雷达原理(第三版)--丁鹭飞第8章ppt课件.ppt
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动目标显示雷达的工作原理及主要组成8.3 盲速、盲速、 盲相的影响及其解决途径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动目标显示雷达的工作质量及质量指标8.6 动目标检测动目标检测(MTD)8.7 自适应动目标显示系统自适应动目标显示系统8.8 速度测量速度测量 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多卜勒效应及其在雷达中的应用 8.1.1 多卜勒效应多卜勒效应 1. 雷达发射连续波的情况雷达发射连续波的情况这时发射信号可表示为 s(t) = A cos(0t + ) 式中, 0为发射角频率, 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)()(0rrrttkAttksts(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0tr=2f02R/c = (2/) 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 rdvdtdf221(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。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. 窄带信号时的多卜勒效应窄带信号时的多卜勒效应 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 )(Re)(0tjetuts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。 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=-0tr=-2 (2/)(R0-vrt)是时间的函数。当速度vr为常数时, (t)引起的频率差为 rdvdtdf221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 rtctR2) (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 rrrrrrrvcRtvcvckvcRtvcvckts000002cos2cos)(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 0rrvcvc1cvr002001111cvcvcvcvvcvcrrrrrr第 8 章 运动目标检测及测速 即信号角频率的变化值d = (2vr/c) 0 = 2 2vr/, 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: rrrrrrrrrrrrrvcRtvcvcjvcRtvcvcukvcRtvcvcjvcRtvcvcukts0000002exp2Re2exp2Re)(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c vr, 故角频率可作近似简化处理，得到信号角频率的变化量为 0rrvcvcrrdvcv2220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, 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f时, 上述时间误差可忽略的条件为 1212fcvfcvrr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=3.3103 m/s, 则2vr/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 )(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, 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 多卜勒信息的提取多卜勒信息的提取 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, 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= 10 cm, vr= 300 m/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 = 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. 