雷达原理(第三版)--丁鹭飞第8章

第8章运动目标检测及测速第8章运动目标检测及测速8.1多卜勒效应及其在雷达中的应用8.2动目标显示雷达的工作原理及主要组成8.3盲速、盲相的影响及其解决途径8.4回波和杂波的频谱及动目标显示滤波器8.5动目标显示雷达的工作质量及质量指标8.6动目标检测(MTD)8.7自适应动目标显示系统8.8速度测量第8章运动目标检测及测速8.1多卜勒效应及其在雷达中的应用8.1.1多卜勒效应1.雷达发射连续波的情况这时发射信号可表示为s(t)=Acos(ω0t+φ)式中,ω0为发射角频率,φ为初相;A为振幅。第8章运动目标检测及测速在雷达发射站处接收到由目标反射的回波信号sr(t)为])(cos[)()(0rrrttkAttksts(8.1.1)式中,tr=2R/c,为回波滞后于发射信号的时间,其中R为目标和雷达站间的距离;c为电磁波传播速度,在自由空间传播时它等于光速;k为回波的衰减系数。如果目标固定不动,则距离R为常数。回波与发射信号之间有固定相位差ω0tr=2πf0·2R/c=(2π/λ)2R,它是电磁波往返于雷达与目标之间所产生的相位滞后。第8章运动目标检测及测速当目标与雷达站之间有相对运动时,则距离R随时间变化。设目标以匀速相对雷达站运动,则在时间t时刻,目标与雷达站间的距离R(t)为R(t)=R0-vrt式中，R0为t=0时的距离；vr为目标相对雷达站的径向运动速度。式(8.1.1)说明,在t时刻接收到的波形sr(t)上的某点,是在t-tr时刻发射的。由于通常雷达和目标间的相对运动速度vr远小于电磁波速度c,故时延tr可近似写为)(2)(20tvRcctRtrr(8.1.1)第8章运动目标检测及测速回波信号比起发射信号来,高频相位差)(22)(20000tvRtvRctrrr是时间t的函数,在径向速度vr为常数时,产生频率差为rdvdtdf221(8.1.3)这就是多卜勒频率,它正比于相对运动的速度而反比于工作波长λ。当目标飞向雷达站时,多卜勒频率为正值,接收信号频率高于发射信号频率,而当目标背离雷达站飞行时,多卜勒频率为负值,接收信号频率低于发射信号频率。第8章运动目标检测及测速多卜勒频率可以直观地解释为:振荡源发射的电磁波以恒速c传播,如果接收者相对于振荡源是不动的,则他在单位时间内收到的振荡数目与振荡源发出的相同,即二者频率相等。如果振荡源与接收者之间有相对接近的运动,则接收者在单位时间内收到的振荡数目要比他不动时多一些,也就是接收频率增高；当二者作背向运动时,结果相反。第8章运动目标检测及测速2.常用雷达信号为窄带信号(带宽远小于中心频率)。其发射信号可以表示为])(Re[)(0tjetuts式中，Re表示取实部;u(t)为调制信号的复数包络;ω0为发射角频率。同连续波发射时的情况相似,由目标反射的回波信号sr(t)可以写成])(Re[)()()(0rttjrrrettkuttksts(8.1.4)当目标固定不动时,回波信号的复包络有一固定迟延,而高频则有一个固定相位差。第8章运动目标检测及测速当目标相对雷达站匀速运动时,按式(8.1.2)近似地认为其延迟时间tr为)(2)(20tvRcctRtrr则式(8.1.4)的回波信号表示式说明,回波信号比起发射信号来讲,复包络滞后tr,而高频相位差φ=-ω0tr=-2π(2/λ)(R0-vrt)是时间的函数。当速度vr为常数时,φ(t)引起的频率差为rdvdtdf221称为多卜勒频率,即回波信号的频率比之发射频率有一个多卜勒频移。第8章运动目标检测及测速附注:下面从式(8.1.1)出发,较严格地讨论运动目标回波的特点。