【ch08】運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)

運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)第八章雷達(dá)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(dá)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(duì)徑向運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收到的信號(hào)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(kāi)始將這一規(guī)律運(yùn)用到電磁波范圍。雷達(dá)應(yīng)用日益廣泛以及對(duì)其性能要求的提高，推動(dòng)了利用多普勒效應(yīng)來(lái)改善雷達(dá)工作質(zhì)量的進(jìn)程。一、多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用1.多普勒效應(yīng)

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

一、多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)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(duì)運(yùn)動(dòng)的速度而反比于工作波長(zhǎng)λ。當(dāng)目標(biāo)飛向雷達(dá)站時(shí)，多普勒頻率為正值，接收信號(hào)頻率高于發(fā)射信號(hào)頻率；而當(dāng)目標(biāo)背離雷達(dá)站飛行時(shí)，多普勒頻率為負(fù)值，接收信號(hào)頻率低于發(fā)射信號(hào)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(duì)于振蕩源是不動(dòng)的，則它在單位時(shí)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(duì)接近的運(yùn)動(dòng)，則接收者在單位時(shí)間內(nèi)收到的振蕩數(shù)目要比它不動(dòng)時(shí)多一些，也就是接收頻率增高；當(dāng)二者做背向運(yùn)動(dòng)時(shí)，結(jié)果相反。一、多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用1.多普勒效應(yīng)2.窄帶信號(hào)時(shí)的多普勒效應(yīng)常用雷達(dá)信號(hào)為窄帶信號(hào)(帶寬遠(yuǎn)小于中心頻率)，其發(fā)射信號(hào)可以表示為該頻率稱為多普勒頻率，即回波信號(hào)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(dá)中的應(yīng)用2.多普勒信息的提取1.連續(xù)波多普勒雷達(dá)為取出收發(fā)信號(hào)頻率的差頻，可以在接收機(jī)檢波器輸入端引入發(fā)射信號(hào)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(shí)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(lè)外，還有需要鑒別其差頻率或相對(duì)相位的信號(hào)電壓。圖8.1(a)~(c)畫(huà)出了連續(xù)波多勒達(dá)的原理性組成圖、獲取多勒頻率的養(yǎng)拍量圖及主要點(diǎn)的頻譜圖。一、多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用2.多普勒信息的提取1.連續(xù)波多普勒雷達(dá)為取出收發(fā)信號(hào)頻率的差頻，可以在接收機(jī)檢波器輸入端引入發(fā)射信號(hào)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(shí)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(lè)外，還有需要鑒別其差頻率或相對(duì)相位的信號(hào)電壓。圖8.1(a)~(c)畫(huà)出了連續(xù)波多勒達(dá)的原理性組成圖、獲取多勒頻率的養(yǎng)拍量圖及主要點(diǎn)的頻譜圖。一、多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用2.多普勒信息的提取

02動(dòng)目標(biāo)顯示雷達(dá)的工作原理及其主要組成PARTTWO二、動(dòng)目標(biāo)顯示雷達(dá)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(dá)利用多普勒效應(yīng)來(lái)鑒別運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波和固定目標(biāo)回波時(shí)，與普通脈沖雷達(dá)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(hào)頻率相參并保存發(fā)射信號(hào)的初相，且在整個(gè)接收信號(hào)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(gè)基準(zhǔn)電壓是相位檢波器的相位基準(zhǔn)，各種回波信號(hào)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(gè)特殊問(wèn)題。二、動(dòng)目標(biāo)顯示雷達(dá)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(dòng)目標(biāo)顯示雷達(dá)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(dòng)目標(biāo)顯示雷達(dá)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(dòng)目標(biāo)顯示雷達(dá)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(jìn)行主要放大，并將中頻信號(hào)送到相位檢波器，因此，典型動(dòng)目標(biāo)顯示的相參振蕩器均工作于中頻，在中頻上實(shí)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(jī)取出，避免了收發(fā)開(kāi)關(guān)可能帶來(lái)的干擾，從而保證了鎖相質(zhì)量。高頻鎖相電壓與回波信號(hào)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(gè)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(hào)和本振信號(hào)的隨機(jī)初相在比較相位時(shí)均可以消去。二、動(dòng)目標(biāo)顯示雷達(dá)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(dòng)目標(biāo)顯示雷達(dá)的工作原理及其主要組成3.消除固定目標(biāo)回波

