MTD雷達中多普勒濾波器組的設(shè)計與實現(xiàn)

1、目 錄中文摘要1英文摘要21 引言31.1 研究背景及意義31.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀41.3 本設(shè)計的指導思想和主要工作42 動目標檢測(MTD)雷達基本原理62.1 多普勒效應62.2 動目標檢測(MTD)雷達的工作原理82.2.1 動目標顯示(MTI)雷達的工作原理82.2.2 動目標檢測(MTD)雷達的工作原理103 MTD多普勒濾波器組的設(shè)計133.1 加權(quán)DFT實現(xiàn)MTD濾波133.1.1 DFT濾波器分析133.1.2 窄帶濾波器組信號處理的優(yōu)點153.2 FIR實現(xiàn)MTD多普勒濾波器163.2.1 設(shè)計思路173.2.2 MTD多普勒濾波器組的設(shè)計173.3 MTD/MTI雷達的性

2、能評價指標204 MTD雷達中預處理模塊設(shè)計234.1 乒乓操作234.1.1 乒乓操作的處理流程234.1.2 乒乓操作的特點234.1.3 乒乓操作的應用254.2 MTD雷達匹配濾波器的總體結(jié)構(gòu)264.3 MTD雷達中預處理模塊設(shè)計27 多路選擇器的設(shè)計284.3.2 計數(shù)器的設(shè)計304.3.3 MTD雷達預處理模塊設(shè)計32總 結(jié)34謝 辭34參考文獻35摘要：在高科技戰(zhàn)爭中，探測敵方的進攻目標(如飛機、導彈、艦艇等)是一個重要問題。它實際上是一個解決在密集的雜亂回波中發(fā)現(xiàn)感興趣的目標的問題，即所謂的動目標檢測(MTD)。本文對MTD雷達技術(shù)的核心(多普勒濾波器組)進行了深入的研究和設(shè)計

3、。文章主要分為以下四個部分：首先，本文對研究課題的背景及其意義進行了一個大概的說明。其次，對動目標檢測(MTD)雷達的基本原理進行了全面而詳細的介紹，如MTD的主要功能，其中，對于與MTD極其相關(guān)的動目標顯示(MTI)也進行了一個簡要的介紹。再次，對MTD雷達技術(shù)的核心(多普勒濾波器組)進行了設(shè)計和分析，文中應用了加權(quán)DFT和FIR這兩種方法實現(xiàn)MTD濾波，并給出了MTD性能評價指標。最后，對MTD濾波器輸入數(shù)據(jù)的存儲這一問題用預處理乒乓操作進行了設(shè)計，并對仿真結(jié)果進行了分析和說明。關(guān)鍵詞：動目標檢測(MTD)，動目標顯示(MTI)，濾波器，乒乓操作，設(shè)計Abstract：In high-te

4、ch warfare, detecting enemys offensive goals (such as aircraft, missiles, ships, etc.)is an important issue. In fact, it is a solution about how to found the interesting objectives in the intensive mess echo., the so-called Moving Target Detection (MTD). In this paper, I spent much time and many wor

5、ds on the research of the core of MTD radar technology-the design of Doppler Filter Team. The article is divided into four main parts:First, There is a general description about the background of this topic and its significance. Secondly, the basic principles of the Moving Target Detection (MTD) rad

6、ar are comprehensive and detailed introduced, such as the main function of MTD. In addition, the Moving Target Indication(MTI) which is Extremely relevant with MTD is also conducted a brief introduction. Thirdly, There are some design and analysis that I did on the MTD radar technology core (Doppler

7、 Filter Team), and the two approachesDFT and FIR were applicated in achieving MTD filter. At the same time some of the MTD performance evaluation indicators were given. Finally, how to store the input data of MTD filter in the design was designed with the ping-pong operation, and the simulation resu

8、lts were analysed and described.Keyword: Moving Target Detection (MTD), Moving Target Indication(MTI), Filter, Ping-pong operation , Design1 引言1.1 研究背景及意義雷達是用來發(fā)現(xiàn)目標和測量目標的無線電電子系統(tǒng)。雷達工作的物理基礎(chǔ)是物體對電磁波的反射現(xiàn)象。雷達的兩個主要特征是，它具有遠距離探測目標和對目標進行較高精度定位的能力。雖然雷達技術(shù)主要因軍事應用而得到發(fā)展，但它也在許多民用領(lǐng)域中得到了應用，比如船舶和飛機的導航就是典型的例子。 從50年代末以來，

9、由于航空與航天技術(shù)的飛速發(fā)展，飛機、導彈、人造衛(wèi)星及宇宙飛船等采用雷達作為探測和控制的手段，尤其是在60年代研制的反洲際彈道導彈系統(tǒng)，對雷達提出了高精度、遠距離、高分辨率及多目標測量等要求。由于解決了一系列的關(guān)鍵性問題，雷達進入蓬勃發(fā)展的新階段，如脈沖壓縮技術(shù)的采用；單脈沖雷達和相控陣雷達研制的成功；脈沖多卜勒雷達體制的研制成功，使雷達能測量目標的位置和相對運動速度，并具有良好的抑制地物去干擾等的能力；由于雷達中數(shù)字電路的廣泛應用和計算機與雷達的配合使用，使雷達的結(jié)構(gòu)組成和設(shè)計發(fā)生了根本性的變化。雷達采用這些先進技術(shù)后，工作性能大為提高。60年代相控陣雷達技術(shù)大量用于戰(zhàn)術(shù)雷達，這期間研制成功的

10、主要相控陣雷達，包括美國陸軍的“愛國者”、海軍的“宙斯盾”等。進入90年代，盡管冷戰(zhàn)結(jié)束，但局部戰(zhàn)爭仍然不斷，特別是由于海灣戰(zhàn)爭的刺激，雷達又進入了一個新的發(fā)展時期；對雷達觀察隱身目標的能力、在反輻射導彈(ARM)與電子戰(zhàn)(CEW)條件下的生存能力和工作有效性提出了更高的要求，對雷達測量目標特征參數(shù)和進行目標分類、目標識別有了更強烈的需求。隨著微電子和計算機的高速發(fā)展，雷達的技術(shù)性能也在迅速提高，在軍事上的應用進一步擴大。雷達是在不斷發(fā)展變化的：一方面它綜合應用各種新技術(shù)、新器件來完善和提高自身的性能，另一方面不斷出現(xiàn)的各種新技術(shù)的應用，也促使雷達不斷的改善。在現(xiàn)代高技術(shù)戰(zhàn)爭條件下，雷達所面臨

