雷达系统导论4

1雷达系统导论4四、动目标显示MTI(MovingTargetIndicator)、脉冲多普勒雷达PD(PulsedDoppler)按照《电气与电子工程师协会(IEEE)标准雷达定义》，多普勒雷达是一种利用多普勒效应来确定雷达—目标相对速度径向分量或选择具有径向速度目标的雷达[31]。脉冲多普勒雷达：采用脉冲方式发射的多普勒雷达。动目标显示：为增强检测并显示运动目标的一种技术。共同特点：利用多普勒效应从与目标竞争的、多余的回波即所谓杂波中分离出小的运动目标，杂波是从地面、海、雨和其它流体、箔条、鸟类、昆虫以及极光反射得到的典型回波。主要区别：《雷达系统导论》认为MTI、PD雷达的区别是它们在脉冲雷达系统中多普勒频移(相对速度)、距离(时延)测量模糊度上的差异。用低脉冲重复频率(PRF)可以克服距离模糊，用高PRF可克服多普勒频率模糊，但一般难以同时克服两种模糊。通常MTI雷达的PRF选得较低，以便能克服距离模糊(即没有多次回波)，但频率测量是模糊的并导致了盲速。而PD雷达具有高的PRF，能克服盲速但存在距离模糊[3]p117~118。《动目标显示和脉冲多普勒雷达》则认为MTI和PD雷达的区别不在于用低的、中等的或高的PRF，而在于MTI雷达是一个通带—阻带滤波器，而PD雷达是用一组相参积累滤波器。因此有中PRF的MTI系统、低PRF的PD系统(如动目标检测器MTD)[31]p2。MTI雷达利用一个梳状滤波器来消除杂波，滤波器的阻带设置在强杂波集中的范围上，而运动目标则通过杂波不占据的那些速度范围。由于固定目标杂波背景的复杂性，MTI技术抑制地物杂波的能力往往受到限制，达不到对动目标检测的最佳效果。PD雷达是分辨和增强在一个特定速度带内的目标，同时抑制掉杂波和感兴趣速度带外的其它回波，通常采用一个覆盖所感兴趣速度范围的、与目标响应匹配的相邻多普勒滤波器组，其作用是相对噪声而言相参地积累目标回波。与MTI雷达相比，PD雷达具有增强检测性能的潜力。MTI、MTD、PD的关系：为了从地物、气象等杂波干扰中检测目标，利用固定目标和运动目标频谱上的不同的动目标对消技术早已得到实际应用(即MTI)，其信杂比改善因子大约为dB30~20，但地物杂波强度可能比接收机内部噪声高出dB80~70，即经过MTI抑制后，地物杂波仍比接收机内部噪声高出dB50~40，进一步改善杂波抑制能力的基本方法就是采用距离门—滤波器组系统，即脉冲多普勒雷达(PD)，这种雷达的思想在上世纪50年代就已经提出，蚕但只是随着数字信号处理技术的发展，它的实现才成为实际可能，即用FFT代替滤波器组。一般说来，PD雷达要求FFT计算点数较多，需要较高的计算速度，而MTD的特点是介于一般的MTI和PD之间，即接在普通MTI后的FFT计算的点数较少，为8点、16点等。它既改进了MTI系统，改善因子约为dB50~40，又要求FFT的运算速度不是太高，易于实现。当然它的性能不如PD系统那么好，但基本思想是一致的，都是脉冲距离门—FFT处理系统。1．脉冲雷达的多普勒效应[1]p268~270当雷达发射脉冲信号时，和连续发射时一样，运动目标回波信号中产生一个附加的多普勒频率分量，所不同的是目标回波仅在脉冲宽度时间内按重复周期出现。简单的连续波雷达、脉冲雷达方框图见图1[3]p85，从原理上讲，将连续波雷达加装功率放大器和调制器并用调制器使功率放大器连续地接通和关断，以产生脉冲，即变成了脉冲雷达。其中用产2生发射脉冲的连续波振荡器功率的一小部分送入接收机用做本振信号，这起到了相参的作用，为检测多普勒频移提供必要的参考信号。“相参”意味着发射信号的相位保留在参考信号之中，这一参考信号是相参雷达的特征，这可以保证由某个脉冲至下一个之间信号载频相位的一致性或连续性。在脉冲雷达中，由于回波信号为按一定重复周期出现的脉冲。