经典雷达第章动目标显示mti雷达
经典雷达资料-第16章 机载动目标显示(AMTI)雷达-1
第16章机载动目标显示（AMTI）雷达FRED M. STAUDAHER16.1 采用AMTI技术的系统机载搜索雷达最初是为远程侦察机探测舰艇研制的。
第二次世界大战后期，美海军研制了几种机载预警（AEW）雷达，用来探测从舰艇雷达天线威力区之下飞近特遣舰队的低空飞机。
在增大对空和对海面目标的最大检测距离方面，机载雷达的优点是显而易见的，只要了解下述情况就很清楚了，高度为100ft的天线桅杆，其雷达视线距离只有12n mile，而与其相比，飞机高度为10 000ft时，雷达视线距离则为123n mile。
神风突击队袭击造成多艘哨舰的损失引起了机载自主探测与控制站的设想，后来这种系统发展成为一种用于洲际防空的边界巡逻机。
E—2C航空母舰舰载飞机（如图16.1所示）使用机载预警雷达作为其机载战术数据系统中的主要传感器。
这种雷达的视界很宽，用于检测海杂波和地杂波背景中的小飞机目标。
由于其首要的任务是检测低空飞行的飞机，因此这种雷达就不能靠抬高天线波束的仰角来消除杂波。
AMTI雷达系统就是在这种情况下发展起来的[1]~[3]，与前一章中探讨的地面雷达的MTI 系统相似[1][4]~[6]。
图16.1 带有旋转天线罩的E—2C空中预警机在截击机火炮控制系统中，AMTI雷达系统还可用来捕捉和跟踪目标。
在这种场合中，雷达仅需抑制指定目标附近的杂波。
因此，在目标所处的距离和角度扇形区内可将雷达优化到最佳状态。
MTI系统也可以装在侦察机或战术歼击-轰炸机上用来检测地面运动的车辆。
由于目标速度低，因而采用较高的雷达频率以获得大的多普勒频移。
因为背景杂波通常很强，故这些雷达能够有效地采用非相参MTI技术。
高空、高机动、高速度的环境条件及尺寸、重量、功耗的限制给AMTI雷达设计者带来了一系列的特殊问题。
本章将专门探讨机载条件下如何处理这些特殊问题。
第16章机载动目标显示（AMTI）雷达·637·16.2 覆盖范围的考虑搜索雷达一般要求有360︒方位角覆盖。
MTI动目标显示雷达
样，取样后的波形和频谱均将发生变化。
动目标显示雷达的工作原理及主要组成
当用多普勒效应来鉴别运动目标回波和固定目标回波时， 与普通脉冲雷 达的差别是必须在相位检波器的输入端加上基准电压（或称相参电压） ，该 电压应和发射信号频率相参并保存发射信号的初相， 且在整个接收信号期间 连续存在。 工程上，基准电压的频率常选在中频（相位检波器的相位基准） 。各种 回波信号均与基准电压比较相位。从相位检波器输出的视频脉冲，有固定目 标的等幅脉冲串和运动目标的调幅脉冲串。通常在送到终端（显示器或数据 处理系统）去之前要将固定杂波消去，故要采用相消设备或杂波滤波器，滤 去杂波干扰而保存运动目标信息。 下面着重讨论相参电压的获取和固定杂波 消除这两个特殊问题。
脉冲工作状态时的多普勒效应 盲速和频闪
盲速：是指目标虽然有一定的径向速度������������ ，但若其回波信号经过相位检 波器后，输出为一串等幅脉冲，与固定目标的回波相同，此时的运动速度称 为盲速。 （������������ 等于脉冲重复频率������������ 的整数倍） 频闪： 频闪效应是指当脉冲工作状态时，相位检波器输出端回波脉冲信 号的包络调制频率������������ ，与目标运动的径向速度������������ 不再保持正比关系。此时如 用包络调制频率测速时将产生测速模糊。 （即������������ 超过重复频率������������ 的一半） 产生盲速和频闪效应的基本原因在于， 脉冲工作状态是对连续发射的取
2.消除固定目标回波
在相位检波器输出端， 固定目标的回波是一串振幅不变的脉冲，而运动 目标的回波是一串振幅调制的脉冲。将它们加到偏转调制显示器上，固定目 标的回波是振幅稳定的脉冲，而运动目标的回波呈现上下“跳动”的“蝴蝶 效应” 。 可以根据这种波形特点， 在偏转显示器上区分固定目标与运动目标。 如果要把回波信号加到亮度调制显示器或终端数据处理设备， 则必须先消除 固定目标回波。 最直观的一种办法是将相邻重复周期的信号相减，使固定目 标回波由于振幅不变而相互抵消； 运动目标回波相减后剩下相邻重复周期振 幅变化的部分输出。 A. 相消设备特性 相消设备等效于一个梳齿形滤波器，其频率特性在������ = ������������ ������ 各点均为零。 固定目标频谱的特点是，谱线位于������������������ 点上，因而在理想情况下，通过相消 器这样的梳齿滤波器后输出为零。 但当目标的多普勒频率为重复频率整数倍 时，其频谱结构也有相同的特点，故通过上述梳状滤波器后无输出。 B. 数字相消器 相消器需要迟延线将信号迟延一个脉冲重复周期并和未迟延的信号相 减。 现代大规模的集成电路的迅猛发展，可完全用数字技术来实现信号的存 储、延时和各种实时运算。 首先把从相位检波器输出的模拟信号变为数字信号。 以时钟脉冲控制取 样保持电路对输入相参视频信号取样， 被时间量化的取样保持信号送到模数 转换电路（A/D 变换器）进行幅度分层，转为数字信号输出。数字信号的延 迟可用存储器完成， 将数字信号按取样顺序写入存储器内，当下一个重复周 期的数字信号到来时， 由存储器中都会出同一距离单元的信号进行相减运算， 在输出端得到跨周期相消的数字信号。 一般取样间隔应小于脉冲宽度的一半， 即在一个脉冲宽度以内取样两次 以上。A/D 变换器的量化位数 N 应选到 N≥7 后，量化损失低于 0.08dB，可 以忽略其影响。N 的选择还对系统改善因子有影响。
