運動目標(biāo)檢測第八章雷達原理（第6版）高等學(xué)校電子信息類精品教材01多普勒效應(yīng)及其在雷達中的應(yīng)用PARTONE1.多普勒效應(yīng)多普勒效應(yīng)是指當(dāng)發(fā)射源和接收者之間有相對徑向運動時，接收到的信號頻率將發(fā)生變化。這一物理現(xiàn)象首先在聲學(xué)上由物理學(xué)家克里斯頓·多普勒于1842年發(fā)現(xiàn)，1930年左右開始將這一規(guī)律運用到電磁波范圍。雷達應(yīng)用日益廣泛以及對其性能要求的提高，推動了利用多普勒效應(yīng)來改善雷達工作質(zhì)量的進程。一、多普勒效應(yīng)及其在雷達中的應(yīng)用1.多普勒效應(yīng)

一、多普勒效應(yīng)及其在雷達中的應(yīng)用1.多普勒效應(yīng)

一、多普勒效應(yīng)及其在雷達中的應(yīng)用1.多普勒效應(yīng)這就是多普勒頻率，它正比于相對運動的速度而反比于工作波長λ。當(dāng)目標(biāo)飛向雷達站時，多普勒頻率為正值，接收信號頻率高于發(fā)射信號頻率；而當(dāng)目標(biāo)背離雷達站飛行時，多普勒頻率為負(fù)值，接收信號頻率低于發(fā)射信號頻率。多普勒頻率可以直觀地解釋為：振蕩源發(fā)射的電磁波以恒速c傳播。如果接收者相對于振蕩源是不動的，則它在單位時間內(nèi)收到的振蕩數(shù)目與振蕩源發(fā)出的數(shù)目相同，即二者頻率相等。如果振蕩源與按收者之間有相對接近的運動，則接收者在單位時間內(nèi)收到的振蕩數(shù)目要比它不動時多一些，也就是接收頻率增高；當(dāng)二者做背向運動時，結(jié)果相反。一、多普勒效應(yīng)及其在雷達中的應(yīng)用1.多普勒效應(yīng)2.窄帶信號時的多普勒效應(yīng)常用雷達信號為窄帶信號(帶寬遠(yuǎn)小于中心頻率)，其發(fā)射信號可以表示為該頻率稱為多普勒頻率，即回波信號的頻率比起發(fā)射頻率有有關(guān)多普勒頻移一、多普勒效應(yīng)及其在雷達中的應(yīng)用2.多普勒信息的提取1.連續(xù)波多普勒雷達為取出收發(fā)信號頻率的差頻，可以在接收機檢波器輸入端引入發(fā)射信號作為基準(zhǔn)電壓，在檢波器輸出端即可得到收發(fā)頻率的差頻電壓，即多普勒頻率電壓。這時的基準(zhǔn)電壓通常稱為相參(干)電壓，而完成差頻比較的檢波器稱為相于檢波器。相干檢波器就是一種相位檢波器，在其輸入端除了加基準(zhǔn)電樂外，還有需要鑒別其差頻率或相對相位的信號電壓。圖8.1(a)~(c)畫出了連續(xù)波多勒達的原理性組成圖、獲取多勒頻率的養(yǎng)拍量圖及主要點的頻譜圖。一、多普勒效應(yīng)及其在雷達中的應(yīng)用2.多普勒信息的提取1.連續(xù)波多普勒雷達為取出收發(fā)信號頻率的差頻，可以在接收機檢波器輸入端引入發(fā)射信號作為基準(zhǔn)電壓，在檢波器輸出端即可得到收發(fā)頻率的差頻電壓，即多普勒頻率電壓。這時的基準(zhǔn)電壓通常稱為相參(干)電壓，而完成差頻比較的檢波器稱為相于檢波器。相干檢波器就是一種相位檢波器，在其輸入端除了加基準(zhǔn)電樂外，還有需要鑒別其差頻率或相對相位的信號電壓。圖8.1(a)~(c)畫出了連續(xù)波多勒達的原理性組成圖、獲取多勒頻率的養(yǎng)拍量圖及主要點的頻譜圖。一、多普勒效應(yīng)及其在雷達中的應(yīng)用2.多普勒信息的提取

