雷达原理_第八章-运动目标检测

1、第7章作业解答，第7章作业解答，第7章作业解答，第7章作业解答，第7章作业解答，第7章作业解答，第8章运动目标检测，电话V网336066286国防科技学院，西南科技大学，黄川波，角度测量，主要内容多普勒效应及其在雷达中的应用运动目标显示雷达的工作原理和主要组成部分， 盲速度和盲相位的影响及其解决方法，回波和杂波的频谱以及运动目标显示雷达的工作质量和质量指标，MTD，自适应运动目标显示系统的速度测量，MTD滤波器组图，8.1多普勒效应及其在雷达中的应用，8.1.1多普勒效应，当雷达发射连续波时，发射信号可表示为s(t)=A cos(0t)，其中0为发射角频率和初始相位；

2、 a是振幅。由雷达发射站接收的目标反射的回波信号sr(t)为(8.1.1)，其中tr=2R/c是回波滞后于发射信号的时间，k是回波的衰减系数。如果目标是静止的，距离r是恒定的。在回波和发射信号之间有一个固定的相位差0tr=2f02R/c=(2/) 2R，这是由电磁波在雷达和目标之间来回传播引起的相位滞后。8.1多普勒效应及其在雷达中的应用。当目标和雷达站之间有相对运动时，距离r随时间变化。假设目标相对于雷达站以恒定速度移动，目标与雷达站之间的距离在时间t为R(t)=R0-vrt，其中R0为t=0时的距离；Vr是目标相对于雷达站的径向速度。根据目标反射的回波信号sr(t)，在时间t接收的波形sr

3、(t)上的某一点在时间t-tr被发射。一般来说，雷达与目标之间的相对速度vr比电磁波速度C小得多，所以时间延迟tr可以近似写成(8.1.2)，8.1多普勒效应及其在雷达中的应用。与发射信号相比，回波信号的高频相位差是时间T的函数，当径向速度vr不变时，频率差为(8.1.3)，即多普勒频率，与相对频率成正比。当目标飞向雷达站时，多普勒频率为正，接收信号频率高于发射信号频率，而当目标飞离雷达站时，多普勒频率为负，接收信号频率低于发射信号频率。8.1多普勒效应及其在雷达中的应用多普勒频率可以直观地解释为：振荡源发射的电磁波以恒定的速度传播。如果接收器相对于振荡源是静止的，那么它每单位时间接收的振荡次

4、数与振荡源发射的振荡次数相同，即两个频率相等。如果振荡源和接收器之间有相对接近的运动，则接收器在单位时间内接收到的振荡次数大于其不运动时的次数，即接收频率增加；当他们向后移动时，结果是相反的。8.1多普勒效应及其在雷达中的应用，2。窄带信号中的多普勒效应雷达信号通常是窄带信号(带宽比中心频率小得多)。发射信号可表示为，其中re代表实部；U(t)是调制信号的复包络；0是传输角频率。被目标反射的回波信号sr(t)可以写成(8.1.4)。当目标静止时，回波信号的复包络具有固定的延迟，而高频具有固定的相位差。8.1多普勒效应及其在雷达中的应用，当目标相对于雷达站匀速运动时，延迟时间tr近似认为是(8.

5、1.2)，那么(8.1.4)的回波信号表达式表明，与发射信号相比，回波信号的复包络滞后于tr，而高频相位差为-0tr=-2 (2/) (R0)当速度vr不变时，由(t)引起的频率差称为多普勒频率，即回波信号的频率有多普勒频移8.1多普勒效应及其在雷达中的应用。注释：严格根据公式(8.1.1)讨论了运动目标回波的特征。在时间t接收的回波在时间t-tr发射，照射在目标上的时间是t=t-(1/2) tr，照射期间的目标距离是(8.1.5)。到达和离开R(t)的距离所需的时间正好是目标的延迟时间tr，也就是说，可解的结果是(8.1.6)，8.1。通过将tr代入公式(8.1.1)，可以获得运动目标回波(

6、8.1.7)。从公式(8.1.7)可以看出，运动目标回波信号的角频率变为，可以简化近似为8.1多普勒效应及其在雷达中的应用，即信号角频率d=(2VR/c) 0=的变化值，近似结果与常用的多普勒频率表达式(8.1.3)相同。对于窄带发射信号，应严格讨论运动目标回波的特性。将方程(8.1.6)代入方程(8.1.4)后，结果为：(8.1.8)，8.1多普勒效应及其在雷达中的应用。窄带信号的运动可以用方程(8.1.8)、8.1多普勒效应及其在雷达中的应用来讨论，(2)对于复包络u(t)，因子(c-VR)/(c-VR)in表示信号在时间轴上的增长或压缩。根据目标的移动方向，可以确定它是在增长还是在压缩。

