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1、雷達(dá)測(cè)速與測(cè)距GZH2016/3/29系統(tǒng)流程圖CFAR檢測(cè)MTD3脈沖非逼、歸MTI噪勞十雜減輸入chirp信號(hào)多普勒V頻移模塊分析1 脈沖壓縮1.1 原理分析雷達(dá)的基本功能是利用目標(biāo)對(duì)電磁波的散射而發(fā)現(xiàn)目標(biāo),并測(cè)定目標(biāo)的空間位置。雷達(dá)分辨力是雷達(dá)的主要性能參數(shù)之一。所謂雷達(dá)分辨力是指在各種目標(biāo)環(huán)境下區(qū)分兩個(gè)或兩個(gè)以上的鄰近目標(biāo)的能力。一般說(shuō)來(lái)目標(biāo)距離不同、方位角不同、高度不同以及速度不同等因素都可用來(lái)分辨目標(biāo),而與信號(hào)波形緊密聯(lián)系的則是距離分辨力和速度(徑向)分辨力。兩個(gè)目標(biāo)在同一角度但處在不同距離上,其最小可區(qū)分的距離稱(chēng)為距離分辨力,雷達(dá)的距離分辨力取決于信號(hào)帶寬。對(duì)于給定的雷達(dá)系統(tǒng),可

2、達(dá)到的距離分辨力為d=豆(1.1)r2B其中c為光速,B=Af為發(fā)射波形帶寬。雷達(dá)的速度分辨率可用速度分辨常數(shù)表征,信號(hào)在時(shí)域上的持續(xù)寬度越大,在頻域上的分辨率能力就越好,即速度分辨率越好。對(duì)于簡(jiǎn)單的脈沖雷達(dá),B=Af=1/T,此處,t為發(fā)射脈沖寬度。因此,對(duì)于簡(jiǎn)單的脈沖雷達(dá)系統(tǒng),將有3=-t(1.2)r2在普通脈沖雷達(dá)中,由于信號(hào)的時(shí)寬帶寬積為一常數(shù)(約為1),因此不能兼顧距離分辨力和速度分辨力兩項(xiàng)指標(biāo)。(1.3)雷達(dá)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)的空域叫做雷達(dá)的探測(cè)范圍,也是雷達(dá)的重要性能數(shù),它決定于雷達(dá)的最小可測(cè)距離和最大作用距離,仰角和方位角的探測(cè)范圍。而發(fā)射功率的大小影響作用距離,功率大則作用距

3、離大。發(fā)射功率分脈沖功率和平均功率。雷達(dá)在發(fā)射脈沖信號(hào)期間內(nèi)所輸出的功率稱(chēng)脈沖功率,用Pt表示;平均功率是指一個(gè)重復(fù)周期Tr內(nèi)發(fā)射機(jī)輸出功率的平均值,用Pav表示。它們的關(guān)系為Pt=PTtavr脈沖壓縮(PC)雷達(dá)體制在雷達(dá)脈沖峰值受限的情況下,通過(guò)發(fā)射寬脈沖而獲得高的發(fā)能量,以保證足夠的最大作用距離,而在接收時(shí)則采用相應(yīng)的脈沖壓縮法獲得窄脈沖,以提高距離分辨力,因而能較好地解決作用距離與分辨能力之間的矛盾。在脈沖壓縮系統(tǒng)中,發(fā)射波形往往在相位上或頻域上進(jìn)行調(diào)制,接收時(shí)將回波信號(hào)加以壓縮,使其等效帶寬B滿(mǎn)足B=Afl/T。令T0=1/B,則鋒=尹0(L4)(1.4)式中,t0表示經(jīng)脈沖壓縮后的

4、有效脈寬。因此脈沖壓縮雷達(dá)可用寬度T的發(fā)射脈沖來(lái)獲得相當(dāng)于發(fā)射有效寬度為T(mén)0的簡(jiǎn)單脈沖系統(tǒng)的距離分辨力。發(fā)射脈沖寬度T跟系統(tǒng)有效(經(jīng)壓縮的)脈沖寬度T0的比值便成為脈沖壓縮比,即(1.5)D=T0(1.6)輸入信號(hào)形式為(1.7)(1.8)(1.9)s(t)=A*rect(-)*刃2好于T其中rectG)矩形函數(shù),當(dāng)|糾51時(shí)為1其他情況為0。實(shí)踐中TT2s(t)=rect(-)*e于T系統(tǒng)采用匹配濾波h(t)=s*(t0-t)輸出為SqC)=雌)s(t)(1.10)1.2仿真結(jié)果雷達(dá)發(fā)射信號(hào)為L(zhǎng)FM信號(hào),脈沖寬度為T(mén)p=10e-6,信號(hào)帶寬為B=4e6,脈沖重復(fù)周期為T(mén)=100e-6,因此脈

