现代雷达系统分析与设计第6章

. 6.1概要6.2雷达噪声6.3MTI/MTD性能指标6.4动目标显示(MTI)6.5动目标检测(MTD)6.6噪声自适应控制6.7本章MATLAB程序和函数列表，第6章噪声和噪声抑制，雷达工程师常用术语“噪声”对自然环境通常，噪声的功率比目标回声强得多，“干扰”雷达的工作使目标回声的检测变得困难。 噪音包括来自地面和地面建筑物、海、天气(特别是雨)、鸟群、昆虫等的回声。 6.1概况雷达探测的目标通常是空中飞机和导弹、海上舰艇、地面车辆等运动的物体。 但是，在目标周围存在各种背景，例如各种地上物、云雨、波浪、地面车辆、空中的鸟群等。 这些背景完全不动，有可能是山和建筑物的风时的波浪，地面的树木和植被，鸟群的移动等，也有缓慢的运动的可能性，一般运动速度很慢。 由这些背景产生的回声被称为噪音(在一些教科书中也称为被动噪音和消极噪音)。 如果噪声和运动目标回波同时显示在雷达监视器上，则因为噪声功率太强，很难观测目标。如果目标处于噪声的背景中，则弱目标被埋没在强噪声中，非常难发现目标，即使目标不处于噪声的背景中，在分割噪声中也不容易立即识别运动目标。 区别运动目标和固定噪声的基础是速度的差异。 其机制是利用由目标回声和噪声对雷达运动速度的不同导致的多普勒差异，通过滤波来抑制噪声信号，其通常的方法是移动目标指示(MTI )和移动目标检测(movi 、雷达在动目标表示和动目标检测过程中，可以使用多个滤波器去除固定噪声，取出动目标的回波，大大提高了噪声背景下检测动目标的能力，提高了雷达的抗噪能力。 为了减少接收到的雷达回波的噪声成分，主要措施有： (1)在山上设置雷达，增加雷达天线的倾斜，设置防噪声网，阻止噪声侵入天线， (2)调整雷达天线的波束形式以降低雷达的分辨率，从而降低噪声功率；(3)在时域中使用CFAR检测，噪声图来抑制噪声；(4)在频域中应用MTI、MTD技术，以抑制噪声功率，并提高噪声比， 本章首先介绍了噪声的类型及其特征，主要介绍了抑制噪声的MTI滤波器的设计方法，介绍了天气噪声，噪声图的制作和自适应MTI滤波器的设计方法，介绍了多个MTD滤波器的设计方法， 针对分析噪声抑制性能的低速目标，介绍了零多普勒处理方法，最后给出了噪声发生、滤波器设计等MATLAB仿真程序。 此外，噪声被用来描述能够产生干扰雷达正常操作的非期望信号的雷达回波的物体。 通过天线主瓣进入雷达的寄生回声被称为主瓣噪声，否则就被称为旁瓣噪声.6.2雷达噪声、噪声通常分为面噪声和体噪声两种。 表面噪声包括树木、植被、地表、人工建筑和海表面等散乱的回声。 所谓身体噪音，一般是指具有大范围(尺寸)的云雨、鸟、昆虫等，在一般的教科书中，金属箔也被视为身体噪音。 由于噪声是随机的且单个噪声分量(散射体)具有随机相位和幅度，所以它具有与热噪声相似的特性。 在许多情况下，杂波信号强度远大于接收器中的噪声强度。 因此，雷达在强噪声背景下检测目标的能力主要取决于信噪比，而不是取决于信噪比。 白噪声通常在所有雷达的距离单元内产生等同强度的噪声功率，但噪声功率可能在一个距离单元内改变。噪声与雷达的目标回波类似，与雷达利用目标散射截面面积t描述目标回波功率类似，噪声功率也可以利用噪声散射截面面积c来描述。 噪声的散射截面面积被定义为由于噪声区域(面积是Ac )的反射而引起的等效散射截面面积。 噪声的平均RCS由下式给出，喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓地实际上，散射系数与雷达系统的参数(波长、极化、照射区域和照射方向)有关，对地噪声有地表面的形状、表面粗糙度、表层和被复层(表皮深度内其变化非常复杂，实际测量的曲线与理想曲线不同。 6.2.1面的噪声面噪声包含地噪声和海噪声，也被称为地域噪声。 在机载雷达下视模式下，区域噪声变得显着。 对于地面雷达，搜索低地面角度目标时，噪声是影响目标检测的主要因素。 如图6.1所示，地板擦拭角g是地表与波束中心之间的角度。图6.1地板磨削角度的定义，影响雷达噪声散射系数的因素主要是地板磨削角度、表面粗糙度及其散射特性、雷达波长。 一般地，波长越短，噪声散射系数0越大。 0与地板擦拭角有关，图6.2是示出0与地板擦拭角之间的关系的图。 根据擦地板角的大小，可分为低地板擦角、平坦区、高地板擦角三个区域。 低床磨角区又称干扰区，在该区域中，散射系数一般随着床磨角的增加而快速增加。 在平坦地区，噪声变化基本缓慢，以非干涉散射为主，散射系数随地面擦角的变化小。 高研地角区也被称为准镜面反射区。 该区域以相干镜反射为主，散射系数随着地面角度的增大而迅速增大，与地面状况(粗糙度、介电常数等)等特性有关。 图6.2示意性地表示噪声散射系数与地板擦拭角的关系，低地板擦拭角的范围从0到临界角附近。 临界角是由瑞利(Rayleigh )定义的角度，在低于该角度的表面被认为是平滑的、高于该角的表面被认为是粗糙的高床磨角区，0随着床磨角的增大而变化大。 如果将表面起伏的均方根值设为hrms，则根据瑞利基准，满足式(6.2.2)时表面平坦，即(6.2.2)，卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡6表面的高度的起伏(表面粗糙度)，形成“粗糙”路径喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓6不同海情下表面起伏的均方根值为(6.2.6 )， 喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓地653例如Sstate=3表示中海情，在这个海的情况下，波的高度约为0.91441.2192m，波的周期为6.54.5s，波的长度为1.981233.528m，波的速度为在图6.3的粗糙表面的定义中，低地面上的噪声通常被称为扩散噪声，并且在该区域的雷达束中存在许多噪声回波(非相干反射)。 