9_脉冲多普勒雷达(1)

通过将四个谐波叠加至 基波的所产生的矩形波
2. 傅里叶级数
第 三 节
揭
开
脉
冲
频
谱
的
面 纱
通过包含100个谐波所产生的
矩形波形，其波动明显减少
矩形波 直流成分 脉冲序列
为从矩形波产生矩形脉冲序列， 必须加上直流成分
2. 傅里叶级数
脉冲序列的频谱
第 三 节 揭 开 脉 冲 频 谱 的 面 纱
无限长矩形脉冲序列的一部分，以及序列的频谱
第 • 相干是指在相连的脉冲之间的相位是一致的。相
二 节
干脉冲串可以用主振放大器获得，可以看成是从
脉 连续波上剪裁下来
冲 信
• 无限长的相干脉冲串的频谱包含一系列谱线
号
的 频
• 有限长相干脉冲串的频谱形状与无限长的相同， 但单根谱线具有有限的带宽，其带宽与脉冲串的
谱 长度成反比
1. 问题的关键
信号的频谱意味着什么？
相干脉冲序列的每根谱线之间也存在着副瓣
从实验得出的结论
脉冲雷达要想容易地分辨出多普勒频移，应
• 雷达发射的脉冲信号是相干的，雷达系统
第 二
是相参的
节 脉
• PRF足够高，高到其频谱能合理的分开
冲 信 号
的
• 脉冲串应足够长，长到谱线具有合理的宽 度
频 谱
• 对多普勒滤波器的合理设计，可以减少副 瓣
多普勒频率的相量表示
第 一 节 多 普 勒 效 应
经过若干的周期后，接收波和发射 波的相位仅差一个Φ
如果距离减小， Φ将减小，R相对 于T逆时针旋转，即接收波具有较 高的频率；反之亦然
3. 多普勒频率的幅度
fd计算公式的推导
多普勒频率等于距离（d）以波长改变的速率
第 一 节
fd
=
−
d
λ
fd
=
−2
第 一 节 多 普 勒 效 应
5. 地面反射回波的多普勒频率
第 一 节
多 普 勒 效 应
地面的距变速率是雷达速度在雷达指向地面方向上的投影值
fd
=
2 VR
cos L
λ
5. 地面反射回波的多普勒频率
第 一 节
多
普
勒
效
应
如果角度L分解为方位角和俯仰角两个分量，L的余弦可用方位角和俯仰角的余
弦的乘积来代替
小结
• 信号的频谱是信号能量在可能的频率范围的分布
第 三
• 脉冲载频的频谱可以依据载频相应于窄带滤波器
节
揭 调谐的频率所产生的递进相位变换进行解释
开
脉
冲
频
谱
的
面
纱
试验的结果
第 二 节 脉 冲 信 号 的 频 谱
试验的结果
单个脉冲
第
非相干脉冲串（起始相位随机）
二
节
脉 冲 信 号
的 频
谱
试验的结果
无限长相干脉冲串
第 二 节 脉 冲 信 号 的 频 谱
试验的结果
有限长相干脉冲串
第 二 节 脉 冲 信 号 的 频 谱
小结
• 具有随机起始相位的脉冲串是非相干的，其频谱 与单个脉冲的频谱具有相同的形状
出现在f0两边 ② 谱线都“安装”在
sinc包络之中
4. 谱线宽度与脉冲序列持续时间
实验4：两个脉冲试验
第 二 节 脉 冲 信 号 的 频 谱
当接收数千个脉冲时，谱线又窄又尖；当接收两个脉冲时，谱线变宽到相互连接
4. 谱线宽度与脉冲序列持续时间
实验5：8个脉冲串
第 二 节 脉 冲 信 号 的 频 谱
负频率项的意义
第 三 节 揭 开 脉 冲 频 谱 的 面 纱
单单考虑信号，负频率项没有意义。若信号被分解为I和Q成分，则可提供额外信息
4. 用数学方法解释脉冲频谱
幅度代表的含义
第 三 节 揭 开 脉 冲 频 谱 的 面 纱
如果信号傅里叶变换所表示的幅度是电压，则幅度平方相对于频率 变化的图表是信号的功率谱，该图表覆盖的区域相应于信号的能量
3. 从滤波器的角度解释频谱
第 三 节
揭 开
在零点处，τ秒钟内，滤波器比信号
脉 的循环次数多1
冲
频
谱
的
面
纱
因此零点位于载频fc高低两侧1/τHz处
