(整理)動目標顯示與動目標檢測.

1、精品文檔精品文檔6.5動目標顯示與動目標檢測1目標回波頻譜遞歸 非遞歸曹理濾波器設計I結(jié)語MTIMTDMTI+FFTY 點最佳等間隔最佳引言6.5.1目標回波和雜波的頻譜2雜波頻譜6.5.2MTI濾波器零點分配算法濾波器設計優(yōu)化預測誤差算法6.5.3 MTD濾波器6.5.4改善因子分析精品文檔精品文檔6.5動目標顯示與動目標檢測雷達探測的運動目標如飛機，導彈，艦艇，車輛等周圍存在各種背景，包括不動的地物和運動著的云雨，海浪或金屬絲干擾等。動目標顯示(Moving Target Indicator :MTI)與動目標檢測(Moving Target Detection: MTD)就是使用各種濾波

2、器，濾去這些背景產(chǎn)生的雜波而取出運動目標的回波。此外也可以通過把雷達安裝在山上、增加雷達天線的傾角、安裝防雜波網(wǎng)來阻止雜波進入天線；或通過調(diào)整雷達天線的波束形式、采用極化技術、降低雷達的分辨單元、在時域采用CFAR檢測、自適應門限、雜波圖來抑制雜波。在頻域上應用MTI與MTD技術可以提高信雜比，改善雜波背景下檢測運動目標的能力。本節(jié)首先分析目標回波和雜波的頻譜特性；然后分別討論MTI與MTD原理及濾波器設計方法；最后分析MTI與MTD對改善因子的提高。6.5.1目標回波和雜波的頻譜運動目標回波和雜波在頻譜結(jié)構(gòu)上有所差別，運動目標檢測就是利用這種差別，從頻率上將它們區(qū)分，以達到抑制雜波而顯示目標

3、回波的目的。為此，應首先弄清楚目標和雜波的回波的特性。(1)目標回波的頻譜雷達發(fā)射相參脈沖串，其脈沖寬度為Te，脈沖重復頻率為fr。當天線不掃描而對準目標時，所得脈沖為無限脈沖串。調(diào)制信號5(t)及其頻譜U,f )分別為t -nTrTeU1(f)芋fKf nfr)Tr HfTe njooA為信號振幅。而咼頻載波U2(t)及其頻譜U2(f)為u2(t)二cos0tU2(f)、(f - f。)f。)發(fā)射的相參脈沖串u(t)二山性，故其頻譜U(f)為(6.5.1)(6.5.2)(6.5.3)(6.5.4)(6.5.5)脈沖發(fā)射A 1發(fā)射信號頻譜tfrffrd 1fd)-(d)(d)圖 6.5.1 發(fā)

4、射接收信號時域與頻域特性f0-1f01.4 *0f0-1 df : - fd)丨/fdf。- fd -1-(f0 ；fd)(c)f0 fd天線掃描動目標回波頻譜UmCf)(a)0固定回波頻譜2R0.1 fc11 1】;勺ii Uif汕UtI td g $回波個定)(b)回波(運動)(b)動目標回波頻譜y Ij；11 Vtm(t)* I r n h(L 一c)t.i !U精品文檔雷達發(fā)射信號通常是窄帶信號(如圖6.5.1(a)，因而運動目標回波頻譜的特征是將發(fā)射信號的頻譜位置在頻率軸上平移一個多普勒頻率2vr(如圖6.5.1(c),fd的符號由目標運動的方向決定，靠近為正，遠離為負。固定回波的頻

