第 8 章運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)及測(cè)速

1、第 8 章 運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)及測(cè)速,8.1 多卜勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用 8.2 動(dòng)目標(biāo)顯示雷達(dá)的工作原理及主要組成 8.3 盲速、盲相的影響及其解決途徑 8.4 回波和雜波的頻譜及動(dòng)目標(biāo)顯示濾波器 8.5 動(dòng)目標(biāo)顯示雷達(dá)的工作質(zhì)量及質(zhì)量指標(biāo) 8.6 動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)(MTD) 8.7 自適應(yīng)動(dòng)目標(biāo)顯示系統(tǒng) 8.8 速度測(cè)量,8.1 多卜勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用,在雷達(dá)發(fā)射站處接收到由目標(biāo)反射的回波信號(hào)sr(t)為,(8.1.1),式中, tr = 2R/c, 為回波滯后于發(fā)射信號(hào)的時(shí)間, 其中R為目標(biāo)和雷達(dá)站間的距離; c為電磁波傳播速度, 在自由空間傳播時(shí)它等于光速; k為回波的衰減系數(shù)。,如果目標(biāo)

2、固定不動(dòng), 則距離R為常數(shù)?；夭ㄅc發(fā)射信號(hào)之間有固定相位差0tr=2f02R/c =2(f0/c)2R = (2/) 2R, 它是電磁波往返于雷達(dá)與目標(biāo)之間所產(chǎn)生的相位滯后。,當(dāng)目標(biāo)與雷達(dá)站之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí), 則距離R隨時(shí)間變化。設(shè)目標(biāo)以勻速相對(duì)雷達(dá)站運(yùn)動(dòng), 則在時(shí)間t時(shí)刻, 目標(biāo)與雷達(dá)站間的距離R(t)為,R(t) = R0 - vrt,式中，R0 為 t=0 時(shí)的距離；vr為目標(biāo)相對(duì)雷達(dá)站的徑向運(yùn)動(dòng)速度。,回波信號(hào)比起發(fā)射信號(hào)來(lái), 高頻相位差,是時(shí)間t 的函數(shù), 在徑向速度vr為常數(shù)時(shí), 產(chǎn)生頻率差為,(8.1.3),這就是多卜勒頻率, 它正比于相對(duì)運(yùn)動(dòng)的速度而反比于工作波長(zhǎng)。當(dāng)目標(biāo)飛向雷

3、達(dá)站時(shí), 多卜勒頻率為正值, 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), 多卜勒頻率為負(fù)值, 接收信號(hào)頻率低于發(fā)射信號(hào)頻率。,多卜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, 則其在單位時(shí)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(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)目要比他不動(dòng)時(shí)多一些, 也就是接收頻率增高；當(dāng)二者作背向運(yùn)動(dòng)時(shí), 結(jié)果相反。,2. 窄帶信號(hào)時(shí)的多卜勒效應(yīng) 常用雷達(dá)信號(hào)為窄帶信號(hào)(帶寬遠(yuǎn) 中心頻率)。 其發(fā)射信號(hào)可以表示為,式中，Re表示取實(shí)部; u(t)為調(diào)制信

4、號(hào)的復(fù)數(shù)包絡(luò); 0為發(fā)射角頻率。同連續(xù)波發(fā)射時(shí)的情況相似, 由目標(biāo)反射的回波信號(hào)sr(t)可以寫(xiě)成,當(dāng)目標(biāo)相對(duì)雷達(dá)站勻速運(yùn)動(dòng)時(shí), 按式(8.1.2)近似地認(rèn)為其延遲時(shí)間tr為,則式(8.1.4)的回波信號(hào)表示式說(shuō)明, 回波信號(hào)比起發(fā)射信號(hào)來(lái)講, 復(fù)包絡(luò)滯后tr, 由上式得高頻相位差=-0tr=-2(2/)(R0-vrt)是時(shí)間的函數(shù)。當(dāng)速度vr為常數(shù)時(shí), (t)引起的頻率差為,稱(chēng)為多卜勒頻率, 即回波信號(hào)的頻率比之發(fā)射頻率存在一個(gè)多卜勒頻移。,下面從式(8.1.1)出發(fā), 較嚴(yán)格地討論運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波的特點(diǎn)。 在t時(shí)刻收到的回波是在t-tr時(shí)刻發(fā)射的, 而照射到目標(biāo)上的時(shí)間是t=t - (1/2)

5、 tr, 照射時(shí)的目標(biāo)距離為,(8.1.5),往返R(t)距離所需的時(shí)間正是目標(biāo)的延遲時(shí)間tr, 即,將tr代入式(8.1.1)可得運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波為,(8.1.7),由式(8.1.7)可以看出, 運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波信號(hào)的角頻率變?yōu)?, 可化簡(jiǎn)并近似為,即信號(hào)角頻率的變化值d = (2vr/c) 0 = 2 2vr/, 為多卜勒頻移。近似后的結(jié)果, 與常用的多卜勒頻率表達(dá)式(8.1.3)相同。 對(duì)于窄帶發(fā)射信號(hào)而言, 要嚴(yán)格地討論運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波的特點(diǎn), 可將式(8.1.6)代入式(8.1.4)后, 得到的結(jié)果是:,(8.1.8),由式(8.1.8)可以討論窄帶信號(hào)時(shí)的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波的幾個(gè)特點(diǎn): 由指數(shù)項(xiàng),

6、信號(hào)角頻率已變?yōu)?, 通?？倽M足c vr, 故角頻率可作近似簡(jiǎn)化處理，得到信號(hào)角頻率的變化量為,稱(chēng)為多卜勒頻率。,(2) 對(duì)于復(fù)數(shù)包絡(luò)u(t)來(lái)講,中的因子(c+vr)/(c-vr)表示信號(hào)在時(shí)間軸上的增長(zhǎng)或壓縮。根據(jù)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的方向可確定其是增長(zhǎng)還是壓縮。目標(biāo)和雷達(dá)站相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí), vr為正值, 相當(dāng)于波形在時(shí)間軸上壓縮, 而在頻率軸上頻譜將展寬。,但在雷達(dá)的大多數(shù)應(yīng)用情況下, 上述復(fù)包絡(luò)變化的效應(yīng)可以忽略。設(shè)發(fā)射信號(hào)的時(shí)寬為, 由于忽略時(shí)間軸伸縮所引起的時(shí)間誤差為,當(dāng)信號(hào)的帶寬為f 時(shí), 上述時(shí)間誤差可忽略的條件為,(8.1.9),這個(gè)條件是經(jīng)常滿足的, 例如：若目標(biāo)速度為10倍音速, vr=

7、 3.3103 m/s, 則2vr/c 210-5, 這樣即使信號(hào)的時(shí)間帶寬積f為1000數(shù)量級(jí)時(shí), 不等式(8.1.9)仍能滿足。 以上討論均忽略了目標(biāo)加速度引起的影響?？梢钥闯? 在當(dāng)前目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的速度范圍內(nèi), 運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波的表達(dá)式(8.1.8)可以近似為,(8.1.10),運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波的主要特征是其中心頻率偏移多卜勒頻率, 其它影響均可忽略。前面近似結(jié)果完全可以實(shí)用。,在多基地雷達(dá)時(shí)，回波信號(hào)產(chǎn)生的多卜勒頻移可由發(fā)射站到目標(biāo)的距離Rt加上由目標(biāo)到接收站的距離Rr隨時(shí)間變化求得：,在單基地雷達(dá)情況下, 引起多卜勒頻移的是雷達(dá)和目標(biāo)連線方向的徑向速度vr。設(shè)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)方向與該連線的夾角為, 目標(biāo)