在平坦的区域，0和地板擦角的依存关系小的高地板角，噪声镜面反射(相干反射)多，扩散噪声成分消失，这与低地板角的情况正相反。 1 .机载雷达区域噪声的雷达方程式考虑图6.4所示的下视模式下的机载雷达。 天线波束与地面交叉的区域形成椭圆形状的“辐射区域”。 如图6.5所示，放射区的大小是与地板擦拭角和3dB光束宽度3dB相关的函数。辐射区域分为多个地面距离单元，每个单元的长度由一个距离单元投影在地面上。 其中，c是光速，是脉冲宽度或脉压后的脉冲宽度。 图6.4机载雷达下视模式的主波束噪声区域，图6.5辐射区域的概念， 从图6.5可以看出，噪声区域的面积Ac是卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡653从该地区接收RCS为t的目标的回波功率是(6.2.9) 喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓653天线3dB的波束宽度为0.02rad，脉冲宽度为2s，目标距离为20km，倾斜视角为20，目标RCS为1m2，噪声反射系数0=0.0136m2m2 计算PS。 从方程(6.2.10 )中可以看出，由于SCR为(SCR)c=，所以为了可靠地检测目标，雷达应将其SCR增加到至少(32 X)dB。 其中，x的值通常为13dB到15dB以上。 、2 .地面雷达区域噪声的雷达方程式因为地面雷达的噪声包含了从主瓣和旁瓣进入的噪声，所以RCS的计算是喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓地计算，图6.6地面雷达噪声的几何学关系图，式(6.6) 为了计算由中给出的总噪声的RCS，有必要首先分别计算与主瓣和旁瓣对应的噪声区域的面积。 为了便于计算，几何关系如图6.7所示。 角度A和E分别以表示方位和垂直维度的3dB波束宽度的雷达高度(从地面到天线相位中心)为hr，以目标高度为ht的目标倾斜距离为r，向地面的投影为Rg的距离分辨率为r，向地面的投影为rg的主瓣噪声区域的面积为AMBc，旁瓣噪声区域的面积为AMBc 图6.7地基雷达噪声的几何图(侧视图和仰视图)，从图6.7可以推导出以下关系：喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀。 喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓， 最后，为了解释噪声RCS和距离之间的变化关系，可以将总噪声RCS计算为距离的函数，根据方程(6.2.21 )中给出的(6.2.21 )喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓653雷达方程。 喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓 sigmac， 在theta、theta、SL、range、hr、ht、pt、f0、b、t0、f、l、ant_id )中，各参数的定义如表6.1所示。 使用表6.1clutter_rcs.m参数定义，表6.1的参数设定，可以得到图6.8所示的噪声RCS、CNR和斜率的关系图。 另外，在主瓣和第一旁瓣之间的对应于零点的地面磨削角中，在非常近的距离处，在噪声RCS中产生凹陷(dip )。、图6.8噪声RCS和CNR与斜率的关系图，6.2.2体噪声体噪声具有广泛的范围，包括云雨、金属箔条、鸟群和昆虫等散射回声。 体噪声散射系数通常用单位体积分辨率单元内的RCS平方米的dB数来表示(dBm2m3)。 鸟、昆虫和其他飞行生物的回声被称为仙波(angelclutter )和生物杂波(biologicalclutter )。如上所述，金属箔条是敌人的ECM技术。 它由具有大RCS值的偶极子反射体构成。 初期的金属箔条是用铝箔制成的，但近年来，很多金属箔条是由表面具有导电性、刚性更好的玻璃纤维构成的。 如果偶极子反射器的长度l是雷达波长的一半，那么由于谐振效应，金属箔条具有非常大的RCS值。 天气和雨的噪声比金属箔的噪声更容易抑制。 因为雨滴可以被认为是理想的球。 对于散射特性在瑞利区的雨滴，可以用理想球的瑞利近似式来推定雨滴的RCS。 不考虑传播介质的折射率，雨滴RCS瑞利约为57350； 卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡6 是每单位体积的RCS，可以用单位体积内的所有独立散射体RCS的和来计算。 57350； 喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓地接收的气象噪音喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓653，6.2.3噪声的统计特性是将噪声的统计特性与概率密度函数，因为识别单位(或体积)内的噪声由随机相位和振幅的散射体构成。 其次，结合空中信息雷达主要关心的地噪声、海噪声、气象噪声特征进行分析。 如上所述，地面噪声的统计特性是一种平面噪声，其强度与雷达天线波束所照射的噪声区域面积Ac和噪声的后向散射系数0的大小有关。 0是天线波束照射区域内地面的散射系数(也称为单位面积内的噪声的散射截面面积)，它是天线波束照射区域内的所有散射单元的散射截面面积的平均值，0的大小也与天线波束的地面的角有关。 天线波束照射的噪声区域的面积越大，后向散射系数越大，地面噪声越强。 根据实际测量，地面噪声的强度比接收机噪声最大70dB以上。 生长在地面上的草、树、作物等被风摇动，地噪声的大小的起伏变化。 地噪声的这种随机起伏特性可以用概率密度函数和功