02動目標(biāo)顯示雷達的工作原理及其主要組成PARTTWO二、動目標(biāo)顯示雷達的工作原理及其主要組成1.基本工作原理從8.1節(jié)分析可以看出，當(dāng)脈沖雷達利用多普勒效應(yīng)來鑒別運動目標(biāo)回波和固定目標(biāo)回波時，與普通脈沖雷達的差別是必須在相位檢波器的輸入端加上基準(zhǔn)電壓(或稱相參電壓)，該電壓應(yīng)和發(fā)射信號頻率相參并保存發(fā)射信號的初相，且在整個接收信號期間連續(xù)存在。工程上，基準(zhǔn)電壓的頻率常選在中頻。這個基準(zhǔn)電壓是相位檢波器的相位基準(zhǔn)，各種回波信號均與基準(zhǔn)電壓比較相位。從相位檢波器輸出的視頻脈沖有固定目標(biāo)的等幅脈沖串和運動目標(biāo)的調(diào)幅脈沖串。通常在送到終端(顯示器或數(shù)據(jù)處理系統(tǒng))去之前要將固定雜波消去，故要采用相消設(shè)備或雜波濾波器，濾去雜波干擾而保存運動目標(biāo)信息。下面將著重討論相參電壓的獲取和固定雜波消除這兩個特殊問題。二、動目標(biāo)顯示雷達的工作原理及其主要組成2.獲得相參振蕩電壓的方法

二、動目標(biāo)顯示雷達的工作原理及其主要組成2.獲得相參振蕩電壓的方法

二、動目標(biāo)顯示雷達的工作原理及其主要組成2.獲得相參振蕩電壓的方法

二、動目標(biāo)顯示雷達的工作原理及其主要組成2.獲得相參振蕩電壓的方法加之超外差接收通常在中頻進行主要放大，并將中頻信號送到相位檢波器，因此，典型動目標(biāo)顯示的相參振蕩器均工作于中頻，在中頻上實現(xiàn)鎖相，其組成框圖如圖8.8所示。鎖相電壓直接由發(fā)射機取出，避免了收發(fā)開關(guān)可能帶來的干擾，從而保證了鎖相質(zhì)量。高頻鎖相電壓與回波信號用同一本振電壓混頻，然后將混頻所得的中頻鎖相電壓加到相參振蕩器輸入端。用這個鎖相電壓鎖定的中頻相參振蕩器電壓可以作為相位檢波器的基準(zhǔn)電壓。發(fā)射信號和本振信號的隨機初相在比較相位時均可以消去。二、動目標(biāo)顯示雷達的工作原理及其主要組成3.消除固定目標(biāo)回波1.相消設(shè)備特性二、動目標(biāo)顯示雷達的工作原理及其主要組成3.消除固定目標(biāo)回波

二、動目標(biāo)顯示雷達的工作原理及其主要組成3.消除固定目標(biāo)回波

二、動目標(biāo)顯示雷達的工作原理及其主要組成3.消除固定目標(biāo)回波2.數(shù)字式相消器相消器需要延遲線將信號延遲一個脈沖重復(fù)周期并和未延遲的信號相減。在早期用模擬信號進行處理時，延遲線是一個很關(guān)鍵的部件，先后采用過超聲延遲線、申荷合器件(CCD)延遲線等來實現(xiàn)信號的周期延遲，效果均不理想。近20年來，隨著大規(guī)模/超大規(guī)模集成電路(LSIVLSI)的迅猛發(fā)展，已經(jīng)完全可以用數(shù)字技術(shù)來實現(xiàn)信號的存儲、延遲和各種實時運算。用數(shù)字延遲線代替模擬延遲線是數(shù)字動目標(biāo)顯示(DMTI)的基本點。采用數(shù)字式對消器具有許多優(yōu)點：它穩(wěn)定可靠，平時不需要調(diào)整，便于維護使用，且體積小、質(zhì)量輕。此外，數(shù)字式對消器還具有一些特點：①容易得到長的延時，因而便于實現(xiàn)多脈沖對消，以改善濾波器頻率特性；②容易實現(xiàn)重復(fù)周期的參差跳變，以消除盲速并改善速度響應(yīng)特性；③容易和其他數(shù)字式信號處理設(shè)備(如數(shù)字式信號積累器等)配合，以提高雷達性能；④動態(tài)范圍可做得較大?？傊?，它可以實現(xiàn)更為完善和靈活的信號處理功能。二、動目標(biāo)顯示雷達的工作原理及其主要組成3.消除固定目標(biāo)回波數(shù)字式相消器的簡單組成如圖8.11所示。作為模擬和數(shù)字信號的接口，首先要把從相位檢波器輸出的模擬信號變?yōu)閿?shù)字信號。模擬信號變?yōu)閿?shù)字信號要經(jīng)過時間取樣和幅度分層兩步。以時鐘脈沖控制取樣保持電路對輸入相參視頻信號取樣，被時間量化的取樣信號送到模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(A/D變換器)進行幅度分層，轉(zhuǎn)為數(shù)字信號輸出。數(shù)字信號的延遲可用存儲器完成，將數(shù)字信號按取樣順序?qū)懭氪鎯ζ鲀?nèi)，當(dāng)下一個重復(fù)周期的數(shù)字信號到來時，由存儲器中讀出同一距離單元的信號進行相減運算，在輸出端得到跨周期相消的數(shù)字信號。這個數(shù)字信號可以很方便地用來作其他數(shù)字處理(如積累、恒虛警等)，如果需要模擬信號作為顯示，則可將數(shù)字信號經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換器，變?yōu)槟M信號輸出。03盲速、盲相的影響及其解決途徑PARTTHREE三、盲速、盲相的影響及其解決途徑1.盲速