经典雷达资料-第15章 动目标显示(MTI)雷达-1
第15章动目标显示（MTI）雷达Willian W.ShraderV.Gregers-Hansen15.1 引言MTI雷达的用途是抑制来自建筑物、山、树、海和雨之类的固定或慢动的无用目标信号，并且能检测或显示飞机之类的运动目标信号。
图15.1是两张平面位置显示器（PPI）的照片，表明了一部正常工作的MTI雷达的效果。
从中心亮点到平面位置显示器的最边缘为40n mile，距离刻度环间距为10 n mile。
其中，左图是正常的视频显示，显示了固定的目标回波；右图是MTI雷达抑制杂波的照片，在天线扫描3次的时间内，照相机快门始终是打开的，因此飞机目标呈现连续的3个回波。
图15.1 MTI系统的效果这两张照片显示了MTI系统的效果。
在天线连续转3圈时，由于照相机的快门一直是打开的，所以在右面的照片上，飞机看起来就是相邻的3个亮点。
PPI的量程是40 n mile。
MTI雷达利用动目标回波的多普勒频移来区分动目标和固定目标。
在脉冲雷达系统中，这一多普勒频移表现为相继返回的雷达脉冲间回波信号的相位变化。
假设雷达所辐射的射频脉冲能量被一幢楼房和飞向雷达站的一架飞机所反射。
反射回波需经一定的时间方能返回雷达。
雷达又发射第二个射频脉冲，楼房反射的回波信号仍将经历完全相同的时间后返回。
但雷达手册²576²是从飞机反射回的信号所经历的时间却稍微少一些，这是因为在两个发射脉冲之间，飞机已向雷达的方向靠近了一段距离。
回波信号返回雷达所需的准确时间并不重要，但脉冲间时间是否变化却很重要。
时间的变化（对飞机目标而言，数量级为几个毫微秒）可以用回波信号的相位与雷达基准振荡器相位之间加以比较来确定。
如目标在脉冲间发生移动，则回波脉冲的相位就会发生变化。
图15.2是一种相参MTI雷达的简化框图。
射频振荡器向发射脉冲的脉冲放大器馈送能量。
同时，射频振荡器还用做确定回波信号相位的相位基准。
在发射脉冲的间隔时间内，相位信息储存在脉冲重复间隔（PRI）存储器中，并且还与前一个发射脉冲的相位信息相减。
经典雷达资料-第15章 动目标显示(MTI)雷达-5
经过修正的相位噪声谱密度如图15.48所示。
相对于载波，总噪声功率可由曲线下面的噪声功率积分来决定。
每段功率谱密度随频率变化的方程为图15.46 微波振荡器的单边带相位噪声谱密度和有效噪声密度图15.47 基于系统参数对微波振荡器相位噪声的修正（系统参数见书中内容）雷 达 手 册·576·图15.48 组合修正和修正后的相位噪声谱密度⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⨯=)lg(101110)(f f f p f p 斜率 （15.28）式中，P f 1为在f 1的功率谱密度，单位是W/Hz （为方便起见，载波功率假设为1W ）；“斜率”为该段的斜率，单位是dB/10倍频程；f 1为P f 1处的频率。
对于具有恒定斜率的的每段频谱而言，该方程可以用Vigneri 方法[31]或用带积分功能的计算器（如Hewlett Packard HP-15C ）求积分运算。
表15.3给出这个例子的积分结果。
注意：假设条件是载波功率为1W ，如-149.4dBc/Hz 变成1.148×10-15W/Hz ，则在所有段计算积分功率时，先对它们求和，然后转化为dBc 。
最终结果-66.37dBc 就是由振荡器噪声导致的对改善因子I 的限制。
对I SCR （dB ）的极限是I （dB ）加上目标积累增益（dB ）。
表15.3 用图15.47进行校正的如图15.46所示的相位噪声谱密度积分值发射脉冲的时间抖动会使MTI 系统的性能变坏。
时间抖动会使脉冲的前沿及后沿对消失败，而每一个未被对消的部分的幅度为∆t /τ。
这里，∆t 为抖动时间；τ为发射脉冲宽度。
总的剩余功率为2(∆t /τ)2，因此，由于时间抖动对改善因子所产生的限制为)]2/(lg[20t I ∆=τ(dB)。
第15章 动目标显示（MTI ）雷达·577·对改善因子的这种限制是根据非编码发射脉冲并假定接收机带宽与发射脉冲持续时间相匹配得出的。
MTI雷达知识
MTI雷达知识MTI 雷达的目的是抑制来自建筑、山、树、海和雨等固定或慢动的无用目标信号，并保留对如飞机等运动目标信号的检测或显示。
MTI 雷达利用动目标带给回波的多普勒频移来区分动目标和固定目标。
在脉冲雷达系统中，这种多普勒频移表现为相继返回的雷达脉冲间回波信号的相位变化。
假设雷达所辐射的射频脉冲能量被一幢楼房（固定目标）和飞向雷达的一架飞机（动目标）所反射。
反射回波脉冲需经一定的时间方能返回雷达。
雷达再次发射第二个射频脉冲，楼房反射的回波信号仍将经历完全相同的时间后返回。
但是从运动的飞机反射回的信号返回所经历的时间却稍微少一些，因为在两个发射脉冲之间，飞机已向雷达的方向靠近了一段距离。
时间的变化（对飞机目标而言，数量级为几毫微秒）可以用回波信号的相位与雷达基准振荡器相位之间的比较来确定。
如果目标在脉冲间发生移动，则回波脉冲的相位就会发生变化。
如下图所示。
图源自网络下图是一种相干MTI 雷达的简化框图。
射频振荡器向发射脉冲的脉冲放大器馈送信号。
同时，射频振荡器还用作确定回波信号相位的相位基准。
在发射脉冲的间隔时间内，相位信息存储在脉冲重复间隔（PRI）存储器中，并且和当前一个接收脉冲的相位信息相减。
只有当回波信号为动目标回波时，减法器才有输出。
下图是一幅完整的 MTI 雷达方框图。