5、譜與發(fā)射信號一致，只是幅度有衰減精品文檔精品文檔圖6.5.1(b)。接收者與振蕩源之間有相對接近的運動時，則它接收電磁波的頻率大于振蕩源發(fā)射頻率，當兩者背向運動時，結(jié)果相反。運動目標與雷達有相對運動，所以存在多普勒頻率fd。定義固定回波的波程為2R0，R0為雷達到目標的距離，則回波到達雷達的時間為當；由于運動目標c與雷達有相對運動，其波程為2(R - . R)，時間為2侃一R)。c這時收到的回波脈沖為有限數(shù)，且其振幅受天線方向圖調(diào)制。設天線方向圖可用高斯函數(shù)來 表示，則收到的回波脈沖串的包絡函數(shù)可寫為(6.5.6)天線掃描時收到的回波信號，可以用m(t)和無限脈沖串ur(t)的乘積表示。ur(

6、t)為天線不掃描時的回波脈沖串，即Um(t) =m(t)Ur(t)其包絡函數(shù)m(t)的頻譜為2 2M (f) =e2r天線掃描時回波信號的頻譜Um( f)為c是和天線波瓣寬度及掃描速度有關的參數(shù)。C減小，表示觀察時間增加。多普勒頻率fd可以直觀地解釋為：振蕩源發(fā)射的電磁波以恒速c傳播，當接收者相對振蕩源不動，則它的接收頻率等于發(fā)射頻率。當雷達工作時，天線以各種方式進行掃描,(6.5.7)(6.5.8)mi:t)/_M(f)Um(f)二M(f)：Ur(f)(6.5.9)即無限回波脈沖串頻譜Ur( f)的每一根譜線均按M(f)的形狀展寬(如圖6.5.1(d)。譜線展寬的程度反比于天線波束照射目標的

7、時間口。已求出當天線方向圖為高斯形時譜線展寬的均方值為a=空50265 frs匚(6.5.10)式中：fr為雷達重復頻率,n為在單程天線方向圖3dB寬度內(nèi)收到的脈沖數(shù)。中頻回波信號經(jīng)過相位檢波器后，相當于把中頻信號的頻譜搬移到零頻率附近，根據(jù)目標多普勒頻移fd的不同，相位檢波后譜線n fr一fd的具體位置也有差異,每根譜線均按脈沖串包絡的頻譜形狀展寬。雜波頻譜對于固定點雜波，當天線不掃描時，固定雜波的頻譜是位于nfr上的譜線，可以用對消器全部濾去。當天線掃描時，由于回波數(shù)目有00t圖 6.5.2 天線掃描條件下回波頻譜精品文檔精品文檔限，譜線將展寬。由于天線掃描引起雙程天線方向圖對回波信號調(diào)幅

8、，雜波譜展寬可用高斯函數(shù)表示為G(f) = Goef運(6.5.11)其中匚s=0.265 n,n為在單程天線方向圖3dB寬度內(nèi)的脈沖數(shù)。設 口為天線照射目標的等效時間，則n二Tf，即匚s= 0.265匚，即精品文檔精品文檔與雜波梳狀譜寬度相當。(2)雜波有多普勒頻移，即不在零頻時，濾波器凹口要對準雜波譜平均多普勒位置。衰減，目標回波能在盡可能大的速度范圍內(nèi)有較大輸出。改善因子是綜合評定濾波器性能的參數(shù)。6.5.2 MTI濾波器(1)MTI濾波器原理6 與目標照射時間成正比。雜波信號的功2w(f)= g(f)=2 -gexp_ a(6.5.12)其中：W(f)作為頻率函數(shù)的雜波功率譜,g( f

9、 )雜波的傅立葉變換,fo雷達載波，a和雜波相關的參數(shù)。雜波頻譜可以用雜波頻率分布的均方根值匚c(Hz)或速度分布的均方根值Cv(m s)來表示，式(2-12)可寫為W(f)二W0expf2、f2廠)12=W0exp1 Zuc2九丿叭丿(6.5.13)其中：W0 = g26cc飛，可得a二云/c為雜波功率譜方差。r 為雜波內(nèi)部起伏運動速度的均方根值，和工作波長無關。相同的值，對不同的雷達工作波長產(chǎn)生的雜波譜線的寬度也是不同的。工作波長越短，雜波譜的展寬越嚴重。圖6.4.1中的載波頻率f0為1GHz。Jl0圖 6.5.3 雜波的功率譜在接收機前端引入發(fā)射信號作為基準電壓，可得到收發(fā)頻率的差頻電壓

