雷达原理（第6版） 课件 第8、9章 运动目标检测、高分辨力雷达

运动目标检测第八章雷达原理（第6版）高等学校电子信息类精品教材01多普勒效应及其在雷达中的应用PARTONE1.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径向运动时，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·多普勒于1842年发现，1930年左右开始将这一规律运用到电磁波范围。雷达应用日益广泛以及对其性能要求的提高，推动了利用多普勒效应来改善雷达工作质量的进程。一、多普勒效应及其在雷达中的应用1.多普勒效应

一、多普勒效应及其在雷达中的应用1.多普勒效应

一、多普勒效应及其在雷达中的应用1.多普勒效应这就是多普勒频率，它正比于相对运动的速度而反比于工作波长λ。当目标飞向雷达站时，多普勒频率为正值，接收信号频率高于发射信号频率；而当目标背离雷达站飞行时，多普勒频率为负值，接收信号频率低于发射信号频率。多普勒频率可以直观地解释为：振荡源发射的电磁波以恒速c传播。如果接收者相对于振荡源是不动的，则它在单位时间内收到的振荡数目与振荡源发出的数目相同，即二者频率相等。如果振荡源与按收者之间有相对接近的运动，则接收者在单位时间内收到的振荡数目要比它不动时多一些，也就是接收频率增高；当二者做背向运动时，结果相反。一、多普勒效应及其在雷达中的应用1.多普勒效应2.窄带信号时的多普勒效应常用雷达信号为窄带信号(带宽远小于中心频率)，其发射信号可以表示为该频率称为多普勒频率，即回波信号的频率比起发射频率有有关多普勒频移一、多普勒效应及其在雷达中的应用2.多普勒信息的提取1.连续波多普勒雷达为取出收发信号频率的差频，可以在接收机检波器输入端引入发射信号作为基准电压，在检波器输出端即可得到收发频率的差频电压，即多普勒频率电压。这时的基准电压通常称为相参(干)电压，而完成差频比较的检波器称为相于检波器。相干检波器就是一种相位检波器，在其输入端除了加基准电乐外，还有需要鉴别其差频率或相对相位的信号电压。图8.1(a)~(c)画出了连续波多勒达的原理性组成图、获取多勒频率的养拍量图及主要点的频谱图。一、多普勒效应及其在雷达中的应用2.多普勒信息的提取1.连续波多普勒雷达为取出收发信号频率的差频，可以在接收机检波器输入端引入发射信号作为基准电压，在检波器输出端即可得到收发频率的差频电压，即多普勒频率电压。这时的基准电压通常称为相参(干)电压，而完成差频比较的检波器称为相于检波器。相干检波器就是一种相位检波器，在其输入端除了加基准电乐外，还有需要鉴别其差频率或相对相位的信号电压。图8.1(a)~(c)画出了连续波多勒达的原理性组成图、获取多勒频率的养拍量图及主要点的频谱图。一、多普勒效应及其在雷达中的应用2.多普勒信息的提取

02动目标显示雷达的工作原理及其主要组成PARTTWO二、动目标显示雷达的工作原理及其主要组成1.基本工作原理从8.1节分析可以看出，当脉冲雷达利用多普勒效应来鉴别运动目标回波和固定目标回波时，与普通脉冲雷达的差别是必须在相位检波器的输入端加上基准电压(或称相参电压)，该电压应和发射信号频率相参并保存发射信号的初相，且在整个接收信号期间连续存在。工程上，基准电压的频率常选在中频。这个基准电压是相位检波器的相位基准，各种回波信号均与基准电压比较相位。从相位检波器输出的视频脉冲有固定目标的等幅脉冲串和运动目标的调幅脉冲串。通常在送到终端(显示器或数据处理系统)去之前要将固定杂波消去，故要采用相消设备或杂波滤波器，滤去杂波干扰而保存运动目标信息。下面将着重讨论相参电压的获取和固定杂波消除这两个特殊问题。二、动目标显示雷达的工作原理及其主要组成2.获得相参振荡电压的方法

