第八章 運(yùn)動目標(biāo)檢測及測速

1、第二節(jié)第二節(jié) MTI雷達(dá)工作原理及組成雷達(dá)工作原理及組成8.2.1 基本工作原理基本工作原理相參電壓獲取相參電壓獲取固定雜波消除固定雜波消除相位檢波器的輸入端加上相位檢波器的輸入端加上在整個接收信號期間連續(xù)在整個接收信號期間連續(xù)存在的基準(zhǔn)電壓（和發(fā)射存在的基準(zhǔn)電壓（和發(fā)射信號頻率相參且保存發(fā)射信號頻率相參且保存發(fā)射信號的初相），各種回波信號的初相），各種回波信號均與基準(zhǔn)電壓比較相信號均與基準(zhǔn)電壓比較相位；相檢器輸出的視頻脈位；相檢器輸出的視頻脈沖串（固沖串（固 等幅，動等幅，動 調(diào)調(diào)幅），在送到終端前將采幅），在送到終端前將采用相消設(shè)備消去固定雜波，用相消設(shè)備消去固定雜波，保存運(yùn)動目標(biāo)信息。保

2、存運(yùn)動目標(biāo)信息。8.2.2 獲得相參振蕩電壓的方法獲得相參振蕩電壓的方法此時的相位為此時的相位為ct+0tr+c脈沖脈沖 調(diào)制器調(diào)制器磁控管磁控管發(fā)射機(jī)發(fā)射機(jī)收發(fā)開關(guān)收發(fā)開關(guān)混頻器混頻器穩(wěn)定本振穩(wěn)定本振混頻器混頻器中頻相參中頻相參振蕩器振蕩器相位相位 檢波器檢波器中頻中頻 放大器放大器對消器對消器高頻鎖相脈沖高頻鎖相脈沖中頻鎖相脈沖中頻鎖相脈沖相參電壓相參電壓中頻回波中頻回波對消視頻對消視頻中頻回波中頻回波高頻回波脈沖高頻回波脈沖每一重復(fù)周期的發(fā)射每一重復(fù)周期的發(fā)射脈沖高頻起始相位是脈沖高頻起始相位是隨機(jī)的，不是全相干。隨機(jī)的，不是全相干。為得到與發(fā)射脈沖起為得到與發(fā)射脈沖起始相位保持嚴(yán)格關(guān)系

3、始相位保持嚴(yán)格關(guān)系的基準(zhǔn)電壓，可用高的基準(zhǔn)電壓，可用高頻鎖相或中頻鎖相頻鎖相或中頻鎖相（對應(yīng)于高頻相檢和（對應(yīng)于高頻相檢和中頻相檢），即在發(fā)中頻相檢），即在發(fā)射脈沖中取出很少一射脈沖中取出很少一部分能量用以控制高部分能量用以控制高頻或中頻相干振蕩的頻或中頻相干振蕩的相位，使其與發(fā)射脈相位，使其與發(fā)射脈沖相位同步。沖相位同步。8.2.3 消除固定目標(biāo)回波消除固定目標(biāo)回波濾波器組，每個濾波單元抑制其中一個濾波器組，每個濾波單元抑制其中一個n fr相鄰重復(fù)周期信號相減，固定目標(biāo)由于振相鄰重復(fù)周期信號相減，固定目標(biāo)由于振幅不變而相互抵消；動目標(biāo)相減后剩下相幅不變而相互抵消；動目標(biāo)相減后剩下相鄰重復(fù)周期

4、振幅變化的部分作為輸出。鄰重復(fù)周期振幅變化的部分作為輸出。延遲一個延遲一個T r 相減相減相消后的信號包絡(luò)相消后的信號包絡(luò)包絡(luò)振幅包絡(luò)振幅當(dāng)當(dāng) 時，時， 最大，即對動目標(biāo)有最佳響應(yīng)最大，即對動目標(biāo)有最佳響應(yīng)當(dāng)當(dāng) 時，輸出振幅時，輸出振幅 為零，出現(xiàn)盲速為零，出現(xiàn)盲速相消設(shè)備輸出速度響應(yīng)相消設(shè)備輸出速度響應(yīng)采樣保持電路采樣保持電路模數(shù)轉(zhuǎn)換電路模數(shù)轉(zhuǎn)換電路數(shù)字延遲線數(shù)字延遲線相減器相減器數(shù)模轉(zhuǎn)換電路數(shù)模轉(zhuǎn)換電路相干視頻相干視頻延遲延遲 數(shù)字信號數(shù)字信號相消視頻相消視頻輸出輸出8.3.1 盲速盲速n = 1時為時為第一盲速第一盲速第一盲速第一盲速重復(fù)周期內(nèi)目標(biāo)走過的距離為半個波長重復(fù)周期內(nèi)目標(biāo)走過的

