經(jīng)典雷達(dá)資料-第15章__動目標(biāo)顯示(MTI)雷達(dá)-3

1、圖15.24顯示了反饋對改善因子I的影響。這些曲線是在假設(shè)天線的方向圖只取(sinU)/U第一對零點(diǎn)之間的曲線情況下計算出的。圖示的無反饋的幾條曲線與如圖15.12所示顯示的具有高斯形狀方向圖的理論曲線幾乎完全相同（說明反饋對三路延遲對消器影響是一條曲線而不是直線，這是因為在3個零點(diǎn)中，已有兩個零點(diǎn)不在原點(diǎn)上，并且根據(jù)波束寬度內(nèi)有14個脈沖的實際情況，它們已沿單位圓移動了最佳量。因此，當(dāng)波束寬度內(nèi)有40個脈沖時，這兩個零點(diǎn)由于離原點(diǎn)太遠(yuǎn)而不起太大的作用）。從理論上講，采用數(shù)字濾波器來合成各種形狀的速度響應(yīng)曲線是可能的16。對Z平面上的每對零點(diǎn)和每對極點(diǎn)而言，都需要兩個延遲線，用前饋路徑控制零點(diǎn)

2、位置，而用反饋路徑控制極點(diǎn)位置。速度響應(yīng)曲線的形狀可以僅用前饋而不用反饋來實現(xiàn)。不采用反饋的主要優(yōu)點(diǎn)是對消器具有很好的瞬態(tài)響應(yīng)，這是相控陣或系統(tǒng)存在脈沖噪聲干擾時的一項重要的考慮因素。如果相控陣?yán)走_(dá)使用反饋對消器，則在對消器的瞬態(tài)振鈴還未下降到容許的電平之前，波束就已經(jīng)改變了位置，因而許多脈沖不得不落在波束以外。人們已提出一種預(yù)置技術(shù)來緩解這種現(xiàn)象20，但僅僅部分地降低瞬態(tài)穩(wěn)定時間。若只使用前饋，則在波束移動后僅有3個或4個脈沖被去掉。采用前饋控制速度響應(yīng)曲線的形狀的缺點(diǎn)是，對每個用于形成速度響應(yīng)的零點(diǎn)都需附加一個延遲線。此外，若采用零點(diǎn)來形成速度響應(yīng)，則曲線就會導(dǎo)致改善因子引入一個固有的損耗

3、。這個損失可能很重要也可能不重要，需根據(jù)雜波譜展寬的程度和對消所需零點(diǎn)數(shù)來確定。圖15.25畫出了只用前饋形成的四脈沖對消器的速度響應(yīng)曲線和Z平面圖。圖中同時還畫出了五脈沖前饋對消器和三脈沖反饋對消器的速度響應(yīng)曲線。在給出的對消器中，無論雜波譜擴(kuò)展程度為多少，三脈沖反饋對消器的改善因子潛力均比四脈沖前饋對消器大約好4dB。圖15.24 掃描對具有反饋的對消器改善因子的限制曲線是在假定天線方向圖只取sinU/U第一對零點(diǎn)之間的形狀時，由計算機(jī)計算出來的。五脈沖對消器被Zverev稱為線性相位21MTI濾波器22。4個零點(diǎn)分別位于Z平面實軸的+1，+1，-0.3575和-2.7972。許多關(guān)于濾波

4、器綜合的文獻(xiàn)都描述過這種線性相位的濾波器，但對MTI應(yīng)用而言，線性相位并不重要。如圖15.25所示，若采用非線性相位濾波器只需要極少的脈沖就可以得到幾乎和線性相位濾波器相同的響應(yīng)曲線。由于在波束照射目標(biāo)期間可利用的脈沖數(shù)是固定的，一個也不能浪費(fèi)，所以人們應(yīng)當(dāng)選用那些只使用極少脈沖數(shù)的非線性相位濾波器。圖15.25 賦形速度響應(yīng)曲線的前饋對消器與三脈沖反饋對消器的比較（見正文五脈沖對消器的參數(shù)）15.8 雜波濾波器組的設(shè)計如同15.1節(jié)的討論，MTD采用的波形包括相同PRF和相同射頻頻率的N個脈沖的相參處理間隔（CPI）。從一個CPI到下一個CPI的脈沖重復(fù)頻率和射頻頻率有可能是變化的。在這一約

