（电路与系统专业论文）雷达动目标检测研究与应用[电路与系统专业优秀论文].pdf

abs tract t h i s p a p e r i s m a i n l y c o n c e r n a b o u t t h e t e c h n o l o g y o f r a d a r m o v i n g t a r g e t d e t e c t i o n a n d t h e w a y o f i m p l e m e n t a t i o n . c o n s t i t u t i o n s o f t h e s y s t e m a n d f u n c t i o n o f e a c h p a r t a r e d e a l t w i t h in t h i s p a p e r a n d t h e e m p h a s i s i s p u t o n t h e c o m p u t a t i o n o f p r o b a b i l i t y o f d e t e c t i o n a n d t h e t e c h n o l o g y o f c f a r p r o c e s s . t h e t e c h n o l o g y o f wi n d o w - f f t a n d c f a r p r o c e s s i n g w h i c h c o u l d r e j e c t m o v i n g c l u t t e r p r e v e n t s m a i n l o b e o f p o w e r f u l c l u t t e r f r o m c o v e r i n g u p s m a l l m o v i n g t a r g e t . b e c a u s e o f t h e l o w r e s o l u t i o n o f t e c h n o l o g y o f c o n v e n t i o n a l m t d , a l g o r i t h m o f h i g h r e s o l u t i o n s p e c t r u m e s t i m a t i o n - mu s i c i s a d o p t e d t o d e t e c t m o v i n g t a r g e t . t h e m o d e l o f mu s i c o f s e c o n d o r d e r c o r r e l a t i o n i s b a s e d o n t h e w h i t e n o i s e , t h o u g h u n d e r t h e n o i s e o f g a u s s c o l o r - c l u t t e r i t w i l l p r o d u c e w r o n g d e t e c t i o n r e s u l t . h o w e v e r f o u r t h o r d e r c u m u l a n t w h i c h c o u l d r e j e c t g a u s s c o l o r - c l u tt e r d e t e c t m o v i n g t a r g e t u n d e r t h e c i r c u m s t a n c e o f ga u s s c o l o r - c l u t t e r . a t l a s t w e i n t r o d u c e t h e s o ft w a r e a n d h a r d w a r e o f m o v i n g t a r g e t d e t e c t i o n s y s t e m i m p l e m e n t i n g w i t h d i g i t a l s i g n a l p r o c e s s o r a d s p - t s 1 0 1 s . i t h a s a d v a n t a g e s o f s i m p l e s t r u c t u r e , s m a l l s i z e , l o w p o w e r c o n s u m p t i o n , w o r k i n g s t a b i l i t y , p e r f o r m a n c e r e l i a b i l i t y , c a n m e e t t h e r e q u i r e m e n t o f fl e x i b l e s i g n a l p r o c e s s i n g . t h e s y s t e m h a s s u c c e e