二、动目标显示雷达的工作原理及其主要组成2.获得相参振荡电压的方法

二、动目标显示雷达的工作原理及其主要组成2.获得相参振荡电压的方法

二、动目标显示雷达的工作原理及其主要组成2.获得相参振荡电压的方法加之超外差接收通常在中频进行主要放大，并将中频信号送到相位检波器，因此，典型动目标显示的相参振荡器均工作于中频，在中频上实现锁相，其组成框图如图8.8所示。锁相电压直接由发射机取出，避免了收发开关可能带来的干扰，从而保证了锁相质量。高频锁相电压与回波信号用同一本振电压混频，然后将混频所得的中频锁相电压加到相参振荡器输入端。用这个锁相电压锁定的中频相参振荡器电压可以作为相位检波器的基准电压。发射信号和本振信号的随机初相在比较相位时均可以消去。二、动目标显示雷达的工作原理及其主要组成3.消除固定目标回波1.相消设备特性二、动目标显示雷达的工作原理及其主要组成3.消除固定目标回波

二、动目标显示雷达的工作原理及其主要组成3.消除固定目标回波

二、动目标显示雷达的工作原理及其主要组成3.消除固定目标回波2.数字式相消器相消器需要延迟线将信号延迟一个脉冲重复周期并和未延迟的信号相减。在早期用模拟信号进行处理时，延迟线是一个很关键的部件，先后采用过超声延迟线、申荷合器件(CCD)延迟线等来实现信号的周期延迟，效果均不理想。近20年来，随着大规模/超大规模集成电路(LSIVLSI)的迅猛发展，已经完全可以用数字技术来实现信号的存储、延迟和各种实时运算。用数字延迟线代替模拟延迟线是数字动目标显示(DMTI)的基本点。采用数字式对消器具有许多优点：它稳定可靠，平时不需要调整，便于维护使用，且体积小、质量轻。此外，数字式对消器还具有一些特点：①容易得到长的延时，因而便于实现多脉冲对消，以改善滤波器频率特性；②容易实现重复周期的参差跳变，以消除盲速并改善速度响应特性；③容易和其他数字式信号处理设备(如数字式信号积累器等)配合，以提高雷达性能；④动态范围可做得较大。总之，它可以实现更为完善和灵活的信号处理功能。二、动目标显示雷达的工作原理及其主要组成3.消除固定目标回波数字式相消器的简单组成如图8.11所示。作为模拟和数字信号的接口，首先要把从相位检波器输出的模拟信号变为数字信号。模拟信号变为数字信号要经过时间取样和幅度分层两步。以时钟脉冲控制取样保持电路对输入相参视频信号取样，被时间量化的取样信号送到模数转换电路(A/D变换器)进行幅度分层，转为数字信号输出。数字信号的延迟可用存储器完成，将数字信号按取样顺序写入存储器内，当下一个重复周期的数字信号到来时，由存储器中读出同一距离单元的信号进行相减运算，在输出端得到跨周期相消的数字信号。这个数字信号可以很方便地用来作其他数字处理(如积累、恒虚警等)，如果需要模拟信号作为显示，则可将数字信号经过数模转换器，变为模拟信号输出。03盲速、盲相的影响及其解决途径PARTTHREE三、盲速、盲相的影响及其解决途径1.盲速