5、束條件下，只有選用有限沖激響應(yīng)（FIR）濾波器的方法才是設(shè)計濾波器組惟一可行的設(shè)計方法（無論是PRF還是射頻頻率改變，反饋濾波器需要許多脈沖回波才能達(dá)到穩(wěn)定，這顯然是不實際的）。在監(jiān)視雷達(dá)波束照射目標(biāo)期間，可利用的脈沖數(shù)是由諸如波束寬度、PRF、需掃描的空域和所要求的數(shù)據(jù)更新率等系統(tǒng)參數(shù)和系統(tǒng)要求決定的。一旦約定了照射到目標(biāo)的脈沖數(shù)，設(shè)計師就必須決定在此期間須有多少個CPI和每個CPI內(nèi)有多少個脈沖。要想采取折中方案通常是困難的。設(shè)計師希望在一個CPI中使用更多的脈沖，以便能采用更佳的濾波器，但也希望有盡可能多的CPI。多個CPI（以不同的脈沖重復(fù)頻率或不同射頻工作）可改善系統(tǒng)的檢測性能，而且

6、能提供用于檢測目標(biāo)實際徑向速度所需的信息23。在多普勒濾波器組中，單個濾波器的設(shè)計是頻率副瓣要求和濾波器相參積累增益之間的一個折中。對一個給定的CPI來說，所要求的多普勒濾波器數(shù)目則是硬件復(fù)雜性和濾波器交疊時的交叉損失間的一個折中。最后，若要求在零多普勒（地雜波）處具有更高的雜波抑制能力，則常常會引入特殊的設(shè)計約束條件。當(dāng)一個CPI內(nèi)的脈沖數(shù)大于或等于16時，快速傅里葉變換（FFT）算法的系統(tǒng)設(shè)計方法和有效實現(xiàn)特別引人注意。由于在單個相參處理間隔中采用恰當(dāng)?shù)臅r域回波加權(quán)函數(shù)，因此很容易控制頻域副瓣。進(jìn)一步地講，覆蓋整個多普勒空間（等于雷達(dá)PRF）所需要的濾波器的數(shù)量（等于變換階數(shù)）可獨(dú)立選擇，

7、與CPI無關(guān)，詳見后面所述。當(dāng)CPI變?。ㄐ∮诨虻扔?0）時，為了獲得較好的整機(jī)性能，研究單個濾波器的特殊設(shè)計，使其滿足不同多普勒頻率特定的雜波抑制要求就顯得非常重要。在受特定通帶和阻帶約束的FIR濾波器設(shè)計中，盡管某些系統(tǒng)方法是可行的，但是對較小的CPI而言，直接的方法是憑試驗調(diào)整每個濾波器的各個零點(diǎn)直到獲得所需要的響應(yīng)為止。下面給出一個這種濾波器設(shè)計的實例。濾波器的經(jīng)驗設(shè)計如下是六脈沖CPI濾波器經(jīng)驗設(shè)計的一個實例（每個CPI的6個脈沖可根據(jù)系統(tǒng)條件，如照射目標(biāo)的時間直接推出）。由于濾波器要使用6個脈沖，并且只有5個零點(diǎn)是可用于濾波器設(shè)計的，所以可利用的零點(diǎn)數(shù)等于脈沖數(shù)減1。濾波器的設(shè)計過

8、程包括設(shè)置各個零點(diǎn)，以便得到符合指定約束條件的濾波器組響應(yīng)。下面的實例是由一個交互式計算機(jī)程序得出的，該程序可移動濾波器的零點(diǎn)直到得到預(yù)期的響應(yīng)為止。假定濾波器的要求如下：（1）在動目標(biāo)濾波器的雜波抑制凹口（相對于目標(biāo)的峰值響應(yīng)）中，響應(yīng)為-66dB；（2）對速度介于多普勒模糊頻率范圍的±20%間的箔條雜波抑制為-46dB；（3）由于硬件的限制，因此僅采用5個濾波器；（4）在5個濾波器中，3個用于抑制固定雜波而響應(yīng)動目標(biāo)，另兩個則響應(yīng)零多普勒頻率目標(biāo)和其模糊點(diǎn)（具有好的固定雜波抑制能力的濾波器，采用兩個或多個相參濾波器來覆蓋零速響應(yīng)的凹口）。基于以上考慮即可構(gòu)造濾波器組。圖15.26

9、（a）給出了濾波器在多普勒通帶中央的目標(biāo)響應(yīng)曲線。零速附近的副瓣從峰值下降66dB，因此在零多普勒頻率5%之內(nèi)有很好的雜波抑制性能，-46dB的副瓣有±16%的箔條雜波抑制性能。由于5個有效零點(diǎn)的限制，所以這種濾波器對±20%多普勒頻移不能提供-46dB的抑制。圖15.26（b）給出了濾波器對盡可能接近于零多普勒頻率的目標(biāo)響應(yīng)曲線。此時，零多普勒響應(yīng)為-66dB。若在零多普勒附近設(shè)置兩個零點(diǎn)，則所提供的零多普勒雜波響應(yīng)是-66dB。當(dāng)相對多普勒頻移為0.81.0時，多普勒濾波器副瓣提供48dB的箔條雜波抑制。這個濾波器的鏡像用于第3個移動的多普勒濾波器（鏡像濾波器的系數(shù)是原

