动目标显示与动目标检测

6.5 动目标显示与动目标检测

引言

1.目标回波频谱

6.5.1 目标回波和杂波的频谱 2.杂波频谱

原理递归

传统非递归

6.5.2 MTI滤波器零点分配算法

滤波器设计优化预测误差算法

结语

原理

MTI+FFT

6.5.3 MTD滤波器滤波器设计点最佳

等间隔最佳

结语

6.5.4 改善因子分析MTI

MTD

6.5 动目标显示与动目标检测

雷达探测的运动目标如飞机，导弹，舰艇，车辆等周围存在各种背景，包括不动的地物和运动着的云雨，海浪或金属丝干扰等。动目标显示（Moving Target Indicator :MTI ）与动目标检测（Moving Target Detection: MTD ）就是使用各种滤波器，滤去这些背景产生的杂波而取出运动目标的回波。此外也可以通过把雷达安装在山上、增加雷达天线的倾角、安装防杂波网来阻止杂波进入天线；或通过调整雷达天线的波束形式、采用极化技术、降低雷达的分辨单元、在时域采用CFAR 检测、自适应门限、杂波图来抑制杂波。在频域上应用MTI 与MTD 技术可以提高信杂比，改善杂波背景下检测运动目标的能力。本节首先分析目标回波和杂波的频谱特性；然后分别讨论MTI 与MTD 原理及滤波器设计方法；最后分析MTI 与MTD 对改善因子的提高。

6.5.1 目标回波和杂波的频谱

运动目标回波和杂波在频谱结构上有所差别，运动目标检测就是利用这种差别，从频率上将它们区分，以达到抑制杂波而显示目标回波的目的。为此，应首先弄清楚目标和杂波的回波的特性。 (1) 目标回波的频谱

雷达发射相参脉冲串，其脉冲宽度为e T ，脉冲重复频率为r f 。当天线不扫描而对准目标时，所得脉冲为无限脉冲串。调制信号)(1t u 及其频谱)(1f U 分别为

∑∞-∞=⎪⎪⎭

⎫

⎝

⎛-=n e r

T

nT t rect A t u )(1 (6.5.1)

∑∞

-∞

=-=n r e e r e f n f T f T f T AT f U )()sin()(1δππ (6.5.2)

A 为信号振幅。而高频载波)(2t u 及其频谱)(2f U 为

t t u 02cos )(ω= (6.5.3)

)]()([2

1

)(002f f f f f U ++-=δδ (6.5.4)

发射的相参脉冲串)()()(21t u t u t u ∙=，故其频谱)(f U 为

)()()(21f U f U f U ⊗= (6.5.5)

A

(d)

00

00f τ

-

0f τ

+

f

τ

-+

0f τ

-

f τ

-+0d τ

0d τ

(b)

(a)

固定回波频谱

动目标回波频谱

图6.5.1 发射接收信号时域与频域特性

雷达发射信号通常是窄带信号(如图6.5.1(a))，因而运动目标回波频谱的特征是将发射信号的频谱位置在频率轴上平移一个多普勒频率

λ

r

d v f 2=

(如图6.5.1(c))，d f 的符号由目标运动的方向决定，靠近为正，远离为负。固定回波的频谱与发射信号一致，只是幅度有衰减(如

图6.5.1(b))。

多普勒频率d f 可以直观地解释为：振荡源发射的电磁波以恒速c 传播，当接收者相对振荡源不动，则它的接收频率等于发射频率。当

接收者与振荡源之间有相对接近的运动时，则它接收电磁波的频率大于振荡源发射频率，当两者背向运动时，结果相反。运动目标与雷达有相对运动，所以存在多普勒频率d f 。定义固定回波的波程为02R ，0R 为雷达到目标的距离，则回波到达雷达的时间为0

2R c

；由于运动目标与雷达有相对运动，其波程为02()R R -∆，时间为

02()

R R c

-∆。

雷达工作时，天线以各种方式进行扫描，这时收到的回波脉冲为有限数，且其振幅受天线方向图调制。设天线方向图可用高斯函数来表示，则收到的回波脉冲串的包络函数可写为

()2222ex p 2)(t t m σπσπ-= (6.5.6)

σ是和天线波瓣宽度及扫描速度有关的参数。σ减小，表示观察时间增加。

天线扫描时收到的回波信号，可以用)(t m 和无限脉冲串)(t u r 的乘积表示。)(t u r 为天线不扫描时的回波脉冲串，即

)()()(t u t m t u r m = (6.5.7)

其包络函数)(t m 的频谱为

2

2

2)(σf

e f M -=

(6.5.8)

图6.5.2 天线扫描条件下回波频谱

天线扫描时回波信号的频谱）f U m (为

)()()(f U f M f U r m ⊗= (6.5.9)

即无限回波脉冲串频谱)(f U r 的每一根谱线均按)(f M 的形状展宽(如图6.5.1(d))。谱线展宽的程度反比于天线波束照射目标的时间θT 。已求出当天线方向图为高斯形时谱线展宽的均方值为

n

f T r

s 265.0265.0==

θσ (6.5.10)

式中：r f 为雷达重复频率，n 为在单程天线方向图3dB 宽度内收到的脉冲数。中频回波信号经过相位检波器后，相当于把中频信号的频谱搬移到零频率附近，根据目标多普勒频移d f 的不同，相位检波后谱线d r f f n ±的具体位置也有差异，每根谱线均按脉冲串包络的频谱形状展宽。

⑵ 杂波频谱

对于固定点杂波，当天线不扫描时，固定杂波的频谱是位于r f n 上的谱线，可以用对消器全部滤去。当天线扫描时，由于回波数目有限，谱线将展宽。由于天线扫描引起双程天线方向图对回波信号调幅，杂波谱展宽可用高斯函数表示为

2

2

20)(s

f

e G

f G σ-= (6.5.11)

其中n s 265.0=σ，n 为在单程天线方向图3dB 宽度内的脉冲数。设θT 为天线照射目标的等效时间，则r f T n θ=，即θσT s 265.0=，即

s σ与目标照射时间成正比。

杂波信号的功率谱的实验公式可近似为

⎥⎥⎦

⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-==202

2exp )()(f f a g f g f W (6.5.12)