经典雷达资料-第15章动目标显示(MTI)雷达-5

经过修正的相位噪声谱密度如图15.48所示。相对于载波，总噪声功率可由曲线下面的噪声功率积分来决定。每段功率谱密度随频率变化的方程为图15.46微波振荡器的单边带相位噪声谱密度和有效噪声密度图15.47基于系统参数对微波振荡器相位噪声的修正（系统参数见书中内容）第15章动目标显示（MTI）雷达·576·图15.48组合修正和修正后的相位噪声谱密度)lg(101110)(fffpfp斜率（15.28）式中，Pf1为在f1的功率谱密度，单位是W/Hz（为方便起见，载波功率假设为1W）；“斜率”为该段的斜率，单位是dB/10倍频程；f1为Pf1处的频率。对于具有恒定斜率的的每段频谱而言，该方程可以用Vigneri方法[31]或用带积分功能的计算器（如HewlettPackardHP-15C）求积分运算。表15.3给出这个例子的积分结果。注意：假设条件是载波功率为1W，如-149.4dBc/Hz变成1.148×10-15W/Hz，则在所有段计算积分功率时，先对它们求和，然后转化为dBc。最终结果-66.37dBc就是由振荡器噪声导致的对改善因子I的限制。对ISCR（dB）的极限是I（dB）加上目标积累增益（dB）。表15.3用图15.47进行校正的如图15.46所示的相位噪声谱密度积分值段f1（Hz）f2（Hz）斜率（分贝/10倍频程）P1（dBc/Hz）积分功率（W）积分功率（dBc）119030.0-149.40.188E-07-77.25290365-10.0-90.80.105E-06-69.8033651000-30.0-96.90.323E-07-74.914100010000-20.0-110.00.900E-08-80.465100005000000.0-130.00.490E-07-73.1065000001000000-40.0-130.00.167E-07-77.78总积分噪声功率0.231E-06-66.37发射脉冲的时间抖动会使MTI系统的性能变坏。时间抖动会使脉冲的前沿及后沿对消失败，而每一个未被对消的部分的幅度为t/。这里，t为抖动时间；为发射脉冲宽度。总的剩余功率为2(t/)2，因此，由于时间抖动对改善因子所产生的限制为)]2/(lg[20tI(dB)。对改善因子的这种限制是根据非编码发射脉冲并假定接收机带宽与发射脉冲持续时间相匹配得出的。在脉冲压缩雷达系统中，接收机带宽较宽，以时间带宽积B计算，于是每个脉冲结束时杂波剩余功率按B积成比例增大。线性调频脉冲压缩系统对改善因子的限制为第15章动目标显示（MTI）雷达·577·)]2/(lg[20BtI。脉冲压缩雷达系统采用脉组脉冲波形，就应将上式中的因子2再乘以波形中的子脉冲数。例如，对于有13个子脉冲的Barker码来说，对改善因子I的限制为)]13132/(lg[20tIdB（15.29）脉冲宽度的抖动产生的剩余为时间抖动剩余的一半，并且有BIPWlg20dB（15.30）式中，PW为脉冲宽度的抖动。发射脉冲的幅度抖动也会对改善因子产生限制，这时有AAIlg20dB（15.31）式中，A为脉冲的幅度；A为脉冲之间的幅度变化。因为总会出现很多达不到限幅电平的杂波，故即使在对消器前采用限幅的系统中，此种限制也仍然适用。但是，在大多数的发射机中，当频率稳定度或相位稳定度满足要求后，幅度的抖动就不大起作用了。在A/D转换器中，取样时间的抖动也会限制MTI的性能，如果脉冲压缩在A/D变换之前或没有脉冲压缩，则限制为BJIlg20dB（15.32）式中，J为时间抖动；为发射脉冲宽度；B为时间带宽乘积。如果脉冲压缩在A/D变换之后，则限制为JBIlg20dB（15.33）对可得到的MTI改善因子的各项限制已归纳在表15.4内。