信號的質(zhì)量, 但實(shí)現(xiàn)起來所用設(shè)備量將增加。在雷達(dá)信號的量化過程中, 有時(shí)在一個(gè)脈沖寬度內(nèi)只取樣一次, 這樣可以簡化設(shè)備, 它所引起的信雜比損耗約為1.5 dB。 第 8 章 運(yùn)動目標(biāo)檢測及測速 量化位數(shù)(模數(shù)轉(zhuǎn)換位數(shù))的選取, 主要取決于量化噪聲的影響。模數(shù)轉(zhuǎn)換首先將模擬信號量化分層。如數(shù)字位數(shù)為N, 則將輸入動態(tài)范圍(設(shè)從-Em到+Em)分成2N-1層, 幅度量化間隔為 ) 12(2NmE將幅度連續(xù)變化的取樣保持信號量化為離散的分層數(shù)字信號, 二者之間當(dāng)然會有差別, 這個(gè)差別稱為量化噪聲。分層時(shí), 連續(xù)的取樣保持信號和量化的標(biāo)準(zhǔn)電平相比較,

46、以二分層的中線為界: 超過中線的歸于上層, 低于中線的歸于下層。這樣一來, 量化噪聲限制在(-/2, +/2)的區(qū)間內(nèi), 且在一般情況下, 在該區(qū)間內(nèi)量化噪聲分布的概率密度為均勻分布。則可算出量化噪聲的方差2為 第 8 章 運(yùn)動目標(biāo)檢測及測速 12/1)(222/2/22dxxdxxx(8.2.9) 輸入的模擬信號包括目標(biāo)回波、雜波和噪聲, 經(jīng)過幅度分層量化以后, 將增加一部分量化噪聲。量化后總噪聲的均方值2可以認(rèn)為是原噪聲均方值2n和量化噪聲均方值2之和, 則由于量化引起的信噪比損失(量化損耗)為 222222) 12(311lg10)(lg10NnmnnEL(8.2.10) 第 8 章 運(yùn)

47、動目標(biāo)檢測及測速 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 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 正如8.1節(jié)所述, 盲速在相鄰兩周期運(yùn)動目標(biāo)回波的相位差為2的整數(shù)倍, 即 nTfTvrdrr2222(8.3.1) 第 8 章 運(yùn)動目標(biāo)檢測及測速 時(shí)發(fā)生。這時(shí)fd0=nfr或vr0=(n/2) fr, n=1時(shí)為第一盲速, 表示在重復(fù)周期Tr內(nèi)目標(biāo)所走過的距離為半個(gè)波長。由于處于“盲速”上的運(yùn)動目標(biāo), 其回波的頻譜結(jié)構(gòu)和固定雜波相同, 經(jīng)過對消器將被消除。因此, 動目標(biāo)顯示雷達(dá)在檢測“盲速”范圍內(nèi)的運(yùn)動目標(biāo)時(shí), 將會產(chǎn)生丟失或

48、極大降低其檢測能力(這時(shí)依靠復(fù)雜目標(biāo)反射譜中的其他頻率分量)。如果要可靠地發(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)最大速度。 第 8 章 運(yùn)動目標(biāo)檢測及測速 但在均勻重復(fù)周期時(shí), 盲速和工作波長以及重復(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3 cm雷達(dá)為例, 如果最大測距范圍為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, 如果不采取措施, 在目標(biāo)運(yùn)動的速度范圍內(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)。事實(shí)上, 最大不模糊距離和重復(fù)頻率f

49、r的關(guān)系為 rrfcTcR22max0第 8 章 運(yùn)動目標(biāo)檢測及測速 如第一盲速點(diǎn)vr0 = (1/2) fr, 則最大不模糊距離R0max和第一盲速vr0的關(guān)系為R0 maxvr0= (c/4) , 當(dāng)工作波長選定后, 兩者的乘積為一常數(shù), 不能任意選定。 通常在地面雷達(dá)中, 常選擇其重復(fù)頻率fr使之滿足最大作用距離的要求, 保證測距無模糊, 而另外設(shè)法解決盲速問題。 解決盲速問題在原理上并不困難, 因?yàn)樵诋a(chǎn)生“盲速”時(shí), 滿足vrTr1 = n (/2), 如果這時(shí)將重復(fù)周期略為改變而成為Tr2, 則vrTr2 n (/2), 不再滿足“盲速”的條件, 動目標(biāo)顯示雷達(dá)就能檢測到這一類目標(biāo)。

