脉冲多普勒雷达

第二章 小结
1.虚警概率、发现概率、虚警时间 2.最佳判决准值 3.匹配滤波器 4.检波器，包络检波、相干检波 5.脉冲积累 6.动目标显示 7.恒虚警处理
第三章 脉冲多普勒雷达
1.多普勒效应
运动物体的回声具有频移，这种频移现象就是多普勒效应。
设声波或电磁波的波长为λ，频率为f0，速度为c，运动物体的径向速 度为v，回波多普勒频移为fd，则：
(3)对观测目标的距离有一定的模糊。
上世纪70年代中期，制造出中重频PD雷达，既有距离 模糊又有速度模糊。而将原来的定义称为高重频PD雷达。 最后，不管雷达的重复频率，只要满足上述定义第二条， 就可称为PD雷达，是一个广义定义。
2.PD雷达的分类
1.高重频脉冲多普勒雷达
Baidu Nhomakorabea
2.中重频脉冲多普勒雷达
3.低重频脉冲多普勒雷达
f MB

f
d


0
B 2

f
d


0
B 2

2vR
B sin 0
机载PD雷达的主瓣杂波强度与下列因数有关:
(3-7)
发射机功率,天线增益,地物反射特性,雷达距地面高度等.具体强 度可以比雷达接收机的噪声高70-90分贝.
(2)旁瓣杂波
· 波．
雷达天线总是存在若干副瓣(旁瓣)，通过旁瓣产生旁瓣杂
脉冲雷达的最大特点是发射脉冲与接收回波在时间上是分开的。
连续波雷达发射的是连续波，发射脉冲的时候同时接收回波。主要 用于测速。设发射信号频率为f0，目标运动产生的多普勒频率为fd， 电路框图为：
连续波 发射机
+fd
产生器
接收机
fd
相参
检波器
图3-1 连续波雷达测速原理图
调频连续波雷达一般用于测量雷达高度
§3.4脉冲多普勒雷达数据处理 数据处理的目的：最大限度提取雷达目标的
坐标信息。内容：解测距模糊，解测速模糊和目 标跟踪。
1.脉冲多普勒雷达的跟踪 (1)单目标跟踪系统 (1-1)角度跟踪系统 根据角度，距离和速度信息，用伺服系统始终跟踪目标。 补充：常规雷达单目标跟踪方式：圆锥扫描，单脉冲体制。
·
旁瓣与主瓣是由不同的地物产生的
·
旁瓣杂波的频率为：
f c,m ax

2vR
cos
角度变化范围是0-360度，所以，旁瓣多普勒频率范围是．．． 当PD雷达不动是主瓣杂波与旁瓣杂波在频域上是重合的 (3)垂直(高度线)杂波。
雷达副瓣垂直照射地面，地面反射较强，回波中存在一个较强的＂ 零频＂杂波．
杂波中检测出有用的信号。背景杂波主要是地杂波，相对于飞机， 它是运动杂波，称之为脉冲多普勒杂波。
1.机载下视PD雷达的杂波谱
由于天线方向图和下视PD雷达与地面之间的相对运动使地面杂波复
杂了。
主瓣
vR
旁瓣
垂直杂波 旁瓣杂波 主瓣杂波
地面
ψ ψ0
-180 0 180 度 图3.5 天线方向图
图3.6 机载PD雷达下视情况
关于速度模糊。目标径向速度与多普勒频移成 正比，研究速度模糊与研究多普勒频率模糊是等价的。 采样信号的频谱关系如图3.12。
0
fsa1 fsig fsa2
f
(a)采样之前采样信号频率和输入信号频谱
-fsa2
-fsig 0
fsig
fsa2
f
(b)用fsa2时钟复采样的数字信号延拓频谱
0
fsa1 fsig fsa2
上节课
2.测距和测速模糊的解算
(1)测距和测速模糊的基本概念
为了提高检测性能，PD雷达采用高PRF信号，以便在频域获得 足够宽的无杂波区。发射一个脉冲之后，回波可能隔几个周期才回 来，但接收时不能判断该回波对应于哪一个发射脉冲，于是发生了 测距模糊。读出的目标距离误差是：
R Tr n c n c
fd

