雷达原理-运动目标检测.ppt

第七章 作业解答,第七章 作业解答,第七章 作业解答,第七章 作业解答,第七章 作业解答,第七章 作业解答,第七章 作业解答,第八章 运动目标检测,huangchuanbocq,电话,:15182388504,V,网,:66286,西南科技大学国防科技学院,黄传波,角度测量,主要内容,多普勒效应及其在雷达中的应用,动目标显示雷达的工作原理及主要组成,盲速、盲相的影响及其解决途径,回波和杂波的频谱及动目标显示滤波器,动目标显示雷达的工作质量及质量指标,动目标检测,(MTD),自适应动目标显示系统,速度测量,MTD,滤波器组示意图,8.1,多普勒效应及其在雷达中的应用,8.1.1,多普勒效应,雷达发射连续波的情况,这时,发射信号可表示为,s,(,t,)=,A,cos(,0,t,+,),式中,0,为发射角频率,为初相,;,A,为振幅。,在雷达发射站处接收到,由目标反射的回波信号,s,r,(,t,),为,(8.1.1),式中,t,r,=2,R,/,c,为回波滞后于发射信号的时间,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,0,t,r,=2,f,0,2,R,/,c,=(2/,)2,R,它是电磁波往返于雷达与目标之间所产生的相位滞后,。,8.1,多普勒效应及其在雷达中的应用,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,)=,R,0,-,v,r,t,式中，,R,0,为,t,=0,时的距离；,v,r,为目标相对雷达站的径向运动速度。,由目标反射的回波信号,s,r,(,t,),说明,在,t,时刻接收到的波形,s,r,(,t,),上的某点,是在,t-t,r,时刻发射的。,由于通常雷达和目标间的相对运动速度,v,r,远小于电磁波速度,c,故时延,t,r,可,近似写为,(8.1.2),8.1,多普勒效应及其在雷达中的应用,回波信号比起发射信号来,高频相位差,是时间,t,的函数,在径向速度,v,r,为常数时,产生频率差为,(8.1.3),这就是多普勒频率,它,正比于相对运动的速度而反比于工作波长,。,当目标飞向雷达站时,多普勒频率为正值,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,多普勒频率为负值,接收信号频率低于发射信号频率,。,8.1,多普勒效应及其在雷达中的应用,多普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,。,8.1,多普勒效应及其在雷达中的应用,2.,窄带信号时的多普勒效应,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,式中，,Re,表示取实部,;,u,(,t,),为调制信号的复数包络,;,0,为发射角频率。,由,目标反射的回波信号,s,r,(,t,),可以写成,(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。,8.1,多普勒效应及其在雷达中的应用,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,t,r,为,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,t,r,而高频相位差,=-0,t,r,=-2(2/)(,R,0,-,v,r,t,),是时间的函数,。当速度,v,r,为常数时,(,t,),引起的频率差为,称为,多普勒频率,即,回波信号的频率比之发射频率有一个多普勒频移,。,8.1,多普勒效应及其在雷达中的应用,附注,:,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-t,r,时刻发射的,而,照射到目标上的时间是,t,=,t,-(1/2),t,r,照射时的,目标距离,为,(8.1.5),往返,R,(,t,),距离所需的时间正是目标的延迟时间,t,r,即,可解得结果,(8.1.6),8.1,多普勒效应及其在雷达中的应用,将,t,r,代入式,(8.1.1),可得,运动目标回波为,(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,8.1,多普勒效应及其在雷达中的应用,即,信号角频率的变化值,d,=(2,v,r,/,c,),0,=2 2,v,r,/,为多普勒频移,。