11、的電磁信號環(huán)境越來越復雜，雷達在復雜電磁環(huán)境下的生存能力便成為衡量雷達性能指標的重要標志。為了抵御各種有源和無源干擾，現(xiàn)代雷達采取了各種各樣的抗干擾措施，概括起來，可以歸納為時域抗干擾、頻域抗干擾和空域抗干擾三個方面。 雷達信號的頻域抗干擾措施主要包括動目標顯示(MTT)、動目標檢測(MTD)和脈沖多普勒(PD)技術(shù)等。廣義講，MTD是PD的一種特例，一般認為MTD是一種低重復頻率的PD處理。但MTD與PD處理的基木原理是相同的。現(xiàn)在，MTD處理己成為雷達抗干擾(尤其是抗雜波干擾和箔條干擾)的重要手段，在現(xiàn)代雷達中得到了廣泛的應用，發(fā)揮著不可替代的作用。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1974年美國麻省

12、理工學院林肯實驗室研制出了新型的需達信號頻域處理裝置動目標檢測器，為第一代MTD。它主要由一個傳統(tǒng)的三脈沖MTI對消器級聯(lián)一個8點FFT構(gòu)成，這一8點FFT等效為一組相鄰有覆蓋的窄帶濾波器組，它實際上就是用作脈沖串回波相參積累的匹配濾波器。第二代MTD在70年代末推出，它的主要改進是：其一，在匹配濾波處理后對同一單元不同濾波器頻道的輸出分別進行自適應門限調(diào)整，即分頻道CFAR處理；其二，增加了所謂“飽和/干擾”試驗電路，用于封鎖特別強干擾的對應距離單元的輸出；其三，具備了一定的氣象估測能力，這主要是ATC需達所要求的。更新一代的動目標檢測是自適應MTD(AMTD),其關(guān)鍵是實時檢測雜波的存在，

13、判定雜波強度(如強/中/弱)甚至特性，據(jù)此對存儲的雜波圖進行修正，并自動產(chǎn)生或選擇濾波器加權(quán)因子，以期在保證對地雜波的高度抑制的前提下，盡量減小對氣象(如雨)雜波的靈敏性(低的多普勒旁瓣),并具有最小的主瓣寬度和最小的信噪比(SNR)損失。目前MTD技術(shù)己成為雷達數(shù)字信號處理機的核心技術(shù)。伴隨著視頻數(shù)字集成電路，特別是FFT,DSP以及PLD硬件的發(fā)展，使MTD技術(shù)得以在脈沖多普勒(PD)雷達引信信號處理機的硬件上實現(xiàn)，并使引信在1-2ms內(nèi)完成對背景干擾下動目標的三維探測和對回波更具細節(jié)的檢測與識別成為可能，這大大提高了系統(tǒng)的信噪比和信干比。1.3 本設(shè)計的指導思想和主要工作本文對MTD的核

14、心技術(shù)(多普勒濾波器組)進行了設(shè)計，多普勒濾波器組的設(shè)計首先要解決的問題是濾波器的設(shè)計，而濾波器的設(shè)計方法多種多樣，其中最常用的方法有三種：窗函數(shù)設(shè)計法、頻率抽樣設(shè)計法和切比雪夫加權(quán)設(shè)計法。本文在設(shè)計濾波器時應用了窗函數(shù)法，選擇了相對理想的窗口(漢明窗)，從仿真出來的結(jié)果看，還很理想，其旁瓣較低，主瓣寬度也比較窄。各個濾波器設(shè)計好之后，接下來就是對各個濾波器進行加權(quán)處理，實現(xiàn)多普勒濾波器組。實驗結(jié)果表明，所設(shè)計的多普勒濾波器組，具有濾波精度高、處理速度快、可編程特性好的特點。多普勒濾波器組的實現(xiàn)另一個比較核心的問題是濾波器輸入數(shù)據(jù)的存儲，由于MTD雷達原理的別樣性，文中采用了預處理乒乓操作對M

15、TD濾波器輸入數(shù)據(jù)進行存儲。由于預處理乒乓操作通過“輸入數(shù)據(jù)選擇單元”和“輸出數(shù)據(jù)選擇單元”按節(jié)拍、相互配合的切換，所以經(jīng)過緩沖的數(shù)據(jù)流沒有停頓地送到“數(shù)據(jù)流運算處理模塊”進行運算與處理。這樣不僅節(jié)省了很多等待的時間，而且也節(jié)約了緩沖區(qū)空間。在對MTD預處理模塊設(shè)計時，設(shè)計一個具有控制功能的多路選擇器和計數(shù)器是本課題的關(guān)鍵，所以這兩個小模塊的設(shè)計是MTD預處理模塊設(shè)計中心問題。2 動目標檢測(MTD)雷達基本原理雷達要探測的目標，通常是運動著的物體，例如空中的飛機、導彈，海上的艦艇，地面的車輛等。但在目標的周圍經(jīng)常存在著各種背景，例如各種地物、云雨、海浪及敵人施放的金屬絲干擾等。這些背景可能是

16、完全不動的，如山和建筑物，也可以是緩慢運動的，如有風時的海浪和金屬絲干擾，一般來說，其運動速度遠小于目標。這些背景所產(chǎn)生的回波稱為雜波或無源干擾。當雜波和運動目標回波在雷達顯示器上同時顯示時，會使目標的觀察變得很困難。如果目標處在雜波背景內(nèi)，弱的目標湮沒在強雜波中，特別是當強雜波使接受系統(tǒng)產(chǎn)生過載時，發(fā)現(xiàn)目標十分困難。目標不在雜波背景內(nèi)時，要在成片雜波中很快分辨出運動目標回波也不容易。如果雷達終端采用自動檢測和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，則由于大量雜波的存在，將引起終端過載或者不必要地增大系統(tǒng)的容量和復雜性。因此，無論從抗干擾或改善雷達工作質(zhì)量的觀點來看，選擇運動目標回波而抑制固定雜波背景都是一個很重要的問

