Chapter_8_MovingTargetDetection&VelocityEstimation.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,Radar Principles,运动目标的检测和测速,第八章,主要内容,多普勒效应,动目标显示,(MTI),雷达的工作原理和主要组成,盲速、盲相的影响及其解决途径,回波和杂波的频谱和动目标显示滤波器,动目标显示雷达的工作质量和质量指标,动目标检测,(MTD),MTI:Moving Target Indication,MTD:Moving Target Detection,GMTI:Ground Moving Target Indication,雷达中的各种干扰,内部噪声,（,Noise,主要来自接收机高频部分）,杂波,（,Clutter,地、海、气象，与噪声的区别）,人为干扰,（,Jamming,有源、无源）,杂波,(clutter),的定义：,背景的回波,或,除感兴趣的目标以外的其它物体的雷达散射回波,。,杂波的危害：不易检测动目标，接收机过载，增加系统的容量和复杂性。,区分运动目标和固定杂波的基础：速度的差别。,利用多普勒效应测速。,定义：发射源和接收者之间有相对径向运动时，接收的信号频率会发生变化。,窄带信号的多普勒效应。,多普勒效应,发射信号：,接收信号：,靠近：正,远离：负,切向：零,多普勒信息的提取,多普勒频率的特征：处于音频范围，正负取决于目标接近还是远离雷达。,采用差拍的方法提取多普勒频率,:,f,d,=,f,r,-f,t.,Example,：当,=10 cm,v,r,=300,m/s,时,求得,f,d,=6kHz,。而此时雷达工作频率,f,0,=3GHz,目标回波信号频率为,f,r,=3GHz6kHz,。,连续波多普勒雷达,发射信号作为基准电压，也称为,相干电压。,完成差频比较的检波器称为,相干检波器。,连续波多普勒雷达,指示器,连续波多普勒雷达,运动目标,静止目标,f,d,=0,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,脉冲工作状态时的多普勒效应,组成方框图。图,8.2,。,相位检波器输出波形。图,8.3,。,回波脉冲的包络受到多普勒频率的调制。相当于连续波工作时的取样状态。,运动目标,静止目标,盲速和频闪,当雷达处于脉冲工作状态时，会出现盲速和频闪。,盲速：目标有一定的径向速度，但若其回波信号经过相位检波后，输出为一串等幅脉冲，即与固定目标回波相同，此时的目标速度成为盲速。,频闪：相位检波器输出的回波信号包络调制频率与目标径向速度不再保持正比关系，此时将产生测速模糊。,脉冲工作时各主要点信号频谱：,(a),发射信号频谱,;(b),接收信号频谱,;,(c),相参电压谱,;(d),相位检波输出谱,盲速：,频闪：,只要脉冲重复频率与多普勒频率之间满足抽样定理就可以避免盲速和频闪，否则频谱混迭，不能反映原来真实信息。,盲速：,频闪：,对于某些高速目标，如果其回波的多普勒频率满足,则在原理上可以从单个回波脉冲中获取多普勒频率信息。这时没有盲速和频闪现象。,动目标显示雷达的工作原理和主要组成,相位检波器,相消设备,(,杂波滤波器,),原理：,在相位检波器的输入端加上基准电压,(,或称相参电压,),该电压应和发射信号频率相参并保存发射信号的初相,且在整个接收信号期间连续存在。回波信号与基准电压比较相位，从相位检波器输出视频脉冲,有固定目标的等幅脉冲串和运动目标的调幅脉冲串。在送到终端,(,显示器或数据处理系统,),去之前需要采用相消设备或杂波滤波器,将固定杂波消去,而保存运动目标信息。,获得相参式振荡电压的方法,中频全相参动目标显示。图,8.7,锁相相参动目标显示。图,8.8,消除固定回波,相消设备特性,经检波后输出,延时一个重复周期,相消器输出,相消设备的频率响应特性,迟延相消设备及其输出响应,(a),组成框图,;(b),速度响应,;(c),频率响应特性,梳齿形滤波器,数字式相消器,早期模拟信号处理采用超声迟延线，电荷耦合器件迟延线等。,数字信号处理采用存储器作为数字延迟线。,盲速的解决途径,提高,f,r,增大第一盲速，使目标最大多普勒频率小于,f,r,。,但可能会导致测距模糊。,参差重复频率工作。将,23,个重频的输出合成，只有当每个重频对应的输出都为零时，系统输出才为零。