当该雷达工作在 L 或 S 波段，典型脉冲间隔为1～3ms，采用真空管放大器，如速调管时脉宽为几微秒；当使用固态发射机时，为进行脉冲压缩，脉宽为几十微秒。
接收信号由低噪声放大器（LNA）放大，然后通过与稳定本振混频经一个或多个中频（IF）下变频。
接收机输出端接中频带通限幅器保护后面的 A／D 转换器，并防止 A／D饱和。
在早期 MTI 系统中，中频限幅器起到限制动态范围以降低MTI输出杂波残留的目的。
接收信号然后通过A／D 转换器转换成同相和正交分量（I 和 Q），方法是使用一对相位检测器或直接采样。
同相分量（I）和正交分量（Q）输出是中频信号幅度和相位的函数，过去称为双极性视频，但更确切的说法是接收信号的复包络。
活动目标指示(MTI)雷达
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雷达系统导论4讲解
雷达系统导论4四、动目标显示MTI(Moving Target Indicator)、脉冲多普勒雷达PD(Pulsed Doppler)按照《电气与电子工程师协会(IEEE)标准雷达定义》，多普勒雷达是一种利用多普勒效应来确定雷达—目标相对速度径向分量或选择具有径向速度目标的雷达[31]。
脉冲多普勒雷达：采用脉冲方式发射的多普勒雷达。
动目标显示：为增强检测并显示运动目标的一种技术。
共同特点：利用多普勒效应从与目标竞争的、多余的回波即所谓杂波中分离出小的运动目标，杂波是从地面、海、雨和其它流体、箔条、鸟类、昆虫以及极光反射得到的典型回波。
主要区别：《雷达系统导论》认为MTI、PD雷达的区别是它们在脉冲雷达系统中多普勒频移(相对速度)、距离(时延)测量模糊度上的差异。
用低脉冲重复频率(PRF)可以克服距离模糊，用高PRF可克服多普勒频率模糊，但一般难以同时克服两种模糊。
通常MTI雷达的PRF选得较低，以便能克服距离模糊(即没有多次回波)，但频率测量是模糊的并导致了盲速。
而PD雷达具有高的PRF，能克服盲速但存在距离模糊[3]p117~118。
《动目标显示和脉冲多普勒雷达》则认为MTI和PD雷达的区别不在于用低的、中等的或高的PRF，而在于MTI雷达是一个通带—阻带滤波器，而PD雷达是用一组相参积累滤波器。
因此有中PRF的MTI系统、低PRF的PD系统(如动目标检测器MTD)[31]p2。
MTI雷达利用一个梳状滤波器来消除杂波，滤波器的阻带设置在强杂波集中的范围上，而运动目标则通过杂波不占据的那些速度范围。
由于固定目标杂波背景的复杂性，MTI技术抑制地物杂波的能力往往受到限制，达不到对动目标检测的最佳效果。
PD雷达是分辨和增强在一个特定速度带内的目标，同时抑制掉杂波和感兴趣速度带外的其它回波，通常采用一个覆盖所感兴趣速度范围的、与目标响应匹配的相邻多普勒滤波器组，其作用是相对噪声而言相参地积累目标回波。
MIMO雷达的MTI处理及性能分析
MIMO雷达的MTI处理及性能分析MIMO(多输入多输出)雷达的MTI(移动目标指示)处理是利用MIMO雷达系统的多通道接收信号，在时域上实现目标速度信息的提取与处理。
MTI处理是雷达系统中常用的一种信号处理技术，主要用于探测和追踪移动目标。
MIMO雷达系统在传统雷达系统的基础上增加了多个发射和接收天线，可以提供更高的波束形成能力和灵敏度，从而可以更好地满足对目标的探测和跟踪要求。
在MTI处理中，MIMO雷达系统通过对多通道接收信号进行时延和相位差分处理，可以提取出目标的速度信息。
MTI处理主要包括以下几个步骤：1.零多普勒频移：利用多通道接收信号的相位差分，对雷达回波信号进行零多普勒频移。
这可以去除地物回波信号的零频偏移，突出移动目标信号。
2.时域滤波：对零多普勒频移后的信号进行时域滤波处理，以去除不感兴趣的杂波干扰。
常用的时域滤波方法包括矩形窗滤波、哈希窗滤波等。
3.目标检测：对滤波后的信号进行目标检测，以确定目标的存在与位置。
4.目标速度估计：利用多通道接收信号的相位差分，可以提取出目标的相对速度信息。
通过测量不同通道的相位差分，可以估计出目标的速度值。
MIMO雷达的MTI处理可以提供更准确和可靠的目标速度信息，有助于实现对多种目标的高效探测和追踪。
MIMO雷达系统的多通道接收可以提供更多的信息，增强相位差分的可观测性。
同时，MIMO雷达系统的波束形成能力和灵敏度也得到了提高，可以更好地抑制非移动目标干扰。
性能分析方面，主要从以下几个方面进行评估：1.目标探测概率：指MIMO雷达系统对目标的探测能力。
通过统计分析目标存在时系统的虚警概率和正确检测概率，可以评估系统的目标探测性能。
2.距离测量精度：指MIMO雷达系统对目标距离的测量精度。
通过统计分析目标距离的测量误差，可以评估系统的距离测量性能。
3.速度测量精度：指MIMO雷达系统对目标速度的测量精度。
通过统计分析目标速度的测量误差，可以评估系统的速度测量性能。
多速率 毫米波雷达信号处理
多速率毫米波雷达信号处理
多速率毫米波雷达信号处理是指对毫米波雷达采集到的回波信号进行处理，以提取出目标的速度等信息。
以下是一些常见的多速率毫米波雷达信号处理算法：
- 静态杂波滤除算法：
- 零速通道置零法：在2D-FFT（速度维FFT）后直接将R-V谱矩阵（RD图）速度通道中的零速通道或零速附近通道置零，此操作可使静止目标或者低速目标从R-V谱矩阵中消失。
- 动目标显示（MTI）：利用杂波抑制滤波器来抑制杂波，提高雷达信号的信杂比，以利于运动目标检测的技术。
由于杂波谱通常集中在直流分量和雷达重复频率的整数倍处，而MTI滤波器利用杂波与运动目标的多普勒频率的差异，使得滤波器的频率响应在直流和PRF （脉冲重复频率）的整数倍处具有较深的阻带，而在其他频点的抑制较弱，从而通过较深的“凹口”抑制静止目标和静物杂波。