近似后的结果,与常用的多普勒频率表达式,(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,:,(8.1.8),8.1,多普勒效应及其在雷达中的应用,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,c,v,r,故角频率可作近似简化处理，得到信号角频率的变化量为,称为多普勒频率。,8.1,多普勒效应及其在雷达中的应用,(2),对于复数包络,u,(,t,),来讲,中的因子,(,c,+,v,r,)/(,c-v,r,),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,v,r,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,。,8.1,多普勒效应及其在雷达中的应用,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,由于忽略时间轴伸缩,所引起的,时间误差为当信号的带宽为,f,时,上述,时间误差可忽略的条件为,(8.1.9),8.1,多普勒效应及其在雷达中的应用,这个条件是经常满足的,例如若目标速度为,10,倍音速,v,r,=3.310,3,m/s,则,2,v,r,/,c,210,-5,这样即使信号的时间带宽积,f,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,(8.1.10),运动目标回波的主要特征是,其中心频率偏移多普勒频率,其它影响均可忽略,。前面近似结果完全可以采用。,8.1,多普勒效应及其在雷达中的应用,回波信号产生的多普勒频移,可由,发射站到目标的距离,R,t,加上由目标到接收站的距离,R,r,随时间变化求得,：,在单基地雷达情况下,引起多普勒频移的是雷达和目标连线方向的径向速度,v,r,。设目标运动方向与该连线的夹角为,目标速度为,v,则径向速度分量,v,r,为,(8.1.11),8.1,多普勒效应及其在雷达中的应用,8.1.2,多普勒信息的提取,已经知道,回波信号的多普勒频移,f,d,正比于径向速度，而反比于雷达工作波长,即,多普勒频移的相对值,正比于目标速度与光速之比,f,d,的正负值,取决于目标运动的方向,。在多数情况下,多普勒频率处于音频范围。例如当,=10 cm,v,r300 m/s,时,求得,f,d,=6kHz,。而此时雷达工作频率,f,0,=3000MHz,目标回波信号频率为,f,r,=3000 MHz6kHz,两者相差的百分比是很小的。因此,要从接收信号中提取多普勒频率需要采用差拍的方法,即设法取出,f,0,和,f,r,的差值,f,d,。,8.1,多普勒效应及其在雷达中的应用,1.,连续波多普勒雷达,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,多普勒频率电压,。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),画出了连续波多普勒雷达的原理性组成方框图、获取多普勒频率的差拍矢量图及各主要点的频谱图。,8.1,多普勒效应及其在雷达中的应用,图,8.1,连续波多普勒雷达原理框图,(a),组成框图,;(b),多普勒频率差拍矢量,;(c),频谱图,8.1,多普勒效应及其在雷达中的应用,发射机产生频率为,f,0,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,得到多普勒频率信号,送到终端指示器。,8.1,多普勒效应及其在雷达中的应用,（,1,）固定目标,对于固定目标信号,由于它和基准信号的相位差,=,0,t,r,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,U,r,远小于基准信号振幅,U,0,时,从矢量图上可求得其合成电压为,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,。,8.1,多普勒效应及其在雷达中的应用,（,2,）运动目标,运动目标回波与基准电压的相位差随时间按多普勒频率变化,。