10、，即多普勒電壓。圖6.5.4給出各主要點的頻譜圖。(a)A0(c)f。f0f0- fdf4Af0fdf0- fd2ff(d)濾波器頻率特性0fd相位檢波后的頻譜如圖(d)，固定雜波的頻譜在零于天線掃描收到的回波脈沖數(shù)有限，譜線會有一定程 中還會出現(xiàn)雜亂分量，把它近似看成均勻譜。本節(jié)要圖6.5.4(d)所示，取出動目標頻譜，濾除雜波頻譜。 濾波器凹口和通帶的平坦程度是關注的特性。動目標f圖 6.5.4 主要點頻譜圖及濾波器特性點， 圖中給出的是一條譜線。 實際中， 由 度的展寬，由于系統(tǒng)不穩(wěn)等原因，雜波譜 設計的濾波器特性如圖 6.5.5 地雜波的功率譜濾波器要滿足的要求：(1)凹口適當擴寬,(

11、3)凹口深度能使雜波盡量多的(a)(b)(d)濾波器頻率特性(c)%(b)精品文檔精品文檔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。如果目標處在強雜波背景內(nèi)，弱的目標淹沒在強雜波中，特別是當強雜波使接收機發(fā)生過載時，將很難發(fā)現(xiàn)目標。目標回波和雜波在時間域上難以區(qū)分，但由于目標的速度遠大于背景的速度，目標回波的多普勒頻移遠大于背景的多普勒頻移，從而可在頻域上區(qū)分目標與雜波。動目標顯示濾波器(MTI)利用運動目標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。在雷達上加裝MTI濾波器，大大的改善了雷達在強雜波背景中檢測運動目標的能力。MTI有多種實現(xiàn)方法，包括傳統(tǒng)

12、的相消器和各種優(yōu)化的FIR濾波器。采用重復參差和時變加權的MTI體制可以克服盲速。MTI和MTD是對多個回波數(shù)據(jù)進行處理，因此數(shù)據(jù)需要進行存儲。其中每一行的數(shù)據(jù)是沿距離單元采樣值，反映了某一距離單元的信號特征。每一列的數(shù)據(jù)為從相同的距離單元，依次間隔一個脈沖重復周期的采樣值，這些數(shù)據(jù)的變化反映了在同一距離單元目標的變化情況。MTI和MTD都是對同一距離單元的數(shù)據(jù)，即同一列的數(shù)據(jù)進行處理。通常MTI雷達濾波器如圖6.5.6所示圖，圖中Tr為雷達重復周期，在這里作為延遲線的延遲時間，wi為濾波器權系數(shù)值。傳統(tǒng)的MTI相消器可以濾除零頻雜波，性能不高，改善因子在20dB左右。優(yōu)化的MTI濾波器可以滿

13、足上一節(jié)提出的動目標濾波器要求，現(xiàn)在就濾波器的設計討論如下。(2) MTI濾波器設計1.傳統(tǒng)MTI濾波器設計：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。在把回波信號送到終端顯示器前，必須先消除固定目標回波。最直接的方法是將相鄰重復周期的回波信號相減，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。傳統(tǒng)的MTI濾波器有兩種形式：非遞歸形和遞歸形。(a)非遞歸濾波器不帶反饋的濾波器稱為非遞歸型濾波器。下面以一次對消器為例進行說明。一次對消器，即二脈沖對消。其結(jié)構(gòu)圖如圖6.5.7(a),對消器的輸入X(z)相