5、距離為半個波長例：例：？常用解決辦法：首先保證測距無模糊，再解決測速常用解決辦法：首先保證測距無模糊，再解決測速模糊問題。模糊問題。最大單值不模糊距離最大單值不模糊距離設(shè)設(shè) f r 1 、 f r 2 均滿足無模糊測距均滿足無模糊測距對消器輸出分別為：對消器輸出分別為：不采用參差重頻時：不采用參差重頻時：同時盲速稱為等效第一盲速同時盲速稱為等效第一盲速 vr0取取 n 1、 n 2互為質(zhì)數(shù)互為質(zhì)數(shù)采用參差重頻時：采用參差重頻時：采用采用N個參差重復(fù)頻率時：個參差重復(fù)頻率時：8.3.2 盲相盲相由相位檢波器特性所引起，減弱雷達(dá)對運(yùn)動目標(biāo)的檢測能力。由相位檢波器特性所引起，減弱雷達(dá)對運(yùn)動目標(biāo)的檢測

6、能力?；鶞?zhǔn)電壓方向基準(zhǔn)電壓方向相檢器輸出相檢器輸出對消輸出對消輸出差矢量差矢量連續(xù)盲相后果：可能使得在某次天線掃描時丟失在強(qiáng)雜波連續(xù)盲相后果：可能使得在某次天線掃描時丟失在強(qiáng)雜波背景下的運(yùn)動目標(biāo)。背景下的運(yùn)動目標(biāo)。解決辦法：改進(jìn)相位檢波器的特性解決盲相問題（早期）解決辦法：改進(jìn)相位檢波器的特性解決盲相問題（早期） 使用矢量對消器解決盲相問題使用矢量對消器解決盲相問題( (現(xiàn)代現(xiàn)代) )思路：直接取出反射回波思路：直接取出反射回波的差矢量，可避免盲相和的差矢量，可避免盲相和回波振幅的多普勒調(diào)制回波振幅的多普勒調(diào)制對于相參中頻信號，相鄰重復(fù)周期的動目標(biāo)回波可分別寫為對于相參中頻信號，相鄰重復(fù)周期的

7、動目標(biāo)回波可分別寫為中頻對消器中頻對消器 輸輸出電壓振幅出電壓振幅當(dāng)中頻為重復(fù)頻率的整數(shù)倍，即當(dāng)中頻為重復(fù)頻率的整數(shù)倍，即 時，中頻對消能消時，中頻對消能消除零速的固定雜波，此時輸出中頻信號振幅為除零速的固定雜波，此時輸出中頻信號振幅為 ，當(dāng)當(dāng) 時，輸出也為零時，輸出也為零 盲速。盲速是由于脈沖取盲速。盲速是由于脈沖取樣工作方式產(chǎn)生的，因而中頻對消不能解決，只有用高重復(fù)樣工作方式產(chǎn)生的，因而中頻對消不能解決，只有用高重復(fù)頻率或參差重復(fù)頻率才能在一定范圍內(nèi)解決盲速影響。頻率或參差重復(fù)頻率才能在一定范圍內(nèi)解決盲速影響。零中頻處理零中頻處理零中頻處理的理論分析零中頻處理的理論分析例：例： 時，時，

8、，d的正負(fù)無法判斷。的正負(fù)無法判斷。8.4.1 目標(biāo)回波和雜波的頻譜特性目標(biāo)回波和雜波的頻譜特性雷達(dá)發(fā)散相參脈沖串，脈寬為雷達(dá)發(fā)散相參脈沖串，脈寬為，重復(fù)頻率為，重復(fù)頻率為 f r 。天線不掃描時，目標(biāo)回波為無限脈沖串。天線不掃描時，目標(biāo)回波為無限脈沖串。調(diào)制信號：調(diào)制信號：高頻連續(xù)振蕩：高頻連續(xù)振蕩：掃描時，設(shè)天線方向圖可用高斯函數(shù)來表示掃描時，設(shè)天線方向圖可用高斯函數(shù)來表示則，收到的回波脈沖串的包絡(luò)函數(shù)為則，收到的回波脈沖串的包絡(luò)函數(shù)為則，回波為則，回波為fd + fr- fd + fr除固定建筑物外，雜波均屬于分布雜波，包含內(nèi)部運(yùn)動。除固定建筑物外，雜波均屬于分布雜波，包含內(nèi)部運(yùn)動。天線