即,回波信号矢量围绕基准信号矢量端点以等角速度,d,旋转,这时合成矢量的振幅为,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普勒频率信号为,(8.1.12),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普勒频率,f,d,送到终端指示,(,例如频率计,),即,可测得目标的径向速度值,。,8.1,多普勒效应及其在雷达中的应用,2.,脉冲工作状态时的多普勒效应,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普勒频率分量。,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,画出了利用多普勒效应的脉冲雷达方框图及各主要点的波形图,图中所示为多普勒频率,f,d,小于脉冲宽度倒数的情况。,8.1,多普勒效应及其在雷达中的应用,图,8.2,利用多普勒效应的脉冲雷达,(a),原理框图,;(b),主要波形图,;(c)A,显画面,(,对消前,),8.1,多普勒效应及其在雷达中的应用,图,8.2,利用多普勒效应的脉冲雷达,(a),原理方块图,;(b),主要波形图,;(c)A,显画面,(,对消前,),8.1,多普勒效应及其在雷达中的应用,图,8.2,利用多普勒效应的脉冲雷达,(a),原理方块图,;(b),主要波形图,;(c)A,显画面,(,对消前,),8.1,多普勒效应及其在雷达中的应用,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,和重复周期,T,r,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,u,k,，,u,k,=,U,k,sin(,0,t,+,0,),其频率和起始相位均与发射信号相同,;,回波信号,u,r,u,r,=,U,r,sin,0,(,t-t,r,)+,0,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,t,r,t,t,r,+,时才存在,其它时间只有基准电压,U,k,加在相位检波器上。,经过检波器的输出信号为,(8.1.14),8.1,多普勒效应及其在雷达中的应用,式中,U,0,为直流分量,为连续振荡的基准电压经检波后的输出,而,U,0,m,cos,则,代表检波后的信号分量,。,在脉冲雷达中,由于回波信号为按一定重复周期出现的脉冲,因此,U,0,m,cos,表示相位检波器输出回波信号的包络,。图,8.3,给出了相位检波器输出波形图。,对于固定目标来讲,相位差,是常数,合成矢量的幅度不变化,检波后隔去直流分量可得到一串等幅脉冲输出。,对运动目标回波而言,相位差随时间,t,改变,其变化情况由目标径向运动速度,v,r,及雷达工作波长,决定。,8.1,多普勒效应及其在雷达中的应用,图,8.3,相位检波器输出波形,8.1,多普勒效应及其在雷达中的应用,合成矢量为基准电压,U,k,以及回波信号相加,经,检波及隔去直流分量后得到脉冲信号的包络为,(8.1.15),即,回波脉冲的包络调制频率,为,多普勒频率,。这,相当于连续波工作时的取样状态,在脉冲工作状态时,回波信号按脉冲重复周期依次出现,信号出现时对多普勒频率取样输出,。,脉冲工作时,相邻重复周期运动目标回波与基准电压之间的相位差是变化的,其,变化量,为,8.1,多普勒效应及其在雷达中的应用,相邻重复周期延迟时间的变化量,t,r,=2,R,/,c,=2,v,r,T,r,/,c,是很小的数量,但当,它反映到高频相位上时,=,0,t,r,就会产生很灵敏的反应,。相参脉冲雷达利用了相邻重复周期回波信号与基准信号之间相位差的变化来检测运动目标回波,相位检波器将高频的相位差转化为输出信号的幅度变化,。,8.1,多普勒效应及其在雷达中的应用,脉冲雷达工作时,单个回波脉冲的中心频率亦有相应的多普勒频移,但,在,f,d,1/,的条件下,(,这是常遇到的情况,),这个多普勒频移只使相位检波器输出脉冲的顶部产生畸变,。这就表明,要检测出多普勒频率需要多个脉冲信号,。,只有当,f,d,1/,时,才有可能利用单个脉冲测出其多普勒频率,。对于运动目标回波,其重复周期的微小变化,T,r,=(2,v,r,/,c,),T,r,通常均可忽略。