现代雷达系统分析与设计(陈伯孝)第6章ppt课件

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图6.4 机载雷达下视模式的主波束杂波区
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图6.5 辐射区的概念
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由图6.5知，杂波区域的面积Ac
雷达从该杂波区接收到的杂波功率是
(6.2.7)
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(6.2.8)
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其中，Pt是峰值发射功率，G是天线增益，λ是波长，σc ＝σ0Ac为该杂波的RCS，下标c表示区域杂波。而从该区域接 收到一个RCS为σt的目标的回波功率为
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6.2 雷达杂波
杂波被用来描述这样一类物体，即能够产生干扰雷达正 常工作的非期望信号的雷达回波。通过天线主瓣进入雷达的 寄生回波称为主瓣杂波，否则称为旁瓣杂波。
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杂波通常分为两大类：面杂波和体杂波。面杂波包括树木、 植被、地表、人造建筑及海表面等散射的回波。体杂波通常 指具有较大范围(尺寸)的云雨、鸟及昆虫等，一般教科书上 也将金属箔条看做体杂波。
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图6.7 地基雷达杂波几何图(侧视图和下视图)
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由图6.7可以导出如下关系：
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(6.2.12) (6.2.13) (6.2.14)
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其中，ΔR是雷达距离分辨率，斜距R在地面的投影为
(6.2.15) 因此，主瓣和旁瓣对应的杂波区的面积为
(6.2.16)
雷达的杂噪比CNR为
(6.2.23)
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［例6-2］ MATLAB函数“clutter_rcs.m”：画出杂波 RCS和CNR与雷达斜距之间的关系图，其输出包括杂波 RCS(dBsm)和CNR(dB)。函数调用如下：
function ［sigmaC，CNR］＝clutter_rcs(sigma0，thetaE， thetaA，SL，range，hr，ht，pt，f0，b，t0，F，L，ant_id)其 中，各参数定义如表6.1所述。
(6.2.9) 将式(6.2.9)除以式(6.2.8)就可以得到该距离单元的信杂 比为
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(6.2.10)
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［例6-1］ 考虑如图6.4所示的机载雷达。假设天线3 dB波 束宽度为0.02 rad，脉冲宽度为2 μs，目标距离为20 km，斜 视角为20°，目标RCS为1 m2，并且假设杂波反射系数σ0＝ 0.0136m2m2。计算信杂比SCR。
(6.2.5) 以海杂波为例，在不同海情下表面高度起伏的均方根 值可近似为
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(6.2.6)
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其中，Sstate为海情，海情包括海浪高度、周期、长度、 海流速度和风速等。例如，Sstate＝3表示中等海情，在这种海 情下，浪高大约在0.9144~1.2192 m，海浪的周期为6.5~4.5 s， 波浪的长度为1.9812~33.528 m，浪速为20.372~25.928 kmh， 风速为22.224~29.632 kmh。
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图6.2 杂波散射系数与擦地角的关系示意图
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低擦地角的范围从0到临界角附近。临界角是由瑞利 (Rayleigh)定义为这样的一个角度：低于此角的表面被认为是 光滑的；高于此角的表面即可认为是粗糙的；在高擦地角区， σ0随擦地角增大的变化较大。设表面高度起伏的均方根值为 hrms，根据瑞利准则，当式(6.2.2)满足时可认为表面是平坦的， 即
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雷达要探测的目标通常是运动着的物体，例如空中的飞 机和导弹、海上的舰艇、地面的车辆等。但在目标的周围经 常存在着各种背景，例如各种地物、云雨、海浪、地面的车 辆、空中的鸟群等。这些背景可能是完全不动的，如山和建 筑物；也可能是缓慢运动的，如有风时的海浪、地面的树木 和植被、鸟群的迁徙等，一般来说，其运动速度较慢。这些 背景所产生的回波称为杂波(有的教科书上也称为无源干扰或 消极干扰)。杂波和运动目标回波在雷达显示器上同时显示时， 由于杂波功率太强而难以观测到目标。