因此，连续波情况下的收发所得差频信号])(4cos[]cos[0tRtR一般仅表示相位检波器输出回波信号的包络[1]p269。对固定目标而言，相位差cRtR0002是常数，并可能取包括零的从1到1的任何固定数值，即脉冲雷达相位检波器的输出为一串等幅脉冲。对运动目标，相位差ctvRtrR)(2000，则)cos(cos0td。由于在脉冲工作时，回波信号是按脉冲重复周期依次出现的，即相当于对连续波工作时的差频多普勒频率信号进行矩形取样输出。这分别有两种情形：1df的条件下(这是常遇到的情况)，这个多普勒频移只使相位检波器输出脉冲的顶部产生畸变，即回波脉冲的包络调制频率为多普勒频率(当2rdff时)。这表明此时要检测出多普勒频率需要多个脉冲串信号。当1df时，单个回波脉冲的中心频率会有相应的多普勒频移(即在脉冲宽度内会出现一个完整周期的多普勒频率信号)，这时可利用单个脉冲所包含的信息测出其多普勒频率[1]p270。具体图形见[3]p87中的图4.2。脉冲工作状态且1df时，还将产生区别于连续工作状态的特殊问题：盲速、频闪效应。其产生的根本原因在于脉冲工作状态是对连续发射的取样，取样后的波形和频谱均将发生变化[1]p270~273。A．盲速盲速就是目标虽有一定的径向速度rv，但其回波信号经过相位检波器后，输出为一串等幅脉冲，与固定目标的回波相同，这时的目标运动速度称为盲速。脉冲信号包络为)cos(cos0td，相邻重复周期相位差的变化量为rdrdTfT2。若输出为一串等幅脉冲，则kTfrd22，其中k为整数，即rrdkfTkf(rf为脉冲重复频率)。故盲速为：2rrfkvB．频闪效应频闪效应是指当脉冲工作状态时，相位检波器输出端回波脉冲串的包络调制频率dF和运动目标的径向速度rv不再保持正比关系，即ddfF，一般地，脉冲包络调制频率dF变化规律随着多普勒频率的增加而周期性变化。此时如用包络调制频率测速将产生测速模糊。设运动目标的回波信号为图1简单连续波、脉冲雷达方框图连续波振荡器指示器接收机参考信号0fdff0df(a)简单连续波雷达功率放大器指示器接收机参考信号0fdff0df(b)简单脉冲雷达脉冲调制器连续波振荡器3)]})((exp[)(Re{)(00ttjttutsdRr式中ctRtR)(2，cRt002，复调制函数nrnTtrecttu)(，其中rect表示矩形函数，为脉冲宽度，rT为脉冲重复周期。)(tu的频谱)(fU是一串间隔为rf的谱线，谱线的包络取决于脉冲宽度。运动目标回波信号是)(rttu和具有多普勒频移df的连续振荡相乘，因而其频谱为两者的卷积：)()()]()([)()()(0000ddddrrfffUfffUfffffffUfSts这相当于把)(fU的频谱中心分别搬移到dff0和)(0dff的位置上。相位检波器的输入端加有频率为0f的相参信号和回波信号，输出端为两个信号的差频，其谱线位置在drfnf，,2,1,0n，谱线的包络与)(fU相同。当多普勒频率df超过重复频率rf的一半时，频率rnf的上边频分量drfnf与频率rfn)1(的下边频分量drffn)1(在谱线排列的前后位置上交叉。只要1df、2df满足21drdfnff，则二者的谱线位置相同而无法区分。因此，在相参脉冲雷达中，若要用相位检波器输出脉冲的包络频率来单值地测定目标的速度，必须满足条件：2rdff即取样频率rf必须大于两倍信号多普勒频率df，否则将产生测速模糊。总结：当相邻重复周期回波信号的相位差k2，这与时脉冲串的调制频率相同，0时表现为盲速现象，0时表现为频闪现象。2．延时线对消器A．一次对消(单延时线对消器)[3]p89~91延时线对消器在接收机的视频部分采用两个通道，一路是正常视频通道，另一路是经延时一个重复周期的视频通道。