,8.1,多普勒效应及其在雷达中的应用,8.1.3,盲速和频闪,当雷达处于脉冲工作状态时,将发生区别于连续工作状态的特殊问题即,盲速,和,频闪效应,。,盲速,是指目标虽然有一定的径向速度,v,r,但若其,回波信号经过相位检波器后,输出为一串等幅脉冲,与固定目标的回波相同,，此时的,目标运动速度,称为盲速。,频闪效应,是当脉冲工作状态时,相位,检波器输出端,回波脉冲串,的,包络调制频率,F,d,与,目标运动的径向速度,v,r,不再保持正比关系,。此时如用包络调制频率测速时将产生测速模糊。,产生盲速和频闪效应的基本原因在于,脉冲工作状态是对连续发射的取样,取样后的波形和频谱均将发生变化,。,8.1,多普勒效应及其在雷达中的应用,由式,(8.1.10),知,当雷达信号为窄带信号时,运动目标的雷达回波,s,r,(,t,)为,s,r,(,t,)=Re,ku,(,t-t,r,)exp,j(,0,+,d,)(,t-t,0,),式中，,t,r,为复包络迟延,而,f,d,为高频的多普勒频移。,当雷达处于脉冲工作状态时,简单,脉冲波形时的复调制函数,u,(,t,),可写成,式中,rect,表示矩形函数,;,为脉冲宽度,;,T,r,为脉冲重复周期。,8.1,多普勒效应及其在雷达中的应用,u,(,t,),的频谱,U,(,f,),是一串间隔,f,r,=1/,T,r,的谱线,谱线的包络取决于脉冲宽度,的值,。运动目标的回波信号是,u,(,t-t,r,),和具有多普勒频移的连续振荡相乘,因而其,频谱是两者的卷积,如图,8.4(b),所示，相当于把,U,(,f,),的频谱中心分别搬移到,f,0,+,f,d,和,-(,f,0,+,f,d,),的位置上。,8.1,多普勒效应及其在雷达中的应用,图,8.4,脉冲工作时各主要点信号频谱,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,8.1,多普勒效应及其在雷达中的应用,相位检波器的输入端,加有,频率为,f,0,的相参电压,和,回波信号电压,在其,输出端,得到,两个电压的差频,如图,8.4(,d,),所示,其谱线的位置在,nf,r,f,d,处,n,=0,1,2,谱线的包络与,U,(,f,),相同。,由图,8.4,的频谱图可以看出脉冲信号产生盲速,”,的原因,:,固定目标时,，,f,d,=0,其回波的频谱结构与发射信号相同,是由,f,0,和,f,0,nf,r,的谱线所组成,。,对于运动目标回波,谱线中心移动,f,d,故其频谱由,f,0,+,f,d,、,f,0,+,f,d,nf,r,的谱线组成,经过相位检波器后,得到,f,d,及,nf,r,f,d,的差频,其波形为多普勒频率,f,d,调幅的一串脉冲,。,当,f,d,=,nf,r,时,运动目标回波的谱线由,nf,r,所组成,频谱结构与固定目标回波的相同,这时无法区分运动目标与固定目标,。,8.1,多普勒效应及其在雷达中的应用,从图,8.4,的频谱图上也可以分析产生频闪的原因,:,当多普勒频率,f,d,超过重复频率,f,r,的一半时,频率,nf,r,的上边频分量,nf,r,+,f,d,与频率,(,n,+1),f,r,的下边频分量,(,n,+1),f,r,-,f,d,在谱线排列的前后位置上交叉,。,两个不同的多普勒频率,f,d1,和,f,d2,只要满足,f,d1,=,nf,r,-,f,d2,则二者的谱线位置相同而无法区分,。同样,当,f,d1,=,nf,r,+,f,d2,时,二者的频谱结构相同也是显而易见的,。因此,在相参脉冲雷达中,如果要用相位检波器输出脉冲的包络频率来单值地测定目标的速度,必须满足的条件是,(8.1.16),8.1,多普勒效应及其在雷达中的应用,盲速和频闪效应也可以从矢量图和相对应的波形图加以说明,。,1,、关于盲速,从矢量图,8.5(,a,),可以看出,相邻周期运动目标的回波,和,基准电压,之间,相位差的变化量为,=,d,T,r,根据,的变化规律即可得到,一串振幅变化的视频脉冲,。,当,=2,时,虽然目标是运动的,但相邻周期回波与基准电压间的相对位置不变,其效果正如目标是不运动的一样,这就是盲速,。可求得盲速与雷达参数的关系。当,=2,n,即,=,d,T,r,=2,n,n,=1,2,3,时,会产生盲速,这时,f,d,T,r,=,n,或,f,d,=,nf,r,8.1,多普勒效应及其在雷达中的应用,图,8.5,用矢量和波形图说明盲速和频闪,(a),盲速说明,;,(b),频闪说明,;,(c),F,a,的变化规律,8.1,多普勒效应及其在雷达中的应用,因,f,d,=2,v,r,/,所以盲速,盲速的出现的原因是,取样系统的观察是间断而不是连续的,。