9_脉冲多普勒雷达(2)

应清楚，雷达中 9 积累时间一般在毫秒的量级 9而脉冲宽度则在微妙的量级上
当输入信号持续时间 至少和滤波器积分时
间tint一样长时的窄带
滤波器的输出特征
BW3db
≅
1 tint
1. 多普勒滤波器组 滤波器组的通频带
第
四 节
最大负多 普勒频率
多
普
勒 频
率
检 测
多普勒通频带
最大正多 普勒频率
目标回波中心谱 线（载频）
电子系统
第四章 脉冲多普勒雷达
内容提要
检测多普勒频率的基本原因
1. 分解来自不同物体的回波
第
2. 确定目标的距离变化率
四
节
多
普
多普勒频率的检测
勒
频
用一组多普勒滤波器进行多普勒检测的方法
率
检
模拟和数字实现滤波的原理
测
多普勒雷达中必须具有足够动态范围的原因
1. 多普勒滤波器组
第 四 节
多
普
1. 多普勒滤波器组
通频带
第 四 节
多 普 勒 频 率 检 测
滤波器组
如果滤波器组的通频带等于fr，则无论目标多普勒频 率是多少，只有一条目标频谱线落在通带内
1. 多普勒滤波器组
结论：无论我们将其定位于何处，目标的回波都会出现在通频带内某处
第
四 节
主瓣杂波
多
中心线
普
勒
频
率
检 测
频率
偏移量
为避免主瓣杂波，通频带窄于fr，并偏离f0
比距离微分法更精确，更直接
第 六 节 距 变 率 的 测 量
滤波器组
R = fd λ
2
多普勒频率通过观察目标在滤波器组中的位置便可测定
3. 潜在的多普勒模糊
假设状态
第 六 节 距 变 率 的 测 量
可能产生严重多普勒模糊的情形
3. 潜在的多普勒模糊
第
左图，最大负多普勒飞行航线
六 节
右图，最大正多普勒飞行航线
滤
波
器
的
工 如果抽样波与滤波器频率不同，
作 方
连续抽样的相位将改变∆Φ
式
ΔΦ = (2πTs ) Δf
1. 滤波器的输入
第
抽样累积数=8
五
节
数
字
滤
波
器
的
工
随着抽样信号和滤波器频率差的增加，抽样的向量将逐渐地展成扇形，求和后
作 方
按sinx/x的形状变化
式
ΔΦ N
=
2π
N
2π Ts Δf N
=
2π
N
抽样全部在多普勒循环的相 同点上
与1kHz多普勒频率的目标相同， 观测到的频率是模糊的
1. 滤波器的输入
第
五 节
抽样的向量表示
数
字
滤
波
器
的
工
作 方 式
Δφ = 2π fdTs
雷达中，抽样间隔Ts为脉冲重复周期PRI
2. 滤波器的工作方式
第 五 节
数 字 滤 波 器 的 工 作 方 式
滤波器把向量An的x、y分量投影到坐标系（i,j）中，
1. 目标信号频率等于f0——不含多普勒偏移 2. 目标具有正的多普勒频率 3. 目标具有负的多普勒频率
3. 数字滤波器
接收信号
同步 检波器
视频 信号
第
四
参考信号
Voutput = A cosφ
节
多
对于数字滤波，同步检波器将接收机信号转换到视频范围
普 勒
接收信号
频 率
视频信号
检
测
参考信号
脉冲输出幅度正比于接收脉冲与参考信号之间的相位差的余弦
∑ X [k ]
=
N −1 n=0
x[n] exp
⎡⎢⎣−
j
2π k
N
n⎤⎥⎦,
0 ≤ k ≤ N −1
滤 波 器 的
其中，相位补偿
Δθk
=
2π
N
k
工
作
方 式
使用的点越多，相位补偿越可能接近于匹配信号，泄漏效应越轻
相位补偿匹配信号的滤波器输出最大，输出为相参积累的结果
4. 旁瓣抑制
第
五
节
模数转换器
PRF
3. 离散傅里叶变换的实现
单通道滤波器
第 五 节
数 字 滤 波 器 的 工 作 方 式
N
∑ xn cos (nΔθ )
n=1
3. 离散傅里叶变换的实现
根据相位补偿的观点
第 五 节
数 字 滤 波 器 的 工 作 方 式
补偿单元1
3. 离散傅里叶变换的实现
数字滤波器组由离散傅立叶变换实现
第
五 节 数 字
数 字 滤 波 器 的 工 作
方
式
到多普勒滤波器 加权系数
4. 旁瓣抑制
第 五 节 数 字 滤 波 器 的 工 作 方 式