在t时刻收到的回波是在t-tr时刻发射的,而照射到目标上的时间是t′=t-(1/2)tr,照射时的目标距离为')'(0tvRtRr(8.1.5)往返R(t′)距离所需的时间正是目标的延迟时间tr,即rtctR2)'(可解得结果)22(10tvRvctrrr(8.1.6)第8章运动目标检测及测速将tr代入式(8.1.1)可得运动目标回波为rrrrrrrvcRtvcvckvcRtvcvckts000002cos'2cos')((8.1.7)由式(8.1.7)可以看出,运动目标回波信号的角频率变为,可化简并近似为0rrvcvc1cvr002001111cvcvcvcvvcvcrrrrrr第8章运动目标检测及测速即信号角频率的变化值ωd=(2vr/c)ω0=2π2vr/λ,为多卜勒频移。近似后的结果,与常用的多卜勒频率表达式(8.1.3)相同。对于窄带发射信号而言,要严格地讨论运动目标回波的特点,可将式(8.1.6)代入式(8.1.4)后,得到的结果是:rrrrrrrrrrrrrvcRtvcvcjvcRtvcvcukvcRtvcvcjvcRtvcvcukts0000002exp2'Re2exp2'Re)((8.1.8)第8章运动目标检测及测速由式(8.1.8)可以讨论窄带信号时的运动目标回波的几个特点:(1)由指数项,信号角频率已变为,通常总满足cvr,故角频率可作近似简化处理，得到信号角频率的变化量为0rrvcvcrrdvcv2220称为多卜勒频率。第8章运动目标检测及测速(2)对于复数包络u(t)来讲,rrrvcRtvcvcu02中的因子(c+vr)/(c-vr)表示信号在时间轴上的增长或压缩。根据目标运动的方向可确定其是增长还是压缩。目标和雷达站相对运动时,vr为正值,相当于波形在时间轴上压缩,而在频率轴上频谱将展宽。第8章运动目标检测及测速但在雷达的大多数应用情况下,上述复包络变化的效应可以忽略。设发射信号的时宽为τ,由于忽略时间轴伸缩所引起的时间误差为cvvcvvcvcrrrrr22当信号的带宽为Δf时,上述时间误差可忽略的条件为1212fcvfcvrr或(8.1.9)第8章运动目标检测及测速这个条件是经常满足的,例如若目标速度为10倍音速,vr=3.3×103m/s,则2vr/c≈2×10-5,这样即使信号的时间带宽积τΔf为1000数量级时,不等式(8.1.9)仍能满足。以上讨论均忽略了目标加速度引起的影响。可以看出,在当前目标运动的速度范围内,运动目标回波的表达式(8.1.4)可以近似为)]})((exp[)('Re{)(00ttjttuktsdrr(8.1.10)运动目标回波的主要特征是其中心频率偏移多卜勒频率,其它影响均可忽略。前面近似结果完全可以实用。第8章运动目标检测及测速回波信号产生的多卜勒频移可由发射站到目标的距离Rt加上由目标到接收站的距离Rr随时间变化求得：dtRRdfrtd)(1在单基地雷达情况下,引起多卜勒频移的是雷达和目标连线方向的径向速度vr。设目标运动方向与该连线的夹角为α,目标速度为v,则径向速度分量vr为cosvvr(8.1.11)第8章运动目标检测及测速8.1.2已经知道,回波信号的多卜勒频移fd正比于径向速度，而反比于雷达工作波长λ,即cvffvcfvfrdrrd22200多卜勒频移的相对值正比于目标速度与光速之比,fd的正负值取决于目标运动的方向。在多数情况下,多卜勒频率处于音频范围。例如当λ=10cm,vr=300m/s时,求得fd=6kHz。而此时雷达工作频率f0=3000MHz,目标回波信号频率为fr=3000MHz±6kHz,两者相差的百分比是很小的。因此要从接收信号中提取多卜勒频率需要采用差拍的方法,即设法取出f0和fr的差值fd。第8章运动目标检测及测速1.为取出收发信号频率的差频,可以在接收机检波器输入端引入发射信号作为基准电压,在检波器输出端即可得到收发频率的差频电压,即多卜勒频率电压。