50、 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”對動目標(biāo)顯示雷達(dá)的影響。 第 8 章 運(yùn)動目標(biāo)檢測及測速 2. 參差重復(fù)頻率對動目標(biāo)顯示性能的影響參差重復(fù)頻率對動目標(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fr1和fr2均滿足最大不模糊測距的要求, 則在一次對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, 它所對應(yīng)的多卜勒頻率為f d0, 這時(shí)要滿足: 220110nTfnTfrdrd第 8 章 運(yùn)動

51、目標(biāo)檢測及測速 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), 則合成第一盲速點(diǎn)產(chǎn)生于n1=a, n2=b點(diǎn)處?？梢宰鞒霰容^: 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)的多卜勒頻率值fd0為 210022rrrrdTTfvf第 8 章 運(yùn)動目標(biāo)檢測及測速 采用參差后, 第一盲速對應(yīng)的多卜勒頻率值為 02211021rrrdvTTaaTnTnf(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 NaaaavvkNrr32100(8.3.3

52、) 221210000baTTTffvvkrrddrr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) 第 8 章 運(yùn)動目標(biāo)檢測及測速 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)起來常有矛盾, 需要選擇合適的參差數(shù)和最佳的參差比來解決。 以兩個(gè)重復(fù)頻率參差的情況來說, 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得到較好的速度響應(yīng)特

53、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。 第 8 章 運(yùn)動目標(biāo)檢測及測速 在8.12(a)圖中, 當(dāng)Tr1/Tr2 = 2/3時(shí), 盲速提高為原來的2.5倍, 而當(dāng)Tr1/Tr2 =7/8時(shí), 盲速提高為原來的7.5倍, 但在原來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31 32 33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。 第 8 章 運(yùn)動目標(biāo)檢測及測速 圖 8.1

54、2 參差周期時(shí)的速度響應(yīng)曲線(a) 二參差; (b) 三參差 4030201000481216202428327.19.512.918.833.57.19.512.918.833.5Tr1 : Tr2 : Tr331 : 32 : 330r0rvvk0rrvv響應(yīng) / dB00.20.40.60.810r0rvvk0rrvv322r1rTT872r1rTT1234567輸出響應(yīng)(a)(b)第 8 章 運(yùn)動目標(biāo)檢測及測速 圖 8.13 參差PRI時(shí)的MTI濾波器 wN1w1w0yktN1t1t0 xnk第 8 章 運(yùn)動目標(biāo)檢測及測速 濾波器組成原理圖如圖8.13所示。濾波器對N-1個(gè)重復(fù)周期的信

55、號進(jìn)行濾波處理, 在參差重復(fù)周期時(shí), ti-ti-1=Ti(i=1, 2, ，N-1)各不相等, 其輸出 10Nnnknkxwy式中，下標(biāo)k表示距離單元數(shù)；wn為權(quán)值。 濾波器的頻率響應(yīng)Y(f)可求得為 102)(NnftjnnewfY式中 nmmnTt0第 8 章 運(yùn)動目標(biāo)檢測及測速 速度響應(yīng)主要取決于參差比值的選擇, 與權(quán)值wi也有一些關(guān)系。在等重復(fù)周期條件下, 多級對消器串接時(shí), 其權(quán)值服從二項(xiàng)式。 采用參差重復(fù)頻率不僅可以較好地解決盲速問題(使第一合成盲速大于最大目標(biāo)速度), 而且可以改變參差數(shù)及其比值的辦法來獲得不同的速度響應(yīng)(等效MTI濾波器響應(yīng))。但采用參差重復(fù)頻率后也存在一些相

56、應(yīng)的問題: (1) 不能消除遠(yuǎn)區(qū)雜波的二次回波, 因?yàn)閰⒉钪芷跁r(shí)它們在脈沖間不處于同一距離單元上。 (2) 參差周期時(shí)要做好高穩(wěn)定度的發(fā)射機(jī)更加困難。 第 8 章 運(yùn)動目標(biāo)檢測及測速 (3) 由于參差而使雷達(dá)的改善因子受到限制。從頻域上分析是因?yàn)閰⒉詈箅s波將在MTI通帶內(nèi)產(chǎn)生分量而不能濾去。 用直觀的時(shí)域處理來觀察, 可看到：當(dāng)?shù)戎貜?fù)周期對信號均勻取樣時(shí), 雙遲延線對消器能完全抵消輸入的線性波形u(t)=c+at, 不論a值的 選 取 ( 三 遲 延 對 消 器 可 對 消 含 有 時(shí) 間 平 方 項(xiàng) 的 波 形u(t)=c+at+bt2), 而當(dāng)重復(fù)周期參差時(shí), 如果用二項(xiàng)式加權(quán)系數(shù), 雙遲