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

二、動(dòng)目標(biāo)顯示雷達(dá)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(hào)延遲一個(gè)脈沖重復(fù)周期并和未延遲的信號(hào)相減。在早期用模擬信號(hào)進(jìn)行處理時(shí)，延遲線是一個(gè)很關(guān)鍵的部件，先后采用過(guò)超聲延遲線、申荷合器件(CCD)延遲線等來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的周期延遲，效果均不理想。近20年來(lái)，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(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的存儲(chǔ)、延遲和各種實(shí)時(shí)運(yùn)算。用數(shù)字延遲線代替模擬延遲線是數(shù)字動(dòng)目標(biāo)顯示(DMTI)的基本點(diǎn)。采用數(shù)字式對(duì)消器具有許多優(yōu)點(diǎn)：它穩(wěn)定可靠，平時(shí)不需要調(diào)整，便于維護(hù)使用，且體積小、質(zhì)量輕。此外，數(shù)字式對(duì)消器還具有一些特點(diǎn)：①容易得到長(zhǎng)的延時(shí)，因而便于實(shí)現(xiàn)多脈沖對(duì)消，以改善濾波器頻率特性；②容易實(shí)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(hào)處理設(shè)備(如數(shù)字式信號(hào)積累器等)配合，以提高雷達(dá)性能；④動(dòng)態(tài)范圍可做得較大?？傊梢詫?shí)現(xiàn)更為完善和靈活的信號(hào)處理功能。二、動(dòng)目標(biāo)顯示雷達(dá)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(jiǎn)單組成如圖8.11所示。作為模擬和數(shù)字信號(hào)的接口，首先要把從相位檢波器輸出的模擬信號(hào)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)。模擬信號(hào)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)要經(jīng)過(guò)時(shí)間取樣和幅度分層兩步。以時(shí)鐘脈沖控制取樣保持電路對(duì)輸入相參視頻信號(hào)取樣，被時(shí)間量化的取樣信號(hào)送到模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(A/D變換器)進(jìn)行幅度分層，轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)輸出。數(shù)字信號(hào)的延遲可用存儲(chǔ)器完成，將數(shù)字信號(hào)按取樣順序?qū)懭氪鎯?chǔ)器內(nèi)，當(dāng)下一個(gè)重復(fù)周期的數(shù)字信號(hào)到來(lái)時(shí)，由存儲(chǔ)器中讀出同一距離單元的信號(hào)進(jìn)行相減運(yùn)算，在輸出端得到跨周期相消的數(shù)字信號(hào)。這個(gè)數(shù)字信號(hào)可以很方便地用來(lái)作其他數(shù)字處理(如積累、恒虛警等)，如果需要模擬信號(hào)作為顯示，則可將數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器，變?yōu)槟M信號(hào)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(lái)說(shuō)明相消器的輸出。速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的回波信號(hào)用圍繞基準(zhǔn)電壓均勻旋轉(zhuǎn)的一個(gè)矢量來(lái)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(duì)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(shí)，投影長(zhǎng)度為零而出現(xiàn)點(diǎn)盲相。用單路相位檢波器時(shí)，只能得到信號(hào)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(diǎn)盲相，這些都會(huì)給檢測(cè)性能帶來(lái)?yè)p失。此外，回波振幅的多普勒調(diào)制還會(huì)使輸出脈沖串的包絡(luò)失真，這會(huì)給角度的測(cè)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(yùn)動(dòng)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(diǎn)盲相。但在強(qiáng)的雜波背景時(shí)，情況可能發(fā)生變化，這時(shí)的矢量圖如圖8.16(c)所示。回波疊加在很強(qiáng)的雜波上，可能產(chǎn)生連續(xù)盲相：接收機(jī)的限幅作用使動(dòng)目標(biāo)和固定雜波的合成矢量變成端點(diǎn)在限幅電平的一小段圓弧上來(lái)回?cái)[動(dòng)的矢量；雜波相對(duì)于基準(zhǔn)信號(hào)的相位不同時(shí)，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(guò)限幅以后端點(diǎn)在cd之間擺動(dòng)；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(méi)有輸出。這種情況稱為連續(xù)盲相，即對(duì)于一定相位的固定雜波，疊加在它上面的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波將連續(xù)丟失。在實(shí)際工作中，對(duì)于連續(xù)盲相應(yīng)給予充分注意，因?yàn)樗赡苁沟迷谀炒翁炀€掃描里丟失在強(qiáng)雜波背景上的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。早期用單路一次相消器時(shí)，曾設(shè)法用改進(jìn)相位檢波器的特性來(lái)解決盲相問(wèn)題。目前由于對(duì)動(dòng)目標(biāo)顯示性能的要求更高，而信號(hào)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(duì)消器來(lái)解決盲相和回波振幅的多普勒調(diào)制問(wèn)題。04回波和雜波的頻譜及動(dòng)目標(biāo)顯示濾波器PARTFOUR四、回波和雜波的頻譜及動(dòng)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(dòng)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(gè)例子。這些數(shù)據(jù)適用頻率為1000MHz。實(shí)驗(yàn)測(cè)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(dòng)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(dòng)目標(biāo)顯示濾波器2.動(dòng)目標(biāo)顯示濾波器