这时假设各项不稳定的峰-峰值是在脉冲到脉冲之间发生的，在脉冲间进行参差MTI运用时也往往如此。若已知不稳定为随机的，则在这些公式中的峰值可用脉冲之间峰-峰值的均方根代替，所得出的结果基本上与Steinberg的结论相同[32]。表15.4不稳定的限制脉冲之间的不稳定源对改善因子的限制发射机的频率)]/(1lg[20fI稳定本振或相参振荡器的频率)]2/(1lg[20fTI发射机的相位漂移)/1lg(20I相参振荡器的锁定)/1lg(20I脉冲定时抖动)]2/(lg[20BtI脉冲宽度抖动)]PW/(lg[20BI脉冲幅度抖动)/lg(20AAIA/D取样抖动)]/(lg[20BJI脉冲压缩在A/D之后时，A/D取样抖动)]/(lg[20JBI第15章动目标显示（MTI）雷达·578·式中，f为脉冲间的频率变化；J为A/D取样时间抖动。为发射脉冲宽度；B为脉冲压缩系统的时间带宽乘积（对未编码的脉冲而言，B＝1）；T为往返目标的传输时间；PW为脉冲宽度的抖动；为脉冲间的相位变化；A为脉冲幅度（V）；t为时间抖动；A为脉冲间的幅度变化。如果不稳定出现在某些已知的频率上，如高压电源的纹波，则有关不稳定的效果可按等效多普勒频率的目标在MTI系统速度响应曲线上的响应来确定。例如，当响应比最大响应低6dB时，则对改善因子I的限制差不多要比由表15.4的公式计算出的限制小6dB。如果全部不稳定源是互相独立的，并且通常都是这种情况，则各剩余杂波功率可相加，以确定对MTI性能的总限制。脉冲的频率或相位变化如能从脉冲到脉冲准确地重复出现，则它们就不会对MTI的良好运作产生什么影响。惟一应当注意的问题是，如果在发射脉冲时间内相位有漂移或相参振荡器或稳定本振有失调而使得回波脉冲与调谐好的中频频率有显著的失谐时，则灵敏度就会降低。如果容许在脉内有1rad的相位漂移，则系统的失谐即可高达1/(2)Hz，并且仍旧不会使MTI的性能变坏。为了举例说明脉冲间的稳定性要求，我们以一部频率为3000MHz、发射2s的非编码脉冲的雷达为例，并且没有单项系统不稳定性会将100nmile距离上的MTI改善因子限制到低于50dB，即电压比为316:1。发射机的脉间均方根频率变化（若采用脉控振荡器）必须小于Hz5043161f即稳定度约为2×10-7。发射机的脉间均方根相移变化（若采用功率放大器）必须小于18.0rad00316.03161稳定本振或相参振荡器的频率变化必须小于Hz4.0)1036.12100)(2(31616f即对稳定本振（频率约为3GHz）而言，短期频稳度为10－10；而对相参振荡器（假定中频为30MHz）而言，短期频稳度为10－8。相参振荡器（若采用脉冲振荡器）必须锁定在下述范围内18.0rad00316.03161定时脉冲的抖动必须小于s105.423161021231696t脉冲宽度的抖动必须小于s106316102131696PW第15章动目标显示（MTI）雷达·579·脉冲幅度的变化必须小于3.000316.03161AA%A/D取样的时间抖动必须小于s106316102131696J以上各项要求中惟一不容易满足的就是稳定本振的稳定度[33][34]和相参振荡器的锁定精度。然而，在大带宽（窄压缩后脉冲）系统中，时间抖动要求变得很重要，并且可能要求在系统关键部位采用专门的时钟再生电路。量化噪声对改善因子的影响A/D引入的量化噪声会对MTI所能获得的改善因子产生限制。考虑如图15.49所示的常规的视频MTI系统。因为峰值信号电平受到线性限幅放大器的控制，相位检波器输出的峰值偏移量也已知，因此设计的A/D应能覆盖此偏移量。如果A/D采用N位，并且相位检波器的输出从-1～+1，则量化间隔为2/(2N-1)。由A/D所引入的信号电平偏差的均方根值为]12)12/[(2N。