8、速度為v, 則徑向速度分量vr為,(8.1.11),8.1.2 多卜勒信息的提取 已經(jīng)知道, 回波信號(hào)的多卜勒頻移fd正比于徑向速度，而反比于雷達(dá)工作波長(zhǎng), 即,多卜勒頻移的相對(duì)值正比于目標(biāo)速度與光速之比, fd的正負(fù)值取決于目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的方向。在多數(shù)情況下, 多卜勒頻率處于音頻范圍。 例如當(dāng)= 10cm, vr= 300m/s時(shí), 求得fd = 6kHz。而此時(shí)雷達(dá)工作頻率f0=3000MHz, 目標(biāo)回波信號(hào)頻率為fr=3000MHz 6kHz, 兩者相差的百分比是很小的。因此要從接收信號(hào)中提取多卜勒頻率需要采用差拍的方法, 即設(shè)法取出f0和fr的差值fd 。,1. 連續(xù)波多卜勒雷達(dá) 為取出收發(fā)

9、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, 即多卜勒頻率電壓。這時(shí)的基準(zhǔn)電壓通常稱(chēng)為相參(干)電壓, 而完成差頻比較的檢波器稱(chēng)為相干檢波器。 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)電壓外, 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)波多卜勒雷達(dá)的原理性組成方框圖、獲取多卜勒頻率的差拍矢量圖及各主要點(diǎn)的頻譜圖。,圖8.1 連續(xù)波多卜勒雷達(dá)原理框圖 (a) 組成框圖; (b) 多卜勒頻率差拍矢量; (c) 頻譜圖,發(fā)射機(jī)產(chǎn)生頻率為f0的等幅連續(xù)波高頻振蕩, 其中絕大部分能量從發(fā)射

10、天線輻射到空間, 很少部分能量耦合到接收機(jī)輸入端作為基準(zhǔn)電壓?；旌系陌l(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后, 在相位檢波器輸出端取出其差拍電壓, 隔除其中直流分量, 得到多卜勒頻率信號(hào)送到終端指示器。 對(duì)于固定目標(biāo)信號(hào), 由于它和基準(zhǔn)信號(hào)的相位差=0tr保持常數(shù), 故混合相加的合成電壓幅度亦不改變。當(dāng)回波信號(hào)振幅Ur遠(yuǎn)小于基準(zhǔn)信號(hào)振幅U0時(shí), 從矢量圖上可求得其合成電壓為,(8.1.12),包絡(luò)檢波器輸出正比于合成信號(hào)振幅。對(duì)于固定目標(biāo), 合成矢量不隨時(shí)間變化, 檢波器輸出經(jīng)隔直流后無(wú)輸出。而運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波與基準(zhǔn)電壓的相位差隨時(shí)間按多卜勒頻率變化。即回波信號(hào)矢量圍繞基準(zhǔn)信號(hào)矢量端點(diǎn)以等角速度d旋轉(zhuǎn), 這時(shí)

11、合成矢量的振幅為,經(jīng)相位檢波器取出二電壓的差拍, 通過(guò)隔直流電容器得到輸出的多卜勒頻率信號(hào)為,(8.1.13),在檢波器中, 還可能產(chǎn)生多種和差組合頻率, 可用低通濾波器取出所需要的多卜勒頻率fd送到終端指示(例如頻率計(jì)), 即可測(cè)得目標(biāo)的徑向速度值。,2. 脈沖工作狀態(tài)時(shí)的多卜勒效應(yīng) 脈沖雷達(dá)是最常用的雷達(dá)工作方式。當(dāng)雷達(dá)發(fā)射脈沖信號(hào)時(shí), 和連續(xù)發(fā)射時(shí)一樣, 運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波信號(hào)中產(chǎn)生一個(gè)附加的多卜勒頻率分量。所不同的是目標(biāo)回波僅在脈沖寬度時(shí)間內(nèi)按重復(fù)周期出現(xiàn)。 圖8.2畫(huà)出了利用多卜勒效應(yīng)的脈沖雷達(dá)方框圖及各主要點(diǎn)的波形圖, 圖中所示為多卜勒頻率fd小于脈沖寬度倒數(shù)的情況。,圖8.2 利用多卜

12、勒效應(yīng)的脈沖雷達(dá) (a) 原理方塊圖; (b) 主要波形圖; (c) A顯畫(huà)面(對(duì)消前),圖8.2 利用多卜勒效應(yīng)的脈沖雷達(dá) (a) 原理方塊圖; (b) 主要波形圖; (c) A顯畫(huà)面(對(duì)消前),圖8.2 利用多卜勒效應(yīng)的脈沖雷達(dá) (a) 原理方塊圖; (b) 主要波形圖; (c) A顯畫(huà)面(對(duì)消前),和連續(xù)波雷達(dá)的工作情況相類(lèi)比: 發(fā)射信號(hào)按一定的脈沖寬度和重復(fù)周期Tr工作。由連續(xù)振蕩器取出的電壓作為接收機(jī)相位檢波器的基準(zhǔn)電壓, 基準(zhǔn)電壓在每一重復(fù)周期均和發(fā)射信號(hào)有相同的起始相位, 因而相參的。 相位檢波器輸入端所加電壓有兩個(gè): 連續(xù)的基準(zhǔn)電壓uk，uk=Uksin(0t+0), 其頻率和

13、起始相位均與發(fā)射信號(hào)相同; 回波信號(hào)ur, ur = Ursin0(t-tr)+0 , 當(dāng)雷達(dá)為脈沖工作時(shí), 回波信號(hào)是脈沖電壓, 只在信號(hào)來(lái)到期間即trttr+時(shí)才存在, 其它時(shí)間只有基準(zhǔn)電壓Uk加在相位檢波器上。經(jīng)過(guò)檢波器的輸出信號(hào)為,(8.1.14),式中, U0為直流分量, 為連續(xù)振蕩的基準(zhǔn)電壓經(jīng)檢波后的輸出, 而U0m cos 則代表檢波后的信號(hào)分量。 在脈沖雷達(dá)中, 由于回波信號(hào)為按一定重復(fù)周期出現(xiàn)的脈沖, 因此, U0m cos表示相位檢波器輸出回波信號(hào)的包絡(luò)。圖8.3給出了相位檢波器輸出波形圖。 對(duì)于固定目標(biāo)來(lái)講, 相位差是常數(shù),合成矢量的幅度不變化, 檢波后隔去直流分量可得到

14、一串等幅脈沖輸出。對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波而言, 相位差隨時(shí)間t改變, 其變化情況由目標(biāo)徑向運(yùn)動(dòng)速度vr及雷達(dá)工作波長(zhǎng)決定。,合成矢量為基準(zhǔn)電壓Uk以及回波信號(hào)相加, 經(jīng)檢波及隔去直流分量后得到脈沖信號(hào)的包絡(luò)為,(8.1.15),即回波脈沖的包絡(luò)調(diào)制頻率為多卜勒頻率。這相當(dāng)于連續(xù)波工作時(shí)的取樣狀態(tài), 在脈沖工作狀態(tài)時(shí), 回波信號(hào)按脈沖重復(fù)周期依次出現(xiàn), 信號(hào)出現(xiàn)時(shí)對(duì)多卜勒頻率取樣輸出。 脈沖工作時(shí), 相鄰重復(fù)周期運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波與基準(zhǔn)電壓之間的相位差是變化的, 其變化量為,圖8.3 相位檢波器輸出波形,相鄰重復(fù)周期延遲時(shí)間的變化量tr=2R/c=2vrTr/c是很小的數(shù)量, 但當(dāng)它反映到高頻相位上時(shí), =0

15、tr就會(huì)產(chǎn)生很靈敏的反應(yīng)。相參脈沖雷達(dá)利用了相鄰重復(fù)周期回波信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)之間相位差的變化來(lái)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波, 相位檢波器將高頻的相位差轉(zhuǎn)化為輸出信號(hào)的幅度變化。 脈沖雷達(dá)工作時(shí), 單個(gè)回波脈沖的中心頻率亦有相應(yīng)的多卜勒頻移, 但在fd1/的條件下(這是常遇到的情況), 這個(gè)多卜勒頻移只使相位檢波器輸出脈沖的頂部產(chǎn)生畸變。這就表明要檢測(cè)出多卜勒頻率需要多個(gè)脈沖信號(hào)。 只有當(dāng)fd 1/時(shí), 才有可能利用單個(gè)脈沖測(cè)出其多卜勒頻率。 對(duì)于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波, 其重復(fù)周期的微小變化Tr = (2vr/c) Tr通常均可忽略。,8.1.3 盲速和頻閃,當(dāng)雷達(dá)處于脈沖工作狀態(tài)時(shí), 將發(fā)生區(qū)別于連續(xù)工作狀態(tài)的特殊