9、不掃描天線不掃描時時，固定雜波頻譜，固定雜波頻譜位于位于nf r 處，用處，用對消器可以全對消器可以全部濾去。部濾去。天線掃描天線掃描時時，雜波譜，雜波譜展寬可用高斯函數(shù)表示：展寬可用高斯函數(shù)表示：實(shí)驗(yàn)測定，當(dāng)頻率實(shí)驗(yàn)測定，當(dāng)頻率 f=1GHz時，雜波功率譜可表示如下：時，雜波功率譜可表示如下：u雜波平均速度為零而只有內(nèi)部起伏時，雜波的雜波平均速度為零而只有內(nèi)部起伏時，雜波的頻譜位置在頻譜位置在 nf r 上，但每根譜線均展寬。如果上，但每根譜線均展寬。如果雜波有平均速度，則會產(chǎn)生多卜勒頻移。雜波有平均速度，則會產(chǎn)生多卜勒頻移。u展寬使得對消器不能很好的濾去雜波，有多卜展寬使得對消器不能很好的

10、濾去雜波，有多卜勒頻移時，應(yīng)使濾波器凹口對準(zhǔn)雜波譜的平均勒頻移時，應(yīng)使濾波器凹口對準(zhǔn)雜波譜的平均多卜勒位置。展寬影響多卜勒位置。展寬影響MTI 的質(zhì)量。的質(zhì)量。8.4.2 動目標(biāo)顯示濾波器動目標(biāo)顯示濾波器信號信號S( f ) 最佳濾波器的頻響最佳濾波器的頻響實(shí)際雜波抑制濾波器實(shí)際雜波抑制濾波器只能使濾波器特性的凹口基本上和只能使濾波器特性的凹口基本上和雜波梳狀譜的寬度相當(dāng)雜波梳狀譜的寬度相當(dāng)，為準(zhǔn)最佳濾波。，為準(zhǔn)最佳濾波。均勻分量的功率譜密度均勻分量的功率譜密度雜波特性決定的梳狀分量雜波特性決定的梳狀分量引入了新的極點(diǎn)，引入了新的極點(diǎn)，z=K1，K11濾波器的頻率響應(yīng)為單位圓上的點(diǎn)到零點(diǎn)的長度

11、除去該點(diǎn)濾波器的頻率響應(yīng)為單位圓上的點(diǎn)到零點(diǎn)的長度除去該點(diǎn)到極點(diǎn)的長度。到極點(diǎn)的長度。若若K 接近于接近于1，則凹口越窄，其他部分越平坦。，則凹口越窄，其他部分越平坦。簡單的簡單的MTI 中，利用此法來擴(kuò)大速度相應(yīng)范圍。中，利用此法來擴(kuò)大速度相應(yīng)范圍。遞歸型濾波器：靈活，暫態(tài)響應(yīng)長。遞歸型濾波器：靈活，暫態(tài)響應(yīng)長。k=2k=+2-2動目標(biāo)顯示雷達(dá)的動目標(biāo)顯示雷達(dá)的工作質(zhì)量及質(zhì)量指標(biāo)工作質(zhì)量及質(zhì)量指標(biāo)8.5.1 質(zhì)量指標(biāo)質(zhì)量指標(biāo)MTI系統(tǒng)輸出端信雜比（功率比）和輸入端信雜比之比。系統(tǒng)輸出端信雜比（功率比）和輸入端信雜比之比。由于：由于：0多普勒濾波器輸出端信雜比和輸入端信雜比之比。多普勒濾波器輸

12、出端信雜比和輸入端信雜比之比。在給定檢測概率和虛警概率條件下，檢測到重疊于雜波在給定檢測概率和虛警概率條件下，檢測到重疊于雜波上的運(yùn)動目標(biāo)時，雜波功率和目標(biāo)回波功率的比值。上的運(yùn)動目標(biāo)時，雜波功率和目標(biāo)回波功率的比值。為彌補(bǔ)為彌補(bǔ)MTI的缺陷，由最佳濾波器理論發(fā)展起來。的缺陷，由最佳濾波器理論發(fā)展起來。8.6.1 限幅的影響和線性限幅的影響和線性MTI對消器輸出的雜波剩余功率對消器輸出的雜波剩余功率強(qiáng)雜波時，大的雜波剩余將使強(qiáng)雜波時，大的雜波剩余將使 Pfa 明顯增大及終端飽和。明顯增大及終端飽和。若中頻采用限幅中放，限幅電平若中頻采用限幅中放，限幅電平 L選擇滿足選擇滿足 L / Ni =

