经典雷达资料第17章脉冲多普勒(PD)雷达1

1、第17章 脉冲多普勒（PD）雷达William H.LongDavid H.MooneyWilliam A.Skillman17.1 特性和应用术语在本章中，脉冲多普勒（PD）一词适用于下列雷达：（1）雷达采用相参发射和接收，即发射脉冲和接收机本振信号都与一个高稳定的自激振荡器信号同步；（2）雷达的PRF足够高，距离是模糊的；（3）雷达采用相参处理来抑制主瓣杂波，以提高目标的检测能力和辅助进行目标识别或分类。应用PD主要应用于那些需要在强杂波背景下检测动目标的雷达系统。表17.1列出了PD的典型应用110和要求。虽然PD的基本原理也可应用于地面雷达，但本章主要讨论PD在机载雷达中的应用。表17

2、.1 PD的典型应用和要求雷达应用要求机载或空间监视探测距离远；距离数据精确机载截击或火控中等探测距离；距离和速度数据精确地面监视中等探测距离；距离数据精确战场监视（低速目标检测）中等探测距离；距离和速度数据精确导弹寻的头可以不要真实的距离信息地面武器控制探测距离近；距离和速度数据精确气象距离和速度数据分辨力高导弹告警探测距离近；非常低的虚警率脉冲重复频率PD雷达通常可分为两大类，即中PRF和高PRF的PD雷达11。在中PRF的PD雷达1214中，我们所关心的目标距离、杂波距离和速度通常都是模糊的。但在高PRF的PD雷达中15，只有距离是模糊的，而速度是不模糊的（或如后面所讨论的最多只有一阶速

3、度模糊）。在通常被称为动目标显示器（MTI）16的低PRF雷达中，人们所关心的距离是不模糊的，但速度通常是模糊的。尽管MTI雷达和PD雷达的工作原理是相同的，但通常并不把它也列入PD雷达。表17.2给出了MTI和PD雷达的比较。表17.2 MTI雷达和PD雷达的比较优 点缺 点MTI雷达低PRF1根据距离可区分目标和杂波；2无距离模糊；3前端STC抑制了副瓣检测和降低对动态范围的要求。1由于多重盲速，多普勒能见度低；2对慢目标抑制能力低；3不能测量目标的径向速度。PD雷达中PRF1在目标的各个视角都有良好的性能；2有良好的慢速目标抑制能力；3可以测量目标的径向速度；4距离遮挡比高PRF时小。1

4、有距离幻影；2副瓣杂波限制了雷达性能；3由于有距离重叠，导致稳定性要求高。PD雷达高PRF1在目标的某些视角上可以无副瓣杂波干扰；2惟一的多普勒盲区在零速；3有良好的慢速目标抑制能力；4可以测量目标的径向速度；5仅检测速度可提高探测距离。1副瓣杂波限制了雷达性能；2有距离遮挡；3有距离幻影；4由于有距离重叠，因此导致稳定性要求高。脉冲多普勒频谱PD雷达的发射频谱由位于载频f0和边带频率f0 i fR上的若干离散谱线组成。其中，fR为PRF；i为整数。频谱的包络由脉冲的形状决定。对常用的矩形脉冲而言，其频谱的包络是 (sinx)/x。固定目标的接收频谱谱线有正比于雷达平台和目标之间视线或径向速度

5、的多普勒频移。电磁波往返的多普勒频移为fd= (2VR/l)cosy0。式中，l为雷达波长；VR为雷达平台的速度；y0为速度矢量和目标视线之间的夹角。图17.1给出的是来自连续杂波（诸如地物回波或云雨杂波）和离散目标（诸如飞机、汽车、坦克等）回波的频谱。图17.1水平运动平台的杂波和目标频谱图17.2给出了当雷达平台以速度VR水平移动时的无折叠频谱，即没有邻近脉冲重复频率谱线的频谱折叠。无杂波区是指那些不存在地物杂波的频谱区（中PRF通常不存在无杂波区）。宽度为4VR/l的副瓣杂波区包含由天线副瓣进入的地杂波功率，在某些区域其杂波功率可能低于噪声功率。位于f0+(2VR/l)cosy0的主波束