三、盲速、盲相的影响及其解决途径1.盲速

三、盲速、盲相的影响及其解决途径1.盲速

三、盲速、盲相的影响及其解决途径2.盲相

三、盲速、盲相的影响及其解决途径2.盲相可以形象地用矢量图来说明相消器的输出。速运动目标的回波信号用围绕基准电压均匀旋转的一个矢量来表示，旋转的速度等于其多普勒频率。相检器的输出为该矢量沿基准电压方向的投影。一次对消器的输出则为相邻重复周期差矢量在基准电压轴方向的投影，如图8.16(a)所。当差量垂直于该轴时，投影长度为零而出现点盲相。用单路相位检波器时，只能得到信号矢量在基准电压轴上的投影值，形成回波振幅的多普勒调制且可能出现点盲相，这些都会给检测性能带来损失。此外，回波振幅的多普勒调制还会使输出脉冲串的包络失真，这会给角度的测量造成困难。三、盲速、盲相的影响及其解决途径2.盲相如果运动目标回波叠加在固定杂波上，则在一般情况下也将产生点盲相。但在强的杂波背景时，情况可能发生变化，这时的矢量图如图8.16(c)所示。回波叠加在很强的杂波上，可能产生连续盲相：接收机的限幅作用使动目标和固定杂波的合成矢量变成端点在限幅电平的一小段圆弧上来回摆动的矢量；杂波相对于基准信号的相位不同时，所占弧的位置也不一样，如果碰到像OO”那样的固定杂波相位，其合成矢量经过限幅以后端点在cd之间摆动；差不多在所有情况下差矢量均垂直于基准轴，相消器几乎没有输出。这种情况称为连续盲相，即对于一定相位的固定杂波，叠加在它上面的运动目标回波将连续丢失。在实际工作中，对于连续盲相应给予充分注意，因为它可能使得在某次天线扫描里丢失在强杂波背景上的运动目标。早期用单路一次相消器时，曾设法用改进相位检波器的特性来解决盲相问题。目前由于对动目标显示性能的要求更高，而信号处理的数字技术也可以提供更好的手段，将采用矢量对消器来解决盲相和回波振幅的多普勒调制问题。04回波和杂波的频谱及动目标显示滤波器PARTFOUR四、回波和杂波的频谱及动目标显示滤波器1.目标回波和杂波的频谱特性

四、回波和杂波的频谱及动目标显示滤波器1.目标回波和杂波的频谱特性2.杂波频谱图8.20所示是典型杂波功率频率的一个例子。这些数据适用频率为1000MHz。实验测度的杂波功率谱可用用下式近似表示四、回波和杂波的频谱及动目标显示滤波器1.目标回波和杂波的频谱特性