13、I，則相消，則相消器輸出的雜波功率近似為噪聲電平，得到近似恒虛警的性能。器輸出的雜波功率近似為噪聲電平，得到近似恒虛警的性能。限幅會使雜波背景上的運(yùn)動目標(biāo)信號受到損失，使雜波譜展限幅會使雜波背景上的運(yùn)動目標(biāo)信號受到損失，使雜波譜展寬，加大雜波剩余，而且增加相消次數(shù)不能有效提高寬，加大雜波剩余，而且增加相消次數(shù)不能有效提高 I。高中頻線性化：通過高中頻線性化：通過AGC 實(shí)現(xiàn)大的動態(tài)范圍；實(shí)現(xiàn)大的動態(tài)范圍； 增益控制增益控制要求快速且電壓與雜波強(qiáng)度成比例，相繼周期的增益變化要求快速且電壓與雜波強(qiáng)度成比例，相繼周期的增益變化是準(zhǔn)確、已知的。是準(zhǔn)確、已知的。儲存雜波圖來控制各個距離單元的中放增益。儲

14、存雜波圖來控制各個距離單元的中放增益。8.6.2 多卜勒濾波器組多卜勒濾波器組單個脈沖的單個脈沖的匹配濾波器匹配濾波器對相參脈沖串對相參脈沖串進(jìn)行匹配濾波進(jìn)行匹配濾波N個輸出的橫向?yàn)V波器（個輸出的橫向?yàn)V波器（N 個脈沖和個脈沖和 N-1 個延遲線），經(jīng)個延遲線），經(jīng)過個脈沖的不同加權(quán)并求和，可做成過個脈沖的不同加權(quán)并求和，可做成N 個相鄰的窄帶濾波個相鄰的窄帶濾波器組。覆蓋范圍器組。覆蓋范圍0 fr 。信噪比提高：白噪聲信噪比提高：白噪聲N 倍；有色雜波，各個濾倍；有色雜波，各個濾波器輸出端波器輸出端 I 均有提高：越靠近雜波中心的濾均有提高：越靠近雜波中心的濾波器，改善程度越差；雜波譜越寬，

15、改善程度波器，改善程度越差；雜波譜越寬，改善程度越差。越差。通過改變特定濾波器的檢測門限，對運(yùn)動雜波通過改變特定濾波器的檢測門限，對運(yùn)動雜波亦可抑制。亦可抑制。2rdvfrvvcosrvv 圖圖 8.39 多卜勒頻率測量多卜勒頻率測量 窄帶濾波器 f1頻率計(jì)1頻率計(jì)2頻率計(jì) N窄帶濾波器 f2窄帶濾波器 fNffd max01N輸入0 fd max二次檢波后，提取多普勒頻率，測出目標(biāo)速度。二次檢波后，提取多普勒頻率，測出目標(biāo)速度。8.8.2 脈沖雷達(dá)測速脈沖雷達(dá)測速 和連續(xù)波雷達(dá)測速不同之處在于和連續(xù)波雷達(dá)測速不同之處在于, 取樣工作后信號頻譜取樣工作后信號頻譜和對應(yīng)窄帶濾波器的頻響均是按雷達(dá)重復(fù)頻率和對應(yīng)窄帶濾波器的頻響均是按雷達(dá)重復(fù)頻率fr, 周期地重復(fù)出周期地重復(fù)出現(xiàn)現(xiàn), 因而將引起測速模糊。為保證不模糊測速因而將引起測速模糊。為保證不模糊測速, 原則上應(yīng)滿足：原則上應(yīng)滿足： rdff21max式中，式中，fdmax為目標(biāo)回波的最大多卜勒頻移為目標(biāo)回波的最大多卜勒頻移, 即選擇重復(fù)頻率即選擇重復(fù)頻率fr足夠大足夠大, 才能保證不模糊測速。因此在測速時才能保證不模糊測速。因此在測速時, 窄帶濾