16、問(wèn)題, 即盲速和頻閃效應(yīng)。 所謂盲速, 是指目標(biāo)雖然有一定的徑向速度vr, 但若其回波信號(hào)經(jīng)過(guò)相位檢波器后, 輸出為一串等幅脈沖, 與固定目標(biāo)的回波相同， 此時(shí)的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度稱(chēng)為盲速。 而頻閃效應(yīng)則是當(dāng)脈沖工作狀態(tài)時(shí), 相位檢波器輸出端回波脈沖串的包絡(luò)調(diào)制頻率Fd, 與目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的徑向速度vr不再保持正比關(guān)系。此時(shí)如用包絡(luò)調(diào)制頻率測(cè)速時(shí)將產(chǎn)生測(cè)速模糊。 產(chǎn)生盲速和頻閃效應(yīng)的基本原因在于, 脈沖工作狀態(tài)是對(duì)連續(xù)發(fā)射的取樣, 取樣后的波形和頻譜均將發(fā)生變化, 下面將討論。,由式(8.1.10)知, 當(dāng)雷達(dá)信號(hào)為窄帶信號(hào)時(shí), 運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的雷達(dá)回波sr(t)為,sr(t) =Reku(t-tr)expj(

17、0+d)(t-t0),式中，tr為復(fù)包絡(luò)遲延, 而fd為高頻的多卜勒頻移。當(dāng)雷達(dá)處于脈沖工作狀態(tài)時(shí), 簡(jiǎn)單脈沖波形時(shí)的復(fù)調(diào)制函數(shù)u(t)可寫(xiě)成,式中, rect表示矩形函數(shù); 為脈沖寬度; Tr為脈沖重復(fù)周期。,u(t)的頻譜U(f)是一串間隔fr = 1/Tr的譜線, 譜線的包絡(luò)取決于脈沖寬度的值。運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的回波信號(hào)是u(t-tr)和具有多卜勒頻移的連續(xù)振蕩相乘, 因而其頻譜是兩者的卷積,如圖8.4(b)所示，相當(dāng)于把U(f)的頻譜中心分別搬移到f0+fd和-(f0+fd)的位置上。,相位檢波器的輸入端加有頻率為f0的相參電壓和回波信號(hào)電壓, 在其輸出端得到兩個(gè)電壓的差頻, 如圖8.4(d)

18、所示, 其譜線的位置在nfrfd處, n=0, 1, 2, , 譜線的包絡(luò)與U(f)相同。 由圖8.4的頻譜圖可以看出脈沖信號(hào)產(chǎn)生“盲速”的原因: 固定目標(biāo)時(shí)，fd=0, 其回波的頻譜結(jié)構(gòu)與發(fā)射信號(hào)相同, 是由f0和f0nfr的譜線所組成。對(duì)于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波, 譜線中心移動(dòng)fd, 故其頻譜由f0+fd、f0+fdnfr的譜線組成, 經(jīng)過(guò)相位檢波器后, 得到fd及nfrfd的差頻, 其波形為多卜勒頻率fd調(diào)幅的一串脈沖。當(dāng)fd=nfr時(shí), 運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波的譜線由nfr所組成, 頻譜結(jié)構(gòu)與固定目標(biāo)回波的相同, 這時(shí)無(wú)法區(qū)分運(yùn)動(dòng)目標(biāo)與固定目標(biāo)。,從圖8.4的頻譜圖上也可以分析產(chǎn)生頻閃的原因: 當(dāng)多卜勒頻

19、率fd超過(guò)重復(fù)頻率fr的一半時(shí), 頻率nfr的上邊頻分量nfr+fd與頻率(n+1)fr的下邊頻分量(n+1)fr-fd在譜線排列的前后位置上交叉。 兩個(gè)不同的多卜勒頻率fd1和fd2, 只要滿足fd1=nfr-fd2, 則二者的譜線位置相同而無(wú)法區(qū)分。同樣, 當(dāng)fd1=nfr+fd2時(shí), 二者的頻譜結(jié)構(gòu)相同也是顯而易見(jiàn)的。因此, 在相參脈沖雷達(dá)中, 如果要用相位檢波器輸出脈沖的包絡(luò)頻率來(lái)單值地測(cè)定目標(biāo)的速度, 必須滿足的條件是,(8.1.16),圖8.4 脈沖工作時(shí)各主要點(diǎn)信號(hào)頻譜 發(fā)射信號(hào)頻譜; (b) 接收信號(hào)頻譜; (c) 相參電壓譜; (d) 相位檢波輸出譜,盲速和頻閃效應(yīng)也可以從矢

20、量圖和相對(duì)應(yīng)的波形圖加以說(shuō)明。 從矢量圖8.5(a)可以看出, 相鄰周期運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的回波和基準(zhǔn)電壓之間相位差的變化量為=dTr, 根據(jù)的變化規(guī)律即可得到一串振幅變化的視頻脈沖。當(dāng)=2時(shí), 雖然目標(biāo)是運(yùn)動(dòng)的, 但相鄰周期回波與基準(zhǔn)電壓間的相對(duì)位置不變, 其效果正如目標(biāo)是不運(yùn)動(dòng)的一樣, 這就是盲速。可求得盲速與雷達(dá)參數(shù)的關(guān)系。 當(dāng)=2n, 即, =dTr =2n n=1, 2, 3, ,時(shí), 會(huì)產(chǎn)生盲速, 這時(shí),fdTr = n 或 fd = nfr,因fd = 2vr/, 所以盲速,盲速的出現(xiàn)是因?yàn)槿酉到y(tǒng)的觀察是間斷而不是連續(xù)的。 在連續(xù)系統(tǒng)中, 多卜勒頻率總是正比于目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的速度而沒(méi)有模糊。

21、但在脈沖工作時(shí), 相位檢波器輸出端的回波脈沖包絡(luò)頻率只在多卜勒頻率較脈沖重復(fù)頻率低時(shí)(fd1/2fr)才能代表目標(biāo)的多卜勒頻率。在盲速時(shí),即在重復(fù)周期內(nèi), 目標(biāo)走過(guò)的距離正好是發(fā)射高頻振蕩半波長(zhǎng)的整數(shù)倍, 由此引起的高頻相位差正好是2的整數(shù)倍。,關(guān)于頻閃效應(yīng), 可從圖8.5(b)的矢量圖上看出。當(dāng)相鄰重復(fù)周期回波信號(hào)的相位差=2n-時(shí), 在相位檢波器輸出端的結(jié)果與=時(shí)是相同的, 差別僅為矢量的視在旋轉(zhuǎn)方向相反, 因此上述二種情況下, 脈沖信號(hào)的包絡(luò)調(diào)制頻率相同。 相位差=2n+時(shí), 其相位檢波器輸入端合成矢量與=完全一樣, 因而其輸出脈沖串的調(diào)制頻率亦相同。當(dāng)=0時(shí)表現(xiàn)為盲速現(xiàn)象,一般情況下0