57、延線對消器對線性波形處理, 將產(chǎn)生輸出剩余, 剩余量正比于斜率a和(r-1), r為周期比。若掃描雷達(dá)工作時(shí)，波束內(nèi)的脈沖數(shù)為n, 則經(jīng)過大量仿真計(jì)算后可得到參差引起的改善因子限制值I, 可近似表示為 dBrnI15 . 2lg20(8.3.6) 第 8 章 運(yùn)動目標(biāo)檢測及測速 圖 8.14 參差后的時(shí)變加權(quán)(a) 脈沖串; (b) 雙遲延對消; (c) 三遲延對消 T1T2T3T4P1P2P3P4P5PN3PN2PN1PNTN3TN2TN1TNTIME時(shí)間(a)D遲延遲延遲延ABC遲延遲延ABC(b)(c)第 8 章 運(yùn)動目標(biāo)檢測及測速 在間隔TN, 當(dāng)回波由發(fā)射脈沖PN產(chǎn)生時(shí), 雙遲延對消

58、器的權(quán)值為: A=1, C=TN-2/TN-1, B=-1-C, 而三延遲線對消器的權(quán)值則為 1,1, 1213DCBTTTCANNN采用時(shí)變加權(quán)值后對MTI濾波器的速度響應(yīng)無明顯影響。 當(dāng)系統(tǒng)是動目標(biāo)檢測(MTD)處理時(shí), 在雜波濾波之后還有濾波器組處理, 則在組處理的多個(gè)脈沖期間, 重復(fù)周期不能改變。 這時(shí)只有采取“組參差”的辦法來解決盲速問題。 “組參差”時(shí)不會產(chǎn)生脈間參差的問題, 但也得不到那樣好的速度響應(yīng)。 第 8 章 運(yùn)動目標(biāo)檢測及測速 8.3.2 盲相盲相 1. 點(diǎn)盲相和連續(xù)盲相點(diǎn)盲相和連續(xù)盲相 相位檢波器輸出經(jīng)一次對消器后, 運(yùn)動目標(biāo)回波u已由式(8.2.7)得到 u= u-u

59、= 2U0sin(fdTr)sin(dt-fdTr-0) 輸出的振幅值大小為2U0sinfdTr, 與多卜勒頻率有關(guān), 其輸出的振幅受多卜勒頻率調(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(見圖8.15(a)決定。 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, 但卻是一對相檢器輸出相等的工作點(diǎn), 因此經(jīng)過相消器后, 其輸出為零而出現(xiàn)點(diǎn)盲相。 第 8 章 運(yùn)動目標(biāo)檢測及測速 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 Uabc022Tr2U0 sinfdTru點(diǎn)盲相(a)(

60、b)t第 8 章 運(yùn)動目標(biāo)檢測及測速 圖 8.16 用矢量圖說明相位檢波器和相消器輸出 (a) 動目標(biāo)單獨(dú)存在時(shí); (b) 動目標(biāo)與固定目標(biāo)疊加; (c) 動目標(biāo)疊加在強(qiáng)雜波上 (a)(b)(c)abcdOO基準(zhǔn)電壓方向?qū)ο鬏敵?等于差矢量的投影基準(zhǔn)電壓方向固定回波限幅電平基準(zhǔn)電壓O第 8 章 運(yùn)動目標(biāo)檢測及測速 2. 中頻對消中頻對消(矢量對消器之一矢量對消器之一) 從相位檢波器的討論中可看出, 相位檢波器的輸出是回波矢量在基準(zhǔn)電壓方向的投影, 而一次對消器的輸出又相當(dāng)于相鄰重復(fù)周期信號差矢量在該方向的投影。當(dāng)差矢量的方向與基準(zhǔn)電壓方向垂直時(shí), 則輸出為零, 這時(shí)就是盲相。 如果能在信號處