d e d a p p l i c a t i o n i n a n a i r p o rt n a v i g a t i o n r a d a r a n d g e t s h i g h p e r f o r m a n c e . k e y w o r d : mo v i n g t a r g e t d e t e c t i o n c f a r mu s i c d i g i t a l s i g n a l p r o c e s s o r 磷8 3 7 3 7 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知， 除了 文中 特别加以 标注和致谢中所罗列的内容以 外， 论文中不 包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果;也不包含为获得西安电 子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已 在论文中做了明确的说明并表示了 谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本 人签名: 进达拿-日期 刀吟 1.5 关于论文使用授权的说明 本人完全了 解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即:研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。 本人保证毕 业离校后， 发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文;学校可以公布论文的全 部或部分内 容， 可以 允许采用影印、 缩印或其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密， 在 _ 年解密后适用本授权书。 本人签名 林久 峰 日期2r1 ,5 导 师 签 名 : 泌粉1日 期坷.1 - 了 第一章 绪论 第一章绪 论 圣 l . 1研究背景及意义 二次世界大战后， 特别是近二十多年来雷达技术有了 迅速的发展。它已 广泛 用于预警、搜索、 警戒、侦察、防空、指挥、控制、制导、火控等系统。 这些技 术成果同时也在民 用雷达方面发挥日 益增长的作用。 鉴于雷达在军事和民 用中所 起的重要作用，各国纷纷投入大量的人力物力，借助现代电子科技的不断进步来 发展自己 的雷达技术， 使雷 达技术和理论得到迅猛的发展。在雷达信号处理机表 现为: 处理机更为精致、灵活、 性能明显提高，雷达自 动检测和跟踪系统得到完 善，提高工作的自 动化程度。 雷达是利用目 标对电 磁波的反射现象来发现目 标并测定其位置的，它是基于 军事目 的设计生产的，即 要通过其工作实现对军事目 标， 例如空中的飞 机、导弹、 海面舰艇的探测，从而对上述目 标进行定位或跟踪。目 标周围通常存在着各种背 景，如地物、云雨、海浪及敌方施放的金属铂条干扰等.在这些背景中，地物是 静止不动的，云雨、海浪等是运动变化的。这些杂波和目 标在雷达显示器上同时 显示时， 会使观测变得很困 难。 特别是目 标位于杂波背 景内时，小目 标将为强杂 波所掩盖， 产生漏警.极大降低雷达检测性能。 在杂波环境下，动目 标检测早期采用mt i 处理，它主要用于抑制地物杂波。 对于多普勒速度非零的运动杂波，mt i 处理无法取得良 好的效果。近年来，随着 雷达信号处理技术的不断发展， a m t i 技术广泛用于运动杂波抑制， 提高了 雷达在 杂波背景下检测目 标的能力。 但是，我们希望在抑制杂波的同时， 提高 系统的改 善因子， 动目 标检 测( m t d ) 加 恒虚警自 动门限 处理 对于 动杂波的 抑制可 取得良 好的 效果，而且可以 提高系统的改善因子。 在白噪声背景下，改善因子和通带内的多 普勒滤 波器数目 有关， i = 1 0 1 g n。 尽管早期的 雷达 信号 检测理论中 就包 含有m t d 原理， 但是由 于其计算量过大，不易实现，未被广泛应用。 近年来由 于数字处理 技术的发展及大规模和超大规模集成电路的应用，实现mt d己 成为可能。 m t d技术是在m t i 基础上发展起来的，与动目 标显示( m t i ) 相比， m t i 为准 最优滤波处理，而m t d为最优滤波处理。m t d滤波器组最简单的实现方法是采 用离散 傅里叶 变换 ( d f t ) 滤 波器 组， 但是d f t滤波 器的 零频附 近没有凹陷，因 而 无法很好的 抑制地物杂波， 使滤波器组输出的检测性能受到影响。 所以 必须在d f t 滤波器组之前加上mt i 处理，这样可以 先抑制地物杂波。d f t 滤波器组可用快速 傅里叶 变换( f f t ) 实 现， 节省 大量的 运算量。 m t d具 有系统以 下特点: ( 1 ) 信号处理的线性动态范围大。 ( 2 ) 在多普勒滤波器前使用多脉冲对消器， 抑制强 地物杂波。 