經(jīng)典雷達資料第17章脈沖多普勒(PD)雷達1

1、第17章 脈沖多普勒（PD）雷達William H.LongDavid H.MooneyWilliam A.Skillman17.1 特性和應用術(shù)語在本章中，脈沖多普勒（PD）一詞適用于下列雷達：（1）雷達采用相參發(fā)射和接收，即發(fā)射脈沖和接收機本振信號都與一個高穩(wěn)定的自激振蕩器信號同步；（2）雷達的PRF足夠高，距離是模糊的；（3）雷達采用相參處理來抑制主瓣雜波，以提高目標的檢測能力和輔助進行目標識別或分類。應用PD主要應用于那些需要在強雜波背景下檢測動目標的雷達系統(tǒng)。表17.1列出了PD的典型應用110和要求。雖然PD的基本原理也可應用于地面雷達，但本章主要討論PD在機載雷達中的應用。表17

2、.1 PD的典型應用和要求雷達應用要求機載或空間監(jiān)視探測距離遠；距離數(shù)據(jù)精確機載截擊或火控中等探測距離；距離和速度數(shù)據(jù)精確地面監(jiān)視中等探測距離；距離數(shù)據(jù)精確戰(zhàn)場監(jiān)視（低速目標檢測）中等探測距離；距離和速度數(shù)據(jù)精確導彈尋的頭可以不要真實的距離信息地面武器控制探測距離近；距離和速度數(shù)據(jù)精確氣象距離和速度數(shù)據(jù)分辨力高導彈告警探測距離近；非常低的虛警率脈沖重復頻率PD雷達通?？煞譃閮纱箢?，即中PRF和高PRF的PD雷達11。在中PRF的PD雷達1214中，我們所關(guān)心的目標距離、雜波距離和速度通常都是模糊的。但在高PRF的PD雷達中15，只有距離是模糊的，而速度是不模糊的（或如后面所討論的最多只有一階速

3、度模糊）。在通常被稱為動目標顯示器（MTI）16的低PRF雷達中，人們所關(guān)心的距離是不模糊的，但速度通常是模糊的。盡管MTI雷達和PD雷達的工作原理是相同的，但通常并不把它也列入PD雷達。表17.2給出了MTI和PD雷達的比較。表17.2 MTI雷達和PD雷達的比較優(yōu) 點缺 點MTI雷達低PRF1根據(jù)距離可區(qū)分目標和雜波；2無距離模糊；3前端STC抑制了副瓣檢測和降低對動態(tài)范圍的要求。1由于多重盲速，多普勒能見度低；2對慢目標抑制能力低；3不能測量目標的徑向速度。PD雷達中PRF1在目標的各個視角都有良好的性能；2有良好的慢速目標抑制能力；3可以測量目標的徑向速度；4距離遮擋比高PRF時小。1

4、有距離幻影；2副瓣雜波限制了雷達性能；3由于有距離重疊，導致穩(wěn)定性要求高。PD雷達高PRF1在目標的某些視角上可以無副瓣雜波干擾；2惟一的多普勒盲區(qū)在零速；3有良好的慢速目標抑制能力；4可以測量目標的徑向速度；5僅檢測速度可提高探測距離。1副瓣雜波限制了雷達性能；2有距離遮擋；3有距離幻影；4由于有距離重疊，因此導致穩(wěn)定性要求高。脈沖多普勒頻譜PD雷達的發(fā)射頻譜由位于載頻f0和邊帶頻率f0 i fR上的若干離散譜線組成。其中，fR為PRF；i為整數(shù)。頻譜的包絡由脈沖的形狀決定。對常用的矩形脈沖而言，其頻譜的包絡是 (sinx)/x。固定目標的接收頻譜譜線有正比于雷達平臺和目標之間視線或徑向速度

