第2章脉冲雷达

第2章 脉冲雷达
脉冲雷达测距
– 例：设 m1 = 7, m2 = 8, m3 = 9; A1 = 3, A2 = 5, A3 = 7，
Ai 为距离门序号，t 为距离门宽度，则有
m1m2m3 = 504
b3 = 5, b2 = 7, b1 = 4,
5×7×8 = 280 mod 9 ≡ 1， C3 = 280 7×7×9 = 441 mod 8 ≡ 1， C2 = 441 4×8×9 = 288 mod 7 ≡ 1， C1 = 288
1 Rmax 2 cTr
• 影响测距精度的因素
R R0
– 电波传播速度变化 地面
– 大气折射：视在距离和真实距离
目标真实位置 H
第2章 脉冲雷达
脉冲雷达测距
• 距离模糊
– 雷达作用距离 < 最大不模糊距离：单值测距
– 雷达作用距离 > 最大不模糊距离：距离模糊
– 若测得回波延迟tR，PRT = Tr，模糊值m
• 多普勒盲区（盲速 / 测速盲区）
– MTI对消器 => 零多普勒附近成为多普勒盲区 – 多普勒模糊时，k fr 附近的目标速度称为盲速 – 减少多普勒盲区大小：多重PRF ，或HPRF
第2章 脉冲雷达
动目标检测雷达
• PRF选取
– HPRF：测距模糊，测速不模糊，杂波强度高
– LPRF：测距不模糊，测速模糊
时域滤波
– HM( f )：单脉冲波形匹配滤波 – HC( f )：多脉冲杂波对消 – HM2( f )：窄带多普勒滤波，脉冲串相参积累
窄带多普勒滤波器组频率覆盖范围：- fr / 2 ~ fr / 2
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最优滤波
• 匹配滤波器
– 白噪声背景中检测信号的最佳线性滤波器，其传 输函数是输入信号频谱的复共轭， 脉冲响应是
– 示踪脉冲法（给各脉冲加标签） – 脉冲舍弃法（舍去脉冲串中的一个脉冲）
第2章 脉冲雷达
脉冲雷达测距
• 多重PRF解距离模糊
– 雷达以 fr1 和 fr2 为PRF交替发射相参脉冲串，目
标回波的真实延时 tR 为
tR
t1
n1 fr1
t2
n2 fr2
fr fr1 / N fr2 /(N a)
– 白噪声时，窄带滤波器组使SNR提高 N 倍
– MTD = MTI + 窄带多卜勒滤波器组
固 定 杂波 MTI滤 波
气象杂波 动目标回波
0
1
f
气 象 杂波 动 目 标回 波 Tr
0 杂 波 剩余
1
f
Tr
(a) MTI
(b) MTD
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动目标检测雷达
• 多卜勒滤波器组的实现方法
– 硬件：N 抽头横向滤波器，各脉冲加权后求和
n1 和 n2 分别为用 fr1 和 fr2 时的测距模糊数。通 常取 a = ±1，则 n1 = n2 或 n1 = n2 ±1
tR
t1
fr1
t2 fr2 {1, 0,1} fr1 fr2
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脉冲雷达测距
• 幻影（Ghost）
– 若有两个同向同速的目标出现在不同的距离上， 采用两重PRF解距离模糊时将出现配对模糊，即
– 运动目标： 调幅脉冲串，脉间相差 2p fdTr
相邻脉冲相减滤除固定杂波，保留运动目标
– 滤除固定杂波后，原来被强杂波背景淹没的运 动目标回波信号将在终端显示器上显现出来， 故称动目标显示
– 一次相消器，（运动杂波抑制滤波器）
H (z) 1 e j z1, 2p fdTr
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频 谱 折叠
中 频 信号 复 频 谱
－fi
0
fi
f
0
f
正 交 双通 道 处 理 等效 频 谱
0
f
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m(t)
(a)
0
t
um(t)
(b)
动目标显示雷达
M( f )
0.265 fr n
0
f
Um( f )
0
t
中频谱
0 －f0－fd
f0＋fd