22、, 表現(xiàn)為頻閃現(xiàn)象, 這時(shí)相位檢波器輸出脈沖包絡(luò)調(diào)制頻率與回波信號(hào)的多卜勒頻率不相等。,包絡(luò)調(diào)制頻率隨著多卜勒頻率的增加按雷達(dá)工作的重復(fù)頻率周期性地變化。包絡(luò)調(diào)制頻率的最大值產(chǎn)生在=2n-時(shí), 相應(yīng)的多卜勒頻率為nfr-(1/2)fr, 而這時(shí)的包絡(luò)調(diào)制頻率Fd=fr/2 。只有當(dāng)fdfr/2時(shí), 包絡(luò)調(diào)制頻率和多卜勒頻率才相等。 圖8.5(c)中畫(huà)出了脈沖包絡(luò)調(diào)制頻率Fd變化規(guī)律曲線, 它隨著多卜勒頻率的增加而周期性變化, 這就是頻閃效應(yīng)。當(dāng)fd=nfr時(shí), 包絡(luò)調(diào)制頻率Fd=0, 這就是盲速。,圖8.5 用矢量和波形圖說(shuō)明盲速和頻閃 (a) 盲速說(shuō)明; (b) 頻閃說(shuō)明; (c) Fa的變

23、化規(guī)律,圖8.6 高速目標(biāo)(fd1/)的多卜勒效應(yīng) (a) 波形; (b) 頻譜,8.2 動(dòng)目標(biāo)顯示雷達(dá)的工作原理及主要組成,8.2.1 基本工作原理 從上節(jié)分析可看出, 當(dāng)脈沖雷達(dá)利用多卜勒效應(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(chēng)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)電壓的頻率常適在中頻。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

24、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。,8.2.2 獲得相參振蕩電壓的方法,1. 中頻全相參(干)動(dòng)目標(biāo)顯示 當(dāng)雷達(dá)發(fā)射機(jī)采用主振放大器時(shí), 每次發(fā)射脈沖的初相由連續(xù)振蕩的主振源控制,發(fā)射信號(hào)是全相參的,即發(fā)射高頻脈沖、本振電壓、相參電壓之間均有確定的相位關(guān)系。相位檢波通常是在中頻上進(jìn)行的, 因?yàn)樵诔獠罱邮諜C(jī)中, 信號(hào)的放大主要依靠中頻放大器。在中頻進(jìn)行相位檢波,仍能保持和高頻相位檢波相同的相位關(guān)系。,圖8.7 中頻全相參(干)動(dòng)目標(biāo)顯示雷達(dá)方框圖,如圖8.7所示，主振源連續(xù)振蕩的信號(hào)為U0cos(0t+0), 它控制發(fā)射信

25、號(hào)的頻率和相位。中頻相參振蕩器的輸出為Uc cos(ct+c)。本振信號(hào)取主振源連續(xù)振蕩信號(hào)和相參源的和頻, 即,(8.2.1),回波信號(hào)為Urcos0(t-tr)+0, 對(duì)于固定目標(biāo), tr為常數(shù)。而對(duì)于運(yùn)動(dòng)目標(biāo), tr在每個(gè)重復(fù)周期均發(fā)生變化?；夭ㄐ盘?hào)與本振混頻后取出中頻信號(hào):,對(duì)于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的回波, 二者相位差按多卜勒頻率變化。,2. 鎖相相參動(dòng)目標(biāo)顯示 當(dāng)雷達(dá)發(fā)射機(jī)采用自激振蕩器(如磁控管振蕩器)時(shí), 它的每一發(fā)射脈沖高頻起始相位是隨機(jī)的。 因此，為了得到與發(fā)射脈沖起始相位保持嚴(yán)格關(guān)系的基準(zhǔn)電壓, 應(yīng)該采用鎖相的辦法, 也就是使振蕩電壓的起始相位受外加電壓相位的控制。原則上有兩種鎖相的辦

26、法: 一種是將發(fā)射機(jī)輸出的高頻電壓加到相參振蕩器去鎖相; 另一種是將連續(xù)振蕩的相參電壓加到發(fā)射機(jī)振蕩器去, 以控制發(fā)射脈沖的起始相位。后一種方法要求較大的控制功率, 因而在實(shí)際中用得較少。,圖8.8 中頻鎖相的脈沖相參雷達(dá)方框圖,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, 以保證鎖相質(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。,直接用發(fā)射機(jī)輸出在高頻進(jìn)行鎖相存在著實(shí)際困難, 因?yàn)槿菀讓?shí)現(xiàn)鎖相

27、和高頻率穩(wěn)定度兩個(gè)要求對(duì)鎖相振蕩器的實(shí)現(xiàn)是互相矛盾的。 如果允許的頻偏量f相同(f的值影響動(dòng)目標(biāo)顯示的工作質(zhì)量), 則鎖相相參振蕩器工作在中頻時(shí)對(duì)頻率穩(wěn)定度f(wàn)/fc的要求將明顯降低。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。,直接用發(fā)射機(jī)輸出在高頻進(jìn)行鎖相存在著實(shí)際困難, 因?yàn)槿菀讓?shí)現(xiàn)鎖相和高頻率穩(wěn)定度兩個(gè)要求對(duì)鎖相振蕩器的實(shí)現(xiàn)是互相矛盾的。如果允許的頻偏量f相同(f的值影響動(dòng)目標(biāo)顯示的工作質(zhì)量), 則鎖相相參振蕩器工作在中頻時(shí)對(duì)頻率穩(wěn)定度f(wàn)/fc的要求將明顯降低。 加之超外差接收通常在中頻進(jìn)行主要

28、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。,中頻鎖相時(shí), 各點(diǎn)電壓及其相位關(guān)系為:,本地振蕩器,(8.2.2),發(fā)射機(jī)輸出,(8.2.3),當(dāng)0t時(shí)存在,式(8.2.3)中, l及0為初相, 通常是隨機(jī)量。經(jīng)混頻后取其差頻作為鎖相電壓,(8.2.4),相參振蕩器的初相在每一重復(fù)周期均由中頻鎖相電壓決定, 而在整個(gè)接收回波時(shí)間內(nèi)也連續(xù)存在, 作為相參接收的相位基準(zhǔn)。 這時(shí),目標(biāo)回波信號(hào)為,(8.2.5),這里忽略了目標(biāo)反射引起的相移。ur只當(dāng)trttr+時(shí)存在。經(jīng)混頻后得到中頻信號(hào),在相位檢波器中, 回波信號(hào)ur與基準(zhǔn)電壓比較相位時(shí)

29、, 初相l(xiāng)-0可以消去, 兩者的相位差只決定于0tr。當(dāng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)時(shí), 相鄰重復(fù)周期的相位差按多卜勒頻率變化。,對(duì)磁控管發(fā)射機(jī)的雷達(dá), 如果后面用數(shù)字信號(hào)處理, 則接收相參可用圖8.9所示的方式。將發(fā)射信號(hào)的隨機(jī)相位t測(cè)量出來(lái), 并和送到數(shù)字對(duì)消器前的接收信號(hào)相位r相減, 消去發(fā)射信號(hào)隨機(jī)相位的影響而獲得等效的接收相參。發(fā)射信號(hào)經(jīng)穩(wěn)定本振混頻后獲得中頻發(fā)射脈沖, 而后以相參振蕩器(COHO)的電壓為基準(zhǔn), 在正交相位檢波器中相參檢波, 獲得I與Q兩路基帶輸出,t的信息包含在基帶輸出中, t = arctan Q/I。 如果A/D變換器的精度足夠, 則這種方式的接收相參所能得到的對(duì)消結(jié)果將優(yōu)于通常

30、所用的鎖相相參振蕩器。這是因?yàn)檫B續(xù)工作的相參振蕩器, 其頻率穩(wěn)定性比每次發(fā)射脈沖均要被鎖相而處于啟斷工作狀態(tài)的相參振蕩器要好得多。,圖8.9 相位存儲(chǔ)式接收相參MTI,圖8.9所示: 將發(fā)射信號(hào)的隨機(jī)相位t測(cè)量出來(lái), 并和送到數(shù)字對(duì)消器前的接收信號(hào)相位r相減, 消去發(fā)射信號(hào)隨機(jī)相位的影響而獲得等效的接收相參。發(fā)射信號(hào)經(jīng)穩(wěn)定本振混頻后獲得中頻發(fā)射脈沖, 而后以相參振蕩器(COHO)的電壓為基準(zhǔn), 在正交相位檢波器中相參檢波, 獲得I與Q兩路基帶輸出,t的信息包含在基帶輸出中。,8.2.3 消除固定目標(biāo)回波,1. 相消設(shè)備特性 由相位檢波器輸出的脈沖包絡(luò)為,u = U0cos,式中，為回波與基準(zhǔn)電