17、題。區(qū)分運動目標和固定雜波的基礎(chǔ)是它們在速度上的差別。由于運動速度不同而引起回波信號頻率產(chǎn)生的多普勒頻移不相等，這就可以從頻移上區(qū)分不同速度目標的回波。在動目標顯示(MTI)和動目標檢測(MTD)雷達中使用了各種濾波器，濾去固定雜波而取出運動目標的回波，從而大大改善了在雜波背景下檢測運動目標的能力，并且提高了雷達的抗干擾能力。2.1 多普勒效應在闡述MTD雷達原理之前，我們先來看一下多普勒效應這一概念。多普勒效應是指當發(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)象首先在聲學上由物理學家克里斯頓·多普勒于1842年發(fā)現(xiàn)的。1930年左右開始將這一規(guī)律運用到

18、電磁波范圍。雷達應用日益廣泛及對其性能要求更加提高，推動了利用多普勒效應來改善雷達工作質(zhì)量的進程。下面研究當雷達與目標有相對運動時，雷達站接收信號的特征。為方便計，設(shè)目標為理想“點”目標，即目標尺寸遠小于雷達分辨單元。這里我們只考慮雷達發(fā)射連續(xù)波的情況，這時發(fā)射信號可表示為 (2-1)式中，為發(fā)射角頻率；為初相；為振幅。 在雷達發(fā)射站處接收到由目標發(fā)射的回波信號為 (2-2)式中，為回波滯后于發(fā)射信號的時間，其中R為目標和雷達站間的距離；為電磁波傳播速度，在自由空間傳播時它等于光速；為回波的衰減系數(shù)。 如果固定目標不動，則距離為常數(shù)?；夭ㄅc發(fā)射信號之間有固定相位差，它是電磁波往返于雷達與目標之

19、間所產(chǎn)生的相位滯后。當目標與雷達站之間有相對運動時，則距離隨時間變化。設(shè)目標以勻速相對雷達站運動，則在時間時刻，目標與雷達站間的距離為 (2-3)式中，為時的距離；為目標相對雷達站的徑向運動速度。式(2-2)說明，在時刻接收到的波形上的某點，是在時刻發(fā)射的。由于通常雷達和目標間的相對運動速度遠小于電磁波速度，故時延可近似寫為 (2-4)回波信號比起發(fā)射信號來，高頻相位差 (2-5)是時間的函數(shù)，在徑向速度為常數(shù)時，產(chǎn)生頻率差為 (2-6)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。當目標飛向雷達站時，多普勒頻率為正值，接收信號頻率高于發(fā)射信號頻率，而當目標背離雷達站飛行時，多普勒

20、頻率為負值，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)射的電磁波以恒速傳播，如果接收者相對于振蕩源是不動的，則他在單位時間內(nèi)收到的振蕩數(shù)目與振蕩源發(fā)出的相同，即二者頻率相等。如果振蕩源與接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)目要比他不動時多一些，也就是接收頻率增高；當二者作背向運動時，結(jié)果相反。2.2 動目標檢測(MTD)雷達的工作原理上面我們引出了多普勒頻率這一概念，下面我們來介紹一下運動目標檢測(MTD)雷達的基本原理。首先我們先來看一下與動目標檢測(MTD)極其相關(guān)的動目標顯示(MTI)雷達的工作原理。 動目標顯示(MTI)雷達的工作原理MT

21、I(Moving Target Indication)即運動目標顯示，其本質(zhì)含義是：基于回波多普勒信息的提取而區(qū)分運動目標與固定目標(包括低速運動的雜波等)。當脈沖雷達利用多普勒效應來鑒別運動目標回波和固定目標回波時，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電壓(或稱相參電壓)，該電壓應和發(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，基準電壓的頻率常選在中頻。這個基準電壓是相位檢波器的相位基準，各種回波信號均與基準電壓比較相位。從相位檢波器輸出的視頻脈沖，有固定目標的等幅脈沖串和運動目標的調(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

22、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信息。因此，MTI通常包括兩個最基本的部分，即完成多普勒信息提取的相參處理與完成目標區(qū)分的對消處理(有時又稱濾波處理)。下面主要介紹一下固定雜波消除這個問題。在相位檢波器輸出端,固定目標的回波是一串振幅不變的脈沖，而運動目標的回波是一串振幅調(diào)制的脈沖。將它們加到偏轉(zhuǎn)調(diào)制顯示器上，固定目標回波是振幅固定的脈沖，而運動目標回波呈現(xiàn)上下“跳動”的“蝴蝶效應”?？梢愿鶕?jù)這種波形持點，在偏轉(zhuǎn)顯示器上區(qū)分固定目標與運動目標。如果要把回波信號加到亮度調(diào)制顯示器或終端數(shù)據(jù)處理設(shè)備，則必須先消除固定目標回波。最直觀的一種辦法是將相鄰重復周期的信

23、號相減，則固定目標回波由于振幅不變而互相抵消；運動目標回波相減后剩下相鄰重復周期振幅變化的部分輸出。由相位檢波器輸出的脈沖包絡(luò)為 (2-7)式中，為回波與基準電壓之間的相位差， (2-8) 回波信號按重復周期出現(xiàn)，將回波信號延遲一周期后，其包絡(luò)為 (2-9)相消器的輸出為兩者相減， (2-10)輸出包絡(luò)為一多普勒頻率的正弦信號，其振幅為 (2-11) 也是多普勒頻率的函數(shù)。當時，輸出振幅為零。這時的目標速度正相當于盲速。盲速時的運動目標回波在相位檢波器的輸出端與固定目標回波相同，因而經(jīng)相消設(shè)備后輸出為零，如圖2.1延遲相消設(shè)備及輸出響應曲線所示。(a)(b)(c)圖2.1 遲延相消設(shè)備及其輸出