- 相量均值相消算法（平均相消算法）：核心思想是求均值做差，静止目标到雷达天线的距离是不变的，每一束接收脉冲上静止目标的时延也是不变的，对所有接收脉冲求平均就可以得到参考的接收脉冲，然后用每一束接收脉冲减去参考接收脉冲就可以得到目标回波信号。
不同的多速率毫米波雷达信号处理算法适用于不同的应用场景和数据类型，在选择合适的算法时，需要考虑目标的运动状态、杂波环境以
及算法的计算复杂度等因素。
经典雷达资料-第15章动目标显示（MTI）雷达-3
经典雷达资料-第15章动目标显示（MTI）雷达-3图15.24显示了反馈对改善因子I的影响。
这些曲线是在假设天线的方向图只取(sin U)/U第一对零点之间的曲线情况下计算出的。
图示的无反馈的几条曲线与如图15.12所示显示的具有高斯形状方向图的理论曲线几乎完全相同（说明反馈对三路延迟对消器影响是一条曲线而不是直线，这是因为在3个零点中，已有两个零点不在原点上，并且根据波束宽度内有14个脉冲的实际情况，它们已沿单位圆移动了最佳量。
因此，当波束宽度内有40个脉冲时，这两个零点由于离原点太远而不起太大的作用）。
从理论上讲，采用数字滤波器来合成各种形状的速度响应曲线是可能的[16]。
对Z平面上的每对零点和每对极点而言，都需要两个延迟线，用前馈路径控制零点位置，而用反馈路径控制极点位置。
速度响应曲线的形状可以仅用前馈而不用反馈来实现。
不采用反馈的主要优点是对消器具有很好的瞬态响应，这是相控阵或系统存在脉冲噪声干扰时的一项重要的考虑因素。
如果相控阵雷达使用反馈对消器，则在对消器的瞬态振铃还未下降到容许的电平之前，波束就已经改变了位置，因而许多脉冲不得不落在波束以外。
人们已提出一种预置技术来缓解这种现象[20]，但仅仅部分地降低瞬态稳定时间。
若只使用前馈，则在波束移动后仅有3个或4个脉冲被去掉。
采用前馈控制速度响应曲线的形状的缺点是，对每个用于形成速度响应的零点都需附加一个延迟线。
此外，若采用零点来形成速度响应，则曲线就会导致改善因子引入一个固有的损耗。
这个损失可能很重要也可能不重要，需根据杂波谱展宽的程度和对消所需零点数来确定。
图15.25画出了只用前馈形成的四脉冲对消器的速度响应曲线和Z平面图。
图中同时还画出了五脉冲前馈对消器和三脉冲反馈对消器的速度响应曲线。
在给出的对消器中，无论杂波谱扩展程度为多少，三脉冲反馈对消器的改善因子潜力均比四脉冲前馈对消器大约好4dB。
图15.24 扫描对具有反馈的对消器改善因子的限制曲线是在假定天线方向图只取sin U/U第一对零点之间的形状时，由计算机计算出来的。
雷达原理
1、MTI：动目标显示z基本原理：动目标显示雷达是在普通脉冲雷达基础上发展起来的。
这种体制的雷达能在杂波或噪声干扰背景中抑制固定干扰、探测运动目标信息。
其基本原理在于利用运动目标回波多普勒频移效应，借助固定目标回波同动目标回波经相检波输出的视频脉冲串在幅度上的差异，通过延迟对消实现动目标检测。
z功能：可在空对地、空对海、地对地场合发挥空中预警、目标指示或武器控制的功能。
z MIT信号的主要特征：（1）低重频，一般低于4KHZ（可保证无测距模糊）；（2）采用参差重频、脉组间变重频及重频分集技术（获得目标速度信息，克服盲速）；（3）载频主要分布于L、S波段；（4）有较高的雷达工作频率稳定度（为了提取动目标频移信息）；（5）脉冲重频稳定度高（为实现延迟对消）；2、PD雷达：脉冲多普勒雷达z基本原理：PD雷达是在MTI雷达的基础上建立起来的，比MTI有更强的杂波抑制能力，改善因子高达50-60dB，且具有普通脉冲雷达的距离分辨力及连续波雷达的速度分辨力。
PD雷达的PRF可分为高，中，低三种，其特点及用途也是根据PRF划分的。
一般而言，低重频PD雷达也就是MTI 雷达，所谓PD雷达主要指高，中重频的情形。
z功能：表 PD雷达的分类与功能分类 PRF范围 特点 功能高PRF 几十KHZ—几百KHZ 不存在速度模糊，但有距离模糊机载预警（高空）中PRF 10KHZ-20KHZ 存在速度模糊、距离模糊目标跟踪（近程低空）低PRF 不超过几KHZ 存在速度模糊，但没有距离模糊MTIz信号特征：(1) 信号为一组相干脉冲串,有高度的短期稳定性,无论工作频率,脉宽,脉位,脉幅要求苛刻.(2)PRI一般较高,大于5KHZ.(3)重频调变是其最大特点:重频参差、分段调频脉冲多普勒雷达在机载火控、机载预警、空中交通管制、导航、气象探测等 领域都己得到了广泛的应用，下面一一介绍其作为不同用途的信号特征差别: 1）机载火控目前世界上先进的战斗机火力控制雷达几乎毫无例外的都采用了PD体制。
MTI和MTDppt课件
脉冲响应的傅里叶变换就是频率响应函数：
N 1
Hk ( f )
hik e j 2T
i0
N 1
[
e ]e j 2i( fT k / N ) j 2 ( N 1)k / N
i0
13
滤波器振幅特性为
sin[N(fT - k/N)]
| Hk (f) ||
|
sin[ (fT - k/N)]
N 1
j 2i k
Y (k) x(i)e N , k 0,1,2...N 1
i0
x(0),x(1)...x(N-1)代表N个滤波器的输出，当N取2的整数次幂时，正好可 以使用快速傅里叶变换来实现。
实现MTD的窄带滤波器组的常用方法为 在频域用FFT实现 或 在时域用 FIR滤波器实现
9
零号滤波器，也就是K=0的滤波器，其通带中心位置分别是0,1/T,2/T....