连续波多卜勒雷达连续波多卜勒雷达 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 连续波多卜勒雷达原理框图(a) 组成框图; (b) 多卜勒频率差拍矢量; (c) 频谱图 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=0tr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d旋转, 这时合成矢量的振幅为 )cos(00tUUUdr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(0tUdr(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) 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)(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(0t+0), 其频率和起始相位均与发射信号相同; 回波信号ur, ur = Ursin0(t-tr)+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trttr+时才存在, 其它时间只有基准电压Uk加在相位检波器上。经过检波器的输出信号为 )cos1 ()cos1 (0mUmUKukd(8.1.14) 第 8 章 运动目标检测及测速 式中, U0为直流分量, 为连续振荡的基准电压经检波后的输出, 而U0m 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, U0m 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, cRtr0002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vr及雷达工作波长决定。 )(22)(2000tvRctRtrr第 8 章 运动目标检测及测速 合成矢量为基准电压Uk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 )cos(2coscos000000tmUtRcmUmUdrd(8.1.15) 即回波脉冲的包络调制频率为多卜勒频率。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, 信号出现时对多卜勒频率取样输出。 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 rrrrdtTcvT002第 8 章 运动目标检测及测速 图 8.3 相位检波器输出波形 ttTrcos(dt0)uuUrUkUinUr2UkUr100第 8 章 运动目标检测及测速 相邻重复周期延迟时间的变化量tr=2R/c=2vrTr/c是很小的数量, 但当它反映到高频相位上时, =0tr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。脉冲雷达工作时, 单个回波脉冲的中心频率亦有相应的多卜勒频移, 但在fd1/的条件下(这是常遇到的情况), 这个多卜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卜勒频率需要多个脉冲信号。 只有当fd 1/时, 才有可能利用单个脉冲测出其多卜勒频率。 对于运动目标回波, 其重复周期的微小变化Tr = (2vr/c) Tr通常均可忽略。 第 8 章 运动目标检测及测速 8.1.3 盲速和频闪盲速和频闪 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。 所谓盲速, 是指目标虽然有一定的径向速度vr, 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。 而频闪效应则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Fd, 与目标运动的径向速度vr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, 下面将予以讨论。 第 8 章 运动目标检测及测速 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sr(t)为 sr(t) =Reku(t-tr)expj(0+d)(t-t0) 式中，tr为复包络迟延, 而fd为高频的多卜勒频移。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 nrnTtrecttu)(式中, rect表示矩形函数; 为脉冲宽度; Tr为脉冲重复周期。 第 8 章 运动目标检测及测速 u(t)的频谱U(f)是一串间隔fr = 1/Tr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-tr)和具有多卜勒频移的连续振荡相乘, 因而其频谱是两者的卷积, )()()()()()()(0000ddddrrfffUfffUfffffffUfSts如图8.4(b)所示，相当于把U(f)的频谱中心分别搬移到f0+fd和-(f0+fd)的位置上。 第 8 章 运动目标检测及测速 相位检波器的输入端加有频率为f0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nfrfd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，fd=0, 其回波的频谱结构与发射信号相同, 是由f0和f0nfr的谱线所组成。对于运动目标回波, 谱线中心移动fd, 故其频谱由f0+fd、f0+fdnfr的谱线组成, 经过相位检波器后, 得到fd及nfrfd的差频, 其波形为多卜勒频率fd调幅的一串脉冲。当fd=nfr时, 运动目标回波的谱线由nfr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。 