,当运动目标的多普勒频率,经过相消器，也将被消除,这时对应的目标速度称为盲速,当,n=1,时，成为第一盲速,盲相及其解决途径,盲相是由相位检波器特性引起，会减弱雷达对运动目标的检测能力。,点盲相,=0,盲速,=0,盲相,用单路相位检波器时，只能得到信号矢量在基准电压轴上的投影值，形成回波振幅的多普勒调制，从而出现点盲相。,回波叠加在强杂波上，可能产生,连续盲相,。,解决途径：采用矢量对消器。,中频对消器（模拟对消系统）,正交双通道处理（数字对消系统）,不是差矢量的投影,回波和杂波的频谱及动目标显示滤波器,目标回波的频谱,谱线展宽程度,回波脉冲串的包络函数,天线照射时间,和天线波瓣宽度及扫描速度有关的参数,天线扫描条件下的回波信号谱,:(a),回波脉冲串包络函数与频谱,;,(b),、,(c),天线扫描时收到的回波及频谱,;(d),回波视频频谱,杂波频谱,固定点杂波频谱：与运动目标频谱类似，只是中心频率不同。,分布杂波频谱,：在雷达分辨单元内，所收到的回波是大量独立单元反射的合成。其合成回波具有随机性。而且由于杂波内部运动，各单元反射的多普勒频率不同，引起回波谱的展宽。,杂波频谱表示,v,的量纲与速度相同，,描述杂波内部运动，只与杂波内部起伏运动的程度有关，和工作波长无关。,与杂波特性有关的参数图,8.21,P278,杂波频率散布均方值,多种因素影响杂波谱的展宽，杂波功率谱总的展宽可以用功率谱方差表示：,如果杂波有平均定向速度，其频谱位置将产生多普勒频移。,由于杂波频谱的展宽，需要改进滤波器的特性。,地杂波功率谱,系统越稳定，,N,0,越小。天线照射目标时间越长，杂波内部起伏越小，则梳状谱的宽度越窄。,动目标显示滤波器,最佳滤波器的频率响应,假设杂波功率谱,C,(,f,),，信号频谱,S,(,f,),杂波抑制滤波器,一次相消器,二次相消器 多次相消梳状滤波器,抑制运动杂波滤波器,一次相消非递归型,一次相消递归型,二次相消非递归型,二次相消递归型,动目标显示雷达的工作质量及质量指标,改善因子,（,I,Improvement factor,）,动目标显示系统输出的信号杂波输出功率比和输入信号杂波功率比的比值。,改善因子考虑了杂波衰减和噪声增益。,杂波剩余,式中，,S,i,和,S,o,为在目标所有可能的径向速度上取平均的信号功率；,G,为系统对信号的平均功率增益。,表明了杂波特性部分改善因子,I,1,和总改善因子之间的关系。与均匀杂波分量在总杂波中所占的比例有关。,对杂波梳状谱抑制的不彻底,而残留的杂波剩余,噪声类均匀谱分量的经过,动目标显示系统的输出,I,1,=,G,C,i,/,C,o1,实际上由相消滤波器输出的杂波剩余是由多种因素引起的,它可以写成,C,o,=,C,o,扫描,+,C,o,杂波内部起伏,+,C,o,系统不稳,+,总的改善因子受各分项改善因子的限制,其数值总是小于任一分项的改善因子。,要使动目标显示雷达有好的改善因子，必须使各个因素的改善因子都较大。特别要提高相消器对杂波梳状谱的改善因子。,信杂比改善（,I,SCR,）,采用多个多普勒滤波器的杂波滤波系统，每个滤波器的改善因子。,杂波中的可见度（,SCV,）,在给定检测概率和虚警概率下，检测到重叠于杂波上的运动目标时，所需要的杂波功率和目标回波功率的比值。,SCV,是当雷达输出端的功率信杂比等于可见度系数,V,0,时,雷达输入端的功率信杂比,。,由于杂波内部运动和天线扫描对改善因子的限制。,由于雷达系统各主要部件工作不稳定对改善因子的限制。,模数（,A/D,）变换器量化噪声。,影响系统工作质量的因素,动目标检测（,MTD,）,增大了信号处理的线性动态范围,增加了一组多普勒滤波器，使之更接近于最佳滤波，提高了改善因子。,能抑制地杂波且能同时抑制运动杂波。,增加了一个或多个杂波图，可以检测切向飞行大目标。,存储每一空间单元,杂波平均值的估计值,多普勒滤波器组,每个窄带滤波器只占迟延线对消器通频带的大约,1/,N,宽度,因而其输出端的信噪比有相应的提高。,把频带细分后,各滤波器的杂波输出功率只有各自通带范围内的杂波谱部分,而不是整个多卜勒频带内的杂波功率，因此各个滤波器输出端的改善因子均有提高。,优点,自适应动目标显示系统,针对运动杂波,移动,MTI,滤波器的凹口，使之对准杂波的平均多普勒偏移。,MTI,滤波器特性不变，将运动杂波的频谱搬移到固定杂波频谱的位置上。,