,在连续系统中,多普勒频率总是正比于目标运动的速度而没有模糊,。但,在脉冲工作时,相位检波器输出端的回波脉冲包络频率只在多普勒频率较脉冲重复频率低时,(,f,d,1/2,f,r,),才能代表目标的多普勒频率,。,在盲速时,即在重复周期内,目标走过的距离正好是发射高频振荡半波长的整数倍,由此引起的高频相位差正好是,2,的整数倍。,8.1,多普勒效应及其在雷达中的应用,2,、关于频闪效应,可从图,8.5(b),的矢量图上看出,，,当相邻重复周期回波信号的,相位差,=2,n,-,时,在,相位检波器输出端,的结果,与,=,时是相同的,差别仅为,矢量的视在旋转方向相反,因此上述二种情况下,脉冲信号的包络调制频率相同,。,相位差,=2,n,+,时,其,相位检波器输入端合成矢量,与,=,完全一样,因而其输出脉冲串的调制频率亦相同。,当,=0,时,表现为盲速现象,一般情况下,0,表现为频闪现象,这时相位检波器输出脉冲包络调制频率与回波信号的多普勒频率不相等。,8.1,多普勒效应及其在雷达中的应用,8.1,多普勒效应及其在雷达中的应用,包络调制频率,随着,多普勒频率的增加,按,雷达工作的重复频率,周期性地变化,。,包络调制频率的最大值产生在,=2,n,-,时,相应的,多普勒频率为,nf,r,-(1/2),f,r,而这时的,包络调制频率,F,d,=,f,r,/2,。,只有当,f,d,f,r,/2,时,包络调制频率,和,多普勒频率,才,相等,。图,8.5(c),中画出了,脉冲包络调制频率,F,d,变化规律曲线,它,随着多普勒频率的增加而周期性变化,这就是,频闪效应,。,当,f,d,=,nf,r,时,包络调制频率,F,d,=0,这就是,盲速,。,图,8.6,高速目标,(,f,d,1/,),的多普勒效应,(a),波形,;(b),频谱,8.1,多普勒效应及其在雷达中的应用,一、动目标显示雷达与普通雷达的主要区别,当脉冲雷达利用多普勒效应来鉴别运动目标回波和固定目标回波时,与普通脉冲雷达的差别是：,有产生相干振荡电压的系统；,用相干检波器代替普通振幅检波器，输出相干视频脉冲串；,信号经相消设备后送到终端，显示运动目标回波脉冲,8.2,动目标显示雷达的工作原理及主要组成,二、动目标显示雷达的基本类型,1.,中频全相参,(,干,),动目标显示,当雷达发射机采用,主振放大器,时,每次发射脉冲的初相由连续振荡的,主振源控制,发射信号是,全相参的,即发射高频脉冲、本振电压、相参电压之间均有确定的相位关系。,相位检波,通常是在中频上进行的,因为在超外差接收机中,信号的放大主要依靠中频放大器。在中频进行相位检波,仍能保持和高频相位检波相同的相位关系。,8.2,动目标显示雷达的工作原理及主要组成,图,8.7,中频全相参,(,干,),动目标显示雷达方框图,主振源为,U,0,cos(,0,t,+,0,),中频相参振荡器,U,c,cos(,c,t,+,c,),和频,回波信号为,U,r,cos,0,(,t-t,r,)+,0,回波与本振混频后中频信号,:,U,r,cos,c,t,+,c,+,0,t,r,8.2,动目标显示雷达的工作原理及主要组成,2.,锁相相参动目标显示,当雷达发射机采用,自激振荡器,(,如磁控管振荡器,),时,它的,每一发射脉冲高频起始相位是随机的,。因此，为了得到与发射脉冲起始相位保持严格关系的,基准电压,应该采用,锁相的办法,也就是,使振荡电压的起始相位受外加电压相位的控制,。原则上有,两种锁相的办法,:,一种是,将发射机输出的高频电压加到相参振荡器去锁相,;,另一种是,将连续振荡的相参电压加到发射机振荡器去,以控制发射脉冲的起始相位。后一种方法要求较大的控制功率,因而在实际中用得较少。,8.2,动目标显示雷达的工作原理及主要组成,图,8.8,中频锁相的脉冲相参雷达方框图,本地振荡器,发射机输出,混频后取其差频作为锁相电压,:,目标回波信号为,:,混频后得到中频信号,:,回波信号,u,r,与基准电压比较相位位差只决定于,8.2,动目标显示雷达的工作原理及主要组成,对磁控管发射机的雷达,如果,后面用数字信号处理,则,接收相参,可用图,8.9,所示的方式。,将发射信号的随机相位,t,测量出来,并与,送到数字对消器前的接收信号相位,r,相减,消去,发射信号随机相位的影响而获得等效的接收相参,。