9-脉冲多普勒雷达(1)

电子系统第九章脉冲多普勒雷达第一节多普勒效应1.多普勒效应及其原因多普勒效应是指由一个运动的物体对辐射波、反射波或接收波所产生的频率移动一个点源所辐射的波在运动的方向上被压缩而在其相反的方向上被扩展对雷达而言，多普勒频移是由于雷达和反射雷达无线电波的物体的相对运动而产生的第一节多普勒效应2.多普勒频移产生的场合及方式如果雷达和目标都在运动，无线电波可能在发射、反射和接收都产生压缩（或伸展）第一节多普勒效应3.多普勒频率的幅度频率，即连续相位移动相当于每个周期中相位移动了36度通过在两个波前之间插入36度的相移，频率从11Hz降低到10Hz第一节多普勒效应3.多普勒频率的幅度多普勒频率的相量表示经过若干的周期后，接收波和发射波的相位仅差一个Φ如果距离减小，Φ将减小，R相对于T逆时针旋转，即接收波具有较高的频率；反之亦然第一节多普勒效应3.多普勒频率的幅度fd计算公式的推导多普勒频率等于距离（d）以波长改变的速率ddf2dRf2dRffc第一节多普勒效应4.飞行器的多普勒频率1000220kHz0.1df对于迎头逼近的目标而言，距离变化率是飞机速度之和对于追尾的目标而言，距离变化率是飞机速度值之差第一节多普勒效应4.飞行器的多普勒频率一般来说，目标的距变速率是雷达速率与目标速度在雷达到目标这条直线上的投影之和第一节多普勒效应5.地面反射回波的多普勒频率cos2RdVLf地面的距变速率是雷达速度在雷达指向地面方向上的投影值第一节多普勒效应5.地面反射回波的多普勒频率coscos2RdVf如果角度L分解为方位角和俯仰角两个分量，L的余弦可用方位角和俯仰角的余弦的乘积来代替第一节多普勒效应小结•对雷达回波而言，多普勒效应通过波前的压缩或扩展来进行可视化描述•移动目标的距离变化率由雷达和目标的速度以及目标相对于雷达速度方向的角度来决定•地面的距离变化率由雷达速度以及地面的角度决定第二节脉冲信号的频谱1.实验目的是要弄清什么是相干以及相干在多普勒雷达中的重要性用一个微波发射机和一个接收机来进行一系列简单的试验可以是频谱分析仪第二节脉冲信号的频谱2.带宽实验1：连续波信号连续波的频谱第二节脉冲信号的频谱2.带宽实验2：独立的脉冲串脉冲之间相位是随机变化的这种情况下，独立脉冲串的频谱与单个脉冲的频谱是一致的第二节脉冲信号的频谱2.带宽2nnBW频谱的主瓣宽度脉冲越窄，中心谱的包络就越宽频率分辨力太差，无法检测多普勒频率第二节脉冲信号的频谱3.相干性相干性意味着从一个脉冲到下一个脉冲的相位具有一致性只要距离是波长的整数倍，这两个脉冲的波前的相位就是相同的键控放大器来产生脉冲振荡器连续工作第二节脉冲信号的频谱3.相干性获得相干性通过主振功率放大器来产生相干脉冲串主振功率放大器的脉冲实际上是从连续波上“切”下来的，因此脉冲是相干的第二节脉冲信号的频谱3.相干性实验3：相干的效果相干脉冲的频谱包括一系列均匀间隔的谱线相干与非相干脉冲串具有相同的谱包络第二节脉冲信号的频谱3.相干性相干脉冲串的谱线间隔等于PRF相干脉冲串频谱性质①谱线以PRF等间隔地出现在f0两边②谱线都“安装”在sinc包络之中第二节脉冲信号的频谱4.谱线宽度与脉冲序列持续时间实验4：两个脉冲试验当接收数千个脉冲时，谱线又窄又尖；当接收两个脉冲时，谱线变宽到相互连接第二节脉冲信号的频谱4.谱线宽度与脉冲序列持续时间实验5：8个脉冲串谱线的零点之间的宽度22HznnrLWfN脉冲串的长度（秒）第二节脉冲信号的频谱4.谱线宽度与脉冲序列持续时间相干脉冲串的频谱与具有同样长度的单个脉冲串的频谱的主要差别就是：脉冲串的频谱只是在间隔为PRF的位置重复第二节脉冲信号的频谱5.