5、沖占空比為0.1,采樣頻率為fs=5e6。時(shí)寬帶寬積為D=Tp*B。發(fā)射信號(hào)波形如下:圖1.1LFM信號(hào)時(shí)域波形和頻譜發(fā)射信號(hào)為16個(gè)脈沖,在經(jīng)過(guò)延時(shí)和加入噪聲后得到回波信號(hào)如下:L11111111110.2Q.4Q.SQ.B11.21.弍1.6D:l冋Hio-叵1;應(yīng)弓.B.5=4.2口.2.4.GBdo.dD.dD.dci-圖1.3完整回波信號(hào)從圖中可看出,回波信號(hào)在每個(gè)脈沖重復(fù)周期中有3個(gè)脈沖,表示目標(biāo)個(gè)數(shù)為3。距離圖1.7(b)脈壓后輸出波形從圖中可明顯看到3個(gè)尖峰,每個(gè)尖峰代表一個(gè)目標(biāo)回波。2 三脈沖非遞歸MTI2.1 原理分析當(dāng)雜波和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波在雷達(dá)顯示器上同時(shí)顯示時(shí),會(huì)使目標(biāo)的

6、觀察變得很困難。如果目標(biāo)處在強(qiáng)雜波背景內(nèi),弱的目標(biāo)淹沒(méi)在強(qiáng)雜波中,特別是當(dāng)強(qiáng)雜波使接收機(jī)發(fā)生過(guò)載時(shí),將很難發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。目標(biāo)回波和雜波在時(shí)間域上難以區(qū)分,但由于目標(biāo)的速度遠(yuǎn)大于背景的速度,目標(biāo)回波的多普勒頻移遠(yuǎn)大于背景的多普勒頻移,從而可在頻域上區(qū)分目標(biāo)與雜波。動(dòng)目標(biāo)顯示濾波器(MTI)利用運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波和雜波在頻譜上的區(qū)別,有效地抑制雜波而提取信號(hào)。在雷達(dá)上加裝MTI濾波器,大大的改善了雷達(dá)在強(qiáng)雜波背景中檢測(cè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的能力。在相位檢波器輸出端,固定目標(biāo)的回波是一串振幅不變的脈沖,而運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的回波是一串振幅調(diào)制的脈沖。在把回波信號(hào)送到終端顯示器前,必須先消除固定目標(biāo)回波。最直接的方法是將相鄰重復(fù)周期

7、的回波信號(hào)相減,則固定目標(biāo)回波由于振幅不變而互相抵消,運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波相減后剩下相鄰重復(fù)周期振幅變化的部分。傳統(tǒng)的MTI濾波器有兩種形式:非遞歸形和遞歸形。這里介紹非遞歸形。不帶反饋的濾波器稱(chēng)為非遞歸型濾波器。下面以一次對(duì)消器為例進(jìn)行說(shuō)明。一次對(duì)消器,即二脈沖對(duì)消。其結(jié)構(gòu)圖如圖2.1(a),對(duì)消器的輸入X(z)相位檢波器的輸出信號(hào)。它是一個(gè)單零點(diǎn)系統(tǒng),零點(diǎn)位置在z二1,令s二加,即z=j在z平面上是單位圓。由相位檢波器輸出的脈沖包絡(luò)為u(t)=Ucos申(t)2.1)0申為回波與基準(zhǔn)電壓之間的相位差申(t)=-TOt=-w0r02(R0cvt)r=3t一申d02.2)回波信號(hào)按重復(fù)周期Tr出現(xiàn),將