f
…
(c)
0
f0＋fd－ 2fr f0＋fd－fr
f0＋fd
• 对中放增益控制：杂波强度随距离快速变化
• 检测0多普勒强目标：MTI造成速度盲区
– 实现：Y(n) = (1-K1)X(n)+K1Y(n-1)
Y (z) X (z)
H (z)
1 K1 1 K1z 1
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动目标检测雷达
• 多普勒模糊（测速模糊）
– 多普勒滤波器组频率覆盖范围：- fr / 2 ~ fr / 2 – | fd |> fr / 2 时，频率混迭 => 多普勒模糊 – 解模糊：多重PRF配合中国余数定理，或HPRF – 多个同距同向目标解模糊，配对错误导致幻影
R视在 = 0.5 c tR
R真实= 0.5 c (mTr + tR)
50km
10km
60km
110km
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脉冲雷达测距
• 距离盲区
– 收发共用天线雷达，在发射脉冲和收发转换期
间不接收信号：tB = t + t0
– 存在距离模糊时，tB 所对应的各真实距离处的目 标将被屏蔽，形成距离盲区，宽度 0.5 c tB
f0＋fd＋fr f0＋fd＋ 2fr
f
相 干 电压
0
f0
f
视频谱
(d )
…
0
fd＋fr
f
fd－fr －fd fd －fd＋fr
fd＋ 2fr
fd＋ 3fr
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动目标检测雷达
• 动目标检测（MTD）
– MTI 雷达改善因子一般在 20dB 左右
– 窄带多卜勒滤波器组：一组相邻且部分重叠的 滤波器组覆盖整个多卜勒频率范围
输入信号的镜像函数
H () kS *() e jt0 , h(t) ks* (t0 t)
– 匹配滤波器的输出SNR在时刻 t0 达到最大
(
S N
)max
2E N0
– N0 是输入噪声谱密度，E是输入信号能量
E | S( f ) |2 df | s(t) |2 dt
第2章 脉冲雷达
现代雷达技术
第2章 脉冲雷达
第2章 脉冲雷达
• 本章简介
– 脉冲雷达测距 – 最优滤波 – 动目标显示（MTI）雷达 – 动目标检测（MTD）雷达 – 脉冲多普勒（PD）雷达
本章介绍
第2章 脉冲雷达
脉冲雷达测距
• 脉冲雷达测距
– 脉冲延时法：最直接、应用最广的测距法
– R = ctR/2， 1ms => 150m – 简单雷达
– 相参脉冲序列
S = [ s1 s2 … sN ]T – 最佳滤波器权值为
Wopt c1S
– 信杂比改善因子
I SCR
WoTpt S
S
T
W * * opt
来自百度文库
W W T
*
opt c opt
动目标检测雷达
第2章 脉冲雷达
脉冲多普勒雷达
• 脉冲多普勒（PD）雷达
– 利用多普勒效应检测运动目标的脉冲雷达 – 狭义定义，对付机载下视雷达的强杂波，特征
动目标显示雷达
• 动目标显示（MTI）雷达
–
目标相对径向速度
Ur
u
vr，多普勒频移
ftr = 2vTrr/l
–Uk 单路U∑解in 调后，脉冲串被多普勒频率调幅
– 正交双通道（I、Q）处理无盲相
0
t
u
Ur1
Ur2
c os(dt－0)
Uk
0
t
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动目标显示雷达
• MTI雷达原理
– 固定目标：等幅脉冲串，脉间相差0
W1
W2
W3
W4 … WN
∑求 和 输出
0 1 234 56 71
f
NT NT NT NT NT NT NT T
(a)
横向滤波器
(b)
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动目标检测雷达
• 加窗FFT实现多卜勒滤波器组
– 问题：由DFT实现的窄带滤波器的频谱副瓣较高， 如第一副瓣峰-13.2dB，副瓣渗入的强杂波或强 干扰剩余剩余仍然很强，导致通带内的信杂比 较低，不利于检测较弱的运动目标