四、回波和杂波的频谱及动目标显示滤波器2.动目标显示滤波器

四、回波和杂波的频谱及动目标显示滤波器2.动目标显示滤波器

四、回波和杂波的频谱及动目标显示滤波器2.动目标显示滤波器

四、回波和杂波的频谱及动目标显示滤波器2.动目标显示滤波器

四、回波和杂波的频谱及动目标显示滤波器2.动目标显示滤波器

05动目标显示雷达的工作质量及质量指标PARTFIVE五、动目标显示雷达的工作质量及质量指标1.质量指标

五、动目标显示雷达的工作质量及质量指标1.质量指标

五、动目标显示雷达的工作质量及质量指标1.质量指标

五、动目标显示雷达的工作质量及质量指标2.影响系统工作质量的因素

五、动目标显示雷达的工作质量及质量指标2.影响系统工作质量的因素

06动目标检测（MTD）PARTSIX六、动目标检测（MTD）1.限幅的影响和线性MTI

六、动目标检测（MTD）1.限幅的影响和线性MTI

六、动目标检测（MTD）1.限幅的影响和线性MTI2.线性MTI的实现由于雷达收到的杂波回波强度很大，为了避免产生限幅，就应当采用动态范围达60dB或80~90dB的高频和中频放大器。一般的高频放大器，特别是中频放大器不可能有这样大的动态范围，只有借助于增益控制。在动目标检测系统中，保证中频处于线性工作状态所用的增益控制有其特殊性。增益控制电压应随着输入杂波的强度成比例地变化，但杂波(特别是地物杂波)的情况是多变的，即使在一次扫掠里，距离单元不同，杂波强度也可能有很大变化。因此，增益控制必须是快速的。此外，由于要进行相消运算对于任一距离单元，相继扫掠周期的增益变化必须是准确和已知的，而用还必须把它储存下来，以便在相消运算中加以考虑。六、动目标检测（MTD）1.限幅的影响和线性MTI因此，要实现线性动目标显示系统，主要是解决满足上述要求的增益控制问题。现在用得最多的办法是以储存的杂波图来控制各个距离单元的中放增益，其原理图如图8.34所示。图8.34(a)是杂波图存储的原理图，它将雷达所监视的空间按距离和方位分割成许多空间单元，每一空间单元的距离长度相当于一个脉冲宽度或稍大些，方位宽度相当于半个波瓣宽度或更大些，这样分制形成的空间单元数一般达数十万个。每个空间单元的回波振幅分别加以储存(因为一个空间单元的方位宽度约为半个波瓣宽度,它对应于许多次扫掠，所以储存的应是一次天线扫描中多次扫掠的杂波平均值)。六、动目标检测（MTD）1.限幅的影响和线性MTI杂波图存储的输入端可以从中频放大器输出经过振幅检波后得到。但常见到的地杂波存储常同时用来检测切向飞行目标，故其输入端是从相位检波器后经零多普勒滤波器再加振幅检波后得到的，如图8.34(b)所示。这时杂波图存储的只是地杂波(其平均多普勒频率通常为零)，地杂波是强度较大目随距离变化剧烈的杂波。因此用地杂波存储图的输出来控制线性中放的增益在多数情况下是合适的。地杂波图存储应该随着实际情况及时更新，因为要用“时间单元平均”的杂波图作为检测切向飞行目标之用。所谓“时间单元”平均，就是以一个天线扫描周期作为一个单元，每个空间单元里储存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办法。六、动目标检测（MTD）1.限幅的影响和线性MTI杂波图存储的输出如果只用来控制中放增益，则其量化的数字位可以较少。如果该杂波图同时用做零多普勒信号的检测，则为了得到好的检测性能，存储的数码应有足够的位数，典型值为8~12位，以便能同时容纳输入端信号的全部动态范用。可见杂波图的存储量是很大的，除了存储地杂波的信息外，在精巧的信号处理系统中还可能有存储其他信息的“地图”(如运动杂波、速度信息等)，其单元尺寸及性能参数将根据具体要求而定，由于超大规模集成电路的迅猛发展，实现大容量存储及相应的运算在技术上是不难实现的。六、动目标检测（MTD）2.多谱勒滤波器组

六、动目标检测（MTD）2.多谱勒滤波器组

感谢观看汽车服务礼仪（第2版）普通高等教育“十三五”规划教材高分辩力雷达第九章雷达原理（第6版）高等学校电子信息类精品教材01雷达分辩力PARTONE一、雷达分辩力1.距离和速度分辨力