24、響應(a)組成框圖；(b)速度響應；(c)頻率響應特性 相消設(shè)備也可以從頻率域濾波器的觀點來說明，而且為了得到更好的雜波抑制性能，常從頻率域設(shè)計較好的濾波器來達到。下面求出相消設(shè)備的頻率響應特性。輸出為 (2-12)網(wǎng)絡(luò)的頻率響應待性為 (2-13)其頻率響應特性如圖2.1(c)所示。相消設(shè)備等效于一個梳齒形濾波器，其頻率特性在各點均為零。固定目標頻譜的特點是：譜線位于點上，因而在理想情況下，通過相消器這樣的梳齒濾波器后輸出為零。當目標的多普勒頻率為重復頻率整數(shù)倍時，其頻譜結(jié)構(gòu)也有相同的特點，故通過上述梳狀濾波器后無輸出。 動目標檢測(MTD)雷達的工作原理1、MTD的主要功能和要求上一節(jié)討論

25、了動目標顯示(MTI)的原理，這一章將系統(tǒng)介紹動目標檢測(MTD)技術(shù)。MTD與MTI雖同屬雷達信號的頻域處理范疇，但一般意義上說，MTD是MTI的改進或更有效的頻域處理技術(shù)。這種基于雜波與運動目標多普勒頻率差別的信號處理大致經(jīng)過了一個由模擬MTI數(shù)字MTI(DMTI)線性MTI自適應MTIMTD自適應MTD(AMTD)的發(fā)展里程。而廣義地講，MTD處理又是脈沖多普勒(PD)處理的一種特殊形式。與傳統(tǒng)MTI相比，MTD主要依靠信號處理的潛在能力，在以下三個方面作了改進：(1)、改善濾波器的頻率特性，使之更接近于最佳(匹配)線性濾波，以提高改善因子；(2)、能夠檢測強地物雜波中的低速目標甚至切向

26、飛行的大目標； (3)、不僅能抑制平均多普勒頻移通常等于零的固定雜波，而且還能抑制如氣象、鳥群等引起的運動(慢動)雜波。早期的動目標顯示雷達性能不高，其改善因子一般在20dB左右。這是由多方面因素造成的：鎖相相參系統(tǒng)的高頻穩(wěn)定性不夠、接收系統(tǒng)的非線性限幅、采用模擬延遲線時通常只能作一次相消且性能不穩(wěn)亦不能實現(xiàn)最佳濾波等。由雷達原理所知，當雷達高頻系統(tǒng)穩(wěn)定性不高時，將使固定雜波回波譜產(chǎn)生一部分接近均勻譜的雜散分量，而限制改善因子可能達到的更大值。當雷達采用全相參體制或者是用信號處理的方法(如DSU)來改善鎖相相參系統(tǒng)的高頻穩(wěn)定性后，其性能會有明顯的提高。從目前情況來看，全相參系統(tǒng)的高頻穩(wěn)定性已可

27、做到不再成為改善因子的障礙。在信號處理方面當采用數(shù)字延遲線代替模擬延遲線實現(xiàn)MTI后，其工作穩(wěn)定、可靠，這種DMTI系統(tǒng)還廣泛采用了I,Q正交雙通道處理和高階數(shù)字濾波器來得到合適的濾波特性。DMTI已比早期模擬MTI在性能上有了較大的改善。但它的濾波特性還不是最佳線性濾波特性，且非線性中放限幅制約了改善因子的進一步提高。圍繞著這兩個問題的研究，提出了具有信號匹配濾波特性的窄帶多普勒濾波器組及具有大動態(tài)范圍的線性MTI的處理技術(shù)，再加上高速集成電路技術(shù)的發(fā)展和FFT算法的實際應用等，促成了動目標檢測處理器的研制成功。實質(zhì)上，MTD的核心就是線性DMTI加窄帶多普勒濾波器組。2、雷達信號的最佳濾波

28、：窄帶多普勒濾波器組處理當雜波功率譜和信號頻譜已知時，最佳濾波器的頻率響應是 (2-14)這實際上就是基于色噪聲(這里稱為雜波)白化處理的匹配濾波器。這一濾波器可分成兩個級聯(lián)的濾波器和，其傳遞函數(shù)分別為 (2-15) (2-16)可以粗略地認為，用于雜波抑制，而用于對雷達回波脈沖串信號匹配。對MTI而言，它要使雜波得到抑制而讓各種速度的運動目標信號通過，所以MTI濾波器即相當于；至于和目標信號的匹配，對單個脈沖可用中頻帶通放大器來保證，而對脈沖串則只能采用對消后的非相參積累，這離式(2-10)的要求差距較大。所以實際能做到的大多數(shù)MTI濾波器，只能使其濾波特性的凹口對準雜波梳狀譜的中心，且使二

29、者寬度基本相當。有時也將這稱為雜波抑制準最佳濾波。對于相參脈沖串信號，還可進一步表示成 (2-17) 即信號匹配濾波器為和兩個濾波器級聯(lián)。式中為單個脈沖的匹配濾波器，通常由接收機中放實；專對相參脈沖串進行匹配濾波，它利用了回波脈沖串的相位特性而進行相參積累。根據(jù)有關(guān)回波脈沖串的頻譜分析可以想象應是梳齒形濾波器，齒的間隔為脈沖重復頻率，齒的位置取決于回波信號的多普勒頻移，而齒的寬度則應和回波譜線寬度相一致。要對回波相參脈沖串作匹配濾波，必須知道目標的多普勒頻移以及天線掃描對脈沖串的調(diào)制情況(亦即信號的時寬，對簡單信號而言它決定信號的頻寬)。實際情況中，多普勒頻移不能預知，因此需要采用一組相鄰且部

30、分重疊的濾波器組，覆蓋整個多普勒頻率范圍，這就是窄帶多普勒濾波器組。見圖2.2。圖2.2 動目標顯示濾波器和多普勒濾波器組的特性(a)動目標顯示濾波；(b)多普勒濾波器組的特性3 MTD多普勒濾波器組的設(shè)計上一章我們對MTD雷達原理進行了比較深刻的闡述，這一章我們來研究一下MTD雷達中多普勒濾波器組的設(shè)計。多普勒濾波器組是MTD系統(tǒng)的核心，其性能決定MTD的性能，其最簡單的實現(xiàn)方法是采用離散傅里葉變換(DFT)。但DFT濾波器組中的濾波器在零附近沒有零陷，因而無法很好地抑制地雜波，使濾波器組輸出的檢測性能受到影響。所以，后來人們又在DFT濾波器組之前加了MTI處理，這樣可以先用MTI消掉地雜波