Wik e j[2ik / N ]，i 0,1,2... N 1
i表示第几个滤波器的抽头，k表示从0到N-1的标记，每一个k值对应一组 不同的加权值，即对应于不同的多普勒滤波器，每一个k值决定了一个独 立的滤波器的响应。
8
窄带滤波器组的每个抽头有N个输出，并且对应N个加权值，输入信号x(i)
与滤波器组Y(k)关系为
h1(t) (t) (t T ) 傅里叶变换为 H1 (w) 1 e jwt，w 2f
功率增益为 H1(w)H1* (w) (1 e jwT )(1 e jwT ) 2(1 coswT ) 4 sin 2 ( wT )
2
2
双延迟线对消器：
冲激响应：h2 (t) h1(t) h1(t T )
MTI（动目标显示）技术
(整理)经典雷达资料-第15章 动目标显示(MTI)雷达-5
经过修正的相位噪声谱密度如图15.48所示。
相对于载波，总噪声功率可由曲线下面的噪声功率积分来决定。
每段功率谱密度随频率变化的方程为图15.46 微波振荡器的单边带相位噪声谱密度和有效噪声密度图15.47 基于系统参数对微波振荡器相位噪声的修正（系统参数见书中内容）图15.48 组合修正和修正后的相位噪声谱密度⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⨯=)lg(101110)(f f f p f p 斜率 （15.28）式中，P f 1为在f 1的功率谱密度，单位是W/Hz （为方便起见，载波功率假设为1W ）；“斜率”为该段的斜率，单位是dB/10倍频程；f 1为P f 1处的频率。
对于具有恒定斜率的的每段频谱而言，该方程可以用Vigneri 方法[31]或用带积分功能的计算器（如Hewlett Packard HP-15C ）求积分运算。
表15.3给出这个例子的积分结果。
注意：假设条件是载波功率为1W ，如-149.4dBc/Hz 变成1.148×10-15W/Hz ，则在所有段计算积分功率时，先对它们求和，然后转化为dBc 。
最终结果-66.37dBc 就是由振荡器噪声导致的对改善因子I 的限制。
对I SCR （dB ）的极限是I （dB ）加上目标积累增益（dB ）。
表15.3 用图15.47进行校正的如图15.46所示的相位噪声谱密度积分值发射脉冲的时间抖动会使MTI 系统的性能变坏。
时间抖动会使脉冲的前沿及后沿对消失败，而每一个未被对消的部分的幅度为∆t /τ。
这里，∆t 为抖动时间；τ为发射脉冲宽度。
总的剩余功率为2(∆t /τ)2，因此，由于时间抖动对改善因子所产生的限制为)]2/(lg[20t I ∆=τ(dB)。
对改善因子的这种限制是根据非编码发射脉冲并假定接收机带宽与发射脉冲持续时间相匹配得出的。
在脉冲压缩雷达系统中，接收机带宽较宽，以时间带宽积B τ计算，于是每个脉冲结束时杂波剩余功率按B τ积成比例增大。
(整理)经典雷达资料-第1章 雷 达 概 论
第1章雷达概论Merrill I. Skolnik1.1 雷达描述雷达的基本概念相对简单，但在许多场合下它的实现并不容易。
它以辐射电磁能量并检测反射体（目标）反射的回波的方式工作。
回波信号的特性提供有关目标的信息。
通过测量辐射能量传播到目标并返回的时间可得到目标的距离。
目标的方位通过方向性天线（具有窄波束的天线）测量回波信号的到达角来确定。
如果是动目标，雷达能推导出目标的轨迹或航迹,并能预测它未来的位置。
动目标的多普勒效应使接收的回波信号产生频移，因而即使固定回波信号幅度比动目标回波信号幅度大多个数量级时，雷达也可根据频移将希望检测的动目标（如飞机）和不希望的固定目标（如地杂波和海杂波）区分开。
当雷达具有足够高的分辨力时，它能识别目标尺寸和形状的某些特性。
雷达可在距离上、角度上或这两方面都获得分辨力。
距离分辨力要求雷达具有大的带宽，角度分辨力要求大的电尺寸雷达天线。
在横向尺度上，雷达获得的分辨力通常不如其在距离上获得的分辨力高。
但是当目标的各个部分与雷达间存在相对运动时，可运用多普勒频率固有的分辨力来分辨目标的横向尺寸。
虽然人们通常认为SAR是通过在存储器中存储接收到的信号，从而产生大的“合成”天线，但是用于成像（如地形成像）的合成孔径雷达在横向尺度上获得的分辨力仍可解释为，是由于利用了多普勒频率分辨力的结果。
这两种观点（多普勒分辨力和合成天线）是等效的。
展望用于目标成像的ISAR所能得到的横向分辨力的途径，理所当然应该是多普勒频率分辨力。
雷达是一种有源装置，它有自己的发射机而不像大多数光学和红外传感器那样依赖于外界的辐射。
在任何气象条件下，雷达都能探测或远或近的小目标，并精确测量它们的距离，这是雷达和其他传感器相比具有的主要优势。
雷达原理已在几兆赫兹（高频或电磁频谱的高频端）到远在光谱区外（激光雷达）的频率范围内得到应用。
这范围内的频率比高达109:1。
在如此宽的频率范围内，为实现雷达功能而应用的具体技术差别巨大，但是基本原理是相同的。
雷达原理(第三版)__丁鹭飞第1章
4) 火控雷达 其任务是控制火炮(或地空导弹)对空中目标进 行瞄准攻击, 因此要求它能够连续而准确地测定目标的坐标, 并 迅速地将射击数据传递给火炮(或地空导弹)。这类雷达的作用 距离较小, 一般只有几十公里, 但测量的精度要求很高。
5) 制导雷达 它和火控雷达同属精密跟踪雷达, 不同的是制 导雷达对付的是飞机和导弹, 在测定它们的运动轨迹的同时, 再 控制导弹去攻击目标。制导雷达要求能同时跟踪多个目标, 并 对分辨力要求较高。这类雷达天线的扫描方式往往有其特点, 并随制导体制而异。