雷达动目标检测研究与应用 ( 3 ) 采用一组多普勒滤波器， 使之更接近于最佳滤波，提高系统改善因子。 ( 4 ) 在频域用自 动门限抑制运动杂波。 ( 5 ) 用动态杂波图检测切向飞 行目 标。 mt d系统用二次对消器和多普勒滤波器相结合提取动目标多普勒频率，可以 获得比mt i 系统更好的改善因子。为了抑制运动杂波，对同一距离单元的各滤波 器输出求模， 并对同一滤波器输出 采用自 适应门限处理( 恒虚警处理) ， 然后把各滤 波器输出合并，可抑制气象杂波等运动杂波。每个滤波器的自 适应门限是由同一 滤波器的相邻距离单元输出 平均选大得到的。 m t d系统采用多普勒滤波器组进行数据块处理， 在目 标多普勒频率和滤波器 相匹配的情况下，m t d等价于相参积累。由于采用数据块处理，脉冲间参差不适 应于mt d系统，可采用脉冲组参差。 7 0 年代中 期， 美国 麻 省理工 学院 林肯 实 验室 ( m i t l i n c o l n l a b o r a t o r y ) 己 研制出 用于机场监视的动目 标检测雷达信号处理机。 m t d系统的发展大致经历了三代， 第一代用固定的2 ” 点f f t实现时域到频域的转换，设备庞大而复杂，功耗大，并 且更新修改复杂:第二代采用可编程处理器和中大规模集成电路以及半导体存储 器; 第三代mt d系统， 采用波束形状匹配技术， 获得了良好的距离方位精度和分 辨率，并在相关处理间隔中采用不同的脉冲重复频率。 本文的内容是在参与某精密进场雷达信号处理机研制基础上开展的。同早期 的雷达系统不同，整个信号处理机是采用新一代的高性能通用浮点 d s p - a d s p - t s 1 0 1 s 来完成的，仅用1 0 片a d s p - t s 1 0 1 s ， 两块印 制电 路板，就完成整 个信号处理机的脉冲压缩、固定对消、反异步干扰，m t d . c f a r等功能。采用 线性调频脉冲压缩技术，使雷达的发射功率从几千瓦降低到几十瓦，降低雷达被 发现的概率，提高其战场生存能力。 雷达信号处理机采用数字中频解调，增大信 号动态范围，克服传统模拟中 频检波， i . q通道幅相不一致对系统性能的影响。 该系统具有结构简单、 体积小、 功耗低、 稳定可靠的 优点， 能适应灵活信号处理， 在工程实践中取得良 好的效果。 互 1 . 2本文的主要工作及内容安排 本文的主要工作是讨论雷达的动目 标检测及其工程实现。对于整个雷达系统 进行了 仿 真分析， 着重讨论m t d 和 恒虚 警( c f a r ) ， 及它们 在抑制 气象杂 波中的 作 用。 文中还采用高分辨率谱估计算法一 m u s i c检测动目 标， 估计目 标多普勒频率。 最后给出该信号处理机mt d系统的软硬件设计。 本文的主要工作可以分为以下几 个方面: . 简要介绍传统动目 标检测系统的组成、各部分功能，分析mt d的改善因 第一章 绪论 子， 给出白 噪声 背景下加权f f t ( w f f t ) 的改善因子。 ( 第二章 ) 分析雷达自 动检测技术， 叙述在高斯杂波背景下， 检测概率的计算， 恒虚 警处理方法，比 较不同c f a r处理方法性能。 ( 第三章) 对整个雷达信号处理机进行仿真分析， 介绍该雷达采用的数字中频解调和 脉冲压缩匹配滤波技术。在强杂波环境下，仿真比 较 w f f t -c f a r和 f f t - c f a r 抑制 杂 波效果， 检测目 标的不同 能力。 ( 第四 章 ) 由于f f t频率分辨率低，采用mu s i c算法进行动目 标检测及频率估计; 在高斯色噪声背景下，用基于四阶累积量的mu s i c算法进行目 标频率估 计。 在不同 信噪比 下，对算法进行仿真分析。 ( 第五章) 采用高速数字信号处理芯片a d s p - t s 1 0 1 s 设计雷达信号处理机的动目 标 检测系统软硬件，并在v i s u a l d s p + + 3 .0 的编译环境下完成m t d 、求模、 恒虚警、选大输出的软件编程设计。( 第六章) 在论文的附录部分给出d s p 实现的动目 标检测系统硬件实物图。 雷达动目 标检测研究与应用 第二章动目 标检测系统及其性能分析 2 . 1动目 标的多普勒效应 多普勒效应是指当发射源和接收者之间有相对运动时， 接收到的信号频率将 发生变化。这一物理现象首先在声学上由 物理学家克里斯顿 首先发现的。雷达 应用的日益广泛对其性能要求更加提高，推动了利用多普勒效应来改善雷达工作 质量的进程m。 设雷达发射信号为: s ( t ) = u(t)e.0 ( 2 - 1 ) u ( t ) 为调制 信号的 复数 包络;w 。 为 发射角频率 则目 标反射的回波信号为: s ( t 一 t , ) = k u ( t 一 t , ) e r w o t 一 ， )( 2 - 2 ) 当目 标固定不动时，回波信号的复包络有一固定延时，相位差为: v = - wt , = - 2 w o r o / c = - 4 1 rr o l a ( 2 - 3 ) 其中r 。 