雷達(dá)測(cè)速及測(cè)距

雷達(dá)測(cè)速與測(cè)距GZH2016/3/29系統(tǒng)流程圖模塊分析1脈沖壓縮1.1原理分析雷達(dá)的根本功能是利用目標(biāo)對(duì)電磁波的散射而發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，并測(cè)定目標(biāo)的空間位置。雷達(dá)分辨力是雷達(dá)的主要性能參數(shù)之一。所謂雷達(dá)分辨力是指在各種目標(biāo)環(huán)境下區(qū)分兩個(gè)或兩個(gè)以上的鄰近目標(biāo)的能力。一般說(shuō)來(lái)目標(biāo)距離不同、方位角不同、高度不同以及速度不同等因素都可用來(lái)分辨目標(biāo)，而與信號(hào)波形嚴(yán)密聯(lián)系的那么是距離分辨力和速度（徑向）分辨力。兩個(gè)目標(biāo)在同一角度但處在不同距離上，其最小可區(qū)分的距離稱(chēng)為距離分辨力，雷達(dá)的距離分辨力取決于信號(hào)帶寬。對(duì)于給定的雷達(dá)系統(tǒng)，可到達(dá)的距離分辨力為〔1.1〕其中C為光速，B=If為發(fā)射波形帶寬。雷達(dá)的速度分辨率可用速度分辨常數(shù)表征，信號(hào)在時(shí)域上的持續(xù)寬度越大，在頻域上的分辨率能力就越好，即速度分辨率越好。R=if=—對(duì)于簡(jiǎn)單的脈沖雷達(dá)， ，此處，「為發(fā)射脈沖寬度。因此，對(duì)于簡(jiǎn)單的脈沖雷達(dá)系統(tǒng)，將有〔1.2〕在普通脈沖雷達(dá)中，由于信號(hào)的時(shí)寬帶寬積為一常數(shù)〔約為1〕，因此不能兼顧距離分辨力和速度分辨力兩項(xiàng)指標(biāo)。雷達(dá)對(duì)目標(biāo)進(jìn)展連續(xù)觀(guān)測(cè)的空域叫做雷達(dá)的探測(cè)圍，也是雷達(dá)的重要性能數(shù)，它決定于雷達(dá)的最小可測(cè)距離和最大作用距離，仰角和方位角的探測(cè)圍。而發(fā)射功率的大小影響作用距離，功率大那么作用距離大。發(fā)射功率分脈沖功率和平均功率。雷達(dá)在發(fā)射脈沖信號(hào)期間所輸出的功率稱(chēng)脈沖功率，用Pt表示；平均功率是指一個(gè)重復(fù)周期Tr發(fā)射機(jī)輸出功率的平均值，用Pav表示。它們的關(guān)系為脈沖壓縮〔PC〕雷達(dá)體制在雷達(dá)脈沖峰值受限的情況下，通過(guò)發(fā)射寬脈沖而獲得高的發(fā)能量，以保證足夠的最大作用距離，而在接收時(shí)那么采用相應(yīng)的脈沖壓縮法獲得窄脈沖，以提高距離分辨力，因而能較好地解決作用距離與分辨能力之間的矛盾。在脈沖壓縮系統(tǒng)中，發(fā)射波形往往在相位上或頻域上進(jìn)展調(diào)制，接收時(shí)1_1將回波信號(hào)加以壓縮，使其等效帶寬B滿(mǎn)足。令飛飛,那么[1.4]〔1.4丨式中，飛表示經(jīng)脈沖壓縮后的有效脈寬。因此脈沖壓縮雷達(dá)可用寬度-的發(fā)射脈沖來(lái)獲得相當(dāng)于發(fā)射有效寬度為飛的簡(jiǎn)單脈沖系統(tǒng)的距離分辨力。發(fā)射脈沖寬度：跟系統(tǒng)有效〔經(jīng)壓縮的〕脈沖寬度S的比值便成為脈沖壓縮比，即〔1.5〕那么D=BII〔1.6〕輸入信號(hào)形式為_(kāi) .zs(t)=AIrectY-YI巴找吠丹詈〔1.7〕