6、区，包含天线主波束及由速度矢量测得的扫描角y0扫过地面所产生的强回波。当主波束照射到雨或箔条云时，也会产生强的雨或箔条杂波。此外，由于风的影响，其频谱在频域上会发生位移或展宽。图17.2 无折叠频谱图（无杂波跟踪）若雷达平台的垂直运动速度为零，则由雷达平台正下方几乎垂直处的地面所产生的高度线杂波落在零多普勒频移上。由主波束返回的离散目标回波的频谱位于fT=f0+(2VR/l)cosy0+ (2VT/l)cosyT 。式中，VT为目标速度；yT为雷达目标视线和目标速度矢量之间的夹角。图17.2的频谱成分随距离的变化而变化，以后还将讨论。图17.3示出各种不同的杂波多普勒频率区。它们是天线方位和雷

7、达与目标之间相对速度的函数，再次说明是对无折叠频谱而言。纵坐标是目标速度的径向或视线分量，以雷达平台的速度为单位，因而主波束杂波区位于零速度处，而副瓣杂波区频率边界随天线方位成正弦变化。这就给出了目标能避开副瓣杂波的多普勒区域。例如，若天线方位角为0，则任一迎头目标（VTcosyT0）都能避开副瓣杂波；反之，若雷达尾追目标（yT=180和y0=0），则目标的径向速度必须大于雷达速度的2倍方能避开副瓣杂波。无副瓣杂波区和副瓣杂波区还可以用如图17.4所示的目标视角来表示14。这里假设截击几何图为雷达和目标沿直线飞向一截获点。当雷达速度VR和目标速度VT给定时，雷达观测角y0和目标的视角yT是常数

8、。图的中心为目标，并且指向位于圆周上雷达的角度为视角。视角和观测角满足关系式VRsiny0=VTsinyT，是按截击航向定义的。迎头飞行时，目标的视角为0，尾追时则为180。对应于副瓣杂波区和无副瓣杂波区之间的边界视角是雷达-目标相对速度比的函数。如图17.4给出了4种情况。情况1是雷达和目标的速度相等，并且在目标速度矢量两侧、视角从迎头60都是能观测目标的无副瓣杂波区。同样，情况2情况4的条件是目标速度为雷达速度的0.8倍、0.6倍和0.4倍。在这三种情况中，能观测目标的无副瓣杂波区将超过相对目标速度矢量的视角，可达78.5。再次说明，上述的情况都假设是在截击航路上。很明显，目标无副瓣杂波区

9、的视角总是位于波束视角的前方。图17.3 杂波区和无杂波区与目标速度和方位的关系注意：高度线杂波区和主波束杂波区的宽度随条件而变，根据雷达平台速度矢量至天线口径视向或至目标视线的角度测得方位角，水平运行情况图17.4 无副瓣杂波区与目标视角的关系图模糊和PRF的选择PD雷达的距离或多普勒频率通常是模糊的或者二者都是模糊的。不模糊距离Ru为c/2fR。其中，c为光速；fR为PRF。如果被观测的最大目标速度是VTmax，则若想在速度上（大小和多普勒符号，即正的和负的）不模糊，那么最小的脉冲重复频率值fRmin为 （17.1）然而，某些PD雷达采用仅速度大小上无模糊的PRF，即fRmin=2VTma

10、x/l，并依靠在照射目标期间用多重PRF检测来解决多普勒符号上的模糊问题。如果过去的高PRF（没有速度模糊）雷达的定义扩展为可允许一个多普勒符号的速度模糊，则这些雷达可归属为高PRF类雷达。这种较低PRF不仅可保留高PRF在零多普勒频率附近只有一个盲速区的优点，而且还使目标距离测量变得容易。高PRF和中PRF之间的选择涉及许多考虑，如发射脉冲占空比限制、脉冲压缩可行性、信号处理能力、导弹照射要求等，但通常取决于目标全方位可检测性的需要。全方位覆盖要求具有良好的尾追性能，此时目标多普勒频率位于副瓣杂波区中并接近于高度线。在高PRF雷达中，距离折叠使距离维几乎无清晰区，因此降低了目标的探测能力。若