6) 战场监视雷达 这类雷达用于发现坦克、 军用车辆、 人 和其它在战场上的运动目标。
7) 机载雷达 这类雷达除机载预警雷达外， 主要有下列数种 类型:
(1) 机载截击雷达。当歼击机按照地面指挥所命令, 接近敌 机并进入有利空域时, 就利用装在机上的截击雷达, 准确地测量 敌机的位置, 以便进行攻击。 它要求测量目标的精确度和分辨 率高。
处目标所照射到的功率密度为
S1
PtG
4R2
目标截获了一部分照射功率并将它们重新辐射于不同的方向。 用雷达截面积σ来表示被目标截获入射功率后再次辐射回雷达处 功率的大小, 或用下式表示在雷达处的回波信号功率密度:
S2S14R24P tG R24R2
σ的大小随具体目标而异, 它可以表示目标被雷达“看见”的尺 寸。雷达接收天线只收集了回波功率的一部分, 设天线的有效 接收面积为Ae, 则雷达收到的回波功率Pr为
当目标向着雷达站运动时, vr＞0, 回波载频提高; 反之vr ＜0, 回波载频降低。雷达只要能够测量出回波信号的多卜勒频移fd , 就可以确定目标与雷达站之间的相对速度。
径向速度也可以用距离的变化率来求得, 此时精度不高但不 会产生模糊。无论是用距离变化率或用多卜勒频移来测量速度, 都需要时间。观测时间愈长，则速度测量精度愈高。
动目标显示与脉冲多普勒雷达matlab程式设计
动目标显示与脉冲多普勒雷达matlab程式设计动目标显示（Moving Target Indicator，MTI）是一种被广泛应用于航空、海洋等领域的技术，它可以用于检测和跟踪运动的目标。
脉冲多普勒雷达（Pulse Doppler radar）是一种能够对速度较快的目标进行检测和跟踪的雷达系统。
在本文中，我们将介绍如何使用MATLAB编写MTI和脉冲多普勒雷达的程序。
1. MTI程序设计MTI是一种可以对运动目标进行跟踪的雷达技术。
在MTI中，我们使用两个接收器来接收雷达信号。
一个接收器用于接收回波信号，另一个用于接收原始信号。
然后，我们将这两个信号进行比较，得到差分信号。
差分信号中的静态目标信号将被忽略，只有动态目标信号被保留下来。
下面是MATLAB程序的设计：function mti = mti_detector(rngdop,X,d_range,doppler,f0,T,pfa,thresh)% rngdop是距离和多普勒两个维度的矩阵，X是原始信号% d_range和doppler是MTI计算中使用的时间延迟值和频率偏移% f0是雷达的发射频率，T是雷达的脉冲宽度，pfa是虚警概率，thresh是噪声阈值 % 首先对原始信号进行FFTXf = fftshift(fft2(X));% 计算距离和多普勒维度上的相对频率freq_range = linspace(-1/2,1/2,size(rngdop,2))/d_range;freq_doppler = linspace(-1/2,1/2,size(rngdop,1))/doppler;% 计算每个像素的方差N = size(X,1)*size(X,2);variance = N*noise_power(pfa,Thresh);% 求出每一个像素的MTI值mti = (abs(S)-variance)>0;end2. 脉冲多普勒雷达程序设计脉冲多普勒雷达是一种可以对速度较快的目标进行检测和跟踪的雷达系统。
(整理)经典雷达资料-第1章 雷 达 概 论
第1章雷达概论Merrill I. Skolnik1.1 雷达描述雷达的基本概念相对简单，但在许多场合下它的实现并不容易。
它以辐射电磁能量并检测反射体（目标）反射的回波的方式工作。
回波信号的特性提供有关目标的信息。
通过测量辐射能量传播到目标并返回的时间可得到目标的距离。
目标的方位通过方向性天线（具有窄波束的天线）测量回波信号的到达角来确定。
如果是动目标，雷达能推导出目标的轨迹或航迹,并能预测它未来的位置。
动目标的多普勒效应使接收的回波信号产生频移，因而即使固定回波信号幅度比动目标回波信号幅度大多个数量级时，雷达也可根据频移将希望检测的动目标（如飞机）和不希望的固定目标（如地杂波和海杂波）区分开。
当雷达具有足够高的分辨力时，它能识别目标尺寸和形状的某些特性。
雷达可在距离上、角度上或这两方面都获得分辨力。
距离分辨力要求雷达具有大的带宽，角度分辨力要求大的电尺寸雷达天线。
在横向尺度上，雷达获得的分辨力通常不如其在距离上获得的分辨力高。
但是当目标的各个部分与雷达间存在相对运动时，可运用多普勒频率固有的分辨力来分辨目标的横向尺寸。
虽然人们通常认为SAR是通过在存储器中存储接收到的信号，从而产生大的“合成”天线，但是用于成像（如地形成像）的合成孔径雷达在横向尺度上获得的分辨力仍可解释为，是由于利用了多普勒频率分辨力的结果。
这两种观点（多普勒分辨力和合成天线）是等效的。
展望用于目标成像的ISAR所能得到的横向分辨力的途径，理所当然应该是多普勒频率分辨力。
雷达是一种有源装置，它有自己的发射机而不像大多数光学和红外传感器那样依赖于外界的辐射。
在任何气象条件下，雷达都能探测或远或近的小目标，并精确测量它们的距离，这是雷达和其他传感器相比具有的主要优势。
雷达原理已在几兆赫兹（高频或电磁频谱的高频端）到远在光谱区外（激光雷达）的频率范围内得到应用。