31、壓之間的相位差,回波信號(hào)按重復(fù)周期Tr出現(xiàn), 將回波信號(hào)延遲一周期后, 其包 絡(luò)為,u=U0 cosd(t-Tr)-0,(8.2.6),相消器的輸出為兩者相減,(8.2.7),輸出包絡(luò)為一多卜勒頻率的正弦信號(hào), 其振幅為,也是多卜勒頻率的函數(shù)。當(dāng)dTr/2 = n(n=1, 2, 3)時(shí), 輸出振幅為零。這時(shí)的目標(biāo)速度正相當(dāng)于盲速。此時(shí)，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)相消設(shè)備后輸出為零, 如圖 8.10所示。,圖8.10 遲延相消設(shè)備及其輸出響應(yīng) (a) 組成框圖; (b) 速度響應(yīng); (c) 頻率響應(yīng)特性,相消設(shè)備也可以從頻率域?yàn)V波器的觀點(diǎn)來(lái)說(shuō)明, 而且為了得到

32、更好的雜波抑制性能, 常從頻率域設(shè)計(jì)較好的濾波器來(lái)達(dá)到。下面求出相消設(shè)備的頻率響應(yīng)特性。輸出為,網(wǎng)絡(luò)的頻率響應(yīng)特性為,(8.2.8),其頻率響應(yīng)特性如圖8.10(c)所示。,相消設(shè)備等效于一個(gè)梳齒形濾波器, 其頻率特性在f=nfr各點(diǎn)均為零。固定目標(biāo)頻譜的特點(diǎn)是, 譜線位于nfr點(diǎn)上, 因而在理想情況下, 通過(guò)相消器這樣的梳齒濾波器后輸出為零。當(dāng)目標(biāo)的多卜勒頻率為重復(fù)頻率整數(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. 數(shù)字式相消器 近20年來(lái), 隨著大規(guī)模超大規(guī)模集成電路(LSI/VLSI)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)、遲延和各種實(shí)時(shí)運(yùn)算。

33、用數(shù)字遲延線代替模擬遲延線是數(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、重量輕。此外， 數(shù)字式對(duì)消器還具有一些特點(diǎn): 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; 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; 容易和其它數(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; 動(dòng)態(tài)范圍可做得較大?？傊? 它可以實(shí)現(xiàn)更為完善和靈活的信號(hào)處理功能。,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

34、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)間量化的取樣保持信號(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)的遲延可用存儲(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)作其它數(shù)字處理(例如積累、恒虛警等), 如果需要模擬信號(hào)作顯示, 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。,圖 8.11 數(shù)字式相消器簡(jiǎn)單組成方框,模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)時(shí), 取樣間隔

35、和量化位數(shù)這兩個(gè)參數(shù)的選擇必須慎重。取樣定理證明, 如果取樣信號(hào)要保留原信號(hào)的全部信息, 取樣間隔T應(yīng)小于信號(hào)有效帶寬倒數(shù)的一半, 即取樣頻率1/T大于信號(hào)帶寬的2倍。 每一個(gè)雷達(dá)雜波的回波為許多反射單元的回波矢量和, 其功率譜與單個(gè)發(fā)射脈沖譜的形狀相類(lèi)似。單個(gè)目標(biāo)雷達(dá)回波的有效帶寬通常以其脈沖寬度的倒數(shù)表示，所以取樣間隔應(yīng)小于脈沖寬度的一半, 即在一個(gè)脈沖寬度以?xún)?nèi)取樣兩次以上。 取樣次數(shù)增多雖可提高取樣信號(hào)的質(zhì)量, 但實(shí)現(xiàn)起來(lái)所用設(shè)備量將增加。在雷達(dá)信號(hào)的量化過(guò)程中, 有時(shí)在一個(gè)脈沖寬度內(nèi)只取樣一次, 這樣可以簡(jiǎn)化設(shè)備, 它所引起的信雜比損耗約為1.5 dB。,量化位數(shù)(模數(shù)轉(zhuǎn)換位數(shù))的選取

36、, 主要取決于量化噪聲的影響。模數(shù)轉(zhuǎn)換首先將模擬信號(hào)量化分層。如數(shù)字位數(shù)為N, 則將輸入動(dòng)態(tài)范圍(設(shè)從-Em到+Em)分成2N-1層, 幅度量化間隔為,將幅度連續(xù)變化的取樣保持信號(hào)量化為離散的分層數(shù)字信號(hào), 二者之間當(dāng)然會(huì)有差別, 這個(gè)差別稱(chēng)為量化噪聲。分層時(shí), 連續(xù)的取樣保持信號(hào)和量化的標(biāo)準(zhǔn)電平相比較, 以二分層的中線為界: 超過(guò)中線的歸于上層, 低于中線的歸于下層。這樣一來(lái), 量化噪聲限制在(-/2, +/2)的區(qū)間內(nèi), 且在一般情況下, 在該區(qū)間內(nèi)量化噪聲分布的概率密度為均勻分布。則可算出量化噪聲的方差2為,(8.2.9),輸入的模擬信號(hào)包括目標(biāo)回波、雜波和噪聲, 經(jīng)過(guò)幅度分層量化以后,

37、 將增加一部分量化噪聲。量化后總噪聲的均方值2可以認(rèn)為是原噪聲均方值2n和量化噪聲均方值2之和, 則由于量化引起的信噪比損失(量化損耗)為,(8.2.10),8.3 盲速、盲相的影響及其解決途徑,8.3.1 盲速 1. 盲速以及消除盲速影響的方法 正如8.1節(jié)所述, 盲速在相鄰兩周期運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波的相位差為2的整數(shù)倍, 即,(8.3.1),時(shí)發(fā)生。這時(shí)fd0=nfr或vr0=(n/2) fr, n=1時(shí)為第一盲速, 表示在重復(fù)周期Tr內(nèi)目標(biāo)所走過(guò)的距離為半個(gè)波長(zhǎng)。由于處于“盲速”上的運(yùn)動(dòng)目標(biāo), 其回波的頻譜結(jié)構(gòu)和固定雜波相同, 經(jīng)過(guò)對(duì)消器將被消除。因此, 動(dòng)目標(biāo)顯示雷達(dá)在檢測(cè)“盲速”范圍內(nèi)的運(yùn)動(dòng)

38、目標(biāo)時(shí), 將會(huì)產(chǎn)生丟失或極大降低其檢測(cè)能力(這時(shí)依靠復(fù)雜目標(biāo)反射譜中的其他頻率分量)。如果要可靠地發(fā)現(xiàn)目標(biāo), 應(yīng)保證第一盲速大于可能出現(xiàn)的目標(biāo)最大速度。,但在均勻重復(fù)周期時(shí), 盲速和工作波長(zhǎng)以及重復(fù)頻率fr的關(guān)系是確定的, 這兩個(gè)參數(shù)的選擇還受到其他因素的限制。 以3 cm雷達(dá)為例, 如果最大測(cè)距范圍為30km, 則其重復(fù)頻率fr應(yīng)小于5kHz, 由這個(gè)參數(shù)決定的第一盲速值vr01 = (/2) fr=75m/s, 這個(gè)速度遠(yuǎn)低于目前超音速目標(biāo)的速度, 也就是說(shuō), 如果不采取措施, 在目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的速度范圍內(nèi), 將多次碰到各個(gè)盲速點(diǎn)而發(fā)生丟失目標(biāo)的危險(xiǎn)。事實(shí)上, 最大不模糊距離和重復(fù)頻率fr的關(guān)系