第 8 章 运动目标检测及测速 从图8.4的频谱图上也可以分析产生频闪的原因: 当多卜勒频率fd超过重复频率fr的一半时, 频率nfr的上边频分量nfr+fd与频率(n+1)fr的下边频分量(n+1)fr-fd在谱线排列的前后位置上交叉。 两个不同的多卜勒频率fd1和fd2, 只要满足fd1=nfr-fd2, 则二者的谱线位置相同而无法区分。同样, 当fd1=nfr+fd2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 rdff21(8.1.16) 第 8 章 运动目标检测及测速 图 8.4 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 frfrfrfr f0f01f01f0ffff0 fd1f0 fd1f0 fd( f0 fd)1( f0 fd) f0f0S( f )Sr( f )000(a)(b)(c)f1 fdfdfr fdfr fd10(d ) f01第 8 章 运动目标检测及测速 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。 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=dTr, 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=2n, 即 =dTr =2n n=1, 2, 3, 时, 会产生盲速, 这时 fdTr = n 或 fd = nfr 第 8 章 运动目标检测及测速 因 fd = 2vr/, 所以盲速 rrfnv210盲速的出现是因为取样系统的观察是间断而不是连续的。 在连续系统中, 多卜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卜勒频率较脉冲重复频率低时(fd1/2fr)才能代表目标的多卜勒频率。在盲速时, nTvfnvrrr212100或即在重复周期内, 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。 第 8 章 运动目标检测及测速 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=2n-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=2n+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卜勒频率不相等。 包络调制频率随着多卜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=2n-时, 相应的多卜勒频率为nfr-(1/2)fr, 而这时的包络调制频率Fd=fr/2 。只有当fdfr/2时, 包络调制频率和多卜勒频率才相等。图8.5(c)中画出了脉冲包络调制频率Fd变化规律曲线, 它随着多卜勒频率的增加而周期性变化, 这就是频闪效应。当fd=nfr时, 包络调制频率Fd=0, 这就是盲速。 第 8 章 运动目标检测及测速 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) Fa的变化规律 TrFdfdtUr1Ur2UkdTr2 Fd0fd frTrUr1Ur2UkdTr2 1 2 2 FdTrFd fr fdFdfdfdFdfr2frr21fr21f0t(a)(b)(c)2第 8 章 运动目标检测及测速 图 8.6 高速目标(fd 1/)的多卜勒效应(a) 波形; (b) 频谱 UrUkfdtuf0ff0 fdU( f )0f01(a)(b)0第 8 章 运动目标检测及测速 8.2 动目标显示雷达的工作原理及主要组成动目标显示雷达的工作原理及主要组成 8.2.1 基本工作原理基本工作原理 从上节分析可看出, 当脉冲雷达利用多卜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必须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。工程上，基准电压的频率常适在中频。这个基准电压是相位检波器的相位基准, 各种回波信号均与基准电压比较相位。从相位检波器输出的视频脉冲, 有固定目标的等幅脉冲串和运动目标的调幅脉冲串。通常在送到终端(显示器或数据处理系统)去之前要将固定杂波消去, 故要采用相消设备或杂波滤波器, 滤去杂波干扰而保存运动目标信息。 第 8 章 运动目标检测及测速 8.2.2 获得相参振荡电压的方法获得相参振荡电压的方法 1. 中频全相参中频全相参(干干)动目标显示动目标显示 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。第 8 章 运动目标检测及测速 图 8.7 中频全相参(干)动目标显示雷达方框图连续波振荡器上变频器中频相干振荡器脉冲功率放大器相位检波器收发开关混频器中频放大器对消器脉冲调制器主振源f0fcfcf1 f0 fc本地振荡回波信号f0 fd中频脉冲fc fd相参电压相参视频输出对消视频第 8 章 运动目标检测及测速 如图8.7所示，主振源连续振荡的信号为U0cos(0t+0), 它控制发射信号的频率和相位。中频相参振荡器的输出为Uc cos(ct+c)。本振信号取主振源连续振荡信号和相参源的和频, 即 )cos(0011cctUu(8.2.1) 回波信号为Urcos0(t-tr)+0, 对于固定目标, tr为常数。