7、当目标和雷达站相对移动时，vr为正值，这意味着波形在时间轴上被压缩，而频谱在频率轴上被加宽。8.1多普勒效应及其在雷达中的应用，但在大多数雷达应用中，上述复杂包络变化的影响可以忽略不计。假设传输信号的时间宽度为，忽略时间轴的扩展所导致的时间误差为。当信号带宽为f时，忽略上述时间误差的条件是(8.1.9)，8.1多普勒效应及其在雷达中的应用，这是经常遇到的。例如，如果目标速度是声速的10倍，并且vr=3.3103米/秒，那么2VR/C210-。上述讨论忽略了目标加速度造成的影响。可见，在当前目标运动的速度范围内，运动目标回波的表达式(8.1.4)可以近似为(8.1.10)，运动目标回波的主要特征

8、是其中心频率偏离多普勒频率，其他影响可以忽略。上述近似结果完全可以使用。8.1多普勒效应及其在雷达中的应用由回波信号引起的多普勒频移可由发射站到目标的距离Rt加上目标到接收站的距离Rr随时间变化而得到。在单基地雷达的情况下，在连接雷达和目标的方向上的径向速度vr引起多普勒频移。假设目标运动方向与连线之间的夹角为V，则径向速度分量vr为(8.1.11)，8.1多普勒效应及其在雷达中的应用，8.1.2多普勒信息提取众所周知，回波信号的多普勒频移fd与径向速度成正比，与雷达工作波长成反比，即， 多普勒频移的相对值与目标速度与光速之比成正比，多普勒频移的正负取决于目标。在大多数情况下，多普勒频率在音频

9、范围内。 例如，当=10厘米，vr=300米/秒，fd=千赫获得。此时，雷达工作频率fr=3000兆赫兹，目标回波信号频率fr=3000兆赫兹，两者之间的差别很小。因此，为了从接收信号中提取多普勒频率，有必要采用差拍法，即，尝试提取f0和fr之间的差fd。8.1多普勒效应及其在雷达中的应用，1。为了得到收发信号的差频，连续波多普勒雷达可以在接收检波器的输入端引入发射信号作为参考电压，在检波器的输出端得到收发频率的差频电压，即多普勒频率电压。此时，参考电压通常称为相干(干)电压，完成差频比较的检测器称为相干检测器。相干检测器是一种相位检测器。除参考电压外，还有一个信号电压，其差频或相对相位需要在

10、其输入端识别。图8.1(a) (c)给出了连续波多普勒雷达的原理组成框图、多普勒频率采集的拍矢量图和各主要点的频谱图。8.1多普勒效应及其在雷达中的应用，图8.1连续波多普勒雷达原理框图(一)；多普勒频率拍向量；频谱图，8.1多普勒效应及其在雷达中的应用。发射机产生频率为f0的恒幅连续波高频振荡，其中大部分能量从发射天线辐射到空间，一小部分能量作为参考电压耦合到接收机的输入端。将混合的发射信号和接收信号放大后，在鉴相器的输出端取出拍频电压，去除DC分量，得到多普勒频率信号，并发送给终端指示器。8.1多普勒效应及其在雷达中的应用，(1)对于固定目标信号，因为固定目标信号和参考信号之间的相位差=0

11、tr保持不变，所以混合和相加的复合电压的幅度不变。当回波信号幅度Ur远小于参考信号幅度U0时，可以从矢量图中获得合成电压，并且包络检测器的输出与合成信号幅度成比例。对于固定目标，合成矢量不随时间变化，并且在DC隔离之后，检测器的输出没有输出。8.1多普勒效应及其在雷达中的应用，(2)运动目标回波和参考电压之间的相位差根据多普勒频率随时间变化。也就是说，回波信号矢量以相等的角速度d围绕参考信号矢量的端点旋转，此时，合成矢量的幅度为，两个电压的差由相位检测器取出，输出多普勒频率信号由DC阻塞电容器获得(8.1.12)。在探测器中，可以产生各种和差组合频率，并且所需的多普勒频率fd可以由低通滤波器取