为目 标与雷达的距离，兄 为雷达的工作波长， 几 ld rp=0 则目 标的多普勒频率为: ( 2 - 4 ) 2 a r d t 当目 标相对雷达匀 速运动时， 可 近似认为其延 迟时间t , 为: ;， 片 2 r 丝 一 兰 ( * 。 一 ， ， ，) ( 2 - 5 ) c 其相位差为: ， 二 一 w ot。 二 一 ， 二 (令 (r 。 - v ,t) 则目 标的多普勒频率为: 几 = _1 d q2)r dt 一 2- va 不考虑切向飞行目 标时，固定目 标和动目 标的多普勒频率不同 ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) 。固定目标多 普勒频率通常为零，动目 标不为零，因此我们便可以通过多普勒频率来检测目 标。 2 . 2动目 标显示滤波器 动目 标显示滤波利用运动目标回波和地杂波在频谱上的区别，从频率上将它 们区分开，以达到抑制杂波而显示运动目 标回波的目的。 根据最佳滤波器理论，当杂 波功率谱c ( f ) 和信号频谱己 知时， 最佳滤波的频 率响应是: 第二章 动目标检测系统及其性能分析 h( f ) s * ( f ) e x p ( - j 2 ) rf t ,. ) c ( f ) ( 2 - s ) 式中，s * ( f ) 是s ( f ) 的 共扼滤波器，t : 是使滤波器能够实现而附加的延迟时 间。 滤波器可分为两个级连滤波器h . ( f ) 和h 2 ( f ) : h, ( 力 c ( f ) ( 2 - 9 ) h i ( f ) = s ( f ) e x p ( - j 2 n f t . )( 2 - 1 0 ) 动目 标显示 滤波器 ( m t i ) 就相当 于 这里的h , ( f ) , 对消器，它分为m t i 和a m t i 滤波器: 1 ， 二次对消mt i 滤波器为: y ( n ) = x ( n ) 一 2 x ( n 一 1 ) + x ( n 一 2 ) 组成框图如下图所示: 下面简单的介绍一下非递归 ( 2 - 1 1 ) 图卜 飞二次对消组成框图 它首先将相位检波器输出的模拟信号变为数字信号，再将数字信号按取样顺 序写入存储器。存储3 个周期的数字信号，将同一距离单元的3 个数据进行相加 相减运算，在输出端得到三脉冲对消的数字信号。二次 对消器频率响 应如下图所 不 : 户 一， 口 卫 0 共二二二二 艾 - 1 0 0 占 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0. 4 0. 5 0日0 . 7 0 . 8 n o r ma l i z e d f r e q u e n c y ( x % r e d / s a mp l e ) 图1 - 2二次对消频率响应 自 适应m t i 滤波器( a mt i ) 0. 9 1 自 适应对消滤波器是为了 抑制多普勒速度非零的 地物杂波和气象杂波。 a m t i 滤波器也可采用非递归的形式，它将滤波器凹口对准杂波中心频率来实现自 适应 6雷达动目标检测研究与应用 对消。一次自适应对消的传递函数为: h ( z ) = ( i 一 : 一 ， e j o )( 2 - 1 2 ) 由两个一次自适应对消器级联的二次自适应对消器的传递函数为 h( z ) =( 1 一 e j o z - ) z 1 一 2 e e z - + e 1 2 0 z - 2 ( 2 - 1 3 ) 二次自适应非递归滤波器的结构如下图所示: 一 _ 一 -2 ;e三尺 - x (z ) j 州 一 多 创- 上 一州 - 兰 生 兰二权 f y ( z ) 图1 - 3二次白 适应对消结构图 中心频率为0 .3 二的二次自 适应滤波器频率响应如下图所示: 5 0 一. 0 - s0 一”口 口 一 _一 一 1 - - 一) 一 一 - (田刀)召nllug芝 0. 1 0 . 2 0. 3 0 . 4 0- 5 0 . 6 0 . 7 0 . 8 0 . 9 n o r ma l i z e d f r e q u e n c y ( x n r a d l s a mp l e ) 1 图1 - 4二次自 适应对消器频率响应 2 . 3动目 标检测器 在动目 标显示滤波器中已 讨论过， 根据最佳滤波器理论，在杂波背景下检测 动目标回波，除了杂波抑制滤波器外，还应串接对脉冲串信号匹配的滤波器 h 2 ( f ) p i 。 h 2 ( f ) = s ( f ) e x p ( - j 2 ) z ., ) ( 2 - 1 4 ) 式中s ( f ) 是运 动目 标回 波的 频谱， 则h 2 ( f ) 是 信号匹 配滤波 器的 频率响应。 对于 相参脉冲串 来 讲，h 2 ( f ) 又可 表示为 : h 2 ( f ) = h , ( f ) h 2 , ( f ) ( 2 - 1 5 ) 式中 ，h 2 , ( f ) 为 单 个 脉冲 的 匹 配 滤 波 器， 通常 在 接收 机中 放 实 现;h , ( f ) 是 对相参 脉冲串 进行匹 配滤波， 它 利用回 波 脉冲串的 相参性而 进行相 参积累。 