39、為,如第一盲速點(diǎn)vr0 = (1/2) fr, 則最大不模糊距離R0max和第一盲速vr0的關(guān)系為R0 maxvr0= (c/4) , 當(dāng)工作波長(zhǎng)選定后, 兩者的乘積為一常數(shù), 不能任意選定。 通常在地面雷達(dá)中, 常選擇其重復(fù)頻率fr使之滿足最大作用距離的要求, 保證測(cè)距無(wú)模糊, 而另外設(shè)法解決盲速問(wèn)題。 解決盲速問(wèn)題在原理上并不困難, 因?yàn)樵诋a(chǎn)生“盲速”時(shí), 滿足vrTr1 = n (/2), 如果這時(shí)將重復(fù)周期略為改變而成為T(mén)r2, 則vrTr2 n (/2), 不再滿足“盲速”的條件, 動(dòng)目標(biāo)顯示雷達(dá)就能檢測(cè)到這一類(lèi)目標(biāo)。 因此, 當(dāng)雷達(dá)工作時(shí), 采用兩個(gè)以上不同重復(fù)頻率交替工作(稱(chēng)為參

40、差重復(fù)頻率), 就可以改善“盲速”對(duì)動(dòng)目標(biāo)顯示雷達(dá)的影響。,2. 參差重復(fù)頻率對(duì)動(dòng)目標(biāo)顯示性能的影響 設(shè)雷達(dá)采用兩種脈沖重復(fù)頻率fr1和fr2交替工作, 而fr1和fr2均滿足最大不模糊測(cè)距的要求, 則在一次對(duì)消器的輸出端其響應(yīng)分別為2usin(fdTr1) 和 2usin(fdTr2), 只有在兩種重復(fù)頻率上均出現(xiàn)盲速而輸出為零時(shí), 才等效于參差后的“盲速”vr0, 它所對(duì)應(yīng)的多卜勒頻率為f d0, 這時(shí)要滿足:,式中, n1、n2為整數(shù)。所以,如果選擇Tr1 = aT, Tr2 = b, 且a、b互為質(zhì)數(shù), 則合成第一盲速點(diǎn)產(chǎn)生于n1=a, n2=b點(diǎn)處?？梢宰鞒霰容^: 當(dāng)不采用參差重復(fù)頻

41、率時(shí), 其平均重復(fù)周期Tr = (Tr1+Tr2)/2, 這時(shí)第一盲速值和其相應(yīng)的多卜勒頻率值fd0為,采用參差后, 第一盲速對(duì)應(yīng)的多卜勒頻率值為,(8.3.2),這時(shí), 可求得采用參差頻率后, 第一等效“盲速”提高的倍數(shù)為,(8.3.3),當(dāng)采用N個(gè)參差重復(fù)頻率, 且其重復(fù)周期的比值為互質(zhì)數(shù)(a1,a2,a3, , aN)時(shí), 第一等效“盲速”提高的倍數(shù)為,(8.3.4),在實(shí)際工作中, 不僅要求第一等效盲速值要盡可能覆蓋目標(biāo)可能出現(xiàn)的速度范圍, 而且要求在該速度范圍內(nèi)響應(yīng)曲線比較平坦。 這兩個(gè)要求實(shí)現(xiàn)起來(lái)常有矛盾, 需要選擇合適的參差數(shù)和最佳的參差比來(lái)解決。 以?xún)蓚€(gè)重復(fù)頻率參差的情況來(lái)說(shuō),

42、 盲速提高倍數(shù)愈多, 則合成曲線愈不平坦, 特別是第一凹點(diǎn)深度愈大, 這是不希望的。改進(jìn)的辦法是采用三個(gè)以上重復(fù)頻率的參差及好的參差比來(lái)得到較好的速度響應(yīng)特性。圖8.12畫(huà)出了幾種不同情況下的速度響應(yīng), 橫坐標(biāo)為歸一化的速度響應(yīng)vr/vr0, k表示合成盲速比原盲速增大的倍數(shù), 參差比不同時(shí), k的值是不同的。,在8.12(a)圖中, 當(dāng)Tr1/Tr2 = 2/3時(shí), 盲速提高為原來(lái)的2.5倍, 而當(dāng)Tr1/Tr2 =7/8時(shí), 盲速提高為原來(lái)的7.5倍, 但在原來(lái)第一盲速處輸出較小, 速度響應(yīng)不平坦。圖8.12(b)是三參差周期, 其比值為313233的速度響應(yīng)。可以看出，三參差可較二參差獲

43、得較平坦的響應(yīng)曲線。 如果選用合適參差比的四參差時(shí), 其速度響應(yīng)將更為平坦。,圖 8.12 參差周期時(shí)的速度響應(yīng)曲線 (a) 二參差; (b) 三參差,圖 8.13 參差PRI時(shí)的MTI濾波器,濾波器組成原理圖如圖8.13所示。濾波器對(duì)N-1個(gè)重復(fù)周期的信號(hào)進(jìn)行濾波處理, 在參差重復(fù)周期時(shí), ti-ti-1=Ti(i=1, 2, ，N-1)各不相等, 其輸出,式中，下標(biāo)k表示距離單元數(shù)；wn為權(quán)值。,濾波器的頻率響應(yīng)Y(f)可求得為,式中,速度響應(yīng)主要取決于參差比值的選擇, 與權(quán)值wi也有一些關(guān)系。在等重復(fù)周期條件下, 多級(jí)對(duì)消器串接時(shí), 其權(quán)值服從二項(xiàng)式。 采用參差重復(fù)頻率不僅可以較好地解決

44、盲速問(wèn)題(使第一合成盲速大于最大目標(biāo)速度), 而且可以改變參差數(shù)及其比值的辦法來(lái)獲得不同的速度響應(yīng)(等效MTI濾波器響應(yīng))。但采用參差重復(fù)頻率后也存在一些相應(yīng)的問(wèn)題: (1) 不能消除遠(yuǎn)區(qū)雜波的二次回波, 因?yàn)閰⒉钪芷跁r(shí)它們?cè)诿}沖間不處于同一距離單元上。 (2) 參差周期時(shí)要做好高穩(wěn)定度的發(fā)射機(jī)更加困難。,(3) 由于參差而使雷達(dá)的改善因子受到限制。從頻域上分析是因?yàn)閰⒉詈箅s波將在MTI通帶內(nèi)產(chǎn)生分量而不能濾去。 用直觀的時(shí)域處理來(lái)觀察, 可看到：當(dāng)?shù)戎貜?fù)周期對(duì)信號(hào)均勻取樣時(shí), 雙遲延線對(duì)消器能完全抵消輸入的線性波形u(t)=c+at, 不論a值的選取(三遲延對(duì)消器可對(duì)消含有時(shí)間平方項(xiàng)的波形u

45、(t)=c+at+bt2), 而當(dāng)重復(fù)周期參差時(shí), 如果用二項(xiàng)式加權(quán)系數(shù), 雙遲延線對(duì)消器對(duì)線性波形處理, 將產(chǎn)生輸出剩余, 剩余量正比于斜率a和(r-1), r為周期比。若掃描雷達(dá)工作時(shí)，波束內(nèi)的脈沖數(shù)為n, 則經(jīng)過(guò)大量仿真計(jì)算后可得到參差引起的改善因子限制值I, 可近似表示為,(8.3.6),圖 8.14 參差后的時(shí)變加權(quán) (a) 脈沖串; (b) 雙遲延對(duì)消; (c) 三遲延對(duì)消,在間隔TN, 當(dāng)回波由發(fā)射脈沖PN產(chǎn)生時(shí), 雙遲延對(duì)消器的權(quán)值為: A=1, C=TN-2/TN-1, B=-1-C, 而三延遲線對(duì)消器的權(quán)值則為,采用時(shí)變加權(quán)值后對(duì)MTI濾波器的速度響應(yīng)無(wú)明顯影響。 當(dāng)系統(tǒng)是