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

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

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

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

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

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

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

五、動(dòng)目標(biāo)顯示雷達(dá)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(dòng)目標(biāo)顯示雷達(dá)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(dòng)目標(biāo)檢測(cè)（MTD）PARTSIX六、動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)（MTD）1.限幅的影響和線性MTI

六、動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)（MTD）1.限幅的影響和線性MTI

六、動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)（MTD）1.限幅的影響和線性MTI2.線性MTI的實(shí)現(xiàn)由于雷達(dá)收到的雜波回波強(qiáng)度很大，為了避免產(chǎn)生限幅，就應(yīng)當(dāng)采用動(dòng)態(tài)范圍達(dá)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(dòng)態(tài)范圍，只有借助于增益控制。在動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)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(qiáng)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(qiáng)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(jìn)行相消運(yùn)算對(duì)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(chǔ)存下來(lái)，以便在相消運(yùn)算中加以考慮。六、動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)（MTD）1.限幅的影響和線性MTI因此，要實(shí)現(xiàn)線性動(dòng)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(wèn)題。現(xiàn)在用得最多的辦法是以儲(chǔ)存的雜波圖來(lái)控制各個(gè)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(chǔ)的原理圖，它將雷達(dá)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(zhǎng)度相當(dāng)于一個(gè)脈沖寬度或稍大些，方位寬度相當(dāng)于半個(gè)波瓣寬度或更大些，這樣分制形成的空間單元數(shù)一般達(dá)數(shù)十萬(wàn)個(gè)。每個(gè)空間單元的回波振幅分別加以儲(chǔ)存(因?yàn)橐粋€(gè)空間單元的方位寬度約為半個(gè)波瓣寬度,它對(duì)應(yīng)于許多次掃掠，所以儲(chǔ)存的應(yīng)是一次天線掃描中多次掃掠的雜波平均值)。六、動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)（MTD）1.限幅的影響和線性MTI雜波圖存儲(chǔ)的輸入端可以從中頻放大器輸出經(jīng)過(guò)振幅檢波后得到。但常見(jiàn)到的地雜波存儲(chǔ)常同時(shí)用來(lái)檢測(cè)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(shí)雜波圖存儲(chǔ)的只是地雜波(其平均多普勒頻率通常為零)，地雜波是強(qiáng)度較大目隨距離變化劇烈的雜波。因此用地雜波存儲(chǔ)圖的輸出來(lái)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(chǔ)應(yīng)該隨著實(shí)際情況及時(shí)更新，因?yàn)橐谩皶r(shí)間單元平均”的雜波圖作為檢測(cè)切向飛行目標(biāo)之用。所謂“時(shí)間單元”平均，就是以一個(gè)天線掃描周期作為一個(gè)單元，每個(gè)空間單元里儲(chǔ)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(guò)于復(fù)雜，不宜采用多次掃描存儲(chǔ)的滑窗式積累而應(yīng)采用單回路反饋積累的辦法。六、動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)（MTD）1.限幅的影響和線性MTI雜波圖存儲(chǔ)的輸出如果只用來(lái)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(shí)用