当信号达到相位检波器的全部偏移时，将模/数转换器对信号电平的影响代入表15.4的公式，即可求出对MTI改善因子的限制，即]0.3)12lg[(20]0.3)12[(1lg20lg201NNAAI（15.34）因为两个正交通道都产生独立的A/D噪声，故对全距离信号改善因子的平均限制为]5.1)12lg[(20]2/0.3)12lg[(20NNI（15.35）正常情况下，如果信号并没有达到A/D转换器的全部偏移，那么量化对I的限制要相对重些。例如，如果设计一个系统使所关心的最强杂波平均电平比A/D转换器峰值小3dB，则对I的限制会成为]75.0)12lg[(20N（见表15.5）。图15.49数字MTI设想表15.5A/D量化对I限制的典型值位数N对MTI改善因子I的限制（dB）422.3528.6634.7第15章动目标显示（MTI）雷达·580·740.8846.9952.91059.01165.01271.0A/D量化噪声的讨论是在假定A/D转换器为理想情况下进行的。特别是在高变换速率的情况下，许多A/D转换器是不理想的。这同样引起比这里预想的更严重的系统限制（见15.12节）。用脉冲之间的均方根偏差来代替式（15.34）中的A，且假设脉冲之间的量化误差相互独立。Brennan和Reed[35]曾计算过，当量化间隔与脉冲间的杂波变化粗略可比时（这就会使数/模转换器输出一系列的具有同一电平的脉冲序列），就会出现“无噪声效应”。不过在采用实际的系统参数时，不会出现这种“无噪声效应”。第15章动目标显示（MTI）雷达·581·脉冲压缩问题当MTI系统与脉冲压缩技术一起使用时，则系统在杂波中检测目标的性能可能和一部发射等效的窄脉冲系统的性能一样好，也可能不如一部发射同样宽度的非编码脉冲的系统的性能好。在上述两个极端情况之间，系统性能的好坏程度取决于杂波环境的类型、系统的不稳定性和所使用的信号处理方式。除非对系统的不稳定采取专门的措施，否则MTI-脉冲压缩雷达系统在杂波环境下就可能完全不能工作。脉冲压缩接收机与MTI一起使用的理想情况如图15.50（a）所示。如果脉冲压缩系统是理想的，则被压缩后的脉冲看起来就像雷达在发射和接收窄脉冲一样，而MTI的处理也和没有用脉冲压缩时相同。实际上，由于两方面的原因，压缩脉冲是有时间副瓣的。第一个原因是系统的设计，如有的元件可能与频率成非线性关系等。这些副瓣是稳定不变的，也就是说，从一个脉冲到下一个脉冲它们会准确地重复出现。出现脉冲副瓣的第二个原因是系统的不稳定性，如本机振荡器噪声、发射机电源噪声、发射机时间抖动及发射管噪声。这些副瓣具有类噪声性质，并且与杂波幅度成正比。例如，假设具有类噪声性质的副瓣分量比峰值发射信号低40dB。类噪声性质的分量并不能在MTI系统中被对消，因此对每一个超过系统门限40dB或更多一些的杂波区域来说，其剩余的部分就会超过检测门限。如果杂波超过门限60dB，则MTI系统的剩余输出就要超过检测门限20dB，于是就使MTI失效。图15.50（b）表示了这种影响。图15.50有MTI的脉冲压缩：（a）理想但难于实现的组合；（b）振荡器对发射机不稳定的影响。第15章动目标显示（MTI）雷达·582·在系统和杂波不稳定性所强加的限制的范围内，已经有一种方法很成功地使MTI系统的性能达到最佳，如图15.51所示（在以下的讨论中，发射机噪声用来代表所有可能引起类噪声脉冲压缩时间副瓣的系统不稳定性）。图15.51实际的MTI脉冲压缩组合限幅器1调整到使其输出端动态范围等于发射机峰值功率与在系统带宽内的发射机噪声之间的范围。限幅器2调整到使其输出端动态范围等于所期望的MTI改善因子。通过设置这两个限幅器可使发射机噪声和其他不稳定因素（如量化噪声和杂波的内部运动）所引发的杂波剩余分别与对消器输出的前端热噪声相等。这样就可以在不使虚警率过大的情况下，得到最大的灵敏度。限幅器是可以调整的，所以当系统在外场使用时，就能够用调整它们的方法来