这范围内的频率比高达109:1。
在如此宽的频率范围内，为实现雷达功能而应用的具体技术差别巨大，但是基本原理是相同的。
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I的影响。
这些曲线是在假设天线的方向图只取(sin U)/U第一对零点之间的曲线情况下计算出的。
图示的无反馈的几条曲线与如图15.12所示显示的具有高斯形状方向图的理论曲线几乎完全相同（说明反馈对三路延迟对消器影响是一条曲线而不是直线，这是因为在3个零点中，已有两个零点不在原点上，并且根据波束宽度内有14个脉冲的实际情况，它们已沿单位圆移动了最佳量。
因此，当波束宽度内有40个脉冲时，这两个零点由于离原点太远而不起太大的作用）。
从理论上讲，采用数字滤波器来合成各种形状的速度响应曲线是可能的[16]。
对Z平面上的每对零点和每对极点而言，都需要两个延迟线，用前馈路径控制零点位置，而用反馈路径控制极点位置。
速度响应曲线的形状可以仅用前馈而不用反馈来实现。
不采用反馈的主要优点是对消器具有很好的瞬态响应，这是相控阵或系统存在脉冲噪声干扰时的一项重要的考虑因素。
如果相控阵雷达使用反馈对消器，则在对消器的瞬态振铃还未下降到容许的电平之前，波束就已经改变了位置，因而许多脉冲不得不落在波束以外。
人们已提出一种预置技术来缓解这种现象[20]，但仅仅部分地降低瞬态稳定时间。
若只使用前馈，则在波束移动后仅有3个或4个脉冲被去掉。
采用前馈控制速度响应曲线的形状的缺点是，对每个用于形成速度响应的零点都需附加一个延迟线。
此外，若采用零点来形成速度响应，则曲线就会导致改善因子引入一个固有的损耗。
这个损失可能很重要也可能不重要，需根据杂波谱展宽的程度和对消所需零点数来确定。
图15.25画出了只用前馈形成的四脉冲对消器的速度响应曲线和Z平面图。
图中同时还画出了五脉冲前馈对消器和三脉冲反馈对消器的速度响应曲线。
在给出的对消器中，无论杂波谱扩展程度为多少，三脉冲反馈对消器的改善因子潜力均比四脉冲前馈对消器大约好4dB。
图15.24 扫描对具有反馈的对消器改善因子的限制曲线是在假定天线方向图只取sin U/U第一对零点之间的形状时，由计算机计算出来的。
五脉冲对消器被Zverev称为线性相位[21]MTI滤波器[22]。
4个零点分别位于Z平面实轴的+1，+1，-0.3575和-2.7972。
许多关于滤波器综合的文献都描述过这种线性相位的滤波器，但对MTI应用而言，线性相位并不重要。
如图15.25所示，若采用非线性相位滤波器只需要极少的脉冲就可以得到几乎和线性相位滤波器相同的响应曲线。
由于在波束照射目标期间可利用的脉冲数是固定的，一个也不能浪费，所以人们应当选用那些只使用极少脉冲数的非线性相位滤波器。
图15.25 赋形速度响应曲线的前馈对消器与三脉冲反馈对消器的比较（见正文五脉冲对消器的参数）15.8 杂波滤波器组的设计如同15.1节的讨论，MTD采用的波形包括相同PRF和相同射频频率的N 个脉冲的相参处理间隔（CPI）。
从一个CPI到下一个CPI的脉冲重复频率和射频频率有可能是变化的。
在这一约束条件下，只有选用有限冲激响应（FIR）滤波器的方法才是设计滤波器组惟一可行的设计方法（无论是PRF还是射频频率改变，反馈滤波器需要许多脉冲回波才能达到稳定，这显然是不实际的）。
在监视雷达波束照射目标期间，可利用的脉冲数是由诸如波束宽度、PRF、需扫描的空域和所要求的数据更新率等系统参数和系统要求决定的。
一旦约定了照射到目标的脉冲数，设计师就必须决定在此期间须有多少个CPI和每个CPI内有多少个脉冲。
要想采取折中方案通常是困难的。
设计师希望在一个CPI中使用更多的脉冲，以便能采用更佳的滤波器，但也希望有尽可能多的CPI。
多个CPI（以不同的脉冲重复频率或不同射频工作）可改善系统的检测性能，而且能提供用于检测目标实际径向速度所需的信息[23]。
在多普勒滤波器组中，单个滤波器的设计是频率副瓣要求和滤波器相参积累增益之间的一个折中。
对一个给定的CPI来说，所要求的多普勒滤波器数目则是硬件复杂性和滤波器交叠时的交叉损失间的一个折中。
最后，若要求在零多普勒（地杂波）处具有更高的杂波抑制能力，则常常会引入特殊的设计约束条件。
当一个CPI内的脉冲数大于或等于16时，快速傅里叶变换（FFT）算法的系统设计方法和有效实现特别引人注意。
由于在单个相参处理间隔中采用恰当的时域回波加权函数，因此很容易控制频域副瓣。
进一步地讲，覆盖整个多普勒空间（等于雷达PRF）所需要的滤波器的数量（等于变换阶数）可独立选择，与CPI无关，详见后面所述。
当CPI变小（小于或等于10）时，为了获得较好的整机性能，研究单个滤波器的特殊设计，使其满足不同多普勒频率特定的杂波抑制要求就显得非常重要。
在受特定通带和阻带约束的FIR滤波器设计中，尽管某些系统方法是可行的，但是对较小的CPI而言，直接的方法是凭试验调整每个滤波器的各个零点直到获得所需要的响应为止。
下面给出一个这种滤波器设计的实例。
滤波器的经验设计如下是六脉冲CPI滤波器经验设计的一个实例（每个CPI的6个脉冲可根据系统条件，如照射目标的时间直接推出）。
由于滤波器要使用6个脉冲，并且只有5个零点是可用于滤波器设计的，所以可利用的零点数等于脉冲数减1。
滤波器的设计过程包括设置各个零点，以便得到符合指定约束条件的滤波器组响应。
下面的实例是由一个交互式计算机程序得出的，该程序可移动滤波器的零点直到得到预期的响应为止。