11、采用较低的或中PRF，则距离上的清晰区增大，但这是以高多普勒目标的速度折叠为代价的，而在高PRF时，它们位于无杂波区。例如，图17.5在距离-多普勒坐标上画出了杂波加噪声与噪声之比。其中，高度取6 000ft，PRF取12kHz。图中画出了主波束杂波、高度线杂波和副瓣杂波。距离坐标表示不模糊距离间隔Ru，频率坐标表示PRF间隔。由图可知，存在一个副瓣杂波低于热噪声且具有较好目标检测能力的距离-多普勒区。主波束杂波可用滤波器滤除。图17.5 在距离-多普勒空间上的杂波加噪声与噪声之比因为中PRF在距离和多普勒频率上杂波是折叠的，因此需要采用多重PRF来取得令人满意的检测概率，以解决距离模糊和多普

12、勒模糊。多重PRF通过移动无杂波区的相对位置以达到对目标的全方位覆盖。由于副瓣杂波通常覆盖人们感兴趣的多普勒频率区，因此低于噪声的副瓣杂波区和整个距离-多普勒空间之比是雷达高度、雷达速度和天线副瓣电平的函数。若采用高PRF波形，则由于在不模糊距离间隔内（假定目标多普勒仍然与副瓣杂波抗争）副瓣杂波折叠，因此距离清晰区也就没有了。然而，在如图17.3和17.4所示的无副瓣杂波的多普勒区中，目标的检测能力仅受限于热噪声，而与雷达高度、速度和副瓣电平无关。对那些最恶劣的主波束杂波情况而言，要求系统稳定边带远低于噪声。总之，尽管中PRF可提供全方位的目标覆盖，但是目标在全方位上都要与副瓣杂波抗争，而用高

13、PRF，目标在波束前方无副瓣杂波。基本组成图17.6是PD雷达的典型组成，采用在中央计算机控制下的数字信号处理结构，包括发射机抑制电路、主波束和独立的副瓣抑制电路及模糊解算器。雷达计算机在接收机载系统的输入（如惯导单元和操纵员控制指令）后，如同一位熟练的控制员那样完成对雷达的控制。它本身还包含跟踪回路、自动增益控制（AGC）滤波回路、天线扫描方式产生器及杂波定位和目标处理功能（如求质心）。此外，当雷达采用边扫描边跟踪方式时，计算机可完成多目标跟踪功能，而且还可完成雷达的自检和例行校准。为简单起见，图中仅给出搜索处理组成。收发开关在PD雷达中，收发开关通常都是诸如环行器之类的无源器件，可在发射和

14、接收之间将天线有效地切换。由于铁氧体环行器隔离度的典型值为2025dB，因此尚有相当大的能量耦合到接收机。接收机保护器（R/P）接收机保护器是一个快速响应的大功率开关，可防止由收发开关泄漏过来的大功率发射机输出信号损坏高灵敏度的接收机前端。为了使发射脉冲之后的距离门中的灵敏度降低减至最小，接收机保护器必须具有快速恢复的能力。射频衰减器射频（RF）衰减器不仅可抑制由R/P进入接收机的发射机泄漏（这就不会使接收机发生饱和，否则将延长发射机关机后的恢复时间），而且能控制进入接收机的输入信号电平。所接收到的信号电平始终保持在低于饱和电平。比较典型的方法是，在搜索时采用杂波AGC，而在单目标跟踪时采用目

15、标AGC，以防止假信号的产生而使性能降低。杂波定位通常，作为稳定本振一部分的压控振荡器（VCO）与主波束杂波差频后得到零频或直流。当杂波为直流时，就降低了对同相（I）和正交（Q）通道的幅度平衡和相位平衡的要求。这是因为由不平衡所导致的镜像将落于直流的附近，可以很容易地将它和主波束杂波一起滤除。发射脉冲抑制器接收机中频段提供的发射脉冲抑制器可进一步衰减发射机泄漏，是一种波门选通器件。信号处理通过正交混频，接收机的模拟输出信号下变频为基带（dc）信号。同相信号和正交信号经匹配滤波器滤波，由A/D变换为数字信号。A/D之后一般是延迟线杂波对消器和多普勒滤波器组，为的是用来抑制主波束杂波和进行相参积累