5、的多普勒頻移。電磁波往返的多普勒頻移為fd= (2VR/l)cosy0。式中，l為雷達波長；VR為雷達平臺的速度；y0為速度矢量和目標視線之間的夾角。圖17.1給出的是來自連續(xù)雜波（諸如地物回波或云雨雜波）和離散目標（諸如飛機、汽車、坦克等）回波的頻譜。圖17.1水平運動平臺的雜波和目標頻譜圖17.2給出了當雷達平臺以速度VR水平移動時的無折疊頻譜，即沒有鄰近脈沖重復頻率譜線的頻譜折疊。無雜波區(qū)是指那些不存在地物雜波的頻譜區(qū)（中PRF通常不存在無雜波區(qū)）。寬度為4VR/l的副瓣雜波區(qū)包含由天線副瓣進入的地雜波功率，在某些區(qū)域其雜波功率可能低于噪聲功率。位于f0+(2VR/l)cosy0的主波束

6、區(qū)，包含天線主波束及由速度矢量測得的掃描角y0掃過地面所產(chǎn)生的強回波。當主波束照射到雨或箔條云時，也會產(chǎn)生強的雨或箔條雜波。此外，由于風的影響，其頻譜在頻域上會發(fā)生位移或展寬。圖17.2 無折疊頻譜圖（無雜波跟蹤）若雷達平臺的垂直運動速度為零，則由雷達平臺正下方幾乎垂直處的地面所產(chǎn)生的高度線雜波落在零多普勒頻移上。由主波束返回的離散目標回波的頻譜位于fT=f0+(2VR/l)cosy0+ (2VT/l)cosyT 。式中，VT為目標速度；yT為雷達目標視線和目標速度矢量之間的夾角。圖17.2的頻譜成分隨距離的變化而變化，以后還將討論。圖17.3示出各種不同的雜波多普勒頻率區(qū)。它們是天線方位和雷

7、達與目標之間相對速度的函數(shù)，再次說明是對無折疊頻譜而言?？v坐標是目標速度的徑向或視線分量，以雷達平臺的速度為單位，因而主波束雜波區(qū)位于零速度處，而副瓣雜波區(qū)頻率邊界隨天線方位成正弦變化。這就給出了目標能避開副瓣雜波的多普勒區(qū)域。例如，若天線方位角為0，則任一迎頭目標（VTcosyT0）都能避開副瓣雜波；反之，若雷達尾追目標（yT=180和y0=0），則目標的徑向速度必須大于雷達速度的2倍方能避開副瓣雜波。無副瓣雜波區(qū)和副瓣雜波區(qū)還可以用如圖17.4所示的目標視角來表示14。這里假設(shè)截擊幾何圖為雷達和目標沿直線飛向一截獲點。當雷達速度VR和目標速度VT給定時，雷達觀測角y0和目標的視角yT是常數(shù)

8、。圖的中心為目標，并且指向位于圓周上雷達的角度為視角。視角和觀測角滿足關(guān)系式VRsiny0=VTsinyT，是按截擊航向定義的。迎頭飛行時，目標的視角為0，尾追時則為180。對應于副瓣雜波區(qū)和無副瓣雜波區(qū)之間的邊界視角是雷達-目標相對速度比的函數(shù)。如圖17.4給出了4種情況。情況1是雷達和目標的速度相等，并且在目標速度矢量兩側(cè)、視角從迎頭60都是能觀測目標的無副瓣雜波區(qū)。同樣，情況2情況4的條件是目標速度為雷達速度的0.8倍、0.6倍和0.4倍。在這三種情況中，能觀測目標的無副瓣雜波區(qū)將超過相對目標速度矢量的視角，可達78.5。再次說明，上述的情況都假設(shè)是在截擊航路上。很明顯，目標無副瓣雜波區(qū)

