雷达原理_第八章运动目标检测专业课件

1、第七章第七章 作业解答作业解答第七章第七章 作业解答作业解答第七章第七章 作业解答作业解答第七章第七章 作业解答作业解答第七章第七章 作业解答作业解答第七章第七章 作业解答作业解答第八章第八章 运动目标检测运动目标检测电话电话V网网: 66286 西南科技大学国防科技学院西南科技大学国防科技学院黄传波黄传波角度测量角度测量u多普勒效应及其在雷达中的应用多普勒效应及其在雷达中的应用u动目标显示雷达的工作原理及主要组成动目标显示雷达的工作原理及主要组成u盲速、盲速、 盲相的影响及其解决途径盲相的影响及其解决途径u 回波和杂波的频谱及动目标显示滤波器回波和杂波的频谱及动目标

2、显示滤波器u 动目标显示雷达的工作质量及质量指标动目标显示雷达的工作质量及质量指标u动目标检测动目标检测(MTD)u自适应动目标显示系统自适应动目标显示系统u速度测量速度测量 9、 人的价值，在招收诱惑的一瞬间被决定。2022-2-102022-2-10Thursday, February 10, 202210、低头要有勇气，抬头要有低气。2022-2-102022-2-102022-2-102/10/2022 9:53:32 PM11、人总是珍惜为得到。2022-2-102022-2-102022-2-10Feb-2210-Feb-2212、人乱于心，不宽余请。2022-2-102022-2

3、-102022-2-10Thursday, February 10, 202213、生气是拿别人做错的事来惩罚自己。2022-2-102022-2-102022-2-102022-2-102/10/202214、抱最大的希望，作最大的努力。2022年2月10日星期四2022-2-102022-2-102022-2-1015、一个人炫耀什么，说明他内心缺少什么。2022年2月2022-2-102022-2-102022-2-102/10/202216、业余生活要有意义，不要越轨。2022-2-102022-2-10February 10, 202217、一个人即使已登上顶峰，也仍要自强不息。20

4、22-2-102022-2-102022-2-102022-2-10MTDMTD滤波器组示意图滤波器组示意图9、 人的价值，在招收诱惑的一瞬间被决定。2022-2-102022-2-10Thursday, February 10, 202210、低头要有勇气，抬头要有低气。2022-2-102022-2-102022-2-102/10/2022 9:53:32 PM11、人总是珍惜为得到。2022-2-102022-2-102022-2-10Feb-2210-Feb-2212、人乱于心，不宽余请。2022-2-102022-2-102022-2-10Thursday, February 10,

5、 202213、生气是拿别人做错的事来惩罚自己。2022-2-102022-2-102022-2-102022-2-102/10/202214、抱最大的希望，作最大的努力。2022年2月10日星期四2022-2-102022-2-102022-2-1015、一个人炫耀什么，说明他内心缺少什么。2022年2月2022-2-102022-2-102022-2-102/10/202216、业余生活要有意义，不要越轨。2022-2-102022-2-10February 10, 202217、一个人即使已登上顶峰，也仍要自强不息。2022-2-102022-2-102022-2-102022-2-10

6、8.1 多普勒效应及其在雷达中的应用多普勒效应及其在雷达中的应用 8.1.1 多普勒效应多普勒效应 雷达发射连续波的情况雷达发射连续波的情况这时发射信号可表示为发射信号可表示为 s(t) = A cos(0t + ) 式中, 0为发射角频率, 为初相; A为振幅。 在雷达发射站处接收到由目标反射的回波信号由目标反射的回波信号sr(t)为为 )(cos)()(0rrrttkAttksts(8.1.1) 式中, tr = 2R/c, 为回波滞后于发射信号的时间, k为回波的衰减系数。 如果目标固定不动如果目标固定不动, 则距离R为常数。回波与发射信号之间有固定相位差固定相位差0tr=2f02R/c

7、 = (2/) 2R, 它是电磁波往返它是电磁波往返于雷达与目标之间所产生的相位滞后于雷达与目标之间所产生的相位滞后。 8.1 多普勒效应及其在雷达中的应用多普勒效应及其在雷达中的应用 当目标与雷达站之间有相对运动时当目标与雷达站之间有相对运动时, 则距离R随时间变化。 设目标以匀速相对雷达站运动设目标以匀速相对雷达站运动, 则在时间t时刻, 目标与雷达站间目标与雷达站间的距离的距离R(t)为为 R(t) = R0 - vrt 式中，R0 为 t=0 时的距离；vr为目标相对雷达站的径向运动速度。 由目标反射的回波信号由目标反射的回波信号sr(t)说明说明, 在在t时刻接收到的波形时刻接收到的

8、波形sr(t)上上的某点的某点, 是在是在t-tr时刻发射的。时刻发射的。 由于通常雷达和目标间的相对运动速度vr远小于电磁波速度c, 故时延tr可近似写为近似写为 )(2)(20tvRcctRtrr(8.1.2)8.1 多普勒效应及其在雷达中的应用多普勒效应及其在雷达中的应用 回波信号比起发射信号来回波信号比起发射信号来, 高频相位差高频相位差 )(22)(20000tvRtvRctrrr是时间t的函数, 在径向速度在径向速度vr为常数时为常数时, 产生频率差为产生频率差为 rdvdtdf221(8.1.3)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正比于相对运动的速度而反比