31、，再用DFT濾波器組進行濾波處理，由于DFT濾波器組可以用快速傅里葉變換(FFT)實現(xiàn)，所以這種方法又稱為MTD的MTI加FFT實現(xiàn)法。因為FFT可以節(jié)省很大的運算量，所以這種方法至今仍在大量使用，尤其是MTD濾波器階數(shù)較大時。由于FFT的階數(shù)一定要是2的整數(shù)冪，使得MTI加FFT實現(xiàn)法的應用受到了一定的限制，并且DFT濾波器組位于MTT之后，濾波器組的各濾波器增益受到MTT濾波器頻率響應的調(diào)制。所以目前人們感興趣的MTD濾波器組實現(xiàn)方法是采用FIR濾波器組。盡管采用FIR濾波器組要比MTT加FFT實現(xiàn)法的運算量大，但由于大規(guī)模集成電路和數(shù)字信號處理技術(shù)的飛速發(fā)展，目前FIR濾波器組的實現(xiàn)己不

32、成問題。對于FIR濾波器組來說，可以靈活設(shè)計每個濾波器的權(quán)系數(shù)，使其幅度頻率響應都在零頻附近有較深的零陷，用于抑制地雜波。下面來分別討論一下快速傅里葉變換(FFT)和有限沖激響應(FIR)實現(xiàn)多普勒濾波器組這兩種方法。3.1 加權(quán)DFT實現(xiàn)MTD濾波具有N個輸出的橫向濾波器(N個重復周期和N-1根延遲線)，經(jīng)過各重復周期的不同加權(quán)并求和后，即可實現(xiàn)圖2.2所要求的N個相鄰的窄帶濾波器組。其原理性結(jié)構(gòu)框圖如圖3.1所示。注意：實際實現(xiàn)中的延遲線是下一章將要介紹的輸人緩存器。由于DFT是一種特殊的橫向濾波器，所以若將圖3.1的加權(quán)因子按DFT定義選擇，并采用DFT的快速算法FFT，就可實現(xiàn)基于FF

33、T的MTD濾波。 DFT濾波器分析如圖3.1所示，橫向濾波器有N-1根遲延線，每根遲延線的遲延時間為。對一串由N個脈沖組成的雷達回波信號作FFT，若考慮矩形窗加權(quán)的圖3.1 MTD橫向濾波器結(jié)構(gòu)情況，則第個FFT濾波器的輸出端頭加權(quán)值可表示為 (3-1)式中，表示第個抽頭；表示0到的標記，每一個值對應一組不同的加權(quán)值，相應地對應于一個不同的多普勒濾波器響應。這樣，N個相互接鄰的濾波器即形成一個濾波器組，它覆蓋了從0到的頻段。由(3-1)可寫出第個FFT濾波器的沖激響應表示為 (3-2)其傅立葉變換就是頻率響應函數(shù) (3-3)濾波器的幅頻特性為 (3-4)其中表示濾波器號，每個濾波器均有形狀相同

34、、中心頻率(即取峰值的頻率)不同的幅頻特性，根據(jù)式(3-4)結(jié)果，其形狀為一主瓣與兩側(cè)各個旁瓣的組合。圖3.2給出了N=8時DFT等效橫向濾波器振幅特性的主瓣。圖3.2 N=8時DFT等效橫向濾波器的幅頻響應 濾波器的峰值產(chǎn)生于或者，當=0時，濾波器峰值位置為，即濾波器的中心位置在零頻率以及重復頻率的整數(shù)倍處，這個濾波器可通過沒有多普勒頻移的雜波，因此對地雜波沒有抑制能力。然而，它的輸出在某些MTD雷達中可以作提供雜波地圖之用。這個濾波器的第一個零點出現(xiàn)在式(3-4)分子第一次取零值時，即時。在第一對零點之間的頻帶寬度為，而半功率帶寬近似為。當=1時，峰值響應產(chǎn)生在以及，等等。對=2,峰值響應

35、時的依此類推。因而每一個值決定一個獨立的濾波器響應。全部濾波器響應覆蓋了從零到的頻率范圍，由于信號的取樣性質(zhì)，其余的頻帶按同樣的響應周期覆蓋，因而會在頻率上產(chǎn)生模糊。每個濾波器的形狀和=0時的相同，只是濾波器的中心頻率不同。圖3.2所示的濾波器有時稱為相參累積濾波器，因為通過該濾波器后，它將N個相參脈沖累積，使信噪比提高N倍(對白噪聲而言)。 窄帶濾波器組信號處理的優(yōu)點如上所述，由于每個窄帶濾波器只占延遲線對消器通頻帶的大約1/N寬度，因而其輸出端的信噪比有相應的提高。對于白噪聲，采用窄帶濾波器組后信噪比應提高近N倍。對于有色雜波來說，各個濾波器輸出端的改善因子亦均有提高(與延遲對消器比較)，

36、但提高的程度不及白噪聲情形。采用窄帶濾波器組所以能較MTI對消器提高改善因子是因為它把頻帶細分后，各濾波器的雜波輸出功率只有各自通帶范圍內(nèi)的雜波譜部分，而不是整個多普勒頻帶內(nèi)的雜波功率。但要注意到，雜波不僅由各濾波器的主瓣進入，而且未加權(quán)的濾波器由于其副瓣值較高(一13.2dB)而副瓣的頻率位置又處于強雜波處，這時由副瓣進入的雜波將明顯地降低其改善因子。解決的辦法可以有兩種：一種是在窄帶濾波器組前面先采用對消器(一次或二次)，將雜波的主要部分濾去，這樣后接的濾波器組中通過副瓣進入的雜波明顯減少，各濾波器的改善因子會提高。這種方法實際上常用，因為濾去強雜波后，濾波器的動態(tài)范圍可明顯減小，利于技術(shù)