9、的視角總是位于波束視角的前方。圖17.3 雜波區(qū)和無雜波區(qū)與目標速度和方位的關(guān)系注意：高度線雜波區(qū)和主波束雜波區(qū)的寬度隨條件而變，根據(jù)雷達平臺速度矢量至天線口徑視向或至目標視線的角度測得方位角，水平運行情況圖17.4 無副瓣雜波區(qū)與目標視角的關(guān)系圖模糊和PRF的選擇PD雷達的距離或多普勒頻率通常是模糊的或者二者都是模糊的。不模糊距離Ru為c/2fR。其中，c為光速；fR為PRF。如果被觀測的最大目標速度是VTmax，則若想在速度上（大小和多普勒符號，即正的和負的）不模糊，那么最小的脈沖重復頻率值fRmin為 （17.1）然而，某些PD雷達采用僅速度大小上無模糊的PRF，即fRmin=2VTma

10、x/l，并依靠在照射目標期間用多重PRF檢測來解決多普勒符號上的模糊問題。如果過去的高PRF（沒有速度模糊）雷達的定義擴展為可允許一個多普勒符號的速度模糊，則這些雷達可歸屬為高PRF類雷達。這種較低PRF不僅可保留高PRF在零多普勒頻率附近只有一個盲速區(qū)的優(yōu)點，而且還使目標距離測量變得容易。高PRF和中PRF之間的選擇涉及許多考慮，如發(fā)射脈沖占空比限制、脈沖壓縮可行性、信號處理能力、導彈照射要求等，但通常取決于目標全方位可檢測性的需要。全方位覆蓋要求具有良好的尾追性能，此時目標多普勒頻率位于副瓣雜波區(qū)中并接近于高度線。在高PRF雷達中，距離折疊使距離維幾乎無清晰區(qū)，因此降低了目標的探測能力。若

11、采用較低的或中PRF，則距離上的清晰區(qū)增大，但這是以高多普勒目標的速度折疊為代價的，而在高PRF時，它們位于無雜波區(qū)。例如，圖17.5在距離-多普勒坐標上畫出了雜波加噪聲與噪聲之比。其中，高度取6 000ft，PRF取12kHz。圖中畫出了主波束雜波、高度線雜波和副瓣雜波。距離坐標表示不模糊距離間隔Ru，頻率坐標表示PRF間隔。由圖可知，存在一個副瓣雜波低于熱噪聲且具有較好目標檢測能力的距離-多普勒區(qū)。主波束雜波可用濾波器濾除。圖17.5 在距離-多普勒空間上的雜波加噪聲與噪聲之比因為中PRF在距離和多普勒頻率上雜波是折疊的，因此需要采用多重PRF來取得令人滿意的檢測概率，以解決距離模糊和多普

12、勒模糊。多重PRF通過移動無雜波區(qū)的相對位置以達到對目標的全方位覆蓋。由于副瓣雜波通常覆蓋人們感興趣的多普勒頻率區(qū)，因此低于噪聲的副瓣雜波區(qū)和整個距離-多普勒空間之比是雷達高度、雷達速度和天線副瓣電平的函數(shù)。若采用高PRF波形，則由于在不模糊距離間隔內(nèi)（假定目標多普勒仍然與副瓣雜波抗爭）副瓣雜波折疊，因此距離清晰區(qū)也就沒有了。然而，在如圖17.3和17.4所示的無副瓣雜波的多普勒區(qū)中，目標的檢測能力僅受限于熱噪聲，而與雷達高度、速度和副瓣電平無關(guān)。對那些最惡劣的主波束雜波情況而言，要求系統(tǒng)穩(wěn)定邊帶遠低于噪聲?？傊M管中PRF可提供全方位的目標覆蓋，但是目標在全方位上都要與副瓣雜波抗爭，而用高

