經(jīng)典雷達資料第17章脈沖多普勒(PD)雷達2

1、保護通道保護通道的工作原理是通過比較兩個并行接收通道的輸出，其中一個與主天線連接，另一個與保護天線連接，以判斷接收的信號是來自主波束還是來自副瓣 2628。保護通道使用寬波束天線，理想上其天線方向圖超過主天線的副瓣。兩個信道的回波在同一個距離單元、同一個多普勒濾波器單元中進行比較。當在保護接收機中的副瓣回波較大時，副瓣回波被抑制（消除）；而主波束回波則通過，因為主通道接收的回波較大。圖17.8是保護通道的方框圖。CFAR電路后（在理想條件下，兩個通道是相同的）有3個門限，即主通道門限、保護通道門限及主通道與保護通道信號比門限。這些門限的檢測邏輯如圖17.8所示。由于主通道和保護通道比較而產(chǎn)生的

2、消隱將影響主通道的目標檢測性能，因此影響的程度是門限設(shè)置的函數(shù)。門限設(shè)置是由副瓣雜波引起的虛警與主通道檢測性能損耗間的折中。圖17.9是一個不起伏目標回波的例子。圖中，縱坐標是最后輸出的檢測概率，橫坐標是主通道中的信噪比（SNR）。如圖17.10所示中的B2是保護通道SNR與主通道SNR之比。目標位于主波束時，B2值?。欢诟卑攴逯禃r，B2值則大，約為0dB左右。在該例中，對主波束中目標而言，由于保護通道的消隱作用，因此檢測性能損耗0.5dB。圖17.8 雙通道副瓣消隱器框圖圖17.8 雙通道副瓣消隱器框圖圖17.9 采用保護通道的檢測概率與信噪比之間的關(guān)系曲線圖17.10 主天線和保護天線的

3、方向圖理想情況下，保護天線方向圖增益在除主波束方向外的所有方向上都將超過主天線方向圖的增益，從而使雷達通過副瓣檢測到的目標數(shù)最小。如果不是那樣，則如圖17.10所示的保護天線方向圖上的副瓣峰點處目標回波將在主信道具有較大的檢測概率，這將形成虛警。檢波后STC消隱離散副瓣雜波的第二種方法是采用檢波后STC29。其邏輯框圖如圖17.11所示。基本上，CFAR的輸出數(shù)據(jù)將在距離上相關(guān)（解析）3次。每個相關(guān)器采用M/N準則來計算不圖17.11 單通道副瓣消隱邏輯框圖模糊距離。例如，8PRF要求輸出3次檢測。由于目標多普勒頻率是模糊的，所以不使用多普勒相關(guān)。前兩次相關(guān)的結(jié)果用于消隱后面各個距離相關(guān)器輸出

4、的離散副瓣回波。在此采用了3個距離相關(guān)器，其中A相關(guān)器用來解額定檢測范圍（如10n mile）內(nèi)的距離模糊。若超出此額定距離，則檢測到離散副瓣回波的概率是很低的。B相關(guān)器則用于解同一個額定距離之外的距離模糊。但是，在目標進入B相關(guān)器之前，目標回波的幅度受一個隨距離變化的門限（STC門限）的控制。在一個距離單元中，將A相關(guān)器和B相關(guān)器的相關(guān)結(jié)果進行比較，如果一個距離波門在A相關(guān)器中相關(guān)，而在B相關(guān)器不相關(guān)，則第3個相關(guān)器C將該距離波門消隱掉。相關(guān)器C用于解決所關(guān)心的最大作用距離內(nèi)的距離模糊。圖17.12說明了檢波后STC處理的原理。圖中畫出了主波束目標回波和在副瓣中大離散目標與不模糊距離的關(guān)系圖

5、（意即距離模糊已經(jīng)解決之后），還畫出正常CFAR門限和STC門限與距離的關(guān)系。很明顯，在副瓣中的離散回波幅度低于STC門限，而在主波束中的回波幅度則高于門限，因而雷達能識別副瓣中的離散回波，并在輸出端將離散回波消隱掉，并保留目標。圖17.12 檢波后STC電平主波束雜波由式（17.2），用交叉的陰影面積代替dA并在主波束內(nèi)對所有的陰影面積相加的方法，可近似得到主波束雜波功率與噪聲功率比30 （17.3）式中，求和邊界為發(fā)射波束和接收波束的較小者頂端和底端邊沿；qaz為方位半功率點波束寬度，rad；t為壓縮后的脈沖寬度；a為雜波區(qū)的入射余角；其他術(shù)語與式（17.2）的相同。主波束雜波的濾波在采用