假定滤波器的要求如下：（1）在动目标滤波器的杂波抑制凹口（相对于目标的峰值响应）中，响应为-66dB；（2）对速度介于多普勒模糊频率范围的±20%间的箔条杂波抑制为-46dB；（3）由于硬件的限制，因此仅采用5个滤波器；（4）在5个滤波器中，3个用于抑制固定杂波而响应动目标，另两个则响应零多普勒频率目标和其模糊点（具有好的固定杂波抑制能力的滤波器，采用两个或多个相参滤波器来覆盖零速响应的凹口）。
基于以上考虑即可构造滤波器组。
图15.26（a）给出了滤波器在多普勒通带中央的目标响应曲线。
零速附近的副瓣从峰值下降66dB，因此在零多普勒频率5%之内有很好的杂波抑制性能，-46dB的副瓣有?16%的箔条杂波抑制性能。
由于5个有效零点的限制，所以这种滤波器对?20%多普勒频移不能提供-46dB的抑制。
图15.26（b）给出了滤波器对尽可能接近于零多普勒频率的目标响应曲线。
此时，零多普勒响应为-66dB。
若在零多普勒附近设置两个零点，则所提供的零多普勒杂波响应是-66dB。
当相对多普勒频移为0.8～1.0时，多普勒滤波器副瓣提供48dB的箔条杂波抑制。
这个滤波器的镜像用于第3个移动的多普勒滤波器（镜像滤波器的系数是原滤波器系数的复共轭）。
图15.26（a）响应f T = 0.5目标的六脉冲滤波器图15.26（b）响应f T = 0.3目标的六脉冲滤波器（可滤除固定杂波）图15.26（c）给出了第一个滤波器设计在零多普勒处的响应曲线。
已考虑到将滤波器组的跨接损失减到最小（这就决定了最大值位置），在0.8多普勒频移处对箔条杂波的响应下降到46dB，并且失配损耗最小。
失配损耗最小化是通过在0.3～0.8多普勒频移之间的副瓣上升到所需的高度来实行的（在这个区域内副瓣降低，则失配损耗增加），第二个零多普勒滤波器是它的镜像。
图15.26（d）给出了滤波器组的合成响应曲线。
注意，滤波器的峰值被相当均匀地分配。
第一个零多普勒滤波器和第一个运动的多普勒滤波器之间的差别要比其他的大，主要是因为在此限制下，不能移动第一多普勒滤波器接近零速。
图15.26（c）响应f T = 0.8目标的六脉冲滤波器（可滤除f T = 0.8的箔条）图15.26（d） 5个六脉冲滤波器组成滤波器组的合成响应曲线切比雪夫滤波器组对于在CPI中脉冲数较多的情况而言，希望有一个更加系统的滤波器设计方法。
如果多普勒滤波器的设计准则选定，即要求主响应之外滤波器副瓣响应低于规定值（即提供恒定的杂波抑制电平），同时使滤波器响应宽度最小，那么基于多尔夫-切比雪夫分布的滤波器设计就是最佳方案。
在天线文献中能找到基于多尔夫-切比雪夫分布的特性和设计方法。
九脉冲CPI和一个68dB 副瓣电平的切比雪夫滤波器设计例子如图15.27所示。
通过给滤波器系数加一个线性相位项，能将峰值滤波器的频率响应定位于任意位置。
实现覆盖全部多普勒频率所需的滤波器总数，在设计时要权衡滤波器交叠期间的跨接损耗和实现中复杂程度之间的得失。
图15.28为一个用9个均匀间隔滤波器组成的完整的多普勒滤波器组的实例。
对照如图15.18所示所认定的杂波模型，这一滤波器组的性能，如图15.29所示。
此图显示，对于零多普勒杂波，信杂比改善是目标多普勒频率的函数。
在每个目标多普勒频率处只画出能提供最大改善的滤波器响应曲线。
为了便于比较，取如图15.18所示的最佳曲线用虚线画出，对于指定的杂波模型，可给出切比雪夫滤波器设计性能良好程度的直接评价。
同时也显示了最佳滤波器和切比雪夫滤波器组二者的平均SCR的改善程度。
图15.27 68dB多普勒副瓣的切比雪夫FIR滤波器设计图15.28 CPI为9脉冲时68dB切比雪夫多普勒滤波器组响应曲线图15.29 68dB切比雪夫多普勒滤波器组的SCR改善与最佳值的比较图15.30说明了作为杂波谱相对扩展函数的68dB切比雪夫滤波器组的平均SCR改善和最佳值曲线（出自如图15.19所示中）。
由于在滤波器组中所用的滤波器数量有限，因此若有多普勒频移引入到杂波回波中，则对平均SCR 的改善程度会有一定的影响。
图中的斜线阴影部分不仅说明了这种影响，也显示了对所有可能的多普勒频移情况下平均SCR改善程度的上、下限。
这种偏差将随多普勒滤波器组中所用滤波器个数的减少而增大。
图15.30 如图15.28所示的68dB切比雪夫多普勒滤波器组的平均SCR改善CPI = 9脉冲，最佳值取自如图15.19所示中。
FFT滤波器组对大量并联的多普勒滤波器而言，使用FFT算法将大大减化硬件。
这种算法要求滤波器组中的所有滤波器具有相同的响应，而且这些滤波器沿多普勒轴均匀排列。
然而，对给定大小的CPI所需滤波器的数目是可变的。
例如，在接收回波已按所需的滤波响应加权后（如切比雪夫加权），通过以额外的零值扩展接收数据的方法（也称补零）可获得更大数目的滤波器数。
15.9 参差脉冲重复频率参差的设计方法改变雷达脉冲之间的间隔，目的是移开相当于MTI系统盲速的目标速度。
可以在扫描之间、脉冲之间或驻留之间（每次驻留是波束宽度的一部分）改变脉冲的间隔。
每种方法都各有优点。
在扫描之间改变脉冲间隔方法的优点是雷达系统比较易于制造，并且时间上多次循环出现的杂波在功率放大器MTI系统中被对消。
为了使没有参差的MTI系统更好地工作，就要求发射机能稳定地工作，但是这样不仅要多花钱，而且设备的重量也更重。
在脉冲之间或驻留之间进行参差工作的雷达，要使发射机能够充分稳定地工作就更为困难。