其中矩形函數(shù)，當(dāng)時(shí)為1其他情況為0。實(shí)踐-rectY-V其中矩形函數(shù)，當(dāng)時(shí)為1其他情況為0。實(shí)踐-rectY-VIe2T〔1.8〕系統(tǒng)采用匹配濾波輸出為〔1.9〕[1.10]1.2仿真結(jié)果雷達(dá)發(fā)射信號(hào)為L(zhǎng)FM信號(hào)，脈沖寬度為T(mén)p=10e-6，信號(hào)帶寬為B=4e6，脈沖重復(fù)周期為T(mén)=100e-6，因此脈沖占空比為0.1,采樣頻率為fs—5e6。時(shí)寬帶寬積為D=Tp*B。發(fā)射信號(hào)波形如下：圖1.1LFM信號(hào)時(shí)域波形和頻譜chirp信弓圖1.2chirp信號(hào)發(fā)射信號(hào)為16個(gè)脈沖，在經(jīng)過(guò)延時(shí)和參加噪聲后得到回波信號(hào)如下：-□.S-1-□.S-1?□.曰「.El.E4..2口2.4.□.□.d6□.口--□.用□.曰 1日寸i司■1.2 1A 1.GM1口蟲(chóng)圖1.3完整回波信號(hào)從圖中可看出，回波信號(hào)在每個(gè)脈沖重復(fù)周期中有3個(gè)脈沖，表示目標(biāo)個(gè)數(shù)為3。0.30.60.4回涼侶號(hào)的一亍周朋0-0.2■□.S-0.S-16000距離□lszna圖1.4回波信號(hào)的一個(gè)周期在仿真過(guò)程中，給回波參加一定的高斯噪聲，使仿真更接近實(shí)際?；卣勘?.30.60.4回涼侶號(hào)的一亍周朋0-0.2■□.S-0.S-16000距離□lszna圖1.4回波信號(hào)的一個(gè)周期在仿真過(guò)程中，給回波參加一定的高斯噪聲，使仿真更接近實(shí)際。回湛倍號(hào)加離斯曰倬皆2噩°-1□.4□.5I.5圖1.5噪聲信號(hào)圖1.6—個(gè)周期回波信號(hào)加噪聲在接收到回波后，用Hamming窗進(jìn)展濾波，然后再進(jìn)展匹配濾波。這樣可濾除局部雜波信號(hào)。圖1.7〔a〕脈壓后輸出波形

圖1.7〔b〕脈壓后輸出波形從圖中可明顯看到3個(gè)尖峰，每個(gè)尖峰代表一個(gè)目標(biāo)回波。2三脈沖非遞歸MTI2.1原理分析當(dāng)雜波和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波在雷達(dá)顯示器上同時(shí)顯示時(shí)，會(huì)使目標(biāo)的觀(guān)察變得很困難。如果目標(biāo)處在強(qiáng)雜波背景，弱的目標(biāo)淹沒(méi)在強(qiáng)雜波中，特別是當(dāng)強(qiáng)雜波使接收機(jī)發(fā)生過(guò)載時(shí)，將很難發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。目標(biāo)回波和雜波在時(shí)間域上難以區(qū)分，但由于目標(biāo)的速度遠(yuǎn)大于背景的速度，目標(biāo)回波的多普勒頻移遠(yuǎn)大于背景的多普勒頻移，從而可在頻域上區(qū)分目標(biāo)與雜波。動(dòng)目標(biāo)顯示濾波器〔MTI〕利用運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波和雜波在頻譜上的區(qū)別，有效地抑制雜波而提取信號(hào)。在雷達(dá)上加裝MTI濾波器，大大的改善了雷達(dá)在強(qiáng)雜波背景中檢測(cè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的能力。在相位檢波器輸出端，固定目標(biāo)的回波是一串振幅不變的脈沖，而運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的回波是一串振幅調(diào)制的脈沖。在把回波信號(hào)送到終端顯示器前，必須先消除固定目標(biāo)回波。最直接的方法是將相鄰重復(fù)周期的回波信號(hào)相減，那么固定目標(biāo)回波由于振幅不變而互相抵消，運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波相減后剩下相鄰重復(fù)周期振幅變化的局部。