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(6.2.2)
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假设电磁波入射到粗糙表面时，如图6.3所示。由于表 面高度的起伏(表面粗糙度)，“粗糙”路径的距离要比“平
坦”路径长2hrmssinψg，这种路径上的差异转化成相位差Δj，
即
当Δj＝π(第一个零点)，临界角ψgc
(6.2.3)
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(6.2.4) 17
或者等价地，
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杂波的平均RCS由下式给出
(6.2.1) 其中，σ0(m2m2)为杂波散射系数，为一个无量纲的标量， 通常以dB表示。实际上，散射系数与雷达系统参数(波长、极 化、照射区域和照射方向)有关，对于地杂波还与地表面的形 状、表面粗糙度、表层或覆盖层(趋肤深度之内)的复介电常 数不均匀等地面实际参数有关，对于海杂波还与风速、风向 和海面蒸发等参数有关。它的变化十分复杂，实际测量获得 的曲线很少和理想曲线一样。
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(2)通过调整雷达天线的波束形式、降低雷达的分辨单元 大小，从而减小杂波的功率；
(3)在时域采用CFAR检测、杂波图来抑制杂波； (4)在频域应用MTI、MTD技术，抑制杂波的功率，提高 信杂比； (5)地面雷达在低重频工作时，在接收机内采用STC抑制 近程杂波(但是中、高重频时不能采用)。
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图6.3 粗糙表面的定义
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在低擦地角的杂波一般称为漫散射杂波，在此区域的雷 达波束内有大量的杂波回波(非相干反射)。在平坦区域，σ0和 擦地角的依赖关系较小；而在高擦地角区域，杂波更多的是 镜面反射(相干反射)，此时漫散射杂波成分消失，这与低擦 地角情形正好相反。
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图6.6 地基雷达杂波几何关系图
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为了计算式(6.2.11)给出的总的杂波的RCS，首先需要分 别计算主瓣和旁瓣对应的杂波区域的面积。为了便于计算， 设几何关系如图6.7所示。角度θA和θE分别表示方位和垂直维 的3 dB波束宽度；雷达高度(从地面到天线相位中心)由hr表示， 目标高度由ht表示；目标斜距是R，其在地面上的投影为Rg； 距离分辨率是ΔR，其在地面的投影为ΔRg；主瓣杂波区的面 积由AMBc表示，旁瓣杂波区的面积由ASLc表示。
第6章 杂波与杂波抑制
➢ 6.1 概述 ➢ 6.2 雷达杂波 ➢ 6.3 MTI/MTD性能指标 ➢ 6.4 动目标显示(MTI) ➢ 6.5 动目标检测(MTD) ➢ 6.6 杂波自适应控制 ➢ 6.7 本章MATLAB程序及函数清单
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6.1 概 述
雷达工程师常用术语“杂波”表示自然环境中客观存在 的不需要的回波。通常杂波的功率比目标回波强得多，“扰 乱了”雷达工作，使得对目标回波的检测困难。杂波包括来 自地面及地面建筑物体、海洋、天气(特别是雨)、鸟群，以 及昆虫等的回波。
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本章首先介绍杂波的类型及其特征；然后主要介绍抑制 杂波的MTI滤波器的设计方法；对于气象杂波，介绍杂波图 的建立和自适应MTI滤波器的设计方法；介绍多种MTD滤波 器的设计方法，并分析杂波抑制的性能；针对慢速目标介绍 零多普勒处理方法；最后给出杂波产生、滤波器设计等的 MATLAB仿真程序。
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(6.2.17)
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假设雷达天线波束方向图函数G(θ)为高斯型Байду номын сангаас即
(6.2.18) 此时主瓣杂波和旁瓣杂波的RCS分别为
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(6.2.19)
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和
(6.2.20) 其中，SLrms为天线旁瓣电平的均方根值。
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最后，为了说明杂波RCS与距离之间的变化关系，可以 把总的杂波RCS作为距离的函数来计算，由式(6.2.21)给出
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如果目标处在杂波背景内，弱的目标淹没在强杂波中，发现 目标十分困难，即使目标不在杂波背景内，要在成片的杂波 中很快地分辨出运动目标也是十分不容易的。