h r ( 力 是 梳齿形滤波器， 齿的间隔为 脉冲重复 频率f ,. , 齿的 位置 取决于回 波信号的多 普 勒频率，而齿的宽度应和回波谱线宽 度相一致。 要对回波相参脉冲串作匹配滤波，必须知道目 标的多普勒频率以及天线扫描 第二章 动目 标检测系统及其性能分析 对脉冲串的 调制情况。 实际 工 作中， 多 普勒频率儿不能预 知，因 此需 要采用一 组 相邻且部分重叠的滤波器组，覆盖整个多普勒频率范围，这就是窄带多普勒滤波 器。它能够实现对相参脉冲串的匹配滤波。 2 . 3 . 1多普勒滤波器组 与动目 标显示( m t i ) 相比， m t i 为准最优滤波处理， 而m t d为最优滤波处理。 m t d 滤波器组最 简单的 实 现方 法是 采用离散 傅里叶 变换( d f t ) 滤波器 组， 但是d f t 滤波器的零频附近没有凹陷，因而无法很好的抑制地物杂波，使滤波器组输出的 检测性能受到影响。 所以必须在d f t 滤波器组之前加上m t i 处理， 这样可以先抑 制地杂波， 再用d f t滤波器组进行滤波处理， d f t 滤波器组可用快速傅里叶变换 ( f f t ) 实现， 可以 节省很多运算量。 基于d f t 的多普勒滤波器频率响应如下图 所示: 8. dft鱼 己佗分翔 幻 佗 虑 编 五 至会目s 贬j 刀 。 向 m 图1 - 5 8 点d f t多普勒滤波器频率响应 d f t滤波器的旁瓣仅衰减1 3 .2 d b ，必须加窗以降低旁瓣。引入加权网络的实 质是对信号进行失配处理，它在抑制旁瓣的同时，也会使主瓣降低且展宽。因此， 旁瓣降低是以主瓣信噪比损失为代价的。如何选择加权窗函数，这涉及到最佳准 则的确定。我们只能在旁瓣抑制、主瓣展宽、信噪比损失、旁瓣衰减速度以及技 术实现难易等几个方面综合考虑。常用的加权窗函数有 b a r t l e tt ( 巴 特利特) 窗、 h a r m i n g ( 汉宁 ) 窗、 h a m m i n g ( 海明 ) 窗 等。 图3 - 6 给出了b a rt l e t t 和h a m m i n g 窗的 频 率响应: 、. r 1 朴 价沂 六 刀nu刀叨 (口p.pj-工co 初田 口芝 、r - , 汽 1 ( 厂 岛 牢一 !一 - 十 一一 (口”.书，.匕a.乏 n o n n a h a e d f re q u e n c y (x a m 6 s a mp le ) 0 0 1 0 1 0 3 0 4 0 5 0 6 0 .7 0 0 0 9 n o im a f t e d f re q u e n c y (x a n a d s a m p le ) 图1 - 6 ( a ) b a r t l e t t 窗频率】1向 应图1 - 6 ( b ) h a m m i n g窗频率)i向 应 雷达动目 标检测研究与应用 2 . 3 . 2多普勒滤波器改善因子分析 改善因 子的定义是系统输出的 信号杂 波功率比s t, l c 。 与输 入信号杂波功率比 s , / c ， 的比 值， 它是衡量m t d雷 达工作质 量的 重要指标 1 二 l c o s ; / c ,= g 三= c ; l n ; c o i n , ( 2 - 1 6 ) c 这里s 和s 。 为目 标所 有 可能 的 径向 速 度上 取 平均的 信号 功 率。 g 为系 统 对 信 号的 平均功 率增益。 系 统的 平均功率 增益也等于系 统 输出 噪声 功率n 。 与 输入噪声 功率n , 之比 ， 即 系 统 噪声 增益， 故 改 善 因 之的 定 义考 虑了 杂 波 衰 减 和 噪声 增益 两 方面的影响。 由图1 - 5 可见，在用均匀排列的滤波器组时， 每个滤波器只占通频带大约 1 / n 宽度，因而其输出端信噪比有相应提高。对于白噪声，采用窄带滤波器组后信噪 比改善应接近提高n倍，这是理想的效果。对于色噪声来讲，各滤波器输出端的 改善因子均有提高，但提高的程度是不同的:越靠近杂波中心的滤波器改善程度 越差;杂波谱越宽，各滤波器的改善程度也变差。 在白 噪声背景下， 如果采用加权f f t ( wf f t ) 信噪比 就不是提高n倍了， 与所 用窗函数有关。下面推导在白噪声背景下的wf f t滤波器组改善因子。 设某目 标的雷达回波数字序列为: x ( n ) = a e x p ( 2 nf n + b ) + v ( n ) n = 0 . . . . . . . n 一 1 v ( n ) = n , ( n ) + j n . ( n ) n = 0 , 一 ， n一 1 ( 2 - 1 7 ) ( 2 - 1 8 ) a为 信号幅 度， 9 为随 机初始相 位。 v ( n ) 为。 均 值， 方差为2 6 的 复高斯白 噪 声。 n是相参 采样点 数， 即 相参处 理间隔c p i = n t , 。 兀 为雷 达脉冲重复 周期。 戈 是 实 噪 声 分 量， 凡是 正 交 噪 声 分 量 。 