动目标显示雷达
第2章 脉冲雷达
动目标显示雷达
• 脉冲雷达发射信号频谱
– 等幅脉冲串：被 sinc 函数调幅的周期线谱
– 天线方向图调幅脉冲串：被 sinc 函数调幅的周 期带状谱。复杂目标：频谱展宽
– 运动目标回波将发射信号频谱搬至±( f0 +fd )
– 正交双通道处理：单边低通滤波
单 路 相位 检 波
C1A1 + C2A2 + C3A3 = 5029
得不模糊距离门序号 Rc = 5029 mod 504 = 493
目标真实距离为 R = 0.5Rc ct = 246.5 ct
第2章 脉冲雷达
最优滤波
• 最优滤波器的频率响应
H ( f , s) HM(f )HC (f)HM(f ) GC(s)GT (s)GR(s) 波形匹配 多普勒处理 空域处理或空域滤波
有两组配对方式，一组是真实的，另一组则为 幻影。
– 例： fr1： 两个目标
R视在11
R视在12
fr2： 两个目标
R视在21
R视在22
配对1：{ R视在11 R视在21 } { R视在12 R视在22 }
配对2：{ R视在11 R视在22 } { R视在12 R视在21 }
– 增加第三重PRF可去幻影
– 越靠近杂波中心的滤波器，副瓣渗漏影响越大
– 解决方案：先对消主杂波，再进行加窗DFT
– 加窗目的：压低窄带滤波器副瓣
– 相参脉冲数：通常2的幂次+2，可利用FFT
第2章 脉冲雷达
动目标检测雷达
• 杂波图
– 将雷达监视空间分割成许多距离-方位单元，储 存在各个单元中的杂波强度构成杂波图
– 作用：
• 采用HPRF，无速度模糊 • 能实现多普勒滤波 • 因HPRF，目标有距离模糊 – 广义定义 • 能实现对雷达信号脉冲串的多普勒滤波 • 具有分辨运动目标速度的能力
关，每个开关开启时间为一距离门 – 数字雷达：采样间隔为一距离门
距离门
匹 配 滤 波
1#门 2#门
K#门
采样距离门
匹配 滤波
模数 转换
距离单元
存储器
第2章 脉冲雷达
脉冲雷达测距
• 脉冲雷达测距范围
– 最小可测距离：脉宽t + 收发转换时间 t0
Rm in
1 2
c(t
t0 )
目标视在位置
– 最大不模糊距离：脉冲重复周期
lp l
显示器直接测读
发射
– 现代雷达
脉冲
距离门（波门）选通
近区地 物回波
目标回波
0 10 20 30 40 50 60 70 km
机械距离刻度标 尺
具有机械距离刻度标尺的 显示器荧光图屏6.2画面
第2章 脉冲雷达
脉冲雷达测距
• 距离门测距
– 测读回波脉冲延时的距离增量（单元） – 模拟雷达：按时间顺序开闭的一组高速电子开
– 若目标回波延时正好是PRT的整数倍，则该目标 将落在距离盲区内而不被发现
第2章 脉冲雷达
脉冲雷达测距
• 解距离模糊方法
– 多重脉冲重复频率法 • 可得到更大的不模糊距离 • 可解决发射脉冲遮挡造成的距离盲区问题
fr1 Nfr , fr2 (N a) fr fr1 : fr2 N : (N a)
第2章 脉冲雷达
脉冲雷达测距
• 中国余数定理（孙子点兵定理）解模糊
– 真实距离
Rc = (C1A1+C2A2+C3A3) mod(m1m2m3) 其中 Ai 为模糊（视在）距离
mi 为PRF比值 C1 = b1m2m3 ; C2 = b2m1m3; C3 = b3m1m2 b1 是使 b1m2m3 mod(m1) = 1 成立的最小整数， b2 和b3 与此类似
– MPRF：测距、测速都有模糊，杂波强度下降
• 距离-多普勒二维盲区
– 8/3准则：一种常用的多重MPRF选择方案，又 称“3:8”准则，即利用8个不同PRF中的3个来 检测某一目标回波以避开距离-多普勒二维盲区
– 在选取的3个MPRF中，2个用来解模糊，第3个 用来去幻影
第2章 脉冲雷达
• 自适应最佳滤波
– 实际：N点加窗DFT实现，第 k 个滤波器中心频
移： 2 fd
fr
2k N
fd
k fr N
(n = -N/2-1, …,-1,0,1,…,N/2)
输入 迟延 Tr
(N－ 1)个 迟 延线
迟延 Tr
迟延 Tr
迟延 Tr
H1( f )
≈ 0.9 NT
0 1 2 3 4 5 6 7 0′ 1′ 2′