脉冲多普勒雷达.ppt

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，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：如果直接接收运动物体产生的波，多普勒频移为：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，fd0；物体离开接收机，fd0。,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。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：,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。解：设天线扫描每次照射目标的时间为，天线扫描速度,波束宽度，雷达脉冲重复频率fPR，每次目标回波数N，则：,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：,图中，P1P3为雷达发射脉冲，s1-s3为回波脉冲，T为发射脉冲重复周期，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还是T+。又设脉冲宽度为，雷达最大不模糊距离Rm为：,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0Hz300Hz，或-150Hz150Hz。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。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。(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2.中重频脉冲多普勒雷达3.低重频脉冲多普勒雷达三种雷达的性能见下表：表31,3.2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。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0，多普勒频移为：(3-6)主波束增益最高，杂波也最强。主波束有一定的立体角，在该立体角中不同方位回波的多普勒频移也是不同的.设主波束宽度为B,主瓣杂波的边沿位置间的最大多普勒频率差为:(3-7)机载PD雷达的主瓣杂波强度与下列因数有关: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)旁瓣杂波雷达天线总是存在若干副瓣(旁瓣)，通过旁瓣产生旁瓣杂波旁瓣与主瓣是由不同的地物产生的旁瓣杂波的频率为：,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(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：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,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。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。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。,目标方位x与波程差l和信号相位差的关系：(3-9)(3-10)(3-11),同样可以求得y方向的方位角y。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：,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。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：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。,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。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。,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：是雷达波长，c为光速。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达以重复频率fr1、f交替工作，如果发生了距离模糊，在两个重复频率下读出的模糊距离不同，可以据此计算出实际距离。解距离模糊有两个限制：,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Tr1与Tr2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：,重频fr1时的脉冲串，红色为发射脉冲，黄色为回波。重频fr2时的脉冲串，红色为发射脉冲，黄色为回波。脉冲重复周期的最小公倍周期。代表真实距离的回波,图3.13图解法解距离模糊,用计算法解距离模糊。已知下列参数：TG：回波采样(A/D变换器)周期，每采样一次获得一个距离样本，对应的数据为该距离单元上回波的幅度。m1：雷达工作重频为fr1，每个重复周期容纳的距离样本数。m2：雷达工作重频为fr2，每个重复周期容纳的距离样本数。A1：雷达工作重频为fr1时，目标的模糊距离(样本数)。A2：雷达工作重频为fr2时，目标的模糊距离(样本数)。定义下列变量：x：回波实际延迟时间对应的距离样本数。,R：目标实际距离。Q1：常数，取决于m1、m2。Q2：常数，取决于m1、m2。：最大发射脉冲宽度。Fc：发射脉冲重合频率。N1：雷达工作重频为fr1时，回波延迟时间跳跃的重复周期数。N2：雷达工作重频为fr2时，回波延迟时间跳跃的重复周期数。fc：各重复频率的最大公约频率,根据以上定义，可得：R(N1m1+A1)cTG/2，即：得同余式组：当m1、m2互为素数时，根据同余定理(孙子定理)，上式的解为：其中：,式中M1、M2为满足上式的最小整数。系统最大无模糊距离为：例p103：设计一个中重频雷达，不模糊距离1500km(相当于fr=100Hz)。解：中PRF的典型数值fr1为10kHz。选择m2：,脉冲宽度选择：由得：M1=100M2=1Q1=10000Q2=101如果A1=40,A2=50,根据,得：x=1000040+10150(mod10100)=405050(mod10100)=1050R=0.5cx=0.5310810500.9910-6=155.93km还可以采用三重频参差方法改善距离模糊。(b)线性调频测距法一段时间内脉间线性调频，用于不模糊测距。另一段时间内，载频不随时间变化，用于不模糊测速。特点是方法简单、精度低。(c)舍脉冲法隔若干周期少发射一个脉冲，研究什么地方少了一个脉冲，从而解距离模糊。,(3)测速模糊的解算可以在频域用与解距离模糊相同的方法解速度模糊。3.5脉冲多普勒雷达的距离性能PD雷达在检波之前要对回波进行若干处理，改变了雷达的检测性能，以至于要修改雷达方程。1.时域：(1.1)发射脉冲遮挡效应当回波正好和发射脉冲重叠时，接收机已关闭，无法接收信号，形成盲区。部分重叠时，接收功率下降，会减低雷达作用距离。(1.2)跨越效应目标回波分布在两个距离单元上，每个均得不到最大能量，减低雷达作用距离。2.回波频域检测影响(2.1)主瓣杂波谱遮挡效应当目标多普勒频移正好位于主杂波区，将被主瓣杂波滤波器滤除，形成盲速。(2.2)谱线跨越效应目标多普勒频率不在一根谱线上，会在许