加 权f f t 输出 如 下: x ( k ) = 艺x ( n ) w ( n ) e x p ( 一 ， 2 n k n / n ) k = 0 一 ， n 一 1 ( 2 - 1 g ) 设 所用窗函数w ( n ) 为 海明窗: w ( n ) =0 . 5 4一0 . 4 6 c o s ( )n二0 , . ， 一 ， n 一1 ( 2 - 2 0 ) 因为f f t为线性变换， 故可分别对信号和噪声计算f f t结果， 再对他们求和。 x .r (k ) = 翼 a exp(j (2 nfn + 0 )w (n) exp(一 ， 2) c knn ) 一 “，一n 一 一 ， exp(j b )1 0.54w r 、 一 f )+ 0.23w r( 一 f 一1)+ 0.23w r( 一 f + n 1)j (2-2 1) 第二章 动目标检测系统及其性能分析 其中 噪声 w . ( k ) =s in ( 7rk ) / s in ( 票 、 ) ， f 一 n f i v ( 2 - 2 2 ) v ( n ) 的wf f t输出为: x n ( k ) 一 艺( n , ( n ) + j n , (n )w (n ) 二 、一 ， 等 k n )n 一 。 ，, n一1 ( 2 - 2 3 ) 一- 门leses.，.j ef x ,(k)i2，一 笼 一: (、 (一 二 (。 ，喇 一 (-j 等 峋 zn)ti+(n)exp(j n km) 2 6 2 艺 ( w ( n ) ) z ( 2 - 2 4 ) 于是wf f t的最大改善因之如下i z lls l - ， ， 、s n p , i w f , 刃 ) = 下万二 丁 ,) , v 瓜 ( i- - - ._ _ _ _ .，n - 1,，n - 1_iz ) 1 n a * iu 4 4 o ( k -/ ) +u . 2 3 n , ( k -j一 ) +u .z j n( k - j+ 一1 11 一” 一 n、一 n 夕 ( 2 - 2 5 ) 下面给出 在不同多 普勒 频率下f f t 和wf f t ( 海明 窗 ) 的改 善因 子( 2 1 l 表1 - 1 f f t 及wf f t改善因字 i ( f， 0 )= 1 0 . 2 5 ) i 1 ( f=1 0 . 5 ) 皿fft f f t n, , , 0 . 8 n0 . 7 1 n , , , nf , , 0 . 4 1 n 0 . 4 1 n 2 . 4零速目 标检测 为了 检测杂波背景下的 切向 飞行目 标( 目 标的多 普勒速度为零，因而在通常的 二次对消器中 和地杂波一 起被滤波器抑制而不能检测) ， 在动目 标检测系统中 用杂 波图m 作为门限来检测零多普勒速度的切向飞行目 标。 每一空间单元杂波图存储的 数据用来作为该空间单元上所收到回波的零多普勒滤波器输出的检测门限，当输 出超过门限时可以认为有切向飞行目 标的存在。在零多普勒滤波中，当杂波和目 标同时存在时，只有目 标回波大于杂波才可能被检测到。下面说明杂波图的形成。 因为杂波图应该随着实际情况及时更新，所以要用 “ 时间单元平均”的杂波 图作为检测切向飞行目 标之用，每个空间单元里存储的应是多次天线扫描所得杂 波的平均值估值。为了不使设备过于复杂，不宜采用多次扫描存储的滑窗式积累， 而应采用单回 路反馈积累 的 方法。 例如: 将新接收到的杂波值乘以( 1 一 k , ) ， 然后 和该空间 单元的原存储值乘以k , 相加后作为新的存储值。 用 z变换分析可以 得到 杂波图存储的传递函数。 y ( z ) = ( 1 一 k , ) _x ( z ) + k ,y ( z ) z - ( 2 - 2 6 ) 则系统函数为: 雷达动目 标检测研究与应用 1 一k , h( z ) = 1 一 k , z 一 系统框图如下所示: ( 2 - 2 7 ) 恒虚警) 图1 - 7杂波图存储的原理 在建立雷达杂波图时，我们必须对空间的方位距离单元进行划分，每个方位 距离单元存储的数据进行递归更新。天线经过多次扫描以后，幅度杂波图中存储 的是相应方位距离单元的门限。检测门限是根据虚警概率而取定的，如果被检测 信号x 。 大于门 限， 我们就判决为 有目 标， 否则判为 无目 标。因为 这 种杂 波图的 存 储数据会随着雷达周围环境的变化而变化，因此称为幅度杂波图或动态杂波图。 ; 2 . 5盲速的影响及解决途径 所 谓盲速， 就是目 标虽然有一定的 径向 速度v , ， 但其回 波信号经过相位检波 器后，输出为一串等幅脉冲，与固定目标回波相同。这时的目 标运动速度称为盲 速。 设某运动目 标雷达回波经相位检波器后的输出为: s , ( t ) = u ( t 一 t , ) e x p ( j w d ( t 一 t . ) ) t ， 为目 标回 波延 迟，w d 为多 普勒 频移， 调整函 数u ( t ) 为: ( 2 - 2 8 ) “ ， 一 主 rect( t - n t, )t 式中，r e c t 表示矩形函数;t 为脉冲宽度 输出信号频谱为: ( 2 - 2 9 ) t为脉冲重复周期。 