而对于运动目标,tr在每个重复周期均发生变化。 回波信号与本振混频后取出中频信号: tftvRctRtddr2)22(2)(20000对于运动目标的回波, 二者相位差按多卜勒频率变化。 第 8 章 运动目标检测及测速 2. 锁相相参动目标显示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。 第 8 章 运动目标检测及测速 图 8.8 中频锁相的脉冲相参雷达方框图 脉冲调制器磁控管发射机收发开关混频器稳定本地振荡器混频器中频相参振荡器相位检波器高频锁相脉冲相参电压中频放大器对消器中频回波对消视频中频锁相脉冲f0f1f1f0f0 fdf0 fdf1 f0fc fdfc 中频高频回波脉冲中频回波f1( f0 fd) fc fd第 8 章 运动目标检测及测速 直接用发射机输出在高频进行锁相存在着实际困难, 因为容易实现锁相和高频率稳定度两个要求对锁相振荡器的实现是互相矛盾的。如果允许的频偏量f相同(f的值影响动目标显示的工作质量), 则锁相相参振荡器工作在中频时对频率稳定度f/fc的要求将明显降低。加之超外差接收通常在中频进行主要放大, 并将中频信号送到相位检波器, 因此, 典型动目标显示的相参振荡器均工作于中频, 在中频上实现锁相。 其组成方框图如图8.8所示。锁相电压直接由发射机取出, 避免了收发开关可能带来的干扰, 以保证锁相质量。高频锁相电压与回波信号用同一本振电压混频, 然后将混频所得的中频锁相电压加到相参振荡器输入端。用这个锁相电压锁定的中频相参振荡器电压可以作为相位检波器的基准电压。发射信号和本振信号的随机初相在比较相位时均可以消去。 第 8 章 运动目标检测及测速 中频锁相时, 各点电压及其相位关系为: 本地振荡器 )cos(1111tUu(8.2.2) 发射机输出 )(cos()()cos(010101tUtUucccc(8.2.3) )cos(0000tUu当0t时存在 式中, l及0为初相, 通常是随机量。经混频后取其差频作为锁相电压 (8.2.4) 第 8 章 运动目标检测及测速 相参振荡器的初相在每一重复周期均由中频锁相电压决定, 而在整个接收回波时间内也连续存在, 作为相参接收的相位基准。 这时, 目标回波信号为 )(cos00rrrttUu(8.2.5) 这里忽略了目标反射引起的相移。ur只当trttr+时存在。 经混频后得到中频信号 )()cos(00101rrrttUu在相位检波器中, 回波信号ur与基准电压比较相位时, 初相l-0可以消去, 两者的相位差只决定于0tr。当目标运动时, 相邻重复周期的相位差按多卜勒频率变化。 第 8 章 运动目标检测及测速 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, 并和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。 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。 第 8 章 运动目标检测及测速 图 8.9 相位存储式接收相参MTI 稳定本振基准混频脉冲振荡器接收混频相参振荡双工器中频放大IQ信号A / D数字式减中频放大IQ基准A / D数字MTI基准MTI输出QI天线第 8 章 运动目标检测及测速 8.2.3 消除固定目标回波消除固定目标回波 1. 相消设备特性相消设备特性由相位检波器输出的脉冲包络为 u = U0cos 式中，为回波与基准电压之间的相位差, 0000)(2tctvRtdrr回波信号按重复周期Tr出现, 将回波信号延迟一周期后, 其包络为 u=U0 cosd(t-Tr)-0 (8.2.6) 第 8 章 运动目标检测及测速 相消器的输出为两者相减, 002sin2sin2rddrdTtTUuuu(8.2.7) 输出包络为一多卜勒频率的正弦信号, 其振幅为 2sin20rdTU也是多卜勒频率的函数。当dTr/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。 第 8 章 运动目标检测及测速 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 延迟 Tr相位检波器相减回波 ur相参电压uc相消器输出(a)0Uu)(jKfr2frfdf3fr2frfr(vr 01)(vr 02)(vr)(b)(c)uiuoejTr00第 8 章 运动目标检测及测速 相消设备也可以从频率域滤波器的观点来说明, 而且为了得到更好的杂波抑制性能, 常从频率域设计较好的滤波器来达到。下面求出相消设备的频率响应特性。输出为 )1 (rTjioeuu网络的频率响应特性为 rrfTjrrrTjioefTTjTeuujK2sin2sin)cos1 ()1 ()(8.2.8) 其频率响应特性如图8.10(c)所示。 第 8 章 运动目标检测及测速 相消设备等效于一个梳齿形滤波器, 其频率特性在f=nfr各点均为零。固定目标频谱的特点是, 谱线位于nfr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。当目标的多卜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。 第 8 章 运动目标检测及测速 2. 数字式相消器数字式相消器 近20年来, 随着大规模超大规模集成电路(LSI/VLSI)的迅猛发展, 已经完全可以用数字技术来实现信号的存储、迟延和各种实时运算。