12、出并发送到终端进行指示(例如频率计)，从而可以测量目标的径向速度值。8.1多普勒效应及其在雷达中的应用，2。脉冲工作状态下的多普勒效应雷达发射脉冲信号时，像连续发射一样，在运动目标的回波信号中会产生一个附加的多普勒频率分量。区别在于目标回波仅根据脉冲宽度时间内的重复周期出现。图8.2示出了利用多普勒效应的脉冲雷达的方框图和各主要点的波形图，它表明多普勒频率fd小于脉冲宽度的倒数。8.1多普勒效应及其在雷达中的应用，图8.2脉冲雷达原理框图(一)利用多普勒效应；主要波形；(三)显示器(取消前)，8.1多普勒效应及其在雷达中的应用，图8.2利用多普勒效应的脉冲雷达原理框图(一)；主要波形；(三)显

13、示器(取消前)，8.1多普勒效应及其在雷达中的应用，图8.2利用多普勒效应的脉冲雷达原理框图(一)；主要波形；(三)显示器(取消前)，8.1多普勒效应及其在雷达中的应用。与连续波雷达的工作条件相比，发射具有一定脉冲宽度和重复周期Tr的信号。由连续振荡器取出的电压被用作接收器相位检测器的参考电压。在每个重复周期中，参考电压与发射信号具有相同的初始相位，因此它是相干的。鉴相器输入端施加的电压有两个连续的参考电压uk，即：uk=Uksin(0t 0)，其频率和初始相位与发射信号相同。回波信号ur，ur=Ursin0(t-tr) 0，当雷达以脉冲形式工作时，回波信号是脉冲电压，它只存在于信号的到达周期

14、，即trttr期间，在其它时间，只有参考电压Uk加到相位检测器上。检测器的输出信号为(8.1.14)、8.1多普勒效应及其在雷达中的应用，其中U0为DC分量，是检测后连续振荡的参考电压的输出，U0m cos代表检测后的信号分量。在脉冲雷达中，因为回波信号是具有一定重复周期的脉冲，所以U0m cos代表相位检测器输出的回波信号的包络。图8.3显示了鉴相器的输出波形。对于固定目标，相位差是恒定的，并且合成矢量的幅度不变。在检测之后，通过去除DC分量可以获得一系列具有相等幅度的脉冲。对于运动目标回波，相位差随时间变化8.1多普勒效应及其在雷达中的应用，图8.3鉴相器的输出波形，8.1多普勒效应及其在

15、雷达中的应用，合成矢量为参考电压Uk，加上回波信号，经过检测和DC分量去除后，脉冲信号的包络为(8.1.15)，即回波脉冲的包络调制频率为多普勒频率。这相当于连续波操作中的采样状态。在脉冲操作中，回波信号根据脉冲重复周期按顺序出现，信号出现时对多普勒频率进行采样并输出。脉冲工作时，相邻重复周期内运动目标回波与参考电压的相位差发生变化，这就是8.1多普勒效应及其在雷达中的应用。相邻重复周期(tr=2R/c=2vrTr/c)中延迟时间的变化非常小，但是当它反映在高频相位上时，=0tr将产生非常灵敏的响应。相干脉冲雷达利用相邻重复周期回波信号和参考信号之间相位差的变化来检测运动目标回波，相位检测器将

16、高频相位差转换为输出信号的幅度变化。8.1多普勒效应及其在雷达中的应用。脉冲雷达工作时，单个回波脉冲的中心频率也有相应的多普勒频移，但在fd1/(这是一种常见情况)的条件下，这种多普勒频移只会使鉴相器输出脉冲的顶部失真。这表明需要多个脉冲信号来检测多普勒频率。只有当fd 1/时，才有可能用单个脉冲测量其多普勒频率。对于运动目标回波，其重复周期Tr=(2vr/c) Tr的微小变化通常可以忽略。8.1多普勒效应及其在雷达中的应用，8.1.3盲速和频闪，当雷达处于脉冲工作状态时，会出现不同于连续工作状态的特殊问题，即盲速和频闪效应。盲速度是指虽然目标具有一定的径向速度vr，但如果其回波信号通过鉴相器，它将作为一系列等幅脉冲输出，与固定目标的回波相同，此时目标的运动速度称为盲速度。频闪效应是当脉冲工作时，相位检测器输出端的回波脉冲串的包络调制频率Fd不再与目标运动的径向速度vr成正比。此时，如果包络调制频率用于速度测量，将会出现速度测量模糊。产生盲速和频闪效应的根本原因是脉冲工作状态是对连续传输进行采样，采样后的波形和频谱会发生变化。8.1多普勒效应及其在雷达中的应用，从等式(8.1.10)可以知道，当雷达信号为窄带信号时，运动目标的雷达回波sr(t)为sr(t)=Reku(t-tr)expj(0 d)(t-t0)，其中tr为复包