【無(wú)線射頻技術(shù)】-多普勒濾波器組的基本知識(shí)

1/1多普勒濾波器組的基本知識(shí)多普勒濾波器組

雷達(dá)是如何能夠同時(shí)檢測(cè)來(lái)自多個(gè)不同目標(biāo)的回波，然后依據(jù)多普勒頻率的不同進(jìn)行區(qū)分分類呢？從原理上來(lái)說(shuō)是特別簡(jiǎn)潔的，即雷達(dá)接收的回波信號(hào)通過(guò)被稱為多普勒濾波器的一組數(shù)字濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)，如下圖所示。

接收的雷達(dá)回波信號(hào)經(jīng)過(guò)一組并行的濾波器后實(shí)現(xiàn)多普勒頻率分別。每個(gè)濾波器的設(shè)計(jì)都是為了得到一個(gè)較窄的多普勒頻帶，如圖所示。在抱負(fù)狀況下，只有每個(gè)濾波器在接收信號(hào)的頻率落在對(duì)應(yīng)的頻帶內(nèi)才會(huì)產(chǎn)生輸出；

而實(shí)際上由于濾波器旁瓣的緣由，可能會(huì)在相鄰頻帶內(nèi)消失信號(hào)泄露。假如根據(jù)距離/多普勒頻率進(jìn)行排序，則在每個(gè)距離單元上進(jìn)行獨(dú)立的多普勒濾波處理。

多普勒濾波器組的每個(gè)中心頻率點(diǎn)從低到高挨次排列，為了使相鄰濾波器跨越目標(biāo)頻率時(shí)的信噪比損失最小化，濾波器的通帶之間總會(huì)設(shè)計(jì)成相互交疊的形式，如圖所示。因此，在濾波器組相互交疊的區(qū)域都可能會(huì)有相鄰頻率信號(hào)的泄露。

在忽視濾波器旁瓣的條件下，每個(gè)濾波器只能夠通過(guò)某窄帶頻點(diǎn)的信號(hào)，當(dāng)該信號(hào)的頻點(diǎn)離濾波器的中心頻率越近，輸出的信號(hào)幅度也越大。為了最小化濾波器輸出能量損失，當(dāng)輸入信號(hào)頻率位于兩個(gè)相鄰濾波器之間時(shí)，采納相鄰濾波器通帶部分交疊的方法。

濾波器帶寬

窄帶濾波器的選擇特性也是在一段持續(xù)時(shí)間內(nèi)表現(xiàn)出來(lái)的；能夠通過(guò)濾波器的頻帶寬度主要與信號(hào)的積累時(shí)間有關(guān)。

正弦信號(hào)（即脈沖波形）具有的頻譜波形，如圖所示。

濾波器帶寬與積累時(shí)間之間的關(guān)系與以前爭(zhēng)論的方法有一些不同，即：

保持濾波器調(diào)整系數(shù)為常數(shù)，根據(jù)肯定的步進(jìn)不斷轉(zhuǎn)變輸入信號(hào)的頻率；

濾波器積累時(shí)間掌握在積累時(shí)間以內(nèi)，確保信號(hào)持續(xù)時(shí)間至少為積累時(shí)間。

通過(guò)以上描述的方法，用圖形化的手段繪制出窄帶濾波器在不同頻率點(diǎn)的響應(yīng)曲線。窄帶濾波器的中心主瓣區(qū)域是濾波器的通帶，主瓣區(qū)域的中心頻率為濾波器諧振頻率。如圖所示，濾波器頻譜的兩個(gè)過(guò)零點(diǎn)帶寬為2除以積累時(shí)間。

為了便于比較，將上圖在方位上的尺寸進(jìn)行了調(diào)整，使得二者之間的零點(diǎn)寬度看起來(lái)是相同的。需要記住的是，積累時(shí)間通常為毫秒量級(jí)，而脈沖寬度大約為積累時(shí)間的千分之一，在微秒量級(jí)上。

猶如天線輻射方向圖的主瓣一樣，濾波器的3dB帶寬（即輸出功率降低到最大值一半時(shí)的寬度）比零點(diǎn)到零點(diǎn)的帶寬更有用；與勻稱輻射的天線相像，3dB帶寬大約是零點(diǎn)到零點(diǎn)帶寬的一半。即

為了達(dá)到以上帶寬，所應(yīng)用的信號(hào)持續(xù)時(shí)間至少應(yīng)當(dāng)?shù)扔诜e累時(shí)間。在實(shí)際應(yīng)用中，濾波器帶寬通常是基于最大可用的積累時(shí)間來(lái)確定的。

假如雷達(dá)輻射的波形是脈沖形式的，為達(dá)到給定信號(hào)帶寬就必需積累足夠的脈沖數(shù)量，由此可以看出，濾波器的3dB帶寬等于PRF除以積累脈沖數(shù)量。以上爭(zhēng)論的帶寬是指最小可達(dá)到帶寬，依據(jù)實(shí)際工程應(yīng)用，由于數(shù)字加權(quán)帶來(lái)的損失使得濾波器通帶會(huì)有所展寬。

濾波器組的通帶

在整個(gè)帶寬內(nèi)必需包括足夠多的濾波器來(lái)估量多普勒頻率的范圍，從而能夠掩蓋到預(yù)期設(shè)計(jì)的目標(biāo)速度范圍。例如，估計(jì)最大的正多普勒頻率為100kHz，最大的負(fù)多普勒頻率為-30kHz，如下圖所示，則濾波器組的通帶范圍至少為100+30=130kHz，雷達(dá)工作重頻至少應(yīng)大于130kHz。

當(dāng)PRF大于最大與最小多普勒頻率所包括的范圍時(shí)，整個(gè)多普勒通帶應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)得足夠?qū)捯员ＷC全部頻率重量能夠通過(guò)。

另一方面，假如PRF比期望的多普勒頻率擴(kuò)展范圍小，則濾波器通帶的設(shè)計(jì)值應(yīng)當(dāng)小于PRF。這也用另一種方式證明白Nyquist定理，即任何信號(hào)的采樣頻率都必需達(dá)到信號(hào)最高頻率的兩倍來(lái)避開(kāi)模糊。

如下圖所示，當(dāng)PRF小于多普勒頻率的擴(kuò)展寬度時(shí)，目標(biāo)多普勒的旁瓣譜線會(huì)落在通帶以外，這時(shí)候只有目標(biāo)多普勒的主瓣譜線能夠經(jīng)過(guò)濾波后輸出。

當(dāng)PRF小于多普勒頻率擴(kuò)展范圍時(shí)，濾波器帶寬應(yīng)當(dāng)小于PRF，從而保證通帶內(nèi)只有一個(gè)目標(biāo)信號(hào)存在。

下圖描述了當(dāng)濾波器通帶等于PRF或時(shí)目標(biāo)譜線移動(dòng)與濾波器組之間的關(guān)系，從圖中可以看出，在濾波器通帶內(nèi)始終只落入了目標(biāo)的一根主譜線；隨著目標(biāo)多普勒頻率從低到高移動(dòng)，相對(duì)應(yīng)的諧波譜線也在不斷變化。

一般將通帶寬度設(shè)置為略