副瓣谱相干脉冲序列的每根谱线之间也存在着副瓣第二节脉冲信号的频谱从实验得出的结论脉冲雷达要想容易地分辨出多普勒频移，应•雷达发射的脉冲信号是相干的，雷达系统是相参的•PRF足够高，高到其频谱能合理的分开•脉冲串应足够长，长到谱线具有合理的宽度•对多普勒滤波器的合理设计，可以减少副瓣第二节脉冲信号的频谱试验的结果第二节脉冲信号的频谱试验的结果非相干脉冲串（起始相位随机）单个脉冲第二节脉冲信号的频谱试验的结果无限长相干脉冲串第二节脉冲信号的频谱试验的结果有限长相干脉冲串第二节脉冲信号的频谱小结•具有随机起始相位的脉冲串是非相干的，其频谱与单个脉冲的频谱具有相同的形状•相干是指在相连的脉冲之间的相位是一致的。相干脉冲串可以用主振放大器获得，可以看成是从连续波上剪裁下来•无限长的相干脉冲串的频谱包含一系列谱线•有限长相干脉冲串的频谱形状与无限长的相同，但单根谱线具有有限的带宽，其带宽与脉冲串的长度成反比第三节脉冲频谱的本质1.问题的关键信号的频谱意味着什么？频谱的定义：广义上讲，信号频谱是指信号能量在可能的频率范围内的分布。信号频谱通常描述为幅度相对于频率变化的曲线设想有一个信号同时输入到多个无损耗窄带滤波器中，它们的频率间隔无限小载波脉冲视频信号脉冲调制载波第三节脉冲频谱的本质1.问题的关键“频率”的定义相干的脉冲射频信号实际上是连续波（载波），其幅度通过脉冲视频信号调制正弦信号每秒钟所完成的循环次数第三节脉冲频谱的本质2.傅里叶级数通过将两个谐波叠加至基波的方式产生方波通过将四个谐波叠加至基波的所产生的矩形波基频三次谐波五次谐波和任意连续的、周期性重复的波形都可以通过一系列频率是波形重复频率整数倍的正弦波进行叠加而产生。重复频率称作“基频”，整倍数波形为“谐波”第三节脉冲频谱的本质2.傅里叶级数为从矩形波产生矩形脉冲序列，必须加上直流成分通过包含100个谐波所产生的矩形波形，其波动明显减少矩形波直流成分脉冲序列第三节脉冲频谱的本质2.傅里叶级数脉冲序列的频谱无限长矩形脉冲序列的一部分，以及序列的频谱第三节脉冲频谱的本质2.傅里叶级数当连续载波受到无限长脉冲视频信号调制时，视频信号各谐波在载频上下两侧产生边带载频调制信号脉冲调制载频时间时间时间频率脉冲调制无线电波的频谱第三节脉冲频谱的本质2.傅里叶级数频率谱线代表的含义受载频调制的脉冲，其每个谱线代表一个具有脉冲序列长度的正弦波第三节脉冲频谱的本质2.傅里叶级数频率谱线代表的含义在脉冲间隔期内，基波及谐波的幅度和相位，与载频完全抵消。而在每个脉冲短暂的周期内，它们相互结合产生信号，具有载波的波长和发射机的全部能量第三节脉冲频谱的本质2.傅里叶级数单个脉冲的频谱第三节脉冲频谱的本质2.傅里叶级数谱线宽度2=谱线宽度脉冲序列长度第三节脉冲频谱的本质3.从滤波器的角度解释频谱本质上，滤波器就是通过感应输入信号的连续周期的相位变化来决定输入信号的频率与滤波器的频率是多么的接近，从而确定信号的频率就是滤波器的频率把滤波器想象成测量波峰间距的直尺，直尺的刻度间隔是滤波器调谐频率的波长若频率有偏差第三节脉冲频谱的本质3.从滤波器的角度解释频谱信号同直尺相应刻度对照的相位可由向量表示本质上，滤波器将连续循环周期对应的向量进行累加相对于滤波器的相位窄带滤波器①②第三节脉冲频谱的本质3.从滤波器的角度解释频谱单个脉冲频谱为何是连续的？第三节脉冲频谱的本质3.从滤波器的角度解释频谱在零点处，τ秒钟内，滤波器比信号的循环次数多1因此零点位于载频fc高低两侧1/τHz处输入脉冲越短，则脉冲持续期间产生360°相位变化所需要的频率差别越大第三节脉冲频谱的本质3.从滤波器的角度解释波谱相干脉冲序列的频谱当脉冲持续期间累积的相位变化是一个波长时将出现零点由于脉冲序列的持续时间长，信号与滤波器的频率差别就很小第三节脉冲频谱的本质3.从滤波器的角度解释频谱如果间隔删除序列中的脉冲，则输出减小，但带宽基本保持不变第三节脉冲频谱的本质3.从滤波器的角度解释频谱谱线的重复脉冲间的360°相位变化量就意味着在每一个脉冲间隔周期内进行一次循环，相当于频率增量等于PRF输出的唯一的差别是由于第二个序列每个脉冲循环周期间的相位变化造成的第三节脉冲频谱的本质小结•信号的频谱是信号能量在可能的频率范围的分布•脉冲载频的频谱可以依据载频相应于窄带滤波器调谐的频率所产生的递进相位变换进行解释