14、位檢波器的輸出信號。它是一個單零點系統(tǒng)，零點位置在z=_1， 令s =，即z =eT在Z平面上是單位圓。05圖 6.5.6 MTI 濾波器的組成精品文檔精品文檔X(z)匚+XII0-0 5(a)框圖H (z) =1 -z-1 , ,o1虛部虛部(b)零點圖圖6.5.7一次對消濾波器由相位檢波器輸出的脈沖包絡為u(t) = U0cos (t)(6.5.14)-為回波與基準電壓之間的相位差(t)0tr 02(RfdtJ(6.5.15)精品文檔精品文檔歸一歸一化頻率化頻率f6.5.8 對消器框圖及其輸出響應其頻率響應特性如圖6.5.8。對消器等效于一個梳狀濾波器，其頻率特性在f =nfr各點處均為零

15、。固定目標頻譜的特點是它的譜線位于上，因而在理想情況下，通過對消器后輸出為零。當目標的多普勒頻率為重復頻率的整數(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。表6.5.1二項式權系數(shù)和增益表對消器階數(shù)n_ 2增益G=送Wj(線性)j=0二項式系數(shù)121, -1261, 2 13201,-, 3, -14701,6,152521, -5,10, -10, 5, -1回波信號按重復周期 出現(xiàn)，將回波信號延遲一周期后，其包絡是U (t) =UoCOSd(t)仝o(6.5.16)(6.5.17)輸出包絡為一多普勒頻率的正弦信號，其頻率為2U0sin2(6.5.18)為多普勒頻率的函數(shù)

16、。當化.2二n二(n=1,2,3,)時，輸出振幅為零。這時的目標速度正相當于盲速，盲速是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)對消設備后輸出為零。下面從頻率域來說明對消器的工作原理。對消器的輸出為Uo = m (1一e)對消器的頻率響應特性為(6.5.19)H(j ,)=1 eTr=(1 cos)jsinT =2sin二5嚴)Ui(6.5.20)051.522 533,54歸一化頻率歸一化頻率4冊冊o50JInfr點I.8.64C4精品文檔精品文檔2采用級聯(lián)二項式形的N次對消器(N 1脈沖對消)的權系數(shù)為1 -x展開式的系數(shù)，其計算式為idN!Wi = -1, i = 1,

17、2,.N1(6.5.21)N -i 1 ! i -1 !非遞歸濾波器中的權系數(shù)變化它的輸出也會變化。MTI濾波器中的權系數(shù)可選二項式系數(shù)，也可選其它的系數(shù)。在不同的準則下，系數(shù)也不同。在沒有先驗知識的情況下，二項式系數(shù)式一個很好的選擇。如果已知信號和雜波的協(xié)方差陣，在最優(yōu)MTI濾波器的準則是改善因子最大化時，則可以求其最優(yōu)化的權系數(shù)。如果雜波協(xié)方差陣為：A二E(C”CT)，信號協(xié)方差陣為：S二E(S”ST)。其中：權系數(shù)向量為w = (N 1)，信號向量為s=(N 1)，雜波向量為C=(N 1)，*代表共軛，T代表轉(zhuǎn)置。則FIR濾波器的最優(yōu)化權系數(shù)為WikA S(6.5.22)式中k為任意常數(shù)

18、，A1為雜波協(xié)方差陣的逆，S為目標回波信號向量。最優(yōu)化權系數(shù)是相對于一定準則的，準則不同結(jié)果也不同。如果沒有先驗知識或先驗知識不準確，則求得的最優(yōu)權系數(shù)的實現(xiàn)效果可 能會小于二項式權系數(shù)實現(xiàn)的結(jié)果。(b)遞歸濾波器帶有反饋的濾波器稱為遞歸型濾波器。遞歸型一次對消器的傳遞函數(shù)為遞歸濾波器的框圖和頻響如圖6.4.4所示。雖然遞歸濾波器有較好的頻響，可以減小濾波器的階數(shù)，但它的暫態(tài)響應差，限制了它在雷達信號處理中的應用。2 521 510.50圖 6.5.9 波器框圖及其輸出響應2優(yōu)化MTI濾波器設計：在自適應雜波抑制的應用環(huán)境下，我們需要的理想濾波器是在雜波分布的頻率點處，能使雜波得到最大限度的抑