8、回波信號(hào)延遲一周期后,其包絡(luò)是2.3)u(t)=Ucos(tT)q0dr0Au=(Tuu=2Usind-rsin012丿2.4)輸出包絡(luò)為一多普勒頻率的正弦信號(hào),其頻率為.3T2Usinio22.5)為多普勒頻率的函數(shù)。當(dāng)叮2=兀(n=l,2,3,)時(shí),這時(shí)的目標(biāo)速度正相當(dāng)于盲速,盲速是運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波在相位檢波器的輸出端與固定目標(biāo)回波相同,因而經(jīng)對(duì)消設(shè)備后輸出為零。輸出振幅為零。面從頻率域來(lái)說(shuō)明對(duì)消器的工作原理。對(duì)消器的輸出為u=u(1一e-j叫)0i2.6)對(duì)消器的頻率響應(yīng)特性為UK.H(j)=o=1-e-jTr=(1一cosT)+jsinT=2sin兀fTej(2坷)(2.7)urri10.

9、8D40.6030C-501111J00511.5223$5歸一化罪率術(shù)圖2.2對(duì)消器的頻率響應(yīng)1.522.S歸一優(yōu)頃凰曲對(duì)消器等效于一個(gè)梳狀濾波器,其頻率特性在f=叭各點(diǎn)處均為零。固定目標(biāo)頻譜的特點(diǎn)是它的譜線位于nfr點(diǎn)上,因而在理想情況下,通過(guò)對(duì)消器后輸出為零。當(dāng)目標(biāo)的多普勒頻率為重復(fù)頻率的整數(shù)倍時(shí),其頻譜結(jié)構(gòu)也有相同的特點(diǎn),故通過(guò)上述梳狀濾波器后無(wú)輸出。2.2仿真結(jié)果本次仿真用的是三脈沖非遞歸MTI,其頻響和二脈沖非遞歸MTI類(lèi)似,三脈沖對(duì)消相比二脈沖對(duì)消能明顯改善零多普勒附近的凹口寬度。在進(jìn)過(guò)三脈沖對(duì)消后,固定目標(biāo)多普勒頻率為零,將被濾除占flRH1靈理百的填卑0嚴(yán)*卜卡rAQ創(chuàng)K)i

10、KMQ140W圖2.3(a)MTI輸出在參數(shù)設(shè)定時(shí),設(shè)定有三個(gè)目標(biāo),距離分別為4000米、8000米、12000米,其對(duì)應(yīng)的徑向速度為0、35m/s、85m/s。所以經(jīng)過(guò)MTI后,4000出目標(biāo)回波被濾除,仿真結(jié)果與理論分析一致。3 MTD3.1 原理分析早期的動(dòng)目標(biāo)顯示雷達(dá)性能不高,其改善因子一般在20dB左右。隨著在系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)技術(shù)的改進(jìn)、數(shù)字技術(shù)的提高,主要依靠信號(hào)處理的潛在能力,MTI雷達(dá)的性能還將進(jìn)一步的改善和提高: 增大信號(hào)處理的線性動(dòng)態(tài)范圍; 增加一組多普勒濾波器,使之更接近于最佳濾波,提高改善因子; 能抑制地雜波(其平均多普勒頻移通常為零)且能同時(shí)抑制運(yùn)動(dòng)雜波(如云雨、鳥(niǎo)群、

11、箔條等); 增加一個(gè)或多個(gè)雜波圖,可有幫助檢測(cè)切向飛行大目標(biāo)等作用;做了上述改進(jìn)的系統(tǒng)稱(chēng)之為動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)(MTD)系統(tǒng)。這里介紹的多普勒濾波器組就是一種MTD濾波器。根據(jù)最佳濾波理論,當(dāng)雜波功率譜C(f)和信號(hào)頻譜S(f)已知時(shí),最佳濾波器的頻響是:H(f)=S*(f)e-j2兀叫(3.1)C(f)式中,是使濾波器能夠?qū)崿F(xiàn)而附加的延遲時(shí)間,式(3.1)的濾波器可分成兩個(gè)級(jí)聯(lián)的濾波器Hi(f)和H2(f)其傳遞函數(shù)形式為:3.2)式中,H21(f)為單個(gè)脈沖的匹配濾波器,通常在接收機(jī)中放實(shí)現(xiàn),H22(f)是對(duì)相參脈沖串進(jìn)行匹配,它利用了回波脈沖串的相參性進(jìn)行相參積累。H22(f)是梳齒形濾波器,齒