三、盲速、盲相的影響及其解決途徑1.盲速

三、盲速、盲相的影響及其解決途徑1.盲速

三、盲速、盲相的影響及其解決途徑2.盲相

三、盲速、盲相的影響及其解決途徑2.盲相可以形象地用矢量圖來說明相消器的輸出。速運動目標(biāo)的回波信號用圍繞基準(zhǔn)電壓均勻旋轉(zhuǎn)的一個矢量來表示，旋轉(zhuǎn)的速度等于其多普勒頻率。相檢器的輸出為該矢量沿基準(zhǔn)電壓方向的投影。一次對消器的輸出則為相鄰重復(fù)周期差矢量在基準(zhǔn)電壓軸方向的投影，如圖8.16(a)所。當(dāng)差量垂直于該軸時，投影長度為零而出現(xiàn)點盲相。用單路相位檢波器時，只能得到信號矢量在基準(zhǔn)電壓軸上的投影值，形成回波振幅的多普勒調(diào)制且可能出現(xiàn)點盲相，這些都會給檢測性能帶來損失。此外，回波振幅的多普勒調(diào)制還會使輸出脈沖串的包絡(luò)失真，這會給角度的測量造成困難。三、盲速、盲相的影響及其解決途徑2.盲相如果運動目標(biāo)回波疊加在固定雜波上，則在一般情況下也將產(chǎn)生點盲相。但在強的雜波背景時，情況可能發(fā)生變化，這時的矢量圖如圖8.16(c)所示?；夭ǒB加在很強的雜波上，可能產(chǎn)生連續(xù)盲相：接收機的限幅作用使動目標(biāo)和固定雜波的合成矢量變成端點在限幅電平的一小段圓弧上來回擺動的矢量；雜波相對于基準(zhǔn)信號的相位不同時，所占弧的位置也不一樣，如果碰到像OO”那樣的固定雜波相位，其合成矢量經(jīng)過限幅以后端點在cd之間擺動；差不多在所有情況下差矢量均垂直于基準(zhǔn)軸，相消器幾乎沒有輸出。這種情況稱為連續(xù)盲相，即對于一定相位的固定雜波，疊加在它上面的運動目標(biāo)回波將連續(xù)丟失。在實際工作中，對于連續(xù)盲相應(yīng)給予充分注意，因為它可能使得在某次天線掃描里丟失在強雜波背景上的運動目標(biāo)。早期用單路一次相消器時，曾設(shè)法用改進相位檢波器的特性來解決盲相問題。目前由于對動目標(biāo)顯示性能的要求更高，而信號處理的數(shù)字技術(shù)也可以提供更好的手段，將采用矢量對消器來解決盲相和回波振幅的多普勒調(diào)制問題。04回波和雜波的頻譜及動目標(biāo)顯示濾波器PARTFOUR四、回波和雜波的頻譜及動目標(biāo)顯示濾波器1.目標(biāo)回波和雜波的頻譜特性

四、回波和雜波的頻譜及動目標(biāo)顯示濾波器1.目標(biāo)回波和雜波的頻譜特性2.雜波頻譜圖8.20所示是典型雜波功率頻率的一個例子。這些數(shù)據(jù)適用頻率為1000MHz。實驗測度的雜波功率譜可用用下式近似表示四、回波和雜波的頻譜及動目標(biāo)顯示濾波器1.目標(biāo)回波和雜波的頻譜特性

四、回波和雜波的頻譜及動目標(biāo)顯示濾波器2.動目標(biāo)顯示濾波器

四、回波和雜波的頻譜及動目標(biāo)顯示濾波器2.動目標(biāo)顯示濾波器

四、回波和雜波的頻譜及動目標(biāo)顯示濾波器2.動目標(biāo)顯示濾波器

四、回波和雜波的頻譜及動目標(biāo)顯示濾波器2.動目標(biāo)顯示濾波器

四、回波和雜波的頻譜及動目標(biāo)顯示濾波器2.動目標(biāo)顯示濾波器

05動目標(biāo)顯示雷達的工作質(zhì)量及質(zhì)量指標(biāo)PARTFIVE五、動目標(biāo)顯示雷達的工作質(zhì)量及質(zhì)量指標(biāo)1.質(zhì)量指標(biāo)