37、實現(xiàn)；第二種辦法是采用加權(quán)法降低各個濾波器的副瓣，同樣可以提高改善因子，所付代價是濾波器的主瓣有所加寬。 窄帶濾波器組對于運動雜波的抑制效果較好。來自鳥群或氣象的運動雜波，其多普勒頻率不是零頻，普通對消器無法抑制它。如果不止一個運動雜波同時出現(xiàn)，則采用自適應對消抑制也很困難。但這種運動雜波可能出現(xiàn)在窄帶濾波器組中的某一濾波器內(nèi)，而每個濾波器的檢測門限可以根據(jù)該濾波器內(nèi)所含噪聲和雜波的強弱而適時選定，如雜波強時門限值選高，這樣就可以將運動雜波的影響排除，使之不影響出現(xiàn)于其它濾波器內(nèi)的信號。3.2 FIR實現(xiàn)MTD多普勒濾波器由于一般地面雷達的重復頻率不高(如1kHz左右，它是無模糊測距所要求的)

38、，所以窄帶濾波器的數(shù)目只需幾個或十幾個。因此在MTD的許多應用中，無需或者說無需刻意采用FFT算法，而直接采用圖3.1所描述的相乘累加運算即可。這一橫向濾波器實際上就是一典型的有限沖激響應濾波器(FIR)。20世紀80年代以后大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展帶來高精度快速乘法累加器研制成功，使得FIR直接實現(xiàn)(而無需借助FFT等快速算法)多普勒濾波進人實用階段。FIR作為MTD濾波器的更重要原因是：(1)可根據(jù)特殊的要求，采用比加權(quán)FFT更有效和更靈活的設(shè)計方法得到濾波器特性(如更低的旁瓣)；(2)不同頻道(即組中的不同濾波器)更容易實現(xiàn)與目標及雜波速度分布相匹配的分別設(shè)計或選擇控制。因此自適應多

39、普勒濾波中多采用FIR。下面來探討一下FIR實現(xiàn)MTD濾波的設(shè)計。 設(shè)計思路經(jīng)典的FIR濾波器的設(shè)計方法有窗口法、頻率采樣法及其它一些采用最佳準則逼近的改進算法等。籠統(tǒng)地講，最佳FIR濾波器用作多普勒濾波器的設(shè)計思路和原則是：1、在由系統(tǒng)整機要求確定了濾波器個數(shù)的前提下，應使分開設(shè)計的各濾波器主峰位置及形狀在內(nèi)均勻(或基本均勻)覆蓋，以至不丟失處于任何多普勒頻率(一般零多普勒除外)的目標；2、在確定了各個濾波器的理想帶通特性后，按某一最佳準則并在所要求的指標(主要是改善因子及相關(guān)的主瓣帶寬、旁瓣電平及特定處凹口深度等)的限制下使設(shè)計的濾波特性逼近；3、按傅里葉逆變換獲得每個濾波器的單位脈沖響應

40、，此即為橫向濾波器的加權(quán)因子(系數(shù))，k對應濾波器號，；n對應不同重復周期，一般有。4、用選擇的窗函數(shù)對進行加窗 (3-5)5、計算濾波器的頻率響應 (3-6) MTD多普勒濾波器組的設(shè)計在進行多譜勒濾波器組設(shè)計之前，我們先來用FIR設(shè)計一個濾波器，假設(shè)一理想特性的FIR數(shù)字濾波器的理想帶通特性為， 其中=8 (3-7)假設(shè)=0,則 (3-8)根據(jù)傅立葉變換可以得出其單位沖激響應為 (3-9)假如所選擇的是矩形窗，則 ， (3-10)其頻率響應為 ，(3-11)下圖3.3是根據(jù)上面的頻率響應在matlab軟件環(huán)境下畫出的的頻率響應圖。圖3.3 濾波器幅頻特性)同理，也可以算出k=1,2,3,4

41、,5,6,7時的頻率響應，這樣組合就可以得到8點多普勒濾波器的頻率響應圖，如圖3.4所示。圖3.4 8點多普勒濾波器的頻率響應圖同樣，我們也可以畫出16點的多普勒濾波器的頻率響應圖，如圖3.5所示。圖3.5 16點多普勒濾波器的頻率響應圖從圖3.4和圖3.5可以看出，隨著FFT點數(shù)的增多，濾波器的頻率分辨率也在增大，也即雷達對速度的分辨率也越高。但是，隨著FFT點數(shù)的增多，系統(tǒng)的運算量也在增大，這會影響系統(tǒng)的實時性。對FFT點數(shù)的選擇需要綜合系統(tǒng)對速度分辨率和實時性的要求以及雷達一個掃描周期內(nèi)收到的回波數(shù)等因素來決定。圖3.4和圖3.5體現(xiàn)出濾波器在全頻段內(nèi)都沒有截止特性，這是一個誤區(qū)，因為上

42、述的任意一幅圖都是由很多濾波器組成的，也就是說，8點FFT點數(shù)的濾波器是由8個濾波器組成的，16點FFT點數(shù)的濾波器是由16個濾波器組成的，同樣，32點FFT點數(shù)的濾波器是由32個濾波器組成的。在實際的應用過程中，系統(tǒng)把回波信號最強的濾波器的輸出作為真實的目標信號。為了說明這個問題。下面分別繪出8點FFT和16點FFT真實工作時的濾波特性。圖3.6 8點多普勒濾波器的頻率響應圖()圖3.7 16點多普勒濾波器的頻率響應圖()從上述單個FFT濾波器的特性看，不論是選擇幾號(K)FFT濾波器，都對相應通帶以外的雜波或噪聲有一定的抑制作用。特別需要指出的是任意點數(shù)的FFT濾波器的0號濾波器，從上面的