10、濾波器系數(shù)的復(fù)共軛）。圖15.26（a） 響應(yīng)f T = 0.5目標(biāo)的六脈沖濾波器圖15.26（b） 響應(yīng)f T = 0.3目標(biāo)的六脈沖濾波器（可濾除固定雜波）圖15.26（c）給出了第一個濾波器設(shè)計在零多普勒處的響應(yīng)曲線。已考慮到將濾波器組的跨接損失減到最?。ㄟ@就決定了最大值位置），在0.8多普勒頻移處對箔條雜波的響應(yīng)下降到46dB，并且失配損耗最小。失配損耗最小化是通過在0.30.8多普勒頻移之間的副瓣上升到所需的高度來實行的（在這個區(qū)域內(nèi)副瓣降低，則失配損耗增加），第二個零多普勒濾波器是它的鏡像。圖15.26（d）給出了濾波器組的合成響應(yīng)曲線。注意，濾波器的峰值被相當(dāng)均勻地分配。第一個零

11、多普勒濾波器和第一個運(yùn)動的多普勒濾波器之間的差別要比其他的大，主要是因為在此限制下，不能移動第一多普勒濾波器接近零速。圖15.26（c） 響應(yīng)f T = 0.8目標(biāo)的六脈沖濾波器（可濾除f T = 0.8的箔條）圖15.26（d） 5個六脈沖濾波器組成濾波器組的合成響應(yīng)曲線切比雪夫濾波器組對于在CPI中脈沖數(shù)較多的情況而言，希望有一個更加系統(tǒng)的濾波器設(shè)計方法。如果多普勒濾波器的設(shè)計準(zhǔn)則選定，即要求主響應(yīng)之外濾波器副瓣響應(yīng)低于規(guī)定值（即提供恒定的雜波抑制電平），同時使濾波器響應(yīng)寬度最小，那么基于多爾夫-切比雪夫分布的濾波器設(shè)計就是最佳方案。在天線文獻(xiàn)中能找到基于多爾夫-切比雪夫分布的特性和設(shè)計方

12、法。九脈沖CPI和一個68dB副瓣電平的切比雪夫濾波器設(shè)計例子如圖15.27所示。通過給濾波器系數(shù)加一個線性相位項，能將峰值濾波器的頻率響應(yīng)定位于任意位置。實現(xiàn)覆蓋全部多普勒頻率所需的濾波器總數(shù)，在設(shè)計時要權(quán)衡濾波器交疊期間的跨接損耗和實現(xiàn)中復(fù)雜程度之間的得失。圖15.28為一個用9個均勻間隔濾波器組成的完整的多普勒濾波器組的實例。對照如圖15.18所示所認(rèn)定的雜波模型，這一濾波器組的性能，如圖15.29所示。此圖顯示，對于零多普勒雜波，信雜比改善是目標(biāo)多普勒頻率的函數(shù)。在每個目標(biāo)多普勒頻率處只畫出能提供最大改善的濾波器響應(yīng)曲線。為了便于比較，取如圖15.18所示的最佳曲線用虛線畫出，對于指定

13、的雜波模型，可給出切比雪夫濾波器設(shè)計性能良好程度的直接評價。同時也顯示了最佳濾波器和切比雪夫濾波器組二者的平均SCR的改善程度。圖15.27 68dB多普勒副瓣的切比雪夫FIR濾波器設(shè)計圖15.28 CPI為9脈沖時68dB切比雪夫多普勒濾波器組響應(yīng)曲線圖15.29 68dB切比雪夫多普勒濾波器組的SCR改善與最佳值的比較圖15.30說明了作為雜波譜相對擴(kuò)展函數(shù)的68dB切比雪夫濾波器組的平均SCR改善和最佳值曲線（出自如圖15.19所示中）。由于在濾波器組中所用的濾波器數(shù)量有限，因此若有多普勒頻移引入到雜波回波中，則對平均SCR的改善程度會有一定的影響。圖中的斜線陰影部分不僅說明了這種影響，

14、也顯示了對所有可能的多普勒頻移情況下平均SCR改善程度的上、下限。這種偏差將隨多普勒濾波器組中所用濾波器個數(shù)的減少而增大。圖15.30 如圖15.28所示的68dB切比雪夫多普勒濾波器組的平均SCR改善CPI = 9脈沖，最佳值取自如圖15.19所示中。FFT濾波器組對大量并聯(lián)的多普勒濾波器而言，使用FFT算法將大大減化硬件。這種算法要求濾波器組中的所有濾波器具有相同的響應(yīng)，而且這些濾波器沿多普勒軸均勻排列。然而，對給定大小的CPI所需濾波器的數(shù)目是可變的。例如，在接收回波已按所需的濾波響應(yīng)加權(quán)后（如切比雪夫加權(quán)），通過以額外的零值擴(kuò)展接收數(shù)據(jù)的方法（也稱補(bǔ)零）可獲得更大數(shù)目的濾波器數(shù)。15.

