雷达系统2018-脉冲多普勒雷达-(1)

脉冲多普勒雷达脉冲多普勒(PD)雷达基本概念脉冲多普勒雷达的杂波PD雷达典型框图与原理PD雷达解距离与速度模糊时空二维滤波简介本章内容脉冲多普勒雷达基本概念脉冲多普勒雷达(PulseDopplerRadar,PDRadar)在动目标显示雷达基础上发展的新体制雷达。具有脉冲雷达的距离分辨力和连续波雷达的速度分辨力，有更强的抑制杂波的能力，能在较强的杂波背景中分辨出动目标回波。定义：能够对回波信号进行多普勒分辨的脉冲雷达。20世纪60年代，为了解决机载下视雷达强地杂波的干扰，研制了脉冲多普勒体制雷达，即PD雷达。脉冲多普勒雷达基本概念发射相参脉冲串信号，接收采用相参处理。利用多普勒信息，对杂波进行抑制。脉冲重复频率足够高，导致出现距离模糊。PD雷达的特点脉冲多普勒雷达基本概念PD雷达的应用主要应用于需要在强杂波背景下检测动目标的雷达系统应用要求机载或空间监视探测距离远；距离数据精确机载截击或火控中等探测距离；距离和速度数据精确地面监视中等探测距离；距离数据精确战场监视(低速目标检测)中等探测距离；距离和速度数据精确导弹寻的头可以不要真实的距离信息地面武器控制探测距离近；距离和速度数据精确导弹告警探测距离近；非常低的虚警率气象距离和速度分辨力高本章以机载PD雷达为例脉冲多普勒雷达基本概念PD雷达的分类PD雷达高PRF中PRF低PRF接收相参全相参全相参全相参脉冲多普勒雷达基本概念PD雷达的距离-多普勒空间低PRF中PRF高PRF低PRF中PRF高PRF距离多普勒脉冲多普勒雷达基本概念低、中、高PRF的PD雷达性能对比低中高测距清晰模糊模糊测速模糊模糊清晰测距设备简单复杂复杂信号处理简单复杂复杂测速精度很低高最高旁瓣杂波电平低中高主瓣杂波抑制差良优允许方位扫描角小中大分辨地、空动目标能力差良优脉冲多普勒雷达基本概念机载下视PD雷达发射信号频谱则信号的频谱由它的载频频率和边频频率上的若干条离散谱线所组成，频谱包络为辛格函数型。0rfnf若PD雷达发射频率为，重频为的相参脉冲串信号。0frf0frf0f1rf0fsinxx脉冲多普勒雷达的杂波机载PD雷达杂波谱机载下视PD雷达接收信号频谱接收信号的频谱：PD雷达只利用各种回波信号频谱中一根谱线，常取中心最强的那根脉冲多普勒雷达的杂波主瓣杂波影响主瓣杂波强度因素影响主瓣杂波频谱形状因素波束主瓣宽度方向角载机速度发射信号波长发射脉冲PRF回波脉冲串长度天线扫描周期变化地物变化2B2B主瓣杂波多普勒中心频率002()cosRMBdvff主瓣杂波最大展宽多普勒频率0002()()sin22BBRMBddBvfff发射机功率天线主瓣增益地物反射特性载机与地面之间的高度脉冲多普勒雷达的杂波旁瓣杂波旁瓣杂波强度载机的高度地物反射特性载机速度天线参数旁瓣波束与地面的夹角为，其多普勒频率为：2cosRdvf,max2Rcvf旁瓣杂波的多普勒频率范围：oo[0~360]当PD雷达不运动时，旁瓣杂波和主瓣杂波频域重合当PD雷达运动时，由于主瓣波束和旁瓣波束方向角的不同，旁瓣杂波和主瓣杂波是不同的。脉冲多普勒雷达的杂波高度线杂波由可知：机载下视PD雷达地杂波中位置上的杂波0df高度线杂波与发射机泄漏相重合，高度线杂波距离雷达最近，加之垂直反射强。所以在任何时候，在零多普勒频率位置处总有一个较强的“杂波”。