46、動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)(MTD)處理時(shí), 在雜波濾波之后還有濾波器組處理, 則在組處理的多個(gè)脈沖期間, 重復(fù)周期不能改變。 這時(shí)只有采取“組參差”的辦法來(lái)解決盲速問(wèn)題。 “組參差”時(shí)不會(huì)產(chǎn)生脈間參差的問(wèn)題, 但也得不到那樣好的速度響應(yīng)。,8.3.2 盲相 1. 點(diǎn)盲相和連續(xù)盲相 相位檢波器輸出經(jīng)一次對(duì)消器后, 運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波u已由式(8.2.7)得到,u= u-u= 2U0sin(fdTr)sin(dt-fdTr-0),輸出的振幅值大小為2U0sinfdTr, 與多卜勒頻率有關(guān), 其輸出的振幅受多卜勒頻率調(diào)制。 在某些點(diǎn)上, 輸出幅度為零, 這些點(diǎn)稱(chēng)為盲相, 它由相位檢波器的特性(見(jiàn)圖8.15(a)決定。

47、從相檢特性上看, 如果相鄰兩個(gè)回波脈沖的相位相當(dāng)于相檢特性的a、c二點(diǎn), 其相位差雖不同, 但卻是一對(duì)相檢器輸出相等的工作點(diǎn), 因此經(jīng)過(guò)相消器后, 其輸出為零而出現(xiàn)點(diǎn)盲相。,圖 8.15 相檢特性和相消器輸出脈沖波形 (a) 相檢特性; (b) 相消器輸出脈沖波形,圖 8.16 用矢量圖說(shuō)明相位檢波器和相消器輸出 (a) 動(dòng)目標(biāo)單獨(dú)存在時(shí); (b) 動(dòng)目標(biāo)與固定目標(biāo)疊加; (c) 動(dòng)目標(biāo)疊加在強(qiáng)雜波上,2. 中頻對(duì)消(矢量對(duì)消器之一) 從相位檢波器的討論中可看出, 相位檢波器的輸出是回波矢量在基準(zhǔn)電壓方向的投影, 而一次對(duì)消器的輸出又相當(dāng)于相鄰重復(fù)周期信號(hào)差矢量在該方向的投影。當(dāng)差矢量的方向與

48、基準(zhǔn)電壓方向垂直時(shí), 則輸出為零, 這時(shí)就是盲相。 如果能在信號(hào)處理中, 直接取出反射回波的差矢量, 則避免了盲相和回波振幅的多卜勒調(diào)制。在檢波前直接用中頻對(duì)消, 可以取出反射回波的差矢量。,對(duì)于相參中頻信號(hào), 相鄰重復(fù)周期的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波可以分別寫(xiě)為,式中, i為中頻頻率; 0為初相; d為多卜勒頻率; 2fdTr是相鄰周期由于目標(biāo)運(yùn)動(dòng)所引起的回波相位差的變化。 相鄰重復(fù)周期的中頻信號(hào)相減， 得到中頻對(duì)消輸出為,(8.3.7),式中,即中頻對(duì)消器的輸出也是一個(gè)中頻電壓, 其振幅為,(8.3.8),是多卜勒頻率的函數(shù)。為了保證中頻對(duì)消器能消除零速的固定雜波, 理論上應(yīng)滿足fiTr=n, 即中頻f

49、i=nfr, 是重復(fù)頻率的整數(shù)倍。 中頻對(duì)消器輸出中頻信號(hào)的振幅為sin(fdTr),當(dāng)fdTr=n時(shí), 輸出也為零, 這就是盲速, 這時(shí)多卜勒頻率等于脈沖重復(fù)頻率的整數(shù)倍。 盲速是由于脈沖取樣工作方式引起的, 采用中頻對(duì)消方式不能解決, 只有用高重復(fù)頻率或參差重復(fù)頻率才能在一定范圍內(nèi)解決盲速的影響。,圖 8.17 雙遲延對(duì)消的中頻對(duì)消器,用中頻延遲線和相減器組成的中頻對(duì)消器如圖8.17所示。 因?yàn)閷?shí)際上不可能將中頻延遲線的延遲長(zhǎng)度準(zhǔn)確地做成中頻周期的整數(shù)倍, 在線路上就必須對(duì)延遲誤差進(jìn)行補(bǔ)償。補(bǔ)償好的標(biāo)準(zhǔn)是輸出雜波為零。補(bǔ)償?shù)霓k法如圖8.17所示: 在有強(qiáng)雜波的一段距離內(nèi)(例如05km),

50、將相位檢波器的輸出加以取樣。設(shè)雜波的多卜勒頻率dc=0, 則雜波輸出為零的條件為fiTr=n。由于遲延線遲延時(shí)間不準(zhǔn)確而為T(mén)r, 因而補(bǔ)償延遲誤差的辦法是使信號(hào)的中心頻率fi改變?yōu)閒i=fi+fi而滿足以下關(guān)系:,3. 正交雙通道處理(零中頻處理),圖 8.18 正交雙通道處理 (a) 原理框圖; (b) 矢量,零中頻處理的原理和優(yōu)點(diǎn)討論如下: 任一中頻實(shí)信號(hào)s(t)可以表示為,s(t) =a(t)cosit +(t),(8.3.9),其中，a(t)和(t)分別為信號(hào)的振幅和相位調(diào)制函數(shù)； 通常均用窄帶信號(hào), 因此a(t)和(t)與i相比，均是時(shí)間的慢變函數(shù)。信號(hào)可以用復(fù)數(shù)表示為,式中，u(t

51、)=a(t)ej(t)，稱(chēng)為復(fù)調(diào)制函數(shù), 它包含了信號(hào)s(t)中的全部信息, 即振幅調(diào)制和相位調(diào)制函數(shù)。以(t)=dt為例來(lái)看, 復(fù)調(diào)制函數(shù)u(t)=a(t)ejdt表示中頻信號(hào)附加的多卜勒頻率為正值, 可以從復(fù)調(diào)制函數(shù)的實(shí)部和虛部的相互關(guān)系中, 判斷頻率的正負(fù)值。,相位檢波器是將中頻信號(hào)s(t)與相參電壓差拍比較, 它的工作原理與混頻相同, 相參電壓類(lèi)似于混頻時(shí)的“本振”電壓。通常都選取相參振蕩的頻率和信號(hào)中頻相同, 因此，相位檢波器輸出的差拍為零, 稱(chēng)之為“零中頻”或“基頻”信號(hào)。相位檢波器雖然可以保留中頻信號(hào)的相位信息, 但是只用單路相位檢波器時(shí), 將原中頻信號(hào)在正頻率軸與負(fù)頻率軸上的頻

52、譜, 全部移到零頻率的位置上, 從而產(chǎn)生了頻譜折疊, 如圖8.4和圖8.19所示。 這時(shí)已不能保留復(fù)調(diào)制函數(shù)u(t)的全部信息。單路相位檢波器完成的作用是將信號(hào)s(t)與基準(zhǔn)電壓 cosit相乘,經(jīng)低通濾波器后, 取出前項(xiàng)緩變的低頻分量為,(8.3.11),例如，當(dāng)u(t)=a(t)ejdt時(shí), (1/4)u(t)+u*(t)= (1/2)a(t) cos dt， 是按多卜勒頻率變化的信號(hào), 但已不能區(qū)分頻率的正負(fù)值。 單路相位檢波所得u(t)+u*(t), 由于產(chǎn)生頻譜折疊, 復(fù)數(shù)譜正負(fù)頻率對(duì)稱(chēng)從而失去了復(fù)調(diào)制函數(shù)u(t)的某些特征。,圖8.19 單路和正交雙路處理的頻譜,要得到中頻信號(hào)s(