5. 实际信号滤波
第
滤波器特性曲线
五
节
数
字
滤
波
器
相对功率
的
(dB)
工
作
方
式
小结
• 数字滤波器的工作是对接收数值进行积分，若多普勒频率
第 五
同滤波器频率一样，则求和的结果将增大，反之则不会
多 普 勒
在频带内 • 使用同步检波器可以使中频输出转换为视频输出
频 率
• 用I/Q检波可以保持对多普勒频率的敏感性
检 • 滤波器输出送至门限检波器可以实现对目标的自动检测
测
1. 滤波器的输入
示波器
第 五
回波
检波
节
数 字
参考信号
滤
波
器
的
工
作
方
式
1. 滤波器的输入
第 五 节
数
字 滤
多普勒频率为0的目标回波在检波器的输出具有恒定的幅度
积分
幅度 检测
自动目标 检测
目标 计数
每个连续积分时间tint期间数字滤波器所执行的功能
4. 提供足够的动态范围
动态范围意味着
• 其输入幅度的最小增量变化将在输出产生可识别的改变
第
• 输入不致使输出产生饱和时，所具有的最大峰-峰幅度值
四
节 多
未饱和
饱和
普
勒
频
率 虚假信号的来源
检
测
谐波
当信号峰值被饱和所限制时，产生谐波
3. 数字滤波器
优点
精度高
第
结果可重复，性能不因时间而降低
四
减小了雷达的体积和重量
节
多 普
中频
视频
周期采样 二进制数字
勒
频
率
天线
检
测
接收机
频率 变换
采样
模/数 转换
数字滤 波器组
对于数字滤波，接收机中频输出必须转换至视频，经过抽样，转变为二进制数值
3. 数字滤波器
转换至视频
第 四 节 多 普 勒 频 率 检 测
4. 提供足够的动态范围
第
通频带
四
节
多
普
勒
频 率
因饱和而产生的谐波
检
测
若通频带足够窄，由饱和导致的谐波可以被消除
小结
• 根据多普勒频率对各种物体的雷达回波进行分类，要将接
收机的输出施加到窄带滤波器组，通常为每个距离增量提
供分离的滤波器组
第 四
百度文库
• 为减小损失，使滤波器的通频带产生重叠
节 • 滤波器组的通频带不要大于PRF，使目标只有一根谱线落
负
对于正负多普勒频率而言，各自的同相或者正交成分相同
3. 数字滤波器
第 四 节
多 普 勒
目标回波的 中心线
频
率
检
测
重叠
目标回波的 第一个边带
真实多普勒频率
重叠后所观测的频率 若只处理同步检波器输出，则多普勒频谱负值部分将重叠于正值部分之上
3. 数字滤波器
检波
同相分量
第 四 节
多 普 勒 频 率 检 测
3. 数字滤波器
采样
第
四
节
多 普
接收机 中频
勒
频
率
检
测
同步 检波 同步 检波
保持
模数转换
保持
模数转换
在规定间隔期间，I和Q视频信号被即刻地抽样。保留抽样的时 间要足够长，以使其转换为数字值
3. 数字滤波器
模数转换
第 四 节
多
普
勒
频 率
形成滤波器
检
为每个距离波门脉
测
冲形成一个分离的
多普勒组
数字信号处理机
发射脉冲
第 四 节
多 普
视频信号
勒
频
率
检
测
抽样
脉冲雷达——单一距离门
时间
如果在每个脉冲间隔期内只采用一次抽样（特例），则雷达具有单距离波门
3. 数字滤波器
脉冲雷达——多个距离门
第
发射脉冲
四
节
多 普
视频信号
勒
频
率
检
抽样
测
噪声 目标 时间
同一目标
在接收脉冲期间，若抽样不止一个，则连续的抽样代表源自不同距离的回波
如果PRF比目标多普勒频率所覆盖的带宽更大，多普勒 滤波器组必须包括足够多的滤波器来包含所预期的频率
1. 多普勒滤波器组
最大负多
第
普勒频率
四
节
多 普 勒 频 率 检
测
通频带
目标回波中心谱线 （载频）
最大正多 普勒频率
如果PRF小于多普勒频率分布值，通频带要不大于PRF，以便一个目标 在通频带内只显示一点，该谱线可能不是目标的中心频率。
为了使来自任何目标的回波只出现在通频带内一点上，必须使通频带小于PRF
第 六 节 距 变 率 的 测 量
如果PRF小于最大接近速度范围，则雷达无法直接区分它所观测的是载频还是 它的重复
小结