一、雷达分辩力

1.距离和速度分辨力一、雷达分辩力

1.距离和速度分辨力一、雷达分辩力1.距离和速度分辨力一、雷达分辩力

1.距离和速度分辨力一、雷达分辩力

1.距离和速度分辨力一、雷达分辩力

1.距离和速度分辨力一、雷达分辩力

1.距离和速度分辨力一、雷达分辩力

1.距离和速度分辨力一、雷达分辩力2.模糊函数及其性质

一、雷达分辩力模糊函数也可由频域表示。已知能量原理为2.模糊函数及其性质一、雷达分辩力

2.模糊函数及其性质一、雷达分辩力

2.模糊函数及其性质一、雷达分辩力

2.模糊函数及其性质一、雷达分辩力

2.模糊函数及其性质一、雷达分辩力（3）体积不变性所谓体积不变性就是体积不变性说明模糊图的体积是常量，只要信号能量一样，体积与信号形式无关。但这并不是说雷达信号不需要进行设计了，因为虽然总体积不变，但由于信号形式不同，模糊图的分布也不同，因此其潜在分辨力理论测量精度以及环境适应能力等因素也随之改变。可以根据雷达目标的环境等实际需要，选取适当的信号形式。2.模糊函数及其性质02高距离分辨力信息及其处理PARTTWO二、高距离分辨力信息及其处理1.线性调频脉冲压缩信号的匹配滤波器线性调频信号是通过非线性相位调制或线性频率调制(LFM)来获得大时宽带宽的，在国外又将这种信号称为chirp信号，这是研究得最早而又应用最广泛的一种脉冲压缩信号。采用这种信号的雷达可以同时获得远作用距离和高距离分辨力。与其他脉冲压缩信号相比，它还具有以下优点:所用匹配滤波器对回波信号的多普勒频移不敏感，因而可以用一个匹配滤波器来处理具有不同多普勒频移的信号，这将大大简化信号处理系统。另外，这类信号的产生和处理比较容易，且技术上比较成熟，这也是它获得"泛应用的原因。其主要缺点是存在距离与多普勒频移的耦合及匹配滤波器输出旁瓣较高。为压低旁瓣常采用失配处理，这将降低系统的灵敏度。下面具体讨论线性调频信号。二、高距离分辨力信息及其处理

1.线性调频脉冲压缩信号的匹配滤波器二、高距离分辨力信息及其处理线性调频信号的波形见图9.14。1.线性调频脉冲压缩信号的匹配滤波器二、高距离分辨力信息及其处理以上讨论的线性调频信号有比较大的时宽频宽积，可以用来解决雷达检测能力和距离分辨力的矛盾。线性调频信号是连续型的信号，为了满足雷达性能的上述要求，还可以采用离散型的编码信号。其中具有较大实用意义的是二相编码信号，包括巴克编码、M序列编码、L序列编码和互补编码等。这类信号与线性调频脉冲信号不同，当回波信号与匹配滤波器间有多普勒失谐时，滤波器输出信噪比下降，故有时称为多普勒灵敏信号。它常用于目标多普勒频率变化范围较窄的场合。在多普勒频率变化范围较大时，要对多普勒频率予以补偿，或用多路并联处理不同的多普勒频率信号。2.编码信号及其匹配滤波器二、高距离分辨力信息及其处理

2.编码信号及其匹配滤波器二、高距离分辨力信息及其处理

2.编码信号及其匹配滤波器二、高距离分辨力信息及其处理

2.编码信号及其匹配滤波器03合成孔径雷达(SAR)PARTTHREE三、合成孔径雷达（SAR）1.SAR的基本工作原理正侧视状态时的SAR，其天线波束指向垂直于雷达平台的运动方向，如图9.31所示。机上的雷达等速直线运动，天线指向(视轴方向)与运动方向垂直。雷达在运动过程中不断地发射并接收来自目标的反射回波，回波经接收系统的相参处理对其振幅和相位信息进行检测和存储，雷达天线直线运动一段距离，则接收设备会收到一串在不同航线位置的目标回波，这些回波信息的叠加将等效于一个长天线阵所收到的回波信号，即综合成为一个大孔径的天线。与真实孔径天线不同的是：所收到不同位置的回波不是同时的，而是对依靠雷达的直线运动而分时顺序获得的。三、合成孔径雷达（SAR）对于合成阵列而言，当目标处于无穷远处时，其反射的回波可视为平面波。而实际的目标距离往往不满足平面波照射的条件。对应于不同的距离，目标后向散射的波前是半径不同的球面波。如果接收系统在信号处理时，对合成阵列上各点对应于不同距离的球面波前分别予以相位补偿后再实行相参积累，对应于这样的处理模式称为聚焦处理。而在积累前不改变各点接收信号间的相位关系，即不加任何相位补偿时，这种情况称为非聚焦处理。1.SAR的基本工作原理三、合成孔径雷达（SAR）