傳統(tǒng)的MTI濾波器有兩種形式：非遞歸形和遞歸形。這里介紹非遞歸形。不帶反應(yīng)的濾波器稱(chēng)為非遞歸型濾波器。下面以一次對(duì)消器為例進(jìn)展說(shuō)明。一次對(duì)消器，即二脈沖對(duì)消。其構(gòu)造圖如圖2.1〔a〕，對(duì)消器的輸入X⑵相位檢波器的輸出信號(hào)。它是一個(gè)單零點(diǎn)系統(tǒng)，零點(diǎn)位置在z=±1，令s=j，即z=e何在z平面上是單位圓。圖2.1⑹由相位檢波器輸出的脈沖包絡(luò)為u(t)=Ucos申(t)0[2.1]申圖2.1⑹由相位檢波器輸出的脈沖包絡(luò)為u(t)=Ucos申(t)0[2.1]申為回波與基準(zhǔn)電壓之間的相位差甲(t)二一①t0r…2(R0-Vrt)Rt_Q0c d0〔2.2〕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)是u(t)=Ucos[w(t—T)一甲]0 d r 0〔2.3〕(①T)u'—u=2Usin d—rsin0L2丿Au=①T)①—―—Qd2 0丿〔2.4〕輸出包絡(luò)為一多普勒頻率的正弦信號(hào)，其頻率為〔2.5〕.wT〔2.5〕02為多普勒頻率的函數(shù)。當(dāng)WdTr：2="?！瞡=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，盲速是運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波在相位檢波器的輸出端與固定目標(biāo)回波一樣，因而經(jīng)對(duì)消設(shè)備后輸出為零。

下面從頻率域來(lái)說(shuō)明對(duì)消器的工作原理。對(duì)消器的輸出為u=u（1-e-j叫）〔2.6〕0i對(duì)消器的頻率響應(yīng)特性為1.5 2 25 3 36A歸一優(yōu)壩薈曲u 1.5 2 25 3 36A歸一優(yōu)壩薈曲u 工H(j?)= 叫=(1-cos?T)+jsin?T=2sin兀fTej(2-兀心〔2.7〕u r ri00B衛(wèi)2DO..O.QTb.直卷?0-20-30-500 05 1 1借2 25 3 4歸一優(yōu)頻率■術(shù)圖2.2對(duì)消器的頻率響應(yīng)對(duì)消器等效于一個(gè)梳狀濾波器，其頻率特性在f=nfr各點(diǎn)處均為零。固定目標(biāo)頻譜的特點(diǎn)是它的譜線(xiàn)位于nfr點(diǎn)上，因而在理想情況下，通過(guò)對(duì)消器后輸出為零。當(dāng)目標(biāo)的多普勒頻率為重復(fù)頻率的整數(shù)倍時(shí)，其頻譜構(gòu)造也有一樣的特點(diǎn)，故通過(guò)上述梳狀濾波器后無(wú)輸出。2.2仿真結(jié)果本次仿真用的是三脈沖非遞歸MTI，其頻響和二脈沖非遞歸MTI類(lèi)似，三脈沖對(duì)消相比二脈沖對(duì)消能明顯改善零多普勒附近的凹口寬度。在進(jìn)過(guò)三

脈沖對(duì)消后，固定目標(biāo)多普勒頻率為零，將被濾除Mnfelse的箱果/■V 7 1 V i 0 60QO 1WM0 16000K(mb圖2.3〔a〕MTI輸出圖2.3〔b〕MTI輸出在參數(shù)設(shè)定時(shí)，設(shè)定有三個(gè)目標(biāo)，距離分別為4000米、8000米、12000米，其對(duì)應(yīng)的徑向速度為0、35m/s、85m/s。所以經(jīng)過(guò)MTI后，4000出目標(biāo)回波被濾除，仿真結(jié)果與理論分析一致。3MTD3.1原理分析早期的動(dòng)目標(biāo)顯示雷達(dá)性能不高，其改善因子一般在20dB左右。隨著在系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)技術(shù)的改良、數(shù)字技術(shù)的提高，主要依靠信號(hào)處理的潛在能力，MTI雷達(dá)的性能還將進(jìn)一步的改善和提高：增大信號(hào)處理的線(xiàn)性動(dòng)態(tài)圍;