43、分析可以看出，0號濾波器是一個低通濾波器，對雜波沒有抑制作用，一般將0號濾波器的輸出作雜波圖處理。以上我們對多普勒濾波器組的設(shè)計做了研究，下面我們來看一看MTD雷達的性能評價指標3.3 MTD/MTI雷達的性能評價指標評價MTD/MTI處理的工作質(zhì)量，常用的有以下幾種指標。1、雜波衰減(CA)和對消比(CR)雜波衰減(CA)定義為輸入雜波功率和對消后同一雜波的剩余功率之比，即 (3-12)有時也用對消比來表示。對消比定義為:對消后的剩余雜波電壓與同一雜波未經(jīng)對消時的電壓比值 (3-13)雜波衰減CA與對消比CR間的關(guān)系是 (3-14)對于某具體雷達而言，可能得到的對消比CR不僅與雷達本身的特性

44、有關(guān)(如工作的穩(wěn)定性、濾波器頻率特性等)，而且和雜波的性質(zhì)有關(guān)，所以兩部MTI雷達只有在同一工作環(huán)境下，比較它們的對消比才有意義。2、改善因子()改善因子的定義是輸出信號雜波功率比和輸人信號雜波功率比()之比值，即 (3-15) 與CA的關(guān)系是 (3-16)其中 (3-17)這里和為在所有可能徑向速度上取平均的信號功率，為系統(tǒng)對信號的平均功率增益。之所以要取平均是因為系統(tǒng)對不同的多普勒頻率響應不同，而目標的多普勒頻率將在很大范圍內(nèi)分布之故。3、雜波中可見度(SCV) SCV的定義為：雷達輸出端的功率信雜比等于可見度系數(shù)時，雷達輸人端的功率信雜比。 雜波中可見度是衡量雷達對雜波中目標回波的檢測能

45、力的量度。例如雜波中可見度為20dB時，說明在雜波比目標回波強100倍的情況下，雷達可以檢測出雜波中的運動目標來，如果雜波強度再大一些該雷達就無能為力了。一個雷達的可見度越大，則它從雜波背景中檢測動目標的能力越強。 在用分貝表示時，雜波可見度比改善因子小一個可見度系數(shù) (3-18) 雜波中可見度和改善因子都可用來說明雷達信號處理的雜波抑制能力。但兩部雜波中可見度相同的雷達在相同的雜波環(huán)境中其工作性能可能有大的差別。因為除了信號處理的能力外，雷達在雜波中檢測目標的能力還和其分辨單元大小有關(guān)。分辨單元為，其中,為雷達的方位波束寬度和仰角波束寬度，為脈沖寬度(對脈沖壓縮雷達，為壓縮后的脈寬)。分辨單

46、元越大，也就是雷達分辨力越低，這時進人雷達接收機的雜波功率也越強，為了達到觀察到目標時所需信號雜波比，就要求雷達的改善因子()或雜波中可見度進一步提高。改善因子、對消比、雜波哀減、雜波中可見度是衡量MTT/MTD處理性能常用的質(zhì)量指標。它們之間有固定的關(guān)系，只要知道其一，其它就很容易推算出來。4 MTD雷達中預處理模塊設(shè)計不管是采用何種形式的MTD多普勒濾波器，MTD處理首先面臨的問題就是輸人序列的存儲及數(shù)據(jù)格式和數(shù)據(jù)率的轉(zhuǎn)換。下面圍繞MTD濾波器輸入數(shù)據(jù)的存儲這一問題展開論述，首先介紹一下具有代表性的FPGA設(shè)計思想和技巧之一：乒乓操作。4.1 乒乓操作 乒乓操作的處理流程“乒乓操作”是一個

47、常常應用于數(shù)據(jù)流控制的處理技巧，典型的乒乓操作方法如圖4.1所示。圖4.1 乒乓操作示意圖輸入數(shù)據(jù)流通過“輸入數(shù)據(jù)選擇單元”將數(shù)據(jù)流等時分配到兩個數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，數(shù)據(jù)緩沖模塊可以為任何存儲模塊，比較常用的存儲單元為雙口RAM(DPRAM)、單口RAM(SPRAM)、FIFO等。在第一個緩沖周期，將輸入的數(shù)據(jù)流緩存到“數(shù)據(jù)緩沖模塊1”；在第2個緩沖周期，通過“輸入數(shù)據(jù)選擇單元”的切換，將輸入的數(shù)據(jù)流緩存到“數(shù)據(jù)緩沖模塊2”，同時將“數(shù)據(jù)緩沖模塊1”緩存的第1個周期數(shù)據(jù)通過“輸出數(shù)據(jù)選擇單元”的選擇，送到“數(shù)據(jù)流運算處理模塊”進行運算處理；在第3個緩沖周期通過“輸入數(shù)據(jù)選擇單元”的再次切換，將輸入的數(shù)

48、據(jù)流緩存到“數(shù)據(jù)緩沖模塊1”，同時將“數(shù)據(jù)緩沖模塊2”緩存的第2個周期的數(shù)據(jù)通過“輸入數(shù)據(jù)選擇單元”切換，送到“數(shù)據(jù)流運算處理模塊”進行運算處理，如此循環(huán)操作。 乒乓操作的特點1、乒乓操作的最大特點是通過“輸入數(shù)據(jù)選擇單元”和“輸出數(shù)據(jù)選擇單元”按節(jié)拍、相互配合的切換，將經(jīng)過緩沖的數(shù)據(jù)流沒有停頓地送到“數(shù)據(jù)流運算處理模塊”進行運算與處理。把乒乓操作模塊當作一個整體，站在這個模塊的兩端看數(shù)據(jù)，輸入數(shù)據(jù)流和輸出數(shù)據(jù)流都是連續(xù)不斷的，沒有任何停頓，因此非常適合對數(shù)據(jù)流進行流水線式處理。所以乒乓操作常常應用于流水線式算法，完成數(shù)據(jù)的無縫緩沖與處理。 2、乒乓操作的第二個優(yōu)點是可以節(jié)約緩沖區(qū)空間。比如在