五、動目標(biāo)顯示雷達的工作質(zhì)量及質(zhì)量指標(biāo)1.質(zhì)量指標(biāo)

五、動目標(biāo)顯示雷達的工作質(zhì)量及質(zhì)量指標(biāo)1.質(zhì)量指標(biāo)

五、動目標(biāo)顯示雷達的工作質(zhì)量及質(zhì)量指標(biāo)2.影響系統(tǒng)工作質(zhì)量的因素

五、動目標(biāo)顯示雷達的工作質(zhì)量及質(zhì)量指標(biāo)2.影響系統(tǒng)工作質(zhì)量的因素

06動目標(biāo)檢測（MTD）PARTSIX六、動目標(biāo)檢測（MTD）1.限幅的影響和線性MTI

六、動目標(biāo)檢測（MTD）1.限幅的影響和線性MTI

六、動目標(biāo)檢測（MTD）1.限幅的影響和線性MTI2.線性MTI的實現(xiàn)由于雷達收到的雜波回波強度很大，為了避免產(chǎn)生限幅，就應(yīng)當(dāng)采用動態(tài)范圍達60dB或80~90dB的高頻和中頻放大器。一般的高頻放大器，特別是中頻放大器不可能有這樣大的動態(tài)范圍，只有借助于增益控制。在動目標(biāo)檢測系統(tǒng)中，保證中頻處于線性工作狀態(tài)所用的增益控制有其特殊性。增益控制電壓應(yīng)隨著輸入雜波的強度成比例地變化，但雜波(特別是地物雜波)的情況是多變的，即使在一次掃掠里，距離單元不同，雜波強度也可能有很大變化。因此，增益控制必須是快速的。此外，由于要進行相消運算對于任一距離單元，相繼掃掠周期的增益變化必須是準(zhǔn)確和已知的，而用還必須把它儲存下來，以便在相消運算中加以考慮。六、動目標(biāo)檢測（MTD）1.限幅的影響和線性MTI因此，要實現(xiàn)線性動目標(biāo)顯示系統(tǒng)，主要是解決滿足上述要求的增益控制問題?，F(xiàn)在用得最多的辦法是以儲存的雜波圖來控制各個距離單元的中放增益，其原理圖如圖8.34所示。圖8.34(a)是雜波圖存儲的原理圖，它將雷達所監(jiān)視的空間按距離和方位分割成許多空間單元，每一空間單元的距離長度相當(dāng)于一個脈沖寬度或稍大些，方位寬度相當(dāng)于半個波瓣寬度或更大些，這樣分制形成的空間單元數(shù)一般達數(shù)十萬個。每個空間單元的回波振幅分別加以儲存(因為一個空間單元的方位寬度約為半個波瓣寬度,它對應(yīng)于許多次掃掠，所以儲存的應(yīng)是一次天線掃描中多次掃掠的雜波平均值)。六、動目標(biāo)檢測（MTD）1.限幅的影響和線性MTI雜波圖存儲的輸入端可以從中頻放大器輸出經(jīng)過振幅檢波后得到。但常見到的地雜波存儲常同時用來檢測切向飛行目標(biāo)，故其輸入端是從相位檢波器后經(jīng)零多普勒濾波器再加振幅檢波后得到的，如圖8.34(b)所示。這時雜波圖存儲的只是地雜波(其平均多普勒頻率通常為零)，地雜波是強度較大目隨距離變化劇烈的雜波。因此用地雜波存儲圖的輸出來控制線性中放的增益在多數(shù)情況下是合適的。地雜波圖存儲應(yīng)該隨著實際情況及時更新，因為要用“時間單元平均”的雜波圖作為檢測切向飛行目標(biāo)之用。所謂“時間單元”平均，就是以一個天線掃描周期作為一個單元，每個空間單元里儲存的應(yīng)是多次天線掃描所得雜波的平均值估值。為了不使設(shè)備過于復(fù)雜，不宜采用多次掃描存儲的滑窗式積累而應(yīng)采用單回路反饋積累的辦法。六、動目標(biāo)檢測（MTD）1.限幅的影響和線性MTI雜波圖存儲的輸出如果只用來控制中放增益，則其量化的數(shù)字位可以較少。如果該雜波圖同時用