12、的間隔為脈沖重復(fù)頻率fr,如圖3.1(b)中0號(hào)濾波器;齒的位置取決于回波信號(hào)的多普勒頻移,而齒的寬度應(yīng)和回波譜線的寬度一致。由于實(shí)際中fd不能預(yù)知,因此要用一組鄉(xiāng)里且部分重疊的濾波器組(如圖3.1(b)中0-7號(hào)濾波器),覆蓋整個(gè)多普勒頻率范圍,這就是多普勒濾波器組所要完成的功效。E3.1(a)H小f)4tI2j4?(i7O1圖3.1(b)輸入N個(gè)脈沖的橫向?yàn)V波器組有N-1根延遲線,每根延遲時(shí)間Tr=1fr,經(jīng)過(guò)各脈沖不同的加權(quán)并求和后,可以做成N個(gè)相鄰的窄帶濾波器組,頻率覆蓋0到fr。如果要同時(shí)得到N個(gè)濾波器的響應(yīng),則在圖3.2中橫向?yàn)V波器的每一抽頭應(yīng)該有N個(gè)分開(kāi)的輸出并相應(yīng)的加權(quán)。設(shè)加在

13、第k個(gè)濾波器的第i個(gè)輸出端頭的加權(quán)值為:3.3)w=ej2兀(i-1)kN,i=1,2,.Nikk表示標(biāo)號(hào)從0到N-1的濾波器,每一個(gè)k值對(duì)應(yīng)一組不同的加權(quán)值,相應(yīng)地對(duì)應(yīng)一個(gè)不同的多普勒濾波器響應(yīng)。圖3.1(b)中所示濾波器響應(yīng)是N=8時(shí)按式(3.3)加權(quán)所得各標(biāo)記k的濾波器頻率響應(yīng),k取0-7。第2個(gè)濾波器,即當(dāng)k=1時(shí),峰值響應(yīng)產(chǎn)生在y,以及fr+C,2f+frk取其他值,可以此類(lèi)推。可寫(xiě)出橫向?yàn)V波器按式(6.5.38)加權(quán)時(shí)的脈沖響應(yīng)及其頻響函數(shù):h(t)=t-(i一1)Te-j2兀(i-i)kNki=1H(f)=e-j2“ftXej2“(i-i)fT-knki=1濾波器振幅特性:H(f

14、)=Xi=1ej2“(i-1)fT-kNsin“N(fT-kN)sin“(fT-kN)(3.4)(3.5)(3.6)濾波器峰值產(chǎn)生于sin“(fT一加N)=0。0號(hào)濾波器的中心位置在零頻以及重復(fù)頻率的整數(shù)倍nfr處,通過(guò)沒(méi)有多普勒頻移的雜波,因此對(duì)地雜波沒(méi)有抑制能力。所以MTD濾波器常常和MTI濾波器配合使用。用橫向?yàn)V波器實(shí)現(xiàn)窄帶濾波器可不采用式(3.3)所示的權(quán)值,而是根據(jù)特定的需要靈活地選用不同的加權(quán)矢量,可以根據(jù)不同頻率處設(shè)置特性相異的濾波器。每個(gè)濾波器都有一定的副瓣,幅瓣的大小決定著雜波抑制能力的大小。為了壓低副瓣,一般都需要對(duì)數(shù)據(jù)做加窗處理。目前常用的窗函數(shù)有矩形窗、三角形窗、Hanning窗、Hamming窗、Blackman窗、Gaussian窗、Kaiser窗、Bartlett窗。3.2仿真結(jié)果MTDi-aault圖3.3MTD輸出由圖3.3得出,在地5通道和第12通道有輸出,對(duì)應(yīng)的通道中心徑向速度為:38m/s,91m/s。實(shí)際速度為35m/s、85m/s。4恒虛警率檢測(cè)4.1原理分析在現(xiàn)代雷達(dá)信號(hào)處理中,為了提高雷達(dá)的性能,首先需要提高檢測(cè)器輸入端的信噪比及信干比,其措施是降低接收機(jī)的噪聲系數(shù),采用各種抑制雜波和抗干擾的措施等。但是即使采用了上述方法,檢測(cè)

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