13、PRF，目標在波束前方無副瓣雜波?；窘M成圖17.6是PD雷達的典型組成，采用在中央計算機控制下的數(shù)字信號處理結(jié)構(gòu)，包括發(fā)射機抑制電路、主波束和獨立的副瓣抑制電路及模糊解算器。雷達計算機在接收機載系統(tǒng)的輸入（如慣導單元和操縱員控制指令）后，如同一位熟練的控制員那樣完成對雷達的控制。它本身還包含跟蹤回路、自動增益控制（AGC）濾波回路、天線掃描方式產(chǎn)生器及雜波定位和目標處理功能（如求質(zhì)心）。此外，當雷達采用邊掃描邊跟蹤方式時，計算機可完成多目標跟蹤功能，而且還可完成雷達的自檢和例行校準。為簡單起見，圖中僅給出搜索處理組成。收發(fā)開關(guān)在PD雷達中，收發(fā)開關(guān)通常都是諸如環(huán)行器之類的無源器件，可在發(fā)射和

14、接收之間將天線有效地切換。由于鐵氧體環(huán)行器隔離度的典型值為2025dB，因此尚有相當大的能量耦合到接收機。接收機保護器（R/P）接收機保護器是一個快速響應的大功率開關(guān)，可防止由收發(fā)開關(guān)泄漏過來的大功率發(fā)射機輸出信號損壞高靈敏度的接收機前端。為了使發(fā)射脈沖之后的距離門中的靈敏度降低減至最小，接收機保護器必須具有快速恢復的能力。射頻衰減器射頻（RF）衰減器不僅可抑制由R/P進入接收機的發(fā)射機泄漏（這就不會使接收機發(fā)生飽和，否則將延長發(fā)射機關(guān)機后的恢復時間），而且能控制進入接收機的輸入信號電平。所接收到的信號電平始終保持在低于飽和電平。比較典型的方法是，在搜索時采用雜波AGC，而在單目標跟蹤時采用目

15、標AGC，以防止假信號的產(chǎn)生而使性能降低。雜波定位通常，作為穩(wěn)定本振一部分的壓控振蕩器（VCO）與主波束雜波差頻后得到零頻或直流。當雜波為直流時，就降低了對同相（I）和正交（Q）通道的幅度平衡和相位平衡的要求。這是因為由不平衡所導致的鏡像將落于直流的附近，可以很容易地將它和主波束雜波一起濾除。發(fā)射脈沖抑制器接收機中頻段提供的發(fā)射脈沖抑制器可進一步衰減發(fā)射機泄漏，是一種波門選通器件。信號處理通過正交混頻，接收機的模擬輸出信號下變頻為基帶（dc）信號。同相信號和正交信號經(jīng)匹配濾波器濾波，由A/D變換為數(shù)字信號。A/D之后一般是延遲線雜波對消器和多普勒濾波器組，為的是用來抑制主波束雜波和進行相參積累

16、。圖17.6 PD雷達的典型組成（注：*為選用）項濾波器組通常采用FFT來實現(xiàn)或當濾波器數(shù)較少時用離散傅里葉變換（DFT）來完成。合適的加權(quán)可用來降低濾波器的副瓣。I/Q合成近似形成FFT輸出的電壓包絡，也可以用檢波后積累（PDI），即每個距離門-多普勒濾波器的輸出在幾個相參周期內(nèi)線性相加。PDI的輸出再與恒虛警（CFAR）1720處理形成的檢測門限比較。在CFAR電路之后是離散的副瓣抑制邏輯電路（這將在17.2節(jié)中討論）及距離模糊和速度模糊解算器（如果需要的話）。最后的檢測輸出被送往雷達顯示器和計算機。17.2 PD雜波概述來自各種散射體的雜波回波對PD雷達的設(shè)計影響很大，同樣也會影響對點目

17、標的檢測概率。這些雜波散射體包括地貌（地面和水面）、雨、雪和箔條。由于PD雷達通常所使用的天線具有一個高增益的主波束，所以當雷達俯視時，主波束雜波是雷達處理的最大信號。這也是使用中PRF和高PRF PD雷達的主要原因。窄波束將主波束雜波的頻率范圍限制在多普勒頻譜的一個較小的頻段內(nèi)。天線方向圖的其他部分由副瓣組成，產(chǎn)生副瓣雜波。這些雜波通常遠小于主波束雜波，但卻覆蓋了很寬的頻段。來自雷達正下方地面的副瓣雜波（高度線雜波）常常較大，這是因為地面在大入射余角時的反射系數(shù)大、地面的幾何面積較大和地面的距離近。在副瓣雜波區(qū)中，只要雜波接近或是超過接收機噪聲電平，目標的測距性能都將下降。為了移動目標頻譜（