6、數(shù)字信號處理的PD雷達中，抑制主波束雜波的方法有兩種：其一是在多普勒濾波器組前加延遲線雜波對消器；其二是使用具有低副瓣的濾波器組。無論哪種方法，其主波束雜波區(qū)附近的濾波器都被消隱，從而使主波束雜波的虛警最小。量化噪聲和與濾波器加權(quán)損耗有關(guān)的設(shè)備復雜性間的折中確定了選擇哪種方法。若使用對消器，則對濾波器的加權(quán)要求比僅用濾波器組要寬松些。這是因為，如果主波束雜波是最大的信號，則對消器降低了進入FFT的動態(tài)范圍要求。若不采用對消器，則必須用較重的加權(quán)來降低副瓣電平，使主波束雜波的濾波器響應(yīng)低于熱噪聲電平。這種加權(quán)增大了濾波器的噪聲帶寬，使信噪比損耗增大。DFT濾波器的改善因子31為 （17.4）式中

7、，Ai為DFT權(quán)系數(shù)，0iN-1；N為DFT點數(shù)；sc為雜波頻譜的標準偏差；K為濾波器序號（K0為直流濾波器）；T為脈沖間間隔。與延遲線對消器的一般定義相比，濾波器的改善因子的定義是濾波器雜波輸入總功率與濾波器剩余雜波功率之比。換句話說，如果雜波處于濾波器中心，且雜波譜寬減至零，則改善因子是濾波器輸出的雜波功率與實際工作時濾波器輸出的雜波功率之比3233。多爾夫-切比雪夫（Dolph-Chebyshew）加權(quán)的256點FFT的改善因子如圖17.13所示。對濾波器組中的不同濾波器數(shù)而言，改善因子是雜波譜寬的函數(shù)。圖17.13 濾波器改善因子與雜波譜寬的關(guān)系曲線如果主波束的指向低于水平方向，且從0

8、°方位角算起大于波束寬度，則由于雷達平臺移動所產(chǎn)生的6dB雜波寬度Df為 （17.5）式中，VR為雷達的對地速度；y0為相對于速度矢量的主波束角度；qB為3dB單程天線波束寬度，rad；l為波長。雜波瞬態(tài)抑制當用多個PRF測距法改變PRF時，或當用線性調(diào)頻測距法改變調(diào)制斜率時，或當射頻載波發(fā)生改變時，如果不做適當處理，則雜波回波的瞬態(tài)變化會引起雷達性能的降低34。由于在PD雷達中，雜波在距離上通常是模糊的，因而從遠模糊距離上（一直到地平線）所接收到的雜波回波都會使每一個脈沖間周期（IPP）內(nèi)的雜波功率增加。這種現(xiàn)象稱謂“空間填充（space charging）”。注意，雖然在“填充”

9、期間所接收到的雜波回波的數(shù)目增加，但是由于從不同地塊返回的雜波回波的相位關(guān)系是隨機的，所以雜波回波信號的矢量與實際相比可能減小。如果采用雜波對消器，則在“空間填充”完成之前，對消器的輸出不可能達到穩(wěn)態(tài)值。因此，在信號送往濾波器組之前必須留有過渡時間，所以每次觀測可得到的相參積累時間等于總觀測時間減去“空間填充”時間和瞬態(tài)過渡時間。用穩(wěn)定的輸入值給對消器進行“預填充”可消除過渡時間35。其方法是通過改變對消器的增益，使所有延遲線均在第一個脈間周期內(nèi)達到穩(wěn)態(tài)值。若不采用對消器，則在完成“空間填充”后信號就可送往濾波器組，因而相參積累時間就等于總觀測時間減去“空間填充”時間。高度線雜波的濾波機載脈沖