输入脉冲越短，则脉冲持续期间产生 360°相位变化所造成的频率差别越大
3. 从滤波器的角度解释波谱
相干脉冲序列的频谱
第 三 节 揭 开 脉 冲 频 谱 的 面 纱
的
面
纱
脉冲调制载波
相干的脉冲射频信号实际上是连续波（载波），其幅度通过脉冲视频信号调制
2. 傅里叶级数
任意连续的、周期性重复的波形都可以通过一系列频率是波形重复频率整数 倍的正弦波进行叠加而产生。重复频率称作“基频”，整倍数波形为“谐波”
第
基频
三
节
揭 开
三次谐波
脉
冲
五次谐波
频
谱
和
的
面
纱
通过将两个谐波叠加至 基波的方式产生方波
频
谱
主振功率放大器的脉冲实际上是从连续波上“切”下来的，因此脉冲是相干的
3. 相干性
实验3： 相干的效果
第 二 节
脉 冲 信 号 的 频 谱
相干脉冲的频谱包括一系列均匀间隔的谱线
相干与非相干脉冲串具有相同的谱包络
3. 相干性
第 二 节 脉 冲 信 号 的 频 谱
相干脉冲串的谱线间隔等于PRF
相干脉冲串频谱性质 ① 谱线以PRF等间隔地
揭
开
脉
冲
频
谱
的 面
谱线宽度=
2 脉冲序列长度
纱
3. 从滤波器的角度解释频谱
本质上，滤波器就是通过感应输入信号的连续周期的相位变化来决定输入信号
的频率与滤波器的频率是多么的接近，从而确定信号的频率就是滤波器的频率
第
将
三 节
滤 波
揭 开 脉 冲
器 比 做
频
直
谱
尺
的
面
纱 把滤波器想象成测量波
若频率有偏差
第 • 移动目标的距离变化率由雷达和目标的速
一 节 多
度以及目标相对于雷达速度方向的角度来 决定
普 勒
• 地面的距离变化率由雷达速度以及地面的
效 应
角度决定
1. 实验
目的是要弄清什么是相干以及 相干在多普勒雷达中的重要性
第 二 节
脉
冲
信
号
可以是频谱分析仪
的
频
谱
用一个微波发射机和一个接收机来进行一系列简单的试验
脉冲越窄，中心谱的包络就越宽
3. 相干性
相干性意味着从一个脉冲到下一个脉冲的相位具有一致性
第 二 节 脉 冲 信 号 的 频 谱
只要距离是波长的整数倍，这两个脉冲的波前的相位就是相同的
3. 相干性 获得相干性
第
二 节
振荡器连续工作
键控放大器来产生脉冲
脉
冲 信
通过主振功率放大器来产生相干脉冲串
号
的
第 三 节
揭 开 脉 冲 频 谱 的 面 纱
唯一的差别是由于第二个序列每个脉冲循环周期间的相位变化造成的
4. 用数学方法解释脉冲频谱
脉冲具有如下特征
9载频，ωc=2πfc 9脉宽，τ
第 三 节
9脉冲重复频率， ω0=2πfr 9脉冲间隔周期，T 9脉冲持续周期，NT
揭 开 脉 冲 频 谱
的 面
纱
4. 用数学方法解释脉冲频谱
2. 傅里叶级数
频率谱线代表的含义
第
三
节
揭
在脉冲间隔期内，基波及谐波
开
的幅度和相位，与载频完全抵
脉 冲
消。而在每个脉冲短暂的周期
频
内，它们相互结合产生信号，
谱 的
具有载波的波长和发射机的全
面
部能量
纱
2. 傅里叶级数
单个脉冲的频谱 第 三 节 揭 开 脉 冲 频 谱 的 面 纱
2. 傅里叶级数
谱线宽度 第 三 节
R
λ
多
普
勒
效
应
fd
=
−2
Rf c
4. 飞行器的多普勒频率
第 一 节
fd
=
−2
⎛ ⎜⎝
−1000 0.1
⎞ ⎟⎠
=
20kHz
多 普
对于迎头逼近的目标而
勒
言，距离变化率是飞机
效 应
速度之和
对于追尾的目标而言， 距离变化率是飞机速度 值之差
4. 飞行器的多普勒频率
一般来说，目标的距变速率是雷达速率与目标速度在雷达到目标这条直线上的投 影之和
电子系统
Leabharlann Baidu第九章 脉冲多普勒雷达
1. 多普勒效应及其原因