49、WCDMA基帶應用中，1個幀是由15個時隙組成的，有時需要將1整幀的數(shù)據(jù)延時一個時隙后處理。直接的辦法是將這幀數(shù)據(jù)緩存起來，然后延時1個時隙進行處理。這時緩沖區(qū)的長度是1整幀數(shù)據(jù)長，假設(shè)數(shù)據(jù)速率是3.84Mbps，1幀長10ms，則此時需要緩沖區(qū)長度是38400位。如果采用乒乓操作，由于它能將數(shù)據(jù)流無時間停頓的送到“數(shù)據(jù)流運算單元”處理，因此我們只需定義兩個能緩沖1個時隙數(shù)據(jù)的RAM(單口RAM即可)。當向一塊RAM寫數(shù)據(jù)的時候，從另一塊RAM讀數(shù)據(jù)，然后送到處理單元處理，此時每塊RAM的容量僅需38400/15=2560位即可，2塊RAM加起來也只有5120位的容量。3、另外，巧妙運用乒乓操

50、作還可以達到用低速模塊處理高速數(shù)據(jù)流的效果。如圖2所示，數(shù)據(jù)緩沖模塊采用了雙口RAM，并在DPRAM后引入了一級數(shù)據(jù)預處理模塊，這個數(shù)據(jù)預處理可以根據(jù)需要的各種數(shù)據(jù)運算，比如在WCDMA設(shè)計中，對輸入數(shù)據(jù)流的解擴、解擾、去旋轉(zhuǎn)等。假設(shè)端口A的輸入數(shù)據(jù)流的速率為100Mbps，乒乓操作的緩沖周期是10ms。以下分析各個節(jié)點端口的數(shù)據(jù)速率。 圖2采用雙口RAM，并在DPRAM后引入一級數(shù)據(jù)預處理模塊實現(xiàn)用低速模塊處理高速數(shù)據(jù)流A端口處輸入數(shù)據(jù)流速率為100Mbps，在第1個緩沖周期10ms內(nèi)，通過“輸入數(shù)據(jù)選擇單元”，從B1到達DPRAM1。B1的數(shù)據(jù)速率也是100Mbps，DPRAM1要在10m

51、s內(nèi)寫入1Mb數(shù)據(jù)。同理，在第2個10ms，數(shù)據(jù)流被切換到DPRAM2，端口B2的數(shù)據(jù)速率也是100Mbps，DPRAM2在第2個10ms被寫入1Mb數(shù)據(jù)。在第3個10ms，數(shù)據(jù)流又切換到DPRAM1，DPRAM1被寫入1Mb數(shù)據(jù)，如此循環(huán)。仔細分析就會發(fā)現(xiàn)到第3個緩沖周期時，留給DPRAM1讀取數(shù)據(jù)并送到“數(shù)據(jù)預處理模塊1”的時間一共是20ms。有人困惑于DPRAM1的讀數(shù)時間為什么是20ms，這個時間是這樣得來的：首先，在第2個緩沖周期向DPRAM2寫數(shù)據(jù)的10ms內(nèi)，DPRAM1可以進行讀操作；另外，在第1個緩沖周期的第5ms起(絕對時間為5ms時刻)，DPRAM1就可以一邊向500K以

52、后的地址寫數(shù)據(jù)，一邊從地址0讀數(shù)，到達10ms時，DPRAM1剛好寫完了1Mb數(shù)據(jù)，并且讀了500K數(shù)據(jù)，這個緩沖時間內(nèi)DPRAM1讀了5ms；在第3個緩沖周期的第5ms起(絕對時間為35ms時刻)，同理可以一邊向500K以后的地址寫數(shù)據(jù)一邊從地址0讀數(shù)，又讀取了5個ms，所以截止DPRAM1第一個周期存入的數(shù)據(jù)被完全覆蓋以前，DPRAM1最多可以讀取20ms時間，而所需讀取的數(shù)據(jù)為1Mb，所以端口C1的數(shù)據(jù)速率為：1Mb/20ms=50Mbps。因此，“數(shù)據(jù)預處理模塊1”的最低數(shù)據(jù)吞吐能力也僅僅要求為50Mbps。同理，“數(shù)據(jù)預處理模塊2”的最低數(shù)據(jù)吞吐能力也僅僅要求為50Mbps。換言之，

53、通過乒乓操作，“數(shù)據(jù)預處理模塊”的時序壓力減輕了，所要求的數(shù)據(jù)處理速率僅僅為輸入數(shù)據(jù)速率的1/2。 乒乓操作的應用以上對乒乓操作的基本思想做了介紹，下面是一個本課題設(shè)計中與乒乓操作及其相關(guān)的實例。圖4.3 MTD輸入緩存器結(jié)構(gòu)及其讀/寫順序在MTD處理中，來自零中頻正交采樣的I,Q復序列是按先不同距離單元、再不同掃掠(重復周期Tr)的順序輸入的，而MTD處理是對同一距離單元的相鄰若干次掃掠內(nèi)的信號進行頻譜分析(或頻域濾波)，且所需處理的通常不是某一個或某一部分距離單元，而是作用距離的全程。因此在I/R采樣與MTD濾波器之間必須要有一特殊的接口電路，來完成序列的暫存與格式轉(zhuǎn)換。這一電路一般稱為M

54、TD輸入緩存器，其工作方式(即寫入/讀出方式)稱為正交存取方式，圖4.3示出其存儲空間分布及寫人/讀出順序。有了這一輸人緩存電路后，MTD就可依次對每一距離單元的N點數(shù)據(jù)進行多普勒濾波，為保證對全程內(nèi)每個距離單元的濾波能在NTr(即相參處理間隔CPI)內(nèi)完成，輸人緩存的讀出速率(即濾波器的處理速度)一般可比其寫人速率(即距離單元采樣速率)快些。在實際實現(xiàn)中，一般需要兩組結(jié)構(gòu)相同的輸人緩存電路兵乓交替讀寫，以保證在不丟失任何掃掠數(shù)據(jù)的前提下進行MTD流水式濾波處理。且每一組均有兩套結(jié)構(gòu)相同的存儲電路，以分別同時緩存同相和正交數(shù)據(jù)。4.2 MTD雷達匹配濾波器的總體結(jié)構(gòu)在進行預處理乒乓操作的設(shè)計之前先介紹一下MTD雷達匹配濾波器的結(jié)構(gòu)。圖4.4 MTD匹配濾波器組成框圖MTD是通過匹配濾波器實現(xiàn)的，根據(jù)MTD匹配濾波器的性能要求，結(jié)合集成電路的特點，匹配濾波器設(shè)計為由兩個集成