10、雷達正下方地面的反射回波稱為高度線雜波。由于平坦地形、大幾何面積和離雷達較近的地面都是鏡面反射，因而這種回波信號能夠非常大。它們位于PD頻譜的副瓣雜波區(qū)內(nèi)。由于高度線雜波比漫散的副瓣雜波大很多，而且頻譜寬度也較窄，因此通?？刹捎靡韵聝煞N方法來濾除：其一是使用可防止檢測高度線雜波專用的CFAR電路；其二是使用航跡消隱器除去最后輸出的高度線雜波。后一種方法采用閉環(huán)跟蹤裝置確定高度線雜波附近的距離和速度波門，并消隱掉那些受影響的距離-多普勒區(qū)域。17.3 時間波門接收機的時間波門可消隱發(fā)射機的泄漏和其噪聲邊帶，消除與信號抗爭的過量接收機噪聲，可用做目標跟蹤的距離波門和進行真實的距離測量，當然是在可以

11、解決模糊的情況下。發(fā)射脈沖的抑制在時間上將發(fā)射機的泄漏消隱掉是PD系統(tǒng)勝出CW系統(tǒng)的一個主要優(yōu)點，因而，接收機靈敏度就不會因為飽和效應(yīng)或發(fā)射機的噪聲邊帶而降低。諧波頻率要特別注意防止在系統(tǒng)的輸出端出現(xiàn)假信號。例如，如果一部30MHz中頻接收機，選通波門的PRF為110kHz，則波門瞬態(tài)的第272次諧波頻率是29.92MHz，而第273次諧波是30.03MHz。這兩個諧波分量都處于多普勒通帶內(nèi)，因而也會出現(xiàn)在輸出端。雖然波門瞬態(tài)的高階諧波分量相對較小，但是由于波門出現(xiàn)在接收機的前端，所以該分量與信號相比可能較大。波門和同步解決波門諧波問題的一種方法是采用平衡選通波門電路和使中頻通帶與PRF同步。

12、這樣，PRF諧波全部落于有用通帶之外。另一種解決方法是將雜波頻率差頻為PRF的倍數(shù)，從而將PRF諧波與雜波一起被濾除。但是，不管是哪種方法均不能用于變PRF雷達系統(tǒng)，除非PRF的離散跳變是精確已知的。雖然PRF和中頻通帶通常都必須同步，但并不要求它們在射頻上同步。有害的諧波是高次的，因此其幅度非常小。此外，通常用中頻波門選通電路可進一步降低射頻波門的瞬時響應(yīng)。發(fā)射機泄漏由于整個發(fā)射機消隱電路所要求的通斷比是相當大的（它要比在沒有很大插入損耗的射頻端所能容易獲得的通斷比還要大），因此，通常射頻消隱和中頻消隱系統(tǒng)是相結(jié)合的。如果用零多普勒濾波器可濾除發(fā)射泄漏，則通過消隱電路的發(fā)射泄漏的大小可和主波

13、束雜波的大小相當。反之，若無此濾波，則發(fā)射泄漏必須是噪聲功率的幾分之一。距離波門距離波門能消除一些與信號抗爭的接收機噪聲，并可實現(xiàn)目標跟蹤和距離測量。距離波門與發(fā)射脈沖抑制非常相似。在一個單信道、占空比為0.5的系統(tǒng)中，一個脈沖抑制電路就可完成上述兩種功能。多距離波門系統(tǒng)也一樣，如果一個電路要同時完成這功能，為了脈沖抑制則通斷比必須適當。然而，若采用兩個電路來實現(xiàn)，則距離波門不需如此多的抑制。17.4 解距離模糊在高PRF多普勒雷達中可使用多種測距方法，而在中PRF雷達中只能使用多重離散的PRF測距。高PRF測距在高PRF系統(tǒng)中，解距離模糊是通過調(diào)制發(fā)射信號和觀測回波中調(diào)制的相移來實現(xiàn)的。調(diào)制