,发射信号,经,稳定本振混频,后获得,中频发射脉冲,而后以,相参振荡器,(COHO),的电压,为基准,在,正交相位检波器中相参检波,获得,I,与,Q,两路基带输出,t,的信息包含在基带输出中,t,=arctan,Q/I,。,8.2,动目标显示雷达的工作原理及主要组成,图,8.9,相位存储式接收相参,MTI,如果,A/D,变换器的精度足够,则这种方式的接收相参所能得到的对消结果将优于通常所用的锁相相参振荡器,。这是,因为,连续工作的相参振荡器,其频率稳定性比每次发射脉冲均要被锁相而处于启断工作状态的相参振荡器要好得多。,8.2,动目标显示雷达的工作原理及主要组成,三、消除固定目标回波,1.,相消设备特性,由相位检波器输出的脉冲包络为,式中，,为,回波与基准电压之间的相位差,回波信号按重复周期,T,r,出现,将,回波信号延迟一周期,后,其包络为,u,=,U,0,cos,d,(,t-T,r,)-,0,(8.2.6),8.2,动目标显示雷达的工作原理及主要组成,相消器的输出为两者相减,(8.2.7),输出包络,为,一多普勒频率的正弦信号,其,振幅,为,也是多普勒频率的函数。,当,d,T,r,/2=,n,(,n,=1,2,3,),时,输出振幅为零。这时的目标速度正相当于盲速,。此时，,运动目标回波在相位检波器的输出端与固定目标回波相同,因而经相消设备后输出为零,如图,8.10,所示。,8.2,动目标显示雷达的工作原理及主要组成,图,8.10,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,8.2,动目标显示雷达的工作原理及主要组成,相消设备也可以从频率域滤波器的观点来说明,。下面求出相消设备的频率响应特性。输出为,网络的频率响应特性为,(8.2.8),其频率响应特性如图,8.10(c),所示。,8.2,动目标显示雷达的工作原理及主要组成,相消设备等效于一个梳齿形滤波器,其频率特性在,f=nf,r,各点均为零。,固定目标频谱的特点是,谱线位于,nf,r,点上,因而在理想情况下,通过相消器这样的梳齿滤波器后输出为零。,当目标的多普勒频率为重复频率整数倍时,其频谱结构也有相同的特点,故通过上述梳状滤波器后无输出。,8.2,动目标显示雷达的工作原理及主要组成,2.,数字式相消器,用,数字迟延线,代替,模拟迟延线,是数字动目标显示,(DMTI),的基本点。采用数字式对消器具有许多优点,:,它稳定可靠,平时不需要调整,便于维护使用,且体积小、重量轻。,此外，数字式对消器还具有一些特点,:,容易得到长的延时,因而便于实现多脉冲对消,以改善滤波器频率特性,;,容易实现重复周期的参差跳变,以消除盲速并改善速度响应特性,;,容易和其它数字式信号处理设备,(,如数字式信号积累器等,),配合,以提高雷达性能,;,动态范围可做得较大,。总之,它可以实现更为完善和灵活的信号处理功能。,8.2,动目标显示雷达的工作原理及主要组成,图,8.11,数字式相消器简单组成方框,8.2,动目标显示雷达的工作原理及主要组成,模拟信号变为数字信号要经过,时间取样,和,幅度分层,两步。,以时钟脉冲控制取样保持电路,对输入相参视频信号,取样,被,时间量化的取样保持信号,送到,模数转换电路,(A/D,变换器,),进行幅度分层,转为数字信号输出。,首先要把从相位检波器输出的模拟信号变为数字信号,数字信号的迟延可用存储器完成,将数字信号按取样顺序写入存储器内,当下一个重复周期的数字信号到来时,由存储器中读出同一距离单元的信号进行相减运算,在输出端得到,跨周期相消的数字信号,。这个数字信号可以很方便地用来作其它数字处理,(,例如积累、恒虚警等,),如果需要模拟信号作显示,则可将数字信号经过数模转换器,变为模拟信号输出。,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,8.3.1,盲速,1.,盲速以及消除盲速影响的方法,盲速在相邻两周期运动目标回波的,相位差为,2,的整数倍,即,此,n,=1,时为第一盲速,要可靠地发现目标,应保证,第一盲速大于可能出现的目标最大速度。,在均匀重复周期时,盲速,和,工作波长,以及,重复频率,f,r,的,关系是确定的,这两个参数的选择还受到其他因素的限制。