区分运动目标和固定杂波的基础是它们在速度上的差别。 其机理是利用目标回波和杂波相对雷达运动速度不同而引起 的多普勒差异，通过滤波来抑制掉杂波信号，常用方法是动 目标显示(Moving Target Indicator，MTI)和动目标检测 (Moving Target Detection，MTD)。
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6.2.1 面杂波
面杂波包括地杂波和海杂波，又被称为区域杂波。在机 载雷达下视模式下，区域杂波会十分明显。对于地基雷达， 当搜索低擦地角目标时，杂波是影响目标检测的主要因素。 擦地角ψg是地表与波束中心之间的夹角，如图6.1所示。
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图6.1 擦地角的定义
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雷达在动目标显示和动目标检测过程中可以使用多种滤波器 滤除固定杂波而取出运动目标的回波，从而大大改善了在杂 波背景下检测运动目标的能力，并且提高了雷达的抗干扰能 力。
为了减少接收的雷达回波中的杂波分量，采用的主要措 施有：
(1)把雷达安装在山上，增加雷达天线的倾角，安装防杂 波网来阻止杂波进入天线；
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表6.1 clutter_rcs.m参数定义
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使用表6.1中参数设置，可以得到图6.8所示的杂波RCS和 CNR与斜距的关系图。注意，在对应于主瓣与第一旁瓣间零 点的擦地角，在非常近的距离会在杂波RCS上产生凹陷(dip)。
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图6.8 杂波RCS和CNR与斜距的关系图
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1.机载雷达区域杂波的雷达方程
考虑如图6.4所示的下视模式下的机载雷达。天线波束与 地面相交的区域形成了一个椭圆形状的“辐射区”。辐射区 的大小是关于擦地角和3 dB波束宽度θ3dB的函数，如图6.5所 示。辐射区被分为多个地面距离单元，每个单元的长度为
即一个距离单元在地面的投影，这里c是 光速，τ是脉冲宽度或脉压后的脉冲宽度。
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6.2.2 体杂波
体杂波具有较大的范围，包括云雨、金属箔条、鸟群和 昆虫等的散射回波。体杂波散射系数通常用单位体积分辨单 元内的RCS平方米的dB数表示(dBm2m3)。鸟、昆虫及其它飞 行生物的回波被称为仙波(angel clutter)或生物杂波(biological clutter)。
杂波是随机的，并具有类似热噪声的特性，因为单个的 杂波成分(散射体)具有随机的相位和幅度。在很多情况下， 杂波信号强度要比接收机内部噪声强度大得多。
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因此，雷达在强杂波背景下检测目标的能力主要取决于信杂 比，而不是信噪比。
白噪声通常在所有雷达距离单元内产生等强度的噪声功 率，而杂波功率可能在一个距离单元内发生变化。杂波与雷 达目标回波相似，与雷达利用目标的散射截面积σt来描述目 标回波功率类似，杂波功率也可以利用杂波散射截面积σc来 描述。杂波的散射截面积定义为由杂波区(面积为Ac)反射造 成的等效散射截面积。
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影响雷达杂波散射系数的因素主要有：擦地角、表面粗 糙度及其散射特性、雷达波长。一般来说，波长越短，杂波 散射系数σ0越大。σ0与擦地角有关，图6.2描述了σ0与擦地角 的关系示意图。根据擦地角的大小分为三个区域：低擦地角 区、平坦区和高擦地角区。低擦地角区又称干涉区，在这个 区域一般情况下散射系数随着擦地角的增加而迅速增加。在 平坦区，杂波变化基本是缓慢的，以非相干散射为主，散射 系数随擦地角的变化较小。高擦地角区，也称为准镜面反射 区。该区域以相干的镜向反射为主，散射系数随擦地角增大 而快速增大，并且与地面的状况(如粗糙度和介电常数)等特 性有关。
(6.2.21)
其中，Rh是雷达到地平面的视线距离， 为地球等效半径。
根据雷达方程，在距离为R处的目标，雷达SNR为
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(6.2.22)
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其中，Pt是峰值发射功率，G是天线增益，λ是波长，σt 是目标RCS，k是波尔兹曼常数，T0是标准噪声温度，B是雷 达工作带宽，F是噪声系数，L是总的雷达损耗。
解 由式(6.2.10)知，SCR为(SCR)c＝
因此，为了可靠地检测目标，雷达应该增加其SCR至少到(32 ＋X)dB，其中X值一般为13 dB至15 dB，或者更高的量级。
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2.地基雷达区域杂波的雷达方程
地基雷达的杂波包括从主瓣和旁瓣进入的杂波，因此 RCS的计算可描述为
(6.2.11) 其中，σMBc是主瓣杂波RCS，σSLc是旁瓣杂波RCS，如图 6.6所示。