这时的基准电压通常称为相参(干)电压,而完成差频比较的检波器称为相干检波器。相干检波器就是一种相位检波器,在其输入端除了加基准电压外,还有需要鉴别其差频率或相对相位的信号电压。图8.1(a)~(c)画出了连续波多卜勒雷达的原理性组成方框图、获取多卜勒频率的差拍矢量图及各主要点的频谱图。第8章运动目标检测及测速图8.1(a)组成框图;(b)多卜勒频率差拍矢量;(c)频谱图连续波发射机放大器相位检波器多卜勒滤波器和放大器指示器(1)(2)(3)(4)(1)(2)(3)(4)udurUo0tfdf0fffff0f0＋fdf0＋fdf02f0f0－fdfdfdmax滤波器频率特性0000f0±fdf0f0fd(a)(b)(c)第8章运动目标检测及测速发射机产生频率为f0的等幅连续波高频振荡,其中绝大部分能量从发射天线辐射到空间,很少部分能量耦合到接收机输入端作为基准电压。混合的发射信号和接收信号经过放大后,在相位检波器输出端取出其差拍电压,隔除其中直流分量,得到多卜勒频率信号送到终端指示器。对于固定目标信号,由于它和基准信号的相位差φ=ω0tr保持常数,故混合相加的合成电压幅度亦不改变。当回波信号振幅Ur远小于基准信号振幅U0时,从矢量图上可求得其合成电压为cos0rUUU(8.1.12)第8章运动目标检测及测速包络检波器输出正比于合成信号振幅。对于固定目标,合成矢量不随时间变化,检波器输出经隔直流后无输出。而运动目标回波与基准电压的相位差随时间按多卜勒频率变化。即回波信号矢量围绕基准信号矢量端点以等角速度ωd旋转,这时合成矢量的振幅为)cos(00tUUUdr经相位检波器取出二电压的差拍,通过隔直流电容器得到输出的多卜勒频率信号为)cos(0tUdr(8.1.13)在检波器中,还可能产生多种和差组合频率,可用低通滤波器取出所需要的多卜勒频率fd送到终端指示(例如频率计),即可测得目标的径向速度值。第8章运动目标检测及测速2.脉冲工作状态时的多卜勒效应脉冲雷达是最常用的雷达工作方式。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卜勒频率分量。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。图8.2画出了利用多卜勒效应的脉冲雷达方框图及各主要点的波形图,图中所示为多卜勒频率fd小于脉冲宽度倒数的情况。第8章运动目标检测及测速图8.2利用多卜勒效应的脉冲雷达(a)原理方块图;(b)主要波形图;(c)A显画面(对消前)脉冲调制器功率放大器连续振荡器接收机显示系统f0＋fdf0发射接收①②④③基准电压(a)第8章运动目标检测及测速图8.2利用多卜勒效应的脉冲雷达(a)原理方块图;(b)主要波形图;(c)A显画面(对消前)①②④③④③′′连续振荡脉冲发射回波(固定)回波(运动)相干检波(运动)相干检波(固定)tttttt(b)cR02cRR)Δ(20第8章运动目标检测及测速图8.2利用多卜勒效应的脉冲雷达(a)原理方块图;(b)主要波形图;(c)A显画面(对消前)动目标强固定目标噪声(c)第8章运动目标检测及测速和连续波雷达的工作情况相类比:发射信号按一定的脉冲宽度τ和重复周期Tr工作。由连续振荡器取出的电压作为接收机相位检波器的基准电压,基准电压在每一重复周期均和发射信号有相同的起始相位,因而是相参的。相位检波器输入端所加电压有两个:连续的基准电压uk，uk=Uksin(ω0t+φ0′),其频率和起始相位均与发射信号相同;回波信号ur,ur=Ursin［ω0(t-tr)+φ0′］,当雷达为脉冲工作时,回波信号是脉冲电压,只在信号来到期间即tr≤t≤tr+τ时才存在,其它