,以,3cm,雷达为例,如果最大测距范围为,30km,则其重复频率,f,r,应小于,5kHz,由这个参数决定的第一盲速值,v,r01,=(,/2),f,r,=75m/s,这个速度远低于目前超音速目标的速度,也就是说,如果不采取措施,在目标运动的速度范围内,将多次碰到各个盲速点而发生丢失目标的危险,。,因此,当雷达工作时,采用,两个以上不同重复频率交替工作,(,称为参差重复频率,),就可以改善,“,盲速,”,对动目标显示雷达的影响。,8.3,盲速、盲相的影响及其解决途径,2.,参差重复频率对动目标显示性能的影响,设雷达采用两种脉冲重复频率,f,r1,和,f,r2,交替工作,而,f,r1,和,f,r2,均满足最大不模糊测距的要求,则在一次对消器的输出端其响应分别为,2,u,sin(,f,d,T,r1,),和,2,u,sin(,f,d,T,r2,),只有在两种重复频率上均出现盲速而输出为零时,才等效于参差后的,“,盲速,”,v,r0,它所对应的多普勒频率为,f,d0,这时要满足,:,8.3,盲速、盲相的影响及其解决途径,式中,n,1,、,n,2,为整数。所以,如果选择,T,r1,=,a,T,T,r2,=,b,且a,、,b,互为质数,则,合成第一盲速点产生于,n,1,=,a,n,2,=,b,点处,。,可以作出比较,:,当不采用参差重复频率时,其平均重复周期,T,r,=(,T,r1,+,T,r2,)/2,这时第一盲速值和其相应的多普勒频率值,f,d0,为,8.3,盲速、盲相的影响及其解决途径,采用参差后,第一盲速对应的多普勒频率值为,(8.3.2),这时,可求得,采用参差频率后,第一等效“盲速”提高的倍数,为,(8.3.3),当,采用,N,个参差重复频率,且其重复周期的比值为互质数,(,a,1,a,2,a,3,a,N,),时,第一等效“盲速”提高的倍数,为,(8.3.4),8.3,盲速、盲相的影响及其解决途径,在实际工作中,不仅要求,第一等效盲速值要尽可能覆盖目标可能出现的速度范围,而且要求,在该速度范围内响应曲线比较平坦,。这两个要求实现起来常有矛盾,需要选择合适的,参差数,和,最佳的参差比,来解决。,以两个重复频率参差的情况来说,盲速提高倍数愈多,则合成曲线愈不平坦,特别是第一凹点深度愈大,这是不希望的。,改进的办法,是,采用三个以上重复频率的参差及好的参差比来得到较好的速度响应特性。,图,8.12,画出了几种不同情况下的速度响应,横坐标为归一化的速度响应,v,r,/,v,r0,k,表示合成盲速比原盲速增大的倍数,参差比不同时,k,的值是不同的。,8.3,盲速、盲相的影响及其解决途径,图,8.12,参差周期时的速度响应曲线,(a),二参差,;(b),三参差,8.3,盲速、盲相的影响及其解决途径,在,8.12(,a,),图中,当,T,r1,/,T,r2,=2/3,时,盲速提高为原来的,2.5,倍,而当,T,r1,/,T,r2,=7/8,时,盲速提高为原来的,7.5,倍,但在原来第一盲速处输出较小,速度响应不平坦。图,8.12(b),是三参差周期,其比值为,313233,的速度响应。可以看出，三参差可较二参差获得较平坦的响应曲线。如果选用合适参差比的四参差时,其速度响应将更为平坦。,8.3.2,盲相,1.,点盲相和连续盲相,相位检波器输出经一次对消器后,运动目标回波,u,已由式8.2.7),得到,u,=,u,-,u,=2,U,0,sin(,f,d,T,r,)sin(,d,t,-,f,d,T,r,-,0,),输出的振幅值大小为,2,U,0,sin,f,d,T,r,与多普勒频率有关,其,输出的振幅受多普勒频率调制,。在某些点上,输出幅度为零,这些点称为,盲相,它由相位检波器的特性,(,见图,8.15(a),决定,。,8.3,盲速、盲相的影响及其解决途径,图,8.15,相检特性和相消器输出脉冲波形,(a),相检特性,;(b),相消器输出脉冲波形,从相检特性上看,如果,相邻两个回波脉冲的相位相当于相检特性的,a,、,c,二点,其相位差虽不同,但却,是一对相检器输出相等的工作点,因此,经过相消器,后,其,输出为零,而出现点盲相。,8.3,盲速、盲相的影响及其解决途径,2.,正交双通道处理,(,零中频处理,),图,8.17,正交双通道处理,(a),原理框图,;(b),矢量,8.3,盲速、盲相的影响及其解决途径,正交双通道处理,：一支路和基准电压,cos,i,t,进行相位检波,称为,同相支路,I,;,另一路和基准电压,sin,i,t,进行相位检波,得到,正交支路,Q,sin,i,t,由,cos,i,t,移相,90,得来。