• 测量距离并计算距离随时间的变化量或通过测量
目标多普勒频率，可以确定目标的距变率
第
六 节
• 微分法测量精度不高，而多普勒法不但测量精确
该坐标系以滤波器调谐的频率旋转
数字滤波器就是 对频率位于给定 窄带带宽内的连 续波的逐次抽样 进行累加
1. 滤波器的输入
第
五
节
数 字
矢量和的幅度就 是滤波器输出
滤
波
器
的
工
作
方
式
若目标多普勒频率和滤波器频率相同，投影的矢量同相叠加
1. 滤波器的输入
第 五 节
数
字 抽样波和滤波器频率间的差别导致了向量A的旋转
3. 数字滤波器
同步检波器的输出可视为接 收信号向量在x轴上的投影
第 四 节 多 普 勒 频 率 检 测
通常，每个目标回波产生的输出 脉冲只代表多普勒循环的一部分
通过观测连续的脉冲，能够区分出它的多普勒频率
3. 数字滤波器
使用同步检波，将无法区分相位往那个方向旋转
正
第 四 节 多 普 勒 频 率 检 测
波
器
的
工
作
方
式
检波器输出幅度位于[-A,+A]之间
当多普勒偏移为零时，I和Q抽样的重要特征是它们的各自幅度不产生波动
1. 滤波器的输入
第 五 节 数 字 滤 波 器 的 工 作 方 式
检波器输出在脉冲与脉冲之 间将以正弦曲线变化
检波器的输出在正值和负 值之间交替变化
1. 滤波器的输入
第 五 节 数 字 滤 波 器 的 工 作 方 式
节 数
• 为执行积分并获得矢量和幅度，通常用DFT进行计算
字 滤
• 对于给定长度和能量的脉冲序列，与多普勒频率相对的滤
波 器
波器输出曲线具有sinc函数的形状
的 工
• 为了减少滤波器的旁瓣，应用幅度加权是有效的
作
方
式
1. 距离微分法
第 六 节 距 变 率 的 测 量
R = ΔR Δt
2. 多普勒方法
对于首个零位
Δf N
=
1 NTs
BWnn
=
2 NTs
=
2 tint
BW3dB
≅
1 tint
2. 离散傅里叶变换
第 五 节 数 字 滤 波 器 的 工 作 方 式
in = xn cosθn + yn sinθn jn = yn cosθn − xn sinθn
滤波器频率
Δθ = f f 360°
fr
勒 频
接收到的信号并联施加于滤波器
率
检
测
每个滤波器只通过一个窄频带 信号离中心频率越近 输出越大
为减少输出损失，通频带有部分重叠
1. 多普勒滤波器组
滤波器带宽 滤波器通过的频率带宽主要取决于积分时间的长度
第 四 节 多 普 勒 频 率 检 测
持续时间为τ的正弦信号的频谱
1. 多普勒滤波器组
第 四 节 多 普 勒 频 率 检 测
距
变
率
的
测
量
尾追
目标
最大分开速度
迎面
最大接近速度
在假设的状态下，最大正 负多普勒频率间的范围
3. 潜在的多普勒模糊
PRF大于多普勒频率的范围
第 六 节
距
设定滤波器组的范
变 率
围从稍低于-28kHz
的
到稍高于+70kHz。
测
量
载频落在通频带内，而最靠近的边带则位于带外
3. 潜在的多普勒模糊
PRF小于多普勒频率的范围
距 变
而且近乎实时
率
的 • 多普勒法具有内在固有的模糊性，除非最大期望
测
量 多普勒范围小于PRF，否则必须解模糊
2. 模拟滤波器
转换的频谱
变换
回波频谱
第
四 节
中频
雷达频率
多
普 勒
雷达回波频谱一般转换到较低的中频上
频 率
滤波器的基本功能
检 测
滤波器实际上是对相移敏感
电容器
回 路
电感器
模拟滤波器是一种调谐电路
2. 模拟滤波器
第 四 节 多 普 勒 频 率 检 测
典型的机载雷达中使用的模拟多普勒滤波器组的一部分
检波 正交分量
双通道检波器系统，参考频率相对于正交通道而言具有90度相位滞后
3. 数字滤波器
对视频信号进行抽样
第
CW视频信号被抽样后并被转换为
四
PRF等于抽样率的脉冲信号
节
多
普
中心线
勒
频
率
检
测
真实分离
视在分离
中心线
如果接收两个真实多普勒频率差别大于抽样率的频率，观测的 频差将是真实差减去抽样率
3. 数字滤波器