18、相對于雜波）可采用多重PRF，從而避免由于強雜波電平所產(chǎn)生的完全盲距或盲頻。這種相對移動是距離和多普勒折疊產(chǎn)生的。若某個PRF使雜波和目標折疊到相同的距離和多普勒上，那么PRF只要有足夠大的改變就能將目標和雜波分開。固定雷達的地物雜波當雷達相對于地面而言是固定的時，主波束雜波和副瓣雜波都是零多普勒頻移，也就等于發(fā)射頻率。只要有一部分主波束掃過地面，則與主波束雜波相比，副瓣雜波通常較小。如同在脈沖雷達中那樣，雜波是可以計算的，然后作為PRF的函數(shù)在距離上折疊。運動雷達的地物雜波當雷達以速度VR運動時，雜波將發(fā)生頻域擴展。圖17.2是雷達做水平運動時的情況。對于在距離和多普勒上都是模糊的中PRF雷

19、達而言，圖17.7畫出了雜波在距離和多普勒上的折疊。雷達平臺向右飛行，速度為1000kn，俯沖角為10。圖中每個狹窄的環(huán)形區(qū)域是對所選定距離波門內(nèi)的雜波產(chǎn)生影響的地面區(qū)域。5個雙曲線狀的狹窄條形區(qū)域是對所選定的多普勒濾波器中的雜波產(chǎn)生影響的區(qū)域。相交叉的陰影部分是對所選定距離波門-多普勒濾波器單元中的雜波產(chǎn)生影響的區(qū)域。每個區(qū)域所產(chǎn)生的雜波功率取決于指向該區(qū)域的天線增益和該區(qū)域的反射特性。主波束照射到位于地面軌跡左側(cè)的橢圓形區(qū)域。由于整個橢圓形區(qū)域位于濾波器范圍內(nèi)，所以主波束雜波落在該濾波器中，而其他濾波器則接收到副瓣雜波。5個距離環(huán)與主波束橢圓形區(qū)域相交，因此在這個距離門中的主波束雜波是上述

20、這5個區(qū)域所接收到信號的矢量和。由于距離高度折疊，因此所有距離門內(nèi)的雜波幾乎相等。圖17.7 距離波門和多普勒濾波區(qū)的平面圖雷達高度為10 000ft；速度向右1000kn；俯沖角為10；雷達波長為3cm；PRF為15kHz；距離波門寬度為6.67ms；4波門；多普勒濾波器中心頻率為2kHz；帶寬為1kHz；波束寬度為5（環(huán)形）；主波束方位為20；俯角為5。如果主波束在方位上360掃描，則主波束雜波將在頻域內(nèi)掃描。所以主波束雜波在所選定的濾波器內(nèi)將出現(xiàn)10次（每條雙曲線區(qū)出現(xiàn)兩次），其間，濾波器將接收到來自全部交叉陰影區(qū)的副瓣雜波。雜波回波：通用方程來自距離R處，增量面積為dA的單塊雜波區(qū)的雜波噪聲比為 （17.2）式中，Pav為平均發(fā)射功率；l為工作波長；s0為雜波后向散射系數(shù)；Lc為雜波損耗因子；GT為雜波區(qū)方向的發(fā)射增益；GR為雜波區(qū)方向的接收增益；k為玻耳茲曼常數(shù)，等于1.3805410-23 W/（Hz/K）；Ts為系統(tǒng)噪聲溫度，單位為K；Bn為多普勒濾波器帶寬。來自每個雷達分辨單元的雜波噪聲比是