15、9 參差脈沖重復(fù)頻率參差的設(shè)計方法改變雷達(dá)脈沖之間的間隔，目的是移開相當(dāng)于MTI系統(tǒng)盲速的目標(biāo)速度?？梢栽趻呙柚g、脈沖之間或駐留之間（每次駐留是波束寬度的一部分）改變脈沖的間隔。每種方法都各有優(yōu)點(diǎn)。在掃描之間改變脈沖間隔方法的優(yōu)點(diǎn)是雷達(dá)系統(tǒng)比較易于制造，并且時間上多次循環(huán)出現(xiàn)的雜波在功率放大器MTI系統(tǒng)中被對消。為了使沒有參差的MTI系統(tǒng)更好地工作，就要求發(fā)射機(jī)能穩(wěn)定地工作，但是這樣不僅要多花錢，而且設(shè)備的重量也更重。在脈沖之間或駐留之間進(jìn)行參差工作的雷達(dá)，要使發(fā)射機(jī)能夠充分穩(wěn)定地工作就更為困難。脈沖之間參差用MTI處理，而駐留之間參差用濾波器組處理。對許多MTI應(yīng)用而言，脈沖之間的參差是重

16、要的。例如，若采用掃描之間脈沖參差和用一個具有36%抑制凹口寬度的二項式加權(quán)三脈沖對消器時，則在每次掃描時，僅僅由于對多普勒頻率的考慮，就會丟失36%的有用目標(biāo)信號。在某些運(yùn)用場合，這是不能容許的。而在采用脈沖之間的參差時，則每次掃描均能在所關(guān)注的全部多普勒頻率上獲得良好的響應(yīng)。此外，還可以在某些多普勒頻率上獲得更好的速度響應(yīng)，即比在掃描到掃描的基礎(chǔ)上用這些脈沖間隔所能得到的響應(yīng)更好。這是因為脈沖之間的參差會在MTI濾波器通帶內(nèi)產(chǎn)生多普勒頻率分量的緣故。如圖15.16和圖15.17所示，脈沖之間參差可能會使系統(tǒng)能達(dá)到的改善因子降低。但是，這種降低可能并不要緊，或者說可用下面討論的時變加權(quán)來加以

17、消除。脈沖之間參差的另一個優(yōu)點(diǎn)是可允許去掉對消器中的反饋（用于縮小盲速的凹口），從而簡化了對消器的設(shè)計。最佳參差比的選擇取決于必須無盲速的速度范圍和速度響應(yīng)曲線上第一個零點(diǎn)可允許的深度。在大多數(shù)的應(yīng)用場合下，以4周期的參差比為最好，并且用在第一盲速（用V/VB表示）加上數(shù)字-3，2，-1，3（或3，-2，1，-3）的方法，即可得出一組很好的參差比。因此，在如圖15.31所示中，當(dāng)?shù)谝幻に俪霈F(xiàn)在V/VB = 28附近時，參差比為25:30:27:31（交替使用長的和短的周期可保持發(fā)射機(jī)的占空比盡可能不變，同時又能保證在第一零點(diǎn)VVB處有最佳響應(yīng)）。如果用4種脈間周期，使第一凹點(diǎn)太深，就可用五種脈

18、間周期，其參差比則可對第一盲速加上-6，+5，-4，+4，+1的數(shù)字來獲得。圖15.32為5種脈沖間隔時的響應(yīng)曲線。第一凹點(diǎn)的深度可由下面要講到的如圖15.39所示來預(yù)測。圖15.31 速度響應(yīng)曲線雙路對消器、無反饋、脈沖間隔比為25:30:27:31。圖15.32 速度響應(yīng)曲線三脈沖二項式對消器、脈沖間隔比為51:62:53:61:58。圖15.33和圖15.34表示4種脈沖間隔所計算出的另外兩條速度響應(yīng)曲線。對在波束寬度內(nèi)的脈沖數(shù)相當(dāng)少的雷達(dá)來說，不宜采用4或5種以上不同的脈沖間隔，因為這時單個目標(biāo)的響應(yīng)取決于當(dāng)波束掃過目標(biāo)時，出現(xiàn)峰值是在脈沖序列的那一部分，且不希望脈沖間隔隨機(jī)變化（除非用在電子反對抗的場合），因為要是這樣的話，其零點(diǎn)深度就會比4個或5個脈沖間隔的最佳設(shè)計選擇值還要深些。圖15.33 速度響應(yīng)曲線三脈沖二項式對消器、