增加一組多普勒濾波器，使之更接近于最正確濾波，提高改善因子；能抑制地雜波〔其平均多普勒頻移通常為零〕且能同時(shí)抑制運(yùn)動(dòng)雜波〔如云雨、鳥(niǎo)群、箔條等〕；增加一個(gè)或多個(gè)雜波圖，可有幫助檢測(cè)切向飛行大目標(biāo)等作用；做了上述改良的系統(tǒng)稱(chēng)之為動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)〔MTD丨系統(tǒng)。這里介紹的多普勒濾波器組就是一種MTD濾波器。根據(jù)最正確濾波理論，當(dāng)雜波功率譜C(/)和信號(hào)頻譜S(/)時(shí)，最正確濾波器的頻響是：〔3.1〕式中，［是使濾波器能夠?qū)崿F(xiàn)而附加的延遲時(shí)間，式(3.1)的濾波器可分成兩個(gè)級(jí)聯(lián)的濾波器H1(f)和H2(f)其傳遞函數(shù)形式為：〔3.2〕H2(f)=H2i(f)H22(f〔3.2〕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)是對(duì)相參脈沖串進(jìn)展匹配，它利用了回波脈沖串的相參性進(jìn)展相參積累。H22(f)是梳齒形濾波器，齒的間隔為脈沖重復(fù)頻率fr，如圖3.1(b)中0號(hào)濾波器；齒的位置取決于回波信號(hào)的多普勒頻移，而齒的寬度應(yīng)和回波譜線(xiàn)的寬度一致。由于實(shí)際中fd不能預(yù)知，因此要用一組鄉(xiāng)里且局部重疊的濾波器組(如圖3.1(b)中0-7號(hào)濾波器)，覆蓋整個(gè)多普勒頻率圍，這就是多普勒濾波器組所要完成的成效。圖3.1(a)iL圖3.1(a)iL(I2j4 5(I7O'1圖3.1Cb)輸入n個(gè)脈沖的橫向?yàn)V波器組有n-1根延遲線(xiàn)，每根延遲時(shí)間Tr=1fr,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，頻率

覆蓋0到f。如果要同時(shí)得到N個(gè)濾波器的響應(yīng)，那么在圖3.2中橫向?yàn)V波器的每一抽頭應(yīng)該有N個(gè)分開(kāi)的輸出并相應(yīng)的加權(quán)。w@ ?-Q圖3.2橫向?yàn)V波器設(shè)加在第k個(gè)濾波器的第i個(gè)輸出端頭的加權(quán)值為：w=e-j[2兀(i-1)kN],i=1,2,...N〔33〕ikk表示標(biāo)號(hào)從0到N-1的濾波器,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)一個(gè)不同的多普勒濾波器響應(yīng)。圖3.1(b)中所示濾波器響應(yīng)是N=8時(shí)按式(3.3)加權(quán)所得各標(biāo)記k的濾波器頻率響應(yīng)，k取0-7。第2個(gè)濾波器，即當(dāng)k=1時(shí)，峰值響應(yīng)產(chǎn)生在f8，以及f+fr/8，2fr+fr…k取其他值，可以此類(lèi)推?？蓪?xiě)出橫向?yàn)V波器按式(6.5.38)加權(quán)時(shí)的脈沖響應(yīng)及其頻響函數(shù):hk(t)=[thk(t)=[t一(i一1)T]e-j2兀(i-i)kn(3.4)i=iH(f)=e-j2兀ftkej2*(i-1)[,fT-kN](3.5)i=1濾波器振幅特性:冋(f)冋(f)仝I=1ej2*(/-1)[fT-kN]sin[兀N(fT―kN)]sin[兀(fT―kN)](3.6)濾波器峰值產(chǎn)生于sin[*(fT一k：N)]=0。0號(hào)濾波器的中心位置在零頻以及重復(fù)頻率的整數(shù)倍nfr處，通過(guò)沒(méi)有多普勒頻移的雜波，因此對(duì)地雜波沒(méi)有抑制能力。所以MTD濾波器常常和MTI濾波器配合使用。用橫向?yàn)V波器實(shí)現(xiàn)窄帶濾波器可不采用式(3.3)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，可以根據(jù)不同頻率處設(shè)置特性相異的濾波器。每個(gè)濾波器都有一定的副瓣，幅瓣的大小決定著雜波抑制能力的大小。為了壓低副瓣，一般都需要對(duì)數(shù)據(jù)做加窗處理。目前常用的窗函數(shù)有矩形窗、三角形窗、Hanning窗、Hamming窗、Blackman窗、Gaussian窗、Kaiser窗、Bartlett窗。3.2仿真結(jié)果MTDraault圖3.3MTD輸出由圖3.3得出，在地5通道和第12通道有輸出，對(duì)應(yīng)的通道中心徑向速度為:38m/s,91m/s。實(shí)際速度為35m/s、85m/s。4恒虛警率檢測(cè)4.1原理分析在現(xiàn)代雷達(dá)信號(hào)處理中，為了提高雷達(dá)的性能，首先需要提高檢測(cè)器輸入端的信噪比及信干比，其措施是降低接收機(jī)的噪聲系數(shù)，采用各種抑制雜波和抗干擾的措施等。但是即使采用了上述方法，檢測(cè)器輸入端還會(huì)有噪聲、雜波和干擾的