2v

2v f0 c
如果直接接收运动物体产生的波，多普勒频移为：
fd

v

v f0 c
对回波进行频谱分析就可计算出目标相对速度。物体向着接收机运 动，fd ＞0；物体离开接收机，fd＜0。
2. 脉冲雷达与连续波雷达
脉冲雷达发射微波脉冲，在两个脉冲间隙期间接收回波，根据接收 到的回波相对于发射脉冲的延迟时间τ计算目标径向距离R。目前普 遍使用的警戒雷达、航管雷达等均为脉冲雷达。
(4)无杂波区
适当选择雷达脉冲重复频率使地面杂波不连续不重叠，形成无杂波 区．在无杂波区域，只有接收机噪声，没有地面杂波，有利于发 现该区域的运动目标．
2.脉冲重复频率的选择
根据技术要求和用途(如要求雷达在无杂波区检测目标还是满足无模糊测速)， 也可以根据战术要求选择高，中，低脉冲重复频率段．
结果：
极点多，相位特性变化陡，要使四个接收通道的相位特性一致是 非常困难的。解决途径： a. 用圆锥扫描体制。 b. 用单脉冲合并通道技术。 (1-2)速度跟踪系统 实际上跟踪多普勒频率。用锁频或锁相方式跟踪。 (1-3)距离跟踪系统 常规雷达是用距离门跟踪方式：
R
图3.10 距离门跟踪示意
在PD雷达中，距离跟踪采用距离门和速度联合的方法 (2)四维分辨跟踪系统 对速度、距离、方位角、俯仰角联合跟踪。 (3)多目标跟踪 采用边扫描边跟踪方式。相控阵体制可进行多波束跟踪。
测高雷达
地面 图3.2测高雷达示意
f1
发射
接收
t Δf
t
图3.3测高雷达频率关系
连续波雷达的最大特点是发射和接收是同时进行的。
3.雷达脉冲重复频率PRF与雷达模糊距离
雷达脉冲重复频率PRF的选择与下列因素有关：
最大不模糊距离、脉冲积累数、MTI滤波器级数、天线扫描速度、 波束宽度等。
例：设波束宽度为1o，扫描速度为6周/分钟，每个目标至少有5 个回波。计算雷达脉冲重复频率。
f
(c)用fsa1时钟复采样的数字信号延拓频谱
图3.12采样信号频谱延拓与频谱模糊的产生
同样由于目标回波的多普勒频移可能大于若干脉冲重复频率，使测
量到的多普勒频率与实际多普勒频率不一定相等，同一频率读数对
应的目标真实速度有多种可能值的现象叫做测速模糊。未经解模糊 肯定的读数速度叫做模糊速度。
从距离不模糊的角度出发希望PRF低一些，从速度不模糊的角度出 发希望PRF高一些，这是一个矛盾。脉冲多普勒雷达最大不模糊距 离和最大不模糊速度有如下限制：
机载雷达共有3种杂波：
主瓣杂波，旁瓣杂波，垂直杂波。
(1)主瓣杂波 主波束中心与地平面有一个锐角ψ0，多普勒频移为：
fd

2vR
cos 0
(3-6)
主波束增益最高，杂波也最强。主波束有一定的立体角，在该
立 主体瓣角杂中波不的同边方沿位位回置波间的的多最普大勒多频普移勒也频是率不差同为:的.设主波束宽度为θB,
2
2 fr
在图3.11中，P3、P4等为发射脉冲，R1、R2、R3等为接收 脉冲。R3是P3脉冲的目标回波。图(a)表示发射脉冲串和接收脉冲 串，图(b)表示回波实际延迟时间，图(c)为显示器直接显示结果。 由图(c)显示结果表示的距离称之为模糊距离。
P3 R1
P4
P5
R2
R3
(a)发射脉冲串与回波脉冲串
Rm a xVm a x

c
8
λ是雷达波长，c为光速。λ越大，不模糊距离和速度的乘积就越大， 但要增加雷达的体积和成本，还有其他限制，因而是不现实的。
(2)解距离模糊
(a)重频参差解距离模糊
雷 频达率以下重读复出频的率模f糊r1、距f离交不替同工，作可，以如据果此发计生算了出距实离际模距糊离，。在解两距个离重复模 糊有两个限制：
P6 R4
(b)回波实际延迟时间
说 明 ： Pi 为 发 射 脉 冲
Ri为回波信号
(c)显示器显示情况
图3.11 测距模糊的产生
由于目标回波的延迟时间可能大于脉冲重复周 期，使收发脉冲的对应关系发生了混乱，同一距离读数 对应的目标真实距离有多种可能值的现象叫做测距模糊。 未经解模糊肯定的读数距离叫做模糊距离。如果雷达的 最大探测距离小于模糊距离，就不存在距离模糊的问题。 PD雷达和部分警戒雷达的最大探测距离大于模糊距离， 需要解模糊。
旁瓣杂波
适用 情况
在距离上重 在频域上重
叠情况
叠情况
低
很少
PRF
中
部分
严重 部分
低速目 标
机载
PRF
高
无
无
机载
PRF
雷达能改变PRF最好．
如美国：p85
§3.3脉冲多普勒雷达信号处理
PD雷达充分利用多普勒信息，能从强的地物杂波背景中检测出运动 目标．
1.电路框图
接收机
混频
中放
发射机 脉冲抑制
距离 选通
T
τ
P1 s1
P2 s2
P3 s3
t
图3.4 脉冲雷达距离模糊图解
图中，P1－P3为雷达发射脉冲，s1-s3为回波脉冲，T 为发射脉冲重复周期，τ为回波延迟时间。
所谓距离模糊，指回波延迟时间大于T，比如对应于P1 的回波在s2位置，我们不能判断延迟时间为τ还是T+τ。 又设脉冲宽度为δ，雷达最大不模糊距离Rm为：
l
雷达以重复频率fr1工作一段时间再转换到fr2工作一段时间，
当目标回波延迟时间大于这两个工作时间段之和时，不能解距离模
糊。
l
当目标回波延迟时间大于重复周期T r1与T r2的最小公倍周期
时，不能解距离模糊。
满足上述限制条件时，可用图解法也可用计算方法解距离模糊。
图解法：在两种脉冲重复频率下，各取一组最小公倍周期的回波数 据，两组回波数据中回波脉冲对齐的脉冲延迟时间是回波的真正延 迟时间。如图3.13所示：
§3.1脉冲多普勒雷达的基本概念
脉冲多普勒雷达简称PD雷达，特点： l 具有脉冲雷达的距离分辨能力 l 具有连续波雷达的速度分辨率 l 有强的杂波抑制能力
1.PD雷达的定义
20世纪70年代初的定义
(1)具有足够高的PRF，使观测范围内的目标、杂波时 均没有速度模糊。
(2)能对脉冲串频谱单根谱线滤波。
回波
目标 扫描轨迹
回波
扫描角度
图3.8 圆锥扫描示意
扫描角度
βx 波程差l
y
x 图3.9 单脉冲跟踪示意
目标方位βx与波程差l和信号相位差θ的关系：
l x sin x
(3-9)
l 360(度)
( 3-10)
x