16、。图17.6 PD雷达的典型组成（注：*为选用）项滤波器组通常采用FFT来实现或当滤波器数较少时用离散傅里叶变换（DFT）来完成。合适的加权可用来降低滤波器的副瓣。I/Q合成近似形成FFT输出的电压包络，也可以用检波后积累（PDI），即每个距离门-多普勒滤波器的输出在几个相参周期内线性相加。PDI的输出再与恒虚警（CFAR）1720处理形成的检测门限比较。在CFAR电路之后是离散的副瓣抑制逻辑电路（这将在17.2节中讨论）及距离模糊和速度模糊解算器（如果需要的话）。最后的检测输出被送往雷达显示器和计算机。17.2 PD杂波概述来自各种散射体的杂波回波对PD雷达的设计影响很大，同样也会影响对点目

17、标的检测概率。这些杂波散射体包括地貌（地面和水面）、雨、雪和箔条。由于PD雷达通常所使用的天线具有一个高增益的主波束，所以当雷达俯视时，主波束杂波是雷达处理的最大信号。这也是使用中PRF和高PRF PD雷达的主要原因。窄波束将主波束杂波的频率范围限制在多普勒频谱的一个较小的频段内。天线方向图的其他部分由副瓣组成，产生副瓣杂波。这些杂波通常远小于主波束杂波，但却覆盖了很宽的频段。来自雷达正下方地面的副瓣杂波（高度线杂波）常常较大，这是因为地面在大入射余角时的反射系数大、地面的几何面积较大和地面的距离近。在副瓣杂波区中，只要杂波接近或是超过接收机噪声电平，目标的测距性能都将下降。为了移动目标频谱（

18、相对于杂波）可采用多重PRF，从而避免由于强杂波电平所产生的完全盲距或盲频。这种相对移动是距离和多普勒折叠产生的。若某个PRF使杂波和目标折叠到相同的距离和多普勒上，那么PRF只要有足够大的改变就能将目标和杂波分开。固定雷达的地物杂波当雷达相对于地面而言是固定的时，主波束杂波和副瓣杂波都是零多普勒频移，也就等于发射频率。只要有一部分主波束扫过地面，则与主波束杂波相比，副瓣杂波通常较小。如同在脉冲雷达中那样，杂波是可以计算的，然后作为PRF的函数在距离上折叠。运动雷达的地物杂波当雷达以速度VR运动时，杂波将发生频域扩展。图17.2是雷达做水平运动时的情况。对于在距离和多普勒上都是模糊的中PRF雷

19、达而言，图17.7画出了杂波在距离和多普勒上的折叠。雷达平台向右飞行，速度为1000kn，俯冲角为10。图中每个狭窄的环形区域是对所选定距离波门内的杂波产生影响的地面区域。5个双曲线状的狭窄条形区域是对所选定的多普勒滤波器中的杂波产生影响的区域。相交叉的阴影部分是对所选定距离波门-多普勒滤波器单元中的杂波产生影响的区域。每个区域所产生的杂波功率取决于指向该区域的天线增益和该区域的反射特性。主波束照射到位于地面轨迹左侧的椭圆形区域。由于整个椭圆形区域位于滤波器范围内，所以主波束杂波落在该滤波器中，而其他滤波器则接收到副瓣杂波。5个距离环与主波束椭圆形区域相交，因此在这个距离门中的主波束杂波是上述

20、这5个区域所接收到信号的矢量和。由于距离高度折叠，因此所有距离门内的杂波几乎相等。图17.7 距离波门和多普勒滤波区的平面图雷达高度为10 000ft；速度向右1000kn；俯冲角为10；雷达波长为3cm；PRF为15kHz；距离波门宽度为6.67ms；4波门；多普勒滤波器中心频率为2kHz；带宽为1kHz；波束宽度为5（环形）；主波束方位为20；俯角为5。如果主波束在方位上360扫描，则主波束杂波将在频域内扫描。所以主波束杂波在所选定的滤波器内将出现10次（每条双曲线区出现两次），其间，滤波器将接收到来自全部交叉阴影区的副瓣杂波。杂波回波：通用方程来自距离R处，增量面积为dA的单块杂波区的杂波噪声比为 （17.2）式中，Pav为平均发射功率；l为工作波长；s0为杂波后向散射系数；Lc为杂波损耗因子；GT为杂波区方向的发射增益；GR为杂波区方向的接收增益；k为玻耳兹曼常数，等于1.3805410-23 W/（Hz/K）；Ts为系统噪声温度，单位为K；Bn为多普勒滤波器带宽。来自每个雷达分辨单元的杂波噪声比是