脉冲多普勒雷达的杂波无杂波区适当选择雷达发射信号的PRF，当地面杂波既不重叠也不连续时，出现无杂波区无杂波区的出现与脉冲重复频率fr、载机速度vr和发射信号的波长有关无杂波区中仅有接收机内部噪声脉冲多普勒雷达的杂波不同PRF情况下的杂波谱机载脉冲多普勒雷达杂波谱回顾杂波源HPRF的特点杂波无速度模糊，有无杂波区，容易检测落入无杂波区的目标杂波存在严重距离模糊，旁瓣杂波电平高，无法检测落入旁瓣杂波区的目标（如同向飞行目标）杂波源LPRF的特点杂波无距离模糊杂波存在严重速度模糊，旁瓣杂波电平高，目标总是处于杂波区，无法进行目标检测只有上视时，由于天线后向旁瓣较低，杂波电平较低，才可能检测目标MPRF的特点杂波既存在距离模糊，也存在速度模糊，但模糊都不严重不存在无杂波区，但旁瓣杂波电平不高目标总在杂波区，由于旁瓣杂波电平低，目标可能被检测举例设某机载PD雷达的工作波长，主波束宽度，载机速度，波束中心轴线与载机速度矢量间的夹角3cmo3B680m/sRvo045主瓣杂波中心频率主瓣杂波的频率分布范围旁瓣杂波的频率分布范围max2Rcvf02cosRMBvf32kHz45kHz02sinRMBBvf1.68kHzo10.0175rad绘出地杂波谱图，给出各部分杂波的参数。①当低PRF，时2kHzrfmax45kHzrcff无杂波区不存在，地杂波谱高度重叠1rrTf杂波在距离上不重叠测距无模糊（可实现目标距离测量）目标信号落入多次重叠杂波谱中，造成检测难，检测产生模糊，即测速模糊dfdTf②当高PRF，时200kHzrfmax45kHzrcff有较宽无杂波区1rrTf目标落入无杂波区若maxdTcff易检测，无测速模糊dTf杂波在距离上重叠（使杂波功率谱密度增高，信号功率低于杂波功率）距离测量模糊③当中PRF，时20kHzrf测速、测距均有模糊杂波在频谱、距离上均有重叠（不严重）总结①PD雷达的地杂波谱a)主杂波、高度线杂波区、旁瓣杂波区、无杂波区b)主杂波强度最高，干扰最强，其次是高度线杂波c)目标可能出现在杂波区或无杂波区②目标环境与PRF关系a)目标与载机迎面运动，相对速度，回波多普勒频率：RTvvvmax2()22coscosRTRdcvvvvff当高时，目标落入无杂区rf对目标检测能力最强③频谱展宽b)载机尾追目标时，相对速度，回波多普勒频率：RTvvvmax2()2cosRTRdcvvvff当太小，目标落入杂波区rf目标检测取决于回波功率谱地面PD雷达：杂波频率宽度窄机载PD雷达：杂波频谱展宽机载PD雷达杂波的进一步介绍地面散射点A的回波多普勒频移为：2cosRdvf0:载机主波束轴线与地面夹角:旁瓣与地面夹角载机与地面水平飞行，相对地面速度为Rv目标在载机前下方，相对地面速度Tv脉冲多普勒雷达的杂波机载PD雷达下视几何关系等距离线载机至地面的照射场景地面上的等距离线等距离线在地面上的投影是同心圆集合脉冲多普勒雷达的杂波机载PD雷达下视几何关系等多普勒线地面上多普勒频移相同的点构成等多普勒线脉冲多普勒雷达的杂波机载PD雷达下视几何关系地面上的等多普勒线、等距离线脉冲多普勒雷达的杂波29HPRF下的杂波谱30MPRF的杂波谱，无距离模糊313233机载PD雷达原理框图PD雷达解距离模糊与速度模糊•问题机载PD雷达下视时，不是采用HPRF，就是采用MPRF，两者均会出现距离模糊。采用MPRF时，还会出现速度模糊•解决方法多重PRF解模糊如𝒇𝟏=𝟏𝟎𝒌𝑯𝒛，𝒇𝟐=𝟏𝟏𝒌𝑯𝒛，则最大公约频率𝒇𝟎=𝟏𝒌𝑯𝒛，最大不模糊距离𝒇𝒖=𝟏𝒎𝒔→𝟏𝟓𝟎𝒌𝒎。一般采用3重PRF解距离模糊以一般的3重PRF解距离模糊为例，说明各种PRF的选择方法。