19、制，而在其他頻率點具H二丫丫X1 z1 _ Qz(6.5.23)-!：輸出(a)遞歸濾波器框圖0 2(b)遞歸濾波器頻率響應對于FIR濾波器，如圖6.5.10，設第i階 是前幾個時刻輸入信號的加權和。N階濾波器的 傳 輸 函 數(shù) 為：T輸出的延遲時間是 i。FIR濾波器在t時刻的輸出的權系數(shù)為Wi,i=0,1,2,，N,濾波器圖 6.5.10 FIR 濾波器框圖精品文檔精品文檔有最大平坦幅度。(a)零點分配算法零點分配算法是在設計帶阻濾波器時，在凹口處設置頻率響應零點的一種方法，他不需要計算雜波的相關系數(shù)。(6.5.24)精品文檔精品文檔式中，T=o且T=LTk；i=0,1,2,N。將H(f)

20、在f=fo處展開成泰勒級數(shù):k J2H f二H f。H f。(f f。)H” f。/2(f一f。)川(6.5.25)式中：.NHf和。)=(-j2兀)5：TikWie2EiTi _0.要在f=f。處設計帶阻濾波器，為使在f=f。處附近幅度最大平坦，則必須使泰勒級數(shù)展開式中這樣， 就產(chǎn)生了N個關于Wi,的齊次線形方程。N、TikwieJ：f0Ti=0k=0,1,2,N-1i -0其中，T。=1,w。為一個常數(shù)。將式(6.5.28)寫成矩陣形式:A = -w0Ue2fT1-1- 1Te(6.5.30)取i=Tr,解矩陣方程(6.5.29)得權系數(shù)向量W帶入式(6.5.24)即得濾波器的頻率響應如下

21、:(a)凹口對準 0 頻點雜波(b)凹口對準動雜波圖 6.5.11 零點分配算法 MTI 濾波器頻率響應目標速度為對應fr的整數(shù)時倍稱為盲速。由圖6.5.11，MTI濾波器會在整數(shù)倍fr的多普勒頻率處形成凹口。因此，當運動目標的 多普勒頻率等于整數(shù)倍fr時，這些運動目標也會被MTI濾波器濾掉。使用參差變T可以將第一個盲速擴大到可以接受的范圍，即使其大于 可能出現(xiàn)的目標最大速度。如圖6.5.10，設計一個3階3參差變T濾波器，V :2:= 11:12：13，得MTI濾波器頻率響應如下：HIf0=。，k=0,1,2，N-1(6.5.27)T其中：W =W1,W2,DI, WNT,U =(1,0,|

22、樸,0 )T2Ne*fT。2川NV j2二fTN。INe(6.5.26)k(f-f。)(k=0,1,2,N-1)的系數(shù)為零，即(6.5.28)(6.5.29)IIIIIIe_jI。TNL2TN0應響率頻-150-1-1503-10 1 2歸一化頻率 f/fr應響率頻o0010123歸一化頻率 f/fro001精品文檔精品文檔(a)等 T(b)參差變 T圖 6.5.12 預測誤差算法 MTI 濾波器頻率響應6.5.3 MTD濾波器(1)MTD濾波器原理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。隨著在系統(tǒng)設計與實現(xiàn)技術的改進、數(shù)字技術的提高，主要依靠信號處理的潛在能力，MTI雷達的性能還將進一步的改善和提高：1增大信號處理的線性動態(tài)范圍；2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；3能抑制地雜波(其平均多普勒頻移通常為零)且能同時抑制運動雜波(如云雨、鳥群、箔條等)；JIWf 一*/ X / X/V fy v r Y -i-f-250E EY Tfn-rrrrr(a)凹口對準0