故输出值分别为,a,(,t,)cos,(,t,),和,a,(,t,)sin,(,t,),。,如果要取振幅函数,a(t)(,中频矢量值,),则,同相和正交支路取平方和再开方,;,如果要判断相位调制函数的正负值,则,需比较,I,、,Q,两支路的相对值来判断,。正交支路的输出也可以重新恢复为中频信号，如下所示：,即将零中频的,I.Q,分量分别与正交中频分量相重后组合即可。,8.3,盲速、盲相的影响及其解决途径,8.6,动目标检测,(MTD),8.6.1,限幅的影响和线性,MTI,1.,限幅的影响,早期动目标显示雷达的性能较差,其改善因子一般在,20 dB,左右,而通常雷达收到的杂波强度比机内噪声高出,20 dB,以上,例如,50 dB,甚至更强。因此通过对消器之后的杂波剩余功率,c,2,为,(8.6.1),式中，,I,为改善因子；,C,i,为输入杂波功率,N,i,和,N,o,分别表示输入和输出的噪声功率。而,即,杂波剩余高出噪声的分贝数,是输入杂噪比,(,分贝,),与改善因子之差,。,在强杂波时,大的杂波剩余将使检测虚警明显增大及终端饱和,。当时解决这个问题的办法是,在对消器前的中频放大采用限幅中放,。限幅电平,L,的选择满足以下关系,:,式中，,N,i,为输入噪声。这样，相消器输出的杂波电平近似为噪声电平,得到近似恒虚警的性能。,8.6,动目标检测,(MTD),中放限幅也会带来一些不利的因素,:,（,1,）,限幅会使强杂波背景上的运动目标信号受到损失,波形产生失真,并妨碍后续的信号处理,个别情况还可能产生连续盲相,。（,2,）,限幅作用会使杂波的相关性减弱,杂波谱展宽,。以硬限幅为例,若输入杂波的相关系数为,i,(,),则输出杂波的相关系数,o,(,),为,(8.6.2),上式表明,限幅作用使相关系数的图形变窄,从而使杂波的梳状谱展宽,特别是在高频端拖有长的,“,尾巴,”,深入到相消滤波特性的通带中去。加宽滤波特性的凹口宽度对抑制,“,尾巴,”,部,分的杂波谱分量没有什么好处。因此采用限幅后会加大杂波剩余,而且杂波谱的展宽对于后续的信号处理将带来不能弥补的损失,。,8.6,动目标检测,(MTD),2.,线性,MTI,的实现,由于雷达收到的,杂波回波强度很大,为了,避免产生限幅,就应当,采用动态范围达,60dB,或,80 90 dB,的高频和中频放大器,。一般的高频放大器,特别是中频放大器不可能有这样大的动态范围,只有借助于增益控制,。,在动目标检测系统中保证中频处于线性工作状态所用的增益控制有它的特殊性。,增益控制电压应随着输入杂波的强度成比例地变化,。但杂波特别是地物杂波的情况是多变的。即使在一次扫描里,距离单元不同,杂波强度也可能有很大变化。因此，,增益控制必须是快速的,。此外,由于要进行相消运算,对于任一距离单元,相继扫描周期的增益变化必须是准确和已知的,而且还必须把它储存下来,以便在相消运算中加以考虑。,8.6,动目标检测,(MTD),图,8.35,用杂波图存储控制中放增益,(a),杂波图存储的原理图,;(b),线性,MTI,的实现框图,8.6,动目标检测,(MTD),将雷达所监视的空间按距离和方位分割成许多空间单元，每一空间单元的距离长度相当于一个脉冲宽度或稍大些，方位宽度相当于半个波瓣宽度或更大些，每个空间单元的回波振幅分别加以储存。,采用单回路反馈积累的办法。,例如,将新接收到的杂波值乘以,1-,K,1,然后和该空间单元的原存储值乘以,K,1,相加后作为新的存储值。,图,8.33,用杂波图存储控制中放增益,(a),杂波图存储的原理图,;(b),线性,MTI,的实现框图,8.6,动目标检测,(MTD),地杂波图存储应该随着实际情况及时更新,因为要用,“,时间单元平均,”,的杂波图作为检测切向飞行目标之用。,“,时间单元,”,平均,，,就是以一个天线扫描周期作为一个单元,。每个空间单元里储存的应是多次天线扫描所得杂波的平均值估值。,用,Z,变换分析可以得到杂波图存储的传输函数,。因为,Y,(,z,)=(1-,K,1,),X,(,z,)+,K,1,Y,(,z,),z,-1,故传输函数,H,(,z,),为,这是一个单极点系统,其直流增益为,1,脉冲响应是指数式的,所以它,相当于对多次扫描,(,天线扫描周期为,T,A,),作指数加权积累,然后取得杂波的平均值估值。,8.6,动目标检测,(MTD),8.6,动目标检测,(MTD),天线扫过一个点目标时在方位上的相继回波数，称为,击