多普勒效应是指由一个运动的物体对辐射波、反射波或接收波所产生的频率移动
一个点源所辐射的波在
第
运动的方向上被压缩而
一
在其相反的方向上被扩
节
多
展
普
勒
效
应
对雷达而言，多普勒频移是
由于雷达和反射雷达无线电
波的物体的相对运动而产生
的
2. 多普勒频移产生的场合及方式
2. 傅里叶级数
脉冲调制无线电波的频谱
第
时间
三
节
揭
开
脉 冲
时间
频
谱
的
当连续载波受到无限长
面 纱
脉冲视频信号调制时，
时间
视频信号各谐波在载频
上下两侧产生边带
载频 调制信号 脉冲调制载频
频率
2. 傅里叶级数
频率谱线代表的含义
第 三 节 揭 开 脉 冲 频 谱 的 面 纱
受载频调制的脉冲，其每个谱线代表一个具有脉冲序列长度的正弦波
fd
=
2 VR
cosη cosε λ
6. 半主动导弹所见的多普勒
第 一 节
fdM
=
−2R + ΔVM
λ
多 普
勒 效
应
到导弹的距离变化速率是目标相对于雷达 的距变率加上目标相对于导弹的距变率
在追尾进攻时，导弹所见多普勒频 率可能会很小
小结
• 对雷达回波而言，多普勒效应通过波前的 压缩或扩展来进行可视化描述
2. 带宽
实验1：连续波信号
第 二 节 脉 冲 信 号 的 频 谱
连续波的频谱
2. 带宽
实验2：独立的脉冲串
脉冲之间相位是随机变化的
第 二 节 脉 冲 信 号 的 频 谱
这种情况下，独立脉冲串的频谱与单个脉冲的频谱是一致的
2. 带宽
第
BWnn
=
2
τ
二
节
频谱的主瓣宽度
脉 冲 信 号
的 频
谱
频率分辨力太差，无 法检测多普勒频率
第
频谱的定义：广义上讲，信号频谱是指信号能量在可能的频率范围内的分布。
三
节
揭
开
信号频谱通常描述为幅度
脉
相对于频率变化的曲线
冲
频
谱
的
面
纱
设想有一个信号同时输入 到多个无损耗窄带滤波器 中，它们的频率间隔无限 小
1. 问题的关键
“频率”的定义 正弦信号每秒钟所完成的循环次数
第
三
节
载波
揭
开
脉
冲
频 谱
脉冲视频信号
峰间距的直尺，直尺的
刻度间隔是滤波器调谐
频率的波长
3. 从滤波器的角度解释频谱
第
信号同直尺相应刻度对照的相位
三 节
可由向量表示
揭
开
脉
冲
频
谱
的
相对于滤波
面 纱
器的相位
本质上，滤波器将
连续循环周期对应
窄带 滤波器
的向量进行累加
3. 从滤波器的角度解释频谱
单个脉冲频谱
为何是连续的？
第 三 节
揭 开 脉 冲 频 谱 的 面 纱
当脉冲持续期间累积的相位变化是一个波长时将出现零点 由于脉冲序列的持续时间长，则信号与滤波器的频率差别就很小
3. 从滤波器的角度解释频谱
第 三 节 揭 开 脉 冲 频 谱 的 面 纱
如果间隔删除序列中的脉冲，则输出减小，但带宽基本保持不变
3. 从滤波器的角度解释频谱
谱线的重复
脉冲间的360°相位变化量就意味着在每一个脉冲间隔周期 内进行一次循环，相当于频率增量等于PRF
如果雷达和目标都在运动，无线电波可能在发射、反射和接收都产生压缩（或伸展）
第 一 节 多 普 勒 效 应
3. 多普勒频率的幅度
第 一 节 多 普 勒 效 应
频率，即连续相位移动
相当于每个周期中 相位移动了36度
通过在两个波前之 间插入36度的相移， 频率从11Hz降低到 10Hz
3. 多普勒频率的幅度
谱线的零点之间的宽度
LWnn
=
⎛ ⎜⎝
2 N
⎞ ⎟⎠
fr
=
脉冲串的长2 度（秒）Hz
4. 谱线宽度与脉冲序列持续时间
第 二 节 脉 冲 信 号 的 频 谱
相干脉冲串的频谱与具有同样长度的单个脉冲串的频谱的唯一差别就是： 脉冲串的频谱只是在间隔为PRF的位置重复
5. 副瓣谱
第 二 节
脉
冲
信
号
的
频 谱