第二章 动目 标检测系统及其性能分析 田团气 口1 ， 孟 翩一 初佃旧朋阔明田田幻刀n 图1 - 8输出信号频谱 当儿= o f 或v , = n if , l 2 ( n = 1 ， 为 第 一盲 速 ) ， 处 于“ 盲 速” 的 运 动目 标， 其 回波频谱结构与固定目 标回波相同，经过对消器将被消除。因此， 动目 标显示雷 达在检测 “ 盲速”范围内的运动日 标时，将会产生丢失或极大降低其检测能力。 如果要可靠的发现目 标，应保证第一盲速大于可能出 现的目 标最大速度。 但在均 匀重复 周期时， 盲 速和工 作 波长兄 以 及重复频率f的 关 系是确定的， 这两个参数 的 选择还受到 其 他因 素的限 制。 例如: 最大 作用距 离， 最大 作 用距离和 重复 频率f 的关系为: r . .= 于t , 二 止 三 2 j , ( 2 - 3 0 ) 解决盲速的问题在原理上并不困难，因为在产生 “ 盲速”时，满足 v , t , ， 二 n ( a 1 2 ) ， 而重 复周 期 变为t , 2 时，v , t , 2 $ n ( a l 2 ) ， 不 再 满 足“ 盲 速” 的 条 件。因此，采用两个以上重复频率交替工作即参差重频，就可以改善 “ 盲速”对 动目 标显示雷达的影响。 由于m t d采用数据块处理， 脉冲间参差不适合m t d系统，可采用脉冲组参 差的方式。 综合以上的讨论，我们给出一个常用的动目 标检测系统组成: 取幅 门限电平 图1 - 9动目 标检测系统框图 该系统主要由二次对消、 n点加权 f f t 、取幅、 恒虚警、零速目 标检测器组 成。二次对消完成对地物杂波的抑制， m t d完成对相参脉冲的匹配滤波，杂波图 用于检测切向飞行目标。该系统较传统动日 标显示雷达有了较大改进，能够实现 对气象杂波的抑制和目 标的自 动检测。 雷达动目标检测研究与应用 第三章雷达自动检测与恒虚警处理 雷达自动检测的基本问题就是在下述情况下确定最佳检w !9 策略:在给定系统 参 数 、 目 标r c s 起伏 和 杂 波、 背 景 噪 声 或 干 扰 统 计 模型 ， 以 及 指 定 的p r 和p 、 的 条 件下，对特定目标观测区间上进行某种最优意义上的检测。该检测策略是根据某 些统计判决准则和特定目 标r c s 起伏和杂波、背景噪声或干扰统计模型而确定的， 并且包含选择门限的原则。采样来自 每个距离单元的回波信号幅度，并与相对应 的门限进行比较，其门限是根据判决准则以及杂波、背景噪声或干扰机干扰的统 计模型确定的。在该统计假设下，检测门限应使虚警概率小于或等于指定值。检 测概率将取决于检测环境、最大检测距离、目 标和雷达系统的特征。由于以前所 讨论的恒虚警处理方法大都是针对积累后的信号，而在雷达动目 标检测中，我们 采用多普勒滤波器，在目 标回波与滤波器匹配时，mt d与相参积累是等价的。故 我们首先来说明这个关系。 ; 3 . 1 m t d 与相参积累的关系 在采样周期为t 的均匀采样下， n点 序列x ( n ) 的d f t为: x ( k ) = 艺x ( n ) e - i 2 . k l n k 二 0 ,1, 二 ， n 一 1 ( 3 - 1 如果x ( n ) 是输入 信号复 包络采样 值， 则x ( n ) e - 1 2 - k l n 可看作是输入 信号频率降 低k i n t 后的复包络采样值，x ( k ) 则 可 看作移频后的 输入信号复包 络采样 序列的 相千积累1 4 1 。因此n点d f t相当于n路相参积累器， 信号各路里频移量不同， 在 k 支路里的频移量为k i n t. 如果信号振幅为a ， 多普 勒频率为儿， 初相为b ， 则 其复 包络采样序列为: x , ( n ) = a e i (2 # t . e ) n = 0 ,1 , . . . n 一 1 ( 3 - 2 ) 当儿= k i n t 时， 其d f t 系 数 x s. ( k ) 二 n a e f e ( 3 - 3 ) ix , ( k ) i 在n 个 采 样 值 同 相 叠 加 时 达 到 最 大 ， 这 是 信 号 与 相 干 积 累 器 匹 配 的 情 况 。 当 儿$ k i n t 时 ， ix s ( k ) i 减 小 ， 这 就 是d f t 的 频 率 选 择 性 。 由 于d f t 等 价 于相参积累器，因此在分析mt d检测性能时可把d f t当成相参积累来考虑。 杂波复包络采样序列为 x c ( n ) 二 ae 9 ( ” = 0 , 1 , . . . , n一 1 ) ( 3 - 4 ) 其中a 。 和0 n 分别表示振幅 和 相位。 假设 杂 波采样是 独立同 分布的， 杂 波的 振 幅 和 相 位 相 互 独 立， 振 幅 服 从 高 斯 分 布 ， 相 位 在0 ,2 司 上 均 匀 分 布 的 情 况 。 杂 波 复 第三章 雷达自 动检测与恒虚警处理 包络采样序列的d f t为: x , ( k ) ae i (9 . - 2 / w ) ( 3 - 5 ) 洲艺间 -一 令o f = lp 。 