53、t)的全部信息, 應(yīng)能保證把復(fù)調(diào)制函數(shù)u(t)單獨(dú)取出來(lái)。這時(shí)的基本運(yùn)算是信號(hào)s(t)乘以復(fù)函數(shù)e-jit, 即得,(8.3.12),信號(hào)s(t)和復(fù)函數(shù)e-jit 相乘為,而,u(t) = a(t) cos (t) +ja(t) sin(t),這就要求正交雙通道處理, 一支路和基準(zhǔn)電壓cosit 進(jìn)行相位檢波, 稱(chēng)為同相支路I; 另一路和基準(zhǔn)電壓sinit進(jìn)行相位檢波, 得到正交支路Q(chēng), sinit 由cosit移相90得來(lái)。故輸出值分別為a(t)cos(t) 和a(t) sin (t)。如果要取振幅函數(shù)a(t)(中頻矢量值), 則同相和正交支路取平方和再開(kāi)方; 如果要判斷相位調(diào)制函數(shù)的正負(fù)

54、值, 則需比較I、Q兩支路的相對(duì)值來(lái)判斷。正交支路的輸出也可以重新恢復(fù)為中頻信號(hào)，如下所示：,即將零中頻的I .Q分量分別與正交中頻分量相重后組合即可。,8.4 回波和雜波的頻譜及動(dòng)目標(biāo)顯示濾波器,8.4.1 目標(biāo)回波和雜波的頻譜特性 1. 目標(biāo)回波的頻譜特性 雷達(dá)發(fā)射相參脈沖串, 其脈沖寬度為, 脈沖重復(fù)頻率為fr 。 當(dāng)天線不掃描而對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)時(shí), 所得脈沖為無(wú)限脈沖串。調(diào)制信號(hào)ui(t)及其頻譜U1(f)分別為,E為信號(hào)振幅。而高頻連續(xù)振蕩u2(t)及其頻譜U2(f)為,發(fā)射的相參脈沖串u(t) = u2(t)u1(t), 故其頻譜U(f)為,式中, 表示卷積。相參發(fā)射脈沖的頻譜是將U1(f

55、)搬到f0的位置上。雷達(dá)發(fā)射信號(hào)常用的是窄帶信號(hào), 故運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波頻譜的特征是將發(fā)射信號(hào)頻譜位置在頻率軸上平移一個(gè)多卜勒頻率fd =2vr/,fd的符號(hào)由目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的方向來(lái)決定。,雷達(dá)工作時(shí), 天線總是以各種方式進(jìn)行掃描。這時(shí)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(shè)天線方向圖可用高斯函數(shù)來(lái)表示, 則收到回波脈沖串的包絡(luò)函數(shù)可寫(xiě)為,(8.4.1),式中，是和天線波瓣寬度及掃描速度均有關(guān)的參數(shù)。減小, 表示觀察的時(shí)間增加。天線掃描時(shí)所收到的回波信號(hào), 可以用m(t)和無(wú)限脈沖串ur(t)的乘積表示，ur(t)為天線不掃描時(shí)的回波脈沖串, 即,um(t) = m(t)ur(t),(8.4

56、.2),而包絡(luò)函數(shù)m(t)的頻譜可求得為,(8.4.3),掃描時(shí)回波信號(hào)的頻譜Um(f)可用下式表示:,即無(wú)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8.20(b)、(c)所示。譜線展寬的程度反比于天線波束照射目標(biāo)的時(shí)間T 。已求出當(dāng)天線方向圖為高斯形時(shí)譜線展寬的均方值為,(8.4.4),圖 8.20 天線掃描條件下的回波信號(hào)譜 回波脈沖串包絡(luò)函數(shù)與頻譜; (b)、 (c)天線掃描時(shí)收到的回波及頻譜; (d) 回波視頻頻譜,2. 雜波頻譜 雷達(dá)工作時(shí)可能碰到的雜波, 包括地物、海浪、云雨及敵人施放的金屬箔等。除了孤立的建筑物等可認(rèn)為是固定點(diǎn)目標(biāo)外, 大多數(shù)雜波均屬于分

57、布雜波且包含內(nèi)部運(yùn)動(dòng)。 在上面討論信號(hào)頻譜時(shí)已包括對(duì)固定點(diǎn)雜波的頻譜的討論。 當(dāng)天線不掃描時(shí), 固定雜波的頻譜是位于nfr(n=0, 1, 2, )位置上的譜線, 用對(duì)消器可以全部濾去。當(dāng)天線掃描時(shí), 由于回波脈沖數(shù)有限, 將引起譜線的展寬。由于天線掃描而引起雙程天線方向圖對(duì)回波信號(hào)的調(diào)幅。這時(shí)，雜波譜展寬可用高斯函數(shù)表示為見(jiàn)(8.4.3)式,其中，s= 0.265fr/n, n為在單程天線方向圖三分貝寬度內(nèi)的脈沖數(shù)。設(shè)T為天線照射目標(biāo)的等效時(shí)間,則n=Tfr, 即s= 0265/T, 亦即s與目標(biāo)照射時(shí)間成反比。 大多數(shù)分布雜波的回波性質(zhì)比較復(fù)雜。在雷達(dá)的分辨單元內(nèi), 雷達(dá)所收到的回波是大量

58、獨(dú)立單元反射的合成, 它們之間具有相對(duì)的運(yùn)動(dòng), 其合成回波具有隨機(jī)的性質(zhì)。且由于雜波內(nèi)部的運(yùn)動(dòng), 各反射單元所反射的多卜勒頻率值不同, 這就引起回波譜的展寬。,圖8.21是典型雜波功率譜的一個(gè)例子。這些數(shù)據(jù)適用頻率為1000 MHz 。實(shí)驗(yàn)測(cè)定的雜波功率譜可以用下式近似表示:,(8.4.5),式中, W(f)為雜波功率譜; f0為雷達(dá)工作頻率; a為和雜波有關(guān)的參數(shù)。,圖中曲線: “1”密林小山, 風(fēng)速為200海里每小時(shí), a=2.31017; “2”稀少的小樹(shù)無(wú)風(fēng)日, a=3.91019; “3”海浪回波, 有風(fēng), a=1.411016; “4”云雨, a=2.81015; “5”錫箔片,

59、a=11016 。,圖8.21 各種典型雜波功率譜,雜波頻譜也可以用雜波頻率散布的均方根值c(Hz)或速度散布的均方根值v(m/s)來(lái)表示, 即,(8.4.6),與式(8.4.5)比較后可知: W0 =g02, a=c2/82v, 2c稱(chēng)為雜波功率譜方差。而c = 2v/, v的量綱與速度的相同。v的值只和雜波內(nèi)部起伏運(yùn)動(dòng)的程度有關(guān), 而和工作波長(zhǎng)無(wú)關(guān), 因而c是描述雜波內(nèi)部運(yùn)動(dòng)較好的方法。,表 8.1 雜波頻譜的標(biāo)準(zhǔn)偏差v,雷達(dá)設(shè)備的不穩(wěn)定也會(huì)使雜波功率譜展寬, 例如振蕩器頻率不穩(wěn)將使固定目標(biāo)回波展寬。 多種因素影響雜波譜的展寬。如果各項(xiàng)因素是互不相關(guān)的, 則雜波功率譜總的展寬可以用功率譜方差2表示,綜上所述, 當(dāng)雜波平均速度為零而只有內(nèi)部起伏時(shí), 雜波的頻譜位置在nfr上, 但每一根譜均展寬。如果雜波還有平均定向速度, 則其頻譜的位置將產(chǎn)生相應(yīng)的多卜勒頻移。,由于雜波譜線的展寬, 簡(jiǎn)單的一次對(duì)消濾波器將不能很好地濾去雜波, 需要進(jìn)一步改進(jìn)濾波器的特性。 特別是雜波具有多卜勒頻移時(shí), 濾波器的凹口還應(yīng)對(duì)準(zhǔn)雜波譜的平均多卜勒頻率位置才能收到預(yù)期結(jié)果。 雜波譜的展寬將明顯地影響動(dòng)目標(biāo)顯示系統(tǒng)的質(zhì)量, 因?yàn)闉V波器不僅要濾去雜波譜， 還應(yīng)保證運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波在盡可能大的速度范圍內(nèi)均有大的