14、的方法包括連續(xù)或離散地改變PRF、射頻載波的線性或正弦調(diào)頻或其他形式的脈沖調(diào)制，如脈寬調(diào)制（PWM）、脈沖位置調(diào)制（PPM）或脈沖幅度調(diào)制（PAM）。在這些調(diào)制方法中，由于遮擋和跨接導致接收調(diào)制被限幅（這將在17.7節(jié)討論），脈寬調(diào)制和脈位調(diào)制有很大的誤差，且脈沖幅度調(diào)制在接收機和發(fā)射機中都難以實現(xiàn)。因此，在這里不做進一步地討論。多重離散的PRF測距若用幾個（通常為兩個或3個）固定的PRF來測距，則首先應(yīng)相繼測量每個PRF的模糊距離，然后通過比較測量結(jié)果來消除距離模糊3637。圖17.14說明了在高PRF系統(tǒng)中，使用兩重PRF測距的原理。該系統(tǒng)使用的兩個PRF必須有相同的公約數(shù)頻率1/Tu。如

15、果發(fā)射的脈沖串在重合檢波器中進行比較，就能得到公約數(shù)頻率。與此相似，若接收波門也在重合檢波器中進行比較，則由目標距離延遲Tr而引起的時延公約數(shù)頻移同樣可以得出。用這兩組重合脈沖測得的時間延遲就能得出真實的目標距離。三重PRF系統(tǒng)的原理與此類似，其優(yōu)點是增大了可實現(xiàn)的不模糊距離。圖17.14 兩重PRF測距原理在監(jiān)視雷達中，可使用多個接收機波門來檢測出現(xiàn)在脈沖間隔內(nèi)的任何目標。圖17.15中的波門間隔ts、波門寬度tg和發(fā)射脈寬tt等全部都是不相同的。它說明了在一般情況下波門間隔的常用處理方法，若選擇tg>ts，則可降低距離門跨接損耗，但增大了距離幻影的概率；若選擇tt = tg，則可使測

16、距性能最優(yōu)。圖17.15 在脈沖間周期中3個距離波門等間隔的例子多重PRF間的比值通常是非常接近的素數(shù)m1，m2和m3，見表17.4。因此，如果一個三PRF系統(tǒng)采用距離波門時鐘頻率fc=1/ts的7、8和9次分頻作為它們的PRF，則所得到的不模糊距離是單獨使用中間一個PRF時的7×963倍。表17.4 多重PRF測距參數(shù)項目兩重PRF三重PRF測距參數(shù)：m1>m2>m3m1, m2m1, m2, m3距離波門通道數(shù)目m1-1m1-1PRFfR11/m1ts1/m1tsfR2(fR3>fR2>fR1³fRmin)1/ m2ts1/ m2tsfR31/

17、m3ts不模糊距離（Rmax）m2c/2fR1m2m3c/2fR1發(fā)射機占空比, dttfR2ttfR3最高與最低PRF之比m1/m2m1/m3注：m1，m2，m3必須互為素數(shù)；tt為發(fā)射脈寬；tg為距離波門寬度；tb為接收機恢復引起的消隱寬度；ts為距離波門間隔；fc1/ts為距離波門時鐘頻率。對于m1，m2，m3為相鄰整數(shù)的情況，圖17.16畫出了最大不模糊距離和最小脈沖重復頻率fRmin、測距參數(shù)m1的函數(shù)關(guān)系。通常希望m1在850之間，所以兩重PRF系統(tǒng)的不模糊距離是十分有限的，但三重PRF系統(tǒng)卻能提供很大的不模糊距離。影響m1選擇的考慮如下：圖17.16 兩重和三重PRF測距系統(tǒng)的不

18、模糊距離與測距參數(shù)m1-1、PRF最小值間的關(guān)系m1,m2,m3是相鄰的整數(shù)，m1是奇數(shù)。（1）為了使硬件設(shè)備盡可能少，應(yīng)采用小的m1值，因為要處理的最大距離波門數(shù)是m1-1；（2）對于三重PRF系統(tǒng)而言，至少在一個PRF內(nèi)的遮擋概率為3/m1，因為如果任何一個PRF都發(fā)生遮擋就不能測量目標的距離，因此m1至少要大于或等于8；（3）要獲得大的不模糊距離，應(yīng)采用大的m1值；（4）要獲得好的距離分辨力，則應(yīng)采用小的tt，然而小的tt所要求的m1值較大（在波束掃過目標期間，目標距離的變化又限制了tt的最小值）；（5）為使發(fā)射機占空比最小和各PRF間發(fā)射機平均功率的變化率最小，m1值應(yīng)較大。在邊搜索邊測