此两路输出相减，相邻周期的固定目标的幅度是不变的，相减后就对消掉了，而相邻周期运动目标回波的幅度不是固定的，相减后就有未对消的剩余。和视频输入一样，相减电路的输出信号也是双极性视频，必须利用全波整流把双极性视频信号变换成单极性视频信号。图2所示简单的动目标显示延时线对消器是一种时域滤波器，能抑制杂波的零频成份。同时，由于这种滤波器具有周期性的特性，它也能抑制重复频率和它各次谐波附近的频率的能量。初始距离为0R处的特定目标回波视频信号为：)cos(01tVd前一次发射延时一个脉冲重复周期rT后的信号为：])(cos[02rdTtV假定在时间间隔rT内有关参量基本保持常量，则相减器的输出为：])2(2sin[sin2021rdrdTtfTfVVV可见对消器的输出是由频率为多普勒频率df的正弦波组成，其幅度为rdTfsin2，它为多普勒频率及脉冲重复周期的函数。由于此时多普勒频率df为自变量，则可将函数rdTfsin2表示成ftfTdr2sin2ˆ22sin2，其中drftTf,2，则相应的波形的周期为rfT2，故对应的频率响应接收机相减电路至显示器0f图2具有延时线对消器的动目标显示接收机延时线T全波整流器双极性视频信号单极性视频信号4的幅度如图3所示，这相当于将周期为rf2的正弦波rdTfsin2的负半轴关于多普勒频率轴反折上去。从图3可看出当rrdkfTkf(式中,2,1,0k)时，延时线对消器的响应为零，即延时线对消器不仅抑制杂波引起的零频成份)0(k，而且当运动目标的多普勒频率等于脉冲重复频率的整数倍时也被抑制掉，这正对应盲速。盲速2rrfkv是脉冲体制动目标显示雷达的缺点，连续波雷达并不存在此问题，其根源在于以脉冲重复频率获得的离散样本测量多普勒频率。一般要求rf较大以消除盲速，即雷达或者工作在波长较长(频率较低)的波段，或用较高脉冲重复频率，或两者兼用。雷达频率太低时若天线尺寸一定则天线波束宽度变宽，相应地角精度和角分辨力下降。若提高脉冲重复频率，则容易引起距离模糊。一种解决的方法是参差变重复频率动目标显示，即利用多个重复频率的工作方式，可在不造成距离模糊的前提下，有效地减小盲速的影响。此外用两个以上的射频工作也能减小盲速的影响。a．多个脉冲重复频率[3]p92—消除盲速的影响应用多于一个以上的脉冲重复频率使动目标显示多普勒滤波器的设计更加灵活，这不仅减少了盲速的影响，而且与用单延时线级联构成的对消器(其频率响应为rdnTfsin)相比，它的频率响应在低频端有较锐的截止。两部工作在同一频率的独立的雷达，若两者重复频率不同，则二者的盲速也不同。因此，如对某部雷达一些运动目标处于盲速，那么对另一部雷达就不一定同时处于盲速。如果单部雷达用时分方式，其重复频率在两个或更多个值之间跳变(多重复频率)，则用一部雷达代替两部独立的雷达也能得到与上面同样的结果。脉冲重复频率可以隔一次扫描转换一次，或每次天线波束扫到半个波束宽度时转换一次，或每隔一个脉冲其脉冲重复频率都改变一次。当脉冲到脉冲之间进行转换时，通常称为参差重复频率。当采用两个脉冲重复频率工作时，只有当每个重复频率的盲速重合时才会出现零响应。虽然用多于一个重复频率可使第一盲速提高，但在合成的通带内可能出现低灵敏度的区域。当21:rrTT的值愈接近于1，第一盲速的值愈大(此种说法有问题)，但在11rdTf附近的第一个零值就愈深。因此，选择21:rrTT的比值应按第一盲速及滤波器通带内各零值的深度两方面的要求折衷确定。利用多个交替脉冲重复周期的方式工作，各零值的深度可减少，而第一盲速将增加。不妨设N个参差脉冲重复周期存在如下关系：rNrNrrTnTnTnT2211即rNNrrrfnfnfnf2211式中Nnnn,,,21为不存在除1以外其他公因子的整数，一般它们取值都比较接近。若Nnnn,,,21还存在另一个公因子1k，则rNNrrrfnfn