arcsin
360 x

( 3-11)
同样可以求得y方向的方位角βy。 在PD雷达中实现单脉冲体制是非常困难的：性能优良的杂波滤波器
三种雷达的性能见下表：
表3－1
性能
PRF
测距
低 清晰
测速
模糊
测距设备、信号处理
简单
测速精度
低
旁瓣杂波电平
低
主瓣杂波抑制
差
允许方位扫描角
小
发现地面动目标
差
中 模糊 模糊 复杂
高 中 良 中 良
高 模糊 清晰 复杂
最高 高 优 大 优
§3.2脉冲多普勒雷达的杂波
PD雷达通常为机载雷达，在频域－时域分布范围广、功率强的背景
单边带 滤波
收发开关 发射机
多普勒 滤波
主瓣杂 波滤波 滤波
滤波 器组
显示
2.单边带滤波器
该滤波器是在中频上进行的，单独滤出一根谱线， 形成连续波，因而距离跟踪应事先完成．单边带滤波可 以改善目标频谱混叠．
3.主瓣杂波抑制滤波器
目的是滤除强地杂波，相当于一个白化滤波器，幅 频特性应为主瓣杂波频谱包络的倒数．主瓣杂波抑制滤 波器是一个频率自适应滤波器。
解：设天线扫描每次照射目标的时间为τ，天线扫描速度Ω,波束宽度 α，雷达脉冲重复频率fPR，每次目标回波数N，则：
1 1 6 360/ 60 36
PPR

N
36 5 185
雷达脉冲重复频率至少应为185Hz。如果其他条件 不变，天线扫描速度改为12周/秒，则雷达脉冲重复频率 应为370Hz以上。典型数据：fPR为280Hz、300Hz。 关于距离模糊：考察下图：
Rm

c(T ) 2

cT 2

c 2 fPR
当脉冲重复频率为300Hz时，最大不模糊距离约为 500千米。 解决距离模糊的方法：
1.降低雷达脉冲重复频率 2.脉冲重复频率参差
关于脉冲雷达的速度模糊 用连续波雷达测目标速度不存在速度模糊的问题。脉冲雷达是对 多普勒信号采样，脉冲重复频率就是采样频率。相参雷达采用正交 采样，不模糊(不混叠)的频率范围为0Hz－300Hz，或-150Hz－ 150Hz。设雷达波长为3cm，重复频率为300Hz，不模糊速度为： 9米/秒或±4.5米/秒，对应于32.4千米/小时或－16.2千米/小时至 16.2千米/小时。这个速度是很低的。所以常规脉冲雷达主要是测距， 多普勒频率一般用于动目标显示。 结论，要使用脉冲雷达测速，要有较高的脉冲重复频率。
4.高度杂波的滤除
高度杂波比漫反射杂波强得多，与发射机泄露的功 率谱重叠，在零频附近．高度杂波滤波器是一个零频滤 波器。
5.多普勒滤波器组
多普勒滤波器组由若干窄带滤波器组成。
6.恒虚警处理 现在恒虚警处理均在零中频上进行。
7.线性调频频谱变换(p91) 进行频谱分析最简单的方法就是进行傅立叶
变换。我们也可以用若干滤波器组成滤波器组进 行频谱分析。得益于CCD器件和SAW器件的发 展。