1.SAR的基本工作原理三、合成孔径雷达（SAR）2.SAR的参数

三、合成孔径雷达（SAR）

2.SAR的参数三、合成孔径雷达（SAR）n为其他整数时还有栅出现这些成一列方位几乎是等间隔且幅度相等的波列。SAR要测的是0=0°这个合成波束所对准的地面目标区，而其他合成模糊波束对准方向所接收的回波形成了重叠在所要求地面目标区上的于扰信号，必须抑制掉这些干扰才能获得目标区的清晰图像。抑制模糊波束的方法从原理上讲是明确的，因为线阵的实际方向图是阵元方向图和阵列方向图的乘积。如果设计阵元方向图(即真实天线的方向图)的零点正好在合成阵列天线方向图模糊波束出现的角度上，则可消除模糊栅瓣的影响，如图9.38所示。2.SAR的参数三、合成孔径雷达（SAR）2.SAR的参数三、合成孔径雷达（SAR）

2.SAR的参数三、合成孔径雷达（SAR）

2.SAR的参数三、合成孔径雷达（SAR）

2.SAR的参数三、合成孔径雷达（SAR）

2.SAR的参数三、合成孔径雷达（SAR）3.SAR的信号处理

三、合成孔径雷达（SAR）先讨论最简单的情况，即距离徙动的影响可以忽略，这时可以将距离和方位向的压缩视为两个独立维滤波，如图9.40所示的。3.SAR的信号处理三、合成孔径雷达（SAR）利用光学技术的SAR信号处理开始于20世纪50年代中期。在地面的光学工作台上，通过使用特殊的透镜和相干光源，可以将记录在SAR飞机胶卷上的雷达数据处理为地图。这种类型的光学处理是常规的SAR成像方法，而目前SAR成像的趋势则明显朝数字处理方向发展。数字处理虽然十分复杂，但它的优点是精确和灵活。数字处理设备可装在载机(或其他运动平台)上，只要数字部件的运算速度足够快则可在载机上进行实时处理，而不像光学处理那样需要等载机着陆后在地面室内进行。进行SAR数字信号处理时还需预先做运动补偿，以便去除运动平台非恒速、非直线运动以及由于气流影响产生的高低波动和左右摇摆等各种不规则分量，使输入至大容量存储器中待处理的数据具有载机是等速、等高直线飞行的性质。3.SAR的信号处理三、合成孔径雷达（SAR）正侧视SAR常采用线性调频信号(LFM)来获得距离上的高分辨力。信号处理可采用两种方式：一种是在距离向用模拟处理，如用表面声波器件进行脉冲压缩，在方位向(横向)用数字处理，另一种是在距离向和方位向均采用数字处理。运动补偿和聚焦等均可在数字处理中进行。横向处理时，聚焦相位校正则应针对不同的距离进行不同的校正，因为近距离目标回波线性调频斜率大，即二次方相位变化快:远距离目标回波线性调频斜率小，一次方相位变化慢。SAR图像的产生是一种二维处理的结果。数字化SAR处理器采用独立的两个一维处理来实现，二维的相关(或匹配滤波)实现了斜距上的脉冲压缩和横向距离上的方位压缩。3.SAR的信号处理三、合成孔径雷达（SAR）

3.SAR的信号处理三、合成孔径雷达（SAR）

3.SAR的信号处理04逆合成孔径雷达（ISAR）PARTFOUR四、逆合成孔径雷达（ISAR）1.引言合成孔径雷达(SAR)是运动雷达对固定的目标成像，适用于地形测绘等场合。雷达装在运动载体(飞机、卫星)上，由于雷达相对于地面固定目标的运动，使固定目标的回波在不同的横向距离时有相异的多普勒频率，即同一点目标的回波将是一个多普勒频率变化的信号，该回波序列经过适当处理后可获得高的横向分辨力，再加上距离上(纵向)用大带宽信号获得高的距离分辨力，综合起来可以得到观测区域内清晰的地形图像。我们还注意到，当雷达进行合成孔径移动时，目标回波在距离上的徙动应小于距离分辨单元，才能进行有效的回波序列相参处理，如果超过则需经过适当的补偿才可能