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。 第 8 章 运动目标检测及测速 数字式相消器的简单组成如图8.11所示。作为模拟和数字信号的接口, 首先要把从相位检波器输出的模拟信号变为数字信号。 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。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。 第 8 章 运动目标检测及测速 图 8.11 数字式相消器简单组成方框 取样保持电路模 数转换电路数字延迟线(存储器)相减器(运算器)模 数转换器相干视频延迟数字信号相消视频输出第 8 章 运动目标检测及测速 模拟信号转换为数字信号时, 取样间隔和量化位数这两个参数的选择必须慎重。取样定理证明, 如果取样信号要保留原信号的全部信息, 取样间隔T应小于信号有效带宽倒数的一半, 即取样频率1/T大于信号带宽的2倍。 每一个雷达杂波的回波为许多反射单元的回波矢量和, 其功率谱与单个发射脉冲谱的形状相类似。单个目标雷达回波的有效带宽通常以其脉冲宽度的倒数表示，所以取样间隔应小于脉冲宽度的一半, 即在一个脉冲宽度以内取样两次以上。 取样次数增多虽可提高取样信号的质量, 但实现起来所用设备量将增加。在雷达信号的量化过程中, 有时在一个脉冲宽度内只取样一次, 这样可以简化设备, 它所引起的信杂比损耗约为1.5 dB。 第 8 章 运动目标检测及测速 量化位数(模数转换位数)的选取, 主要取决于量化噪声的影响。模数转换首先将模拟信号量化分层。如数字位数为N, 则将输入动态范围(设从-Em到+Em)分成2N-1层, 幅度量化间隔为 ) 12(2NmE将幅度连续变化的取样保持信号量化为离散的分层数字信号, 二者之间当然会有差别, 这个差别称为量化噪声。分层时, 连续的取样保持信号和量化的标准电平相比较, 以二分层的中线为界: 超过中线的归于上层, 低于中线的归于下层。这样一来, 量化噪声限制在(-/2, +/2)的区间内, 且在一般情况下, 在该区间内量化噪声分布的概率密度为均匀分布。则可算出量化噪声的方差2为 第 8 章 运动目标检测及测速 12/1)(222/2/22dxxdxxx(8.2.9) 输入的模拟信号包括目标回波、杂波和噪声, 经过幅度分层量化以后, 将增加一部分量化噪声。量化后总噪声的均方值2可以认为是原噪声均方值2n和量化噪声均方值2之和, 则由于量化引起的信噪比损失(量化损耗)为 222222) 12(311lg10)(lg10NnmnnEL(8.2.10) 第 8 章 运动目标检测及测速 8.3 盲速、盲相的影响及其解决途径盲速、盲相的影响及其解决途径 8.3.1 盲速盲速 1. 盲速以及消除盲速影响的方法盲速以及消除盲速影响的方法 正如8.1节所述, 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 nTfTvrdrr2222(8.3.1) 第 8 章 运动目标检测及测速 时发生。这时fd0=nfr或vr0=(n/2) fr, n=1时为第一盲速, 表示在重复周期Tr内目标所走过的距离为半个波长。由于处于“盲速”上的运动目标, 其回波的频谱结构和固定杂波相同, 经过对消器将被消除。因此, 动目标显示雷达在检测“盲速”范围内的运动目标时, 将会产生丢失或极大降低其检测能力(这时依靠复杂目标反射谱中的其他频率分量)。如果要可靠地发现目标, 应保证第一盲速大于可能出现的目标最大速度。 第 8 章 运动目标检测及测速 但在均匀重复周期时, 盲速和工作波长以及重复频率fr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3 cm雷达为例, 如果最大测距范围为30km, 则其重复频率fr应小于5kHz, 由这个参数决定的第一盲速值vr01 = (/2) fr=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。事实上, 最大不模糊距离和重复频率fr的关系为 rrfcTcR22max0第 8 章 运动目标检测及测速 如第一盲速点vr0 = (1/2) fr, 则最大不模糊距离R0max和第一盲速vr0的关系为R0 maxvr0= (c/4) , 当工作波长选定后, 两者的乘积为一常数, 不能任意选定。 通常在地面雷达中, 常选择其重复频率fr使之满足最大作用距离的要求, 保证测距无模糊, 而另外设法解决盲速问题。 解决盲速问题在原理上并不困难, 因为在产生“盲速”时, 满足vrTr1 = n (/2), 如果这时将重复周期略为改变而成为Tr2, 则vrTr2 n (/2), 不再满足“盲速”的条件, 动目标显示雷达就能检测到这一类目标。 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。 第 8 章 运动目标检测及测速 2. 参差重复频率对动目标显示性能的影响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fr1和fr2交替工作, 而fr1和fr2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2usin(fdTr1) 和 2usin(fdTr2), 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”vr0, 它所对应的多卜勒频率为f d0, 这时要满足: 220110nTfnTfrdrd第 8 章 运动