一 2 n n k / n ， 则 x, ( k )ae i d . ( 3 - 6 ) n-艺间 - 由 于 汽 也 在0 ,2 司 上 均 匀 分 布 ， 汽 与a 。 也 相 互 独 立 ， 各a e m, 也 独 立 同 分 布 ， 则 模 ix , ( k ) l 是 瑞 利 分 布 的 3 .2 单门限与双门限检测器 3 .2 . 1 单门限检测器 在 二 元 假 设 下 ， 假 设 h ， 出 现 的 先 验 概 率 为抓 h j ) , 判 决 所 付 的 总 平 均 代 价 ( 又 称平均风险) 为: c 一 叉艺c ti p ( h j ) p ( h , / h , ) ( 3 - 7 ) 1 = 0 i = 0 式 中 ， p ( h , / h i ) 为 h ， 为 真 而 判 h 成 立 ， i , j = 0 ,1 ; 吼为 相 应 的 判 决 代 价 因 子 。 贝 叶 斯 准 则 4 ) ， 就 是 在 先 验 概 率风 h i ) 已 知 ， 各 种 判 决 代 价 因 子 吼赋 定 的 情 况下， 使平均代价c最小的准则。在雷达信号检测中， 要知道先验概率和代价因 子 是 很 困 难 的 为了 适 应 这 种 情 况， 并 考 虑 到 在 该 情 况 下 虚 警 概 率爪和 检 测 概 率 p , 的 重 要 性 ， 我 们 希 望 虚 警 概 率p f 尽 量 小， 检 测 概 率p , 尽 量 大。 若 正 确的 检 测 概 率几最 大， 则 漏 警 概 率p n ， 最 小 。 但是， p m 的 减 小 又 会 使p f . 增 大。 所以 ， 希 望的 概碑之间是矛盾的。奈曼一皮尔逊准则很好的解决了这个问题。 在 虚 警 概 率p w 一 a 的 约 束 条 件 下， 使 检 测 概 率p d 最 大 的 准 则 便 是 奈 曼 一 皮 尔 逊准则4 ) 。 单 门 限 检 测5 ) 就 是 在 一 定 爪概 率 下 ， 确 定 检 测 门 限 ， 若目 标 回 波 大 于 检 测 门 限便判决为有目 标，小于门限则判为没有目 标。同时，我们可以计算相应的检测 概率p , 。 下面具 体说明 高 斯 噪声 ( 杂 波) 条 件下， 检 测 概率p , 的 计 算方法、 过程。 检测概率几的 计算6 1 从幅度的概率分布来说，高频噪声属于正态分布。这样的噪声通过窄带线性 雷达动目标检测研究与应用 系统以后，其包络为瑞利分布( r a y l e i g h 分布) ，归一化概率密度表达式为: p,全 e-p一 v 2,1 t r a 气 v ) = u v0 ( 3 - 8 ) v0 式中， 二 e / 。为相对包络幅度，二 为中 频噪声的标准差，即有效值。 若设 检测门限 为v t ， 则虚警 概率为: p f 一 p (x )d x 其 中 : v 7 - 二 了 一 “ in 爪 因 此 在 给 定 虚 警 该 率p f . 条 件 下 ， 可 以 计 算出 检 测 门 限v t o 信号 加噪声通过窄带线性系统以后，其包络为广义瑞利分布， 化表达式为: ( 3 - 9 ) ( 3 - 1 0 ) 概率密度归一 p s . n w p s . ro ( , ) =v exp j 二0 v 2 + a 2 v?0 ( 3 - 1 1 ) 、，.j苦 a r知、 0 r二 飞j vo 图3 - 1 虚警概率与检测概率计算图 当 选 定 某 一门 限 电 平v , 作 为 判决 有 无目 标 的 标 准 时， 对于 单次 检 测 而 言 ， 信 号 加 噪声的 包络超过门限电 平v ,. 的 概率p d 为: ， _ ， 、 ， ， ， + a 2 1 ， ，、 1d ” , 1 s . u lv y v = j v e x p - 2 一 lr o la v /a v ( 3 - 1 2 ) . 彭 鲜in y , a 石 舀 0 “ 2 厂! 仁 一- 第三章 雷达自 动检测与恒虚警处理 式中l ( ) 为n 阶 修正 贝 塞 尔 函 数 下 面 给出 瑞 利 分 布 条 件 下， 虚 警 概 率 为1 0 - 一 1 0 - $ ，不同信噪比下的检测概率曲线。 1 0- . a 、09叨07肠肠o4o3dzoi。 勺几 snr( d b ) 图3 - 2 不同信噪比下检测概率曲线 3 . 2 . 2 双门限检测器 双门限 检测 7 18 1 是在单门限 检测基础上进行的， 包络检波输出首先和预先设置 的第一门限相比较， 如果输出超过第一门限， 记为“ 1 ， 否则记为“ 0 。 如果在n 个回波脉冲有k个以上脉冲超过门限 双门限检测器的检测性能和第一 则判决为有信号。 第二门限值的选取均有关系。例如第一门 限过高， 弱信号很难检测到而产生较大的漏警， 第一门限过低则虚警率较大， 第 二门限的选择亦有类似的影响。 当 第 一门 限v r l 选定 后， 就 可以 求出 在 单次 扫 掠 条 件 下， 每 一 距离 单 元的 发 现