①暂设距离门宽度为，最大不模糊距离为GTuT②设的周期为，即，其中且是两两互素的iPRFiGmT1/1~iiiGTPRFmTiN12Nmmm③u123...uGNTTTmmmmM④1//iiiGiuTPRFmTmTM1~iN例12,N1211,10,1ummTms则距离门宽度312109.11110uGTTsmm1119.1T110PRFkHz2109.1T211PRFkHz例23,N12311,10,9,1ummmTms则距离门宽度3101.0111109GTs1111.01T190PRFkHz2101.01T299PRFkHz3111.01T3110PRFkHz解距离模糊法设时测得的模糊距离分别为iPRFiGAT(1~)iN则模糊距离为'1X(modM)TNiiiGiAMM其中iiMMm'iM为由决定的整数12,,,Nmmm满足：'1iiMM()imodm解距离模糊举例：上面例2中，设测得的模糊距离分别为：123PRFPRFPRF、、1098GGGTTT、、计算得：11109990M112233/90/99/110MMmMMmMMm'16M'29M'35M最后得到模糊距离:3'iiiGi110690999985110)(990)178199909891.0199XAMMd9moMT(GGmodTmodTss解速度模糊一般不采用上面类似的方法例如可采用距离差分等方法解速度模糊PD雷达的空时二维滤波简介雷达与杂波源的几何关系设PD雷达为机载雷达，同时也是相控阵雷达，采用侧面水平线阵天线。设雷达脉冲重复频率（PRF）为，阵元间隔为，载机速度为，杂波源锥角为，方位角和俯仰角分别为、rfdv杂波的时间角频率多普勒频率：()t2()cosdVf多普勒角频率：14()2()costdrrVfffgg4coscosrVf即任一天线单元接收到的相邻回波信号脉冲由于多普勒频率引起的相位差，该相位差反映了杂波源的径向运动速度，与目标方向角与俯仰角构成的锥角有关。时间角频率即为多普勒角频率对回波信号进行频谱分析，就得到杂波谱PD雷达就是根据目标和杂波的时间角频率进行区分的杂波的空间角频率空间同频率的相邻天线单元同一时间收到的杂波回波脉冲串的相位差侧面线阵空间角频率()s2()cossd2coscosd注意到侧面线阵的时间角与空间角频率的关系2()cossd4()costrVf当雷达的、、、固定时，任意杂波源的与都是相差一个常数对回波脉冲串进行空间采样（天线各单元接收即可完成），然后进行频谱分析，即可得到杂波的空间谱下图设阵元间隔为strfVdK2rdfKVg2d1112131111121212223222122212312......,,.........,,.........................,,...MMMMNNNNMNNNNMxxxxXxxxxxxxXxxxxxxxXxxxNM空时二维信号与空时二维杂波谱设对某一距离单元回波脉冲串进行取样：时间取样数为N(即每一阵元取N个脉冲）空间取样数为M(即具有M个阵元）取样信号的矩阵排列为11121312122232123..................................MMNNNNMxxxxxxxxXxxxx该矩阵就称为空时二维信号，为了方便表示可写成123......TTTTMXxxxx对X进行二维傅里叶变换，就得到杂波的空时二维杂波谱杂波分布在一条斜率为k的直线上，对于目标，由于其空时角频率分别为002cossd0044coscosttvvtv为目标相对地面的速度0为主瓣锥角为目标速度与的夹角v目标不在杂波区，通过空时滤波处理可实现对强杂波的抑制。二维杂波谱图