9、于工作波长。当目标飞向雷达站时当目标飞向雷达站时, 多普勒频率为正值多普勒频率为正值, 接收信号频率高于接收信号频率高于发射信号频率发射信号频率, 而当目标背离雷达站飞行时当目标背离雷达站飞行时, 多普勒频率为负值多普勒频率为负值, 接收信号频率低于发射信号频率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效应及其在雷达中的应用 多普勒频率可以直观地解释为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如果接收者相对于振荡源是不动的, 则他在单位时间内他在单位时间内收到的振荡数目与振荡源发出的相同收到的振荡数目与振荡源发

10、出的相同, 即二者频率相等即二者频率相等。如果如果振荡源与接收者之间有相对接近的运动振荡源与接收者之间有相对接近的运动, 则接收者在单位时间接收者在单位时间内收到的振荡数目要比他不动时多一些内收到的振荡数目要比他不动时多一些, 也就是接收频率增高；接收频率增高；当二者作背向运动时当二者作背向运动时, 结果相反结果相反。 8.1 多普勒效应及其在雷达中的应用多普勒效应及其在雷达中的应用 2. 窄带信号时的多普勒效应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)。 其发射发射信号可以表示为信号可以表示为 )(Re)(0tjetuts式中，Re表示取实部; u(t)为调制信号的

11、复数包络; 0为发射角频率。 由目标反射的回波信号目标反射的回波信号sr(t)可以写成 )(Re)()()(0rttjrrrettkuttksts(8.1.4) 当目标固定不动时当目标固定不动时, 回波信号的复包络有一固定迟延, 而高频则有一个固定相位差。 8.1 多普勒效应及其在雷达中的应用多普勒效应及其在雷达中的应用 当目标相对雷达站匀速运动当目标相对雷达站匀速运动时, 按式(8.1.2)近似地认为其延迟时间tr为 )(2)(20tvRcctRtrr则式(8.1.4)的回波信号表示式说明的回波信号表示式说明, 回波信号比起发射信号来讲回波信号比起发射信号来讲, 复包络滞后复包络滞后tr,

12、而高频相位差而高频相位差=-0tr=-2 (2/)(R0-vrt)是时间的函是时间的函数数。当速度vr为常数时, (t)引起的频率差为 rdvdtdf221称为多普勒频率多普勒频率, 即回波信号的频率比之发射频率有一个多普回波信号的频率比之发射频率有一个多普勒频移勒频移。 8.1 多普勒效应及其在雷达中的应用多普勒效应及其在雷达中的应用 附注附注: 从式从式(8.1.1)出发出发, 较严格地讨论运动目标回波的特点较严格地讨论运动目标回波的特点。在t时刻收到的回波是在t-tr时刻发射的, 而照射到目标上的时间是照射到目标上的时间是t=t - (1/2) tr, 照射时的目标距离目标距离为 ) (

13、0tvRtRr(8.1.5) 往返往返R(t)距离所需的时间正是目标的延迟时间距离所需的时间正是目标的延迟时间tr, 即 rtctR2) (可解得结果可解得结果 )22(10tvRvctrrr(8.1.6) 8.1 多普勒效应及其在雷达中的应用多普勒效应及其在雷达中的应用 将tr代入式(8.1.1)可得运动目标回波为运动目标回波为 rrrrrrrvcRtvcvckvcRtvcvckts000002cos2cos)(8.1.7) 由式(8.1.7)可以看出, 运动目标回波信号的角频率运动目标回波信号的角频率变为 , 可化简并近似为化简并近似为 0rrvcvc1cvr002001111cvcvcv

14、cvvcvcrrrrrr8.1 多普勒效应及其在雷达中的应用多普勒效应及其在雷达中的应用 即信号角频率的变化值信号角频率的变化值d = (2vr/c) 0 = 2 2vr/, 为多普勒为多普勒频移频移。近似后的结果, 与常用的多普勒频率表达式(8.1.3)相同。 对于窄带发射信号而言对于窄带发射信号而言, 要严格地讨论运动目标回波的特点, 可将式(8.1.6)代入式(8.1.4)后, 得到的结果是: rrrrrrrrrrrrrvcRtvcvcjvcRtvcvcukvcRtvcvcjvcRtvcvcukts0000002exp2Re2exp2Re)(8.1.8) 8.1 多普勒效应及其在雷达中的

15、应用多普勒效应及其在雷达中的应用 由式(8.1.8)可以讨论窄带信号时的运动目标回波的几个特点窄带信号时的运动目标回波的几个特点: (1) 由指数项由指数项, 信号角频率已变为信号角频率已变为 , 通常总满足c vr, 故角频率可作近似简化处理，得到信号角频率的变化量为 0rrvcvcrrdvcv2220称为多普勒频率。 8.1 多普勒效应及其在雷达中的应用多普勒效应及其在雷达中的应用 (2) 对于复数包络对于复数包络u(t)来讲来讲, rrrvcRtvcvcu02中的因子(c+vr)/(c-vr)表示信号在时间轴上的增长或压缩信号在时间轴上的增长或压缩。根据目标运动的方向可确定其是增长还是压

16、缩。目标和雷达站相目标和雷达站相对运动时对运动时, vr为正值为正值, 相当于波形在时间轴上压缩相当于波形在时间轴上压缩, 而在频率轴而在频率轴上频谱将展宽上频谱将展宽。8.1 多普勒效应及其在雷达中的应用多普勒效应及其在雷达中的应用 但在雷达的大多数应用情况下, 上述复包络变化的效应可以忽略。设发射信号的时宽为设发射信号的时宽为, 由于忽略时间轴伸缩由于忽略时间轴伸缩所引起的时间误差为时间误差为 cvvcvvcvcrrrrr22当信号的带宽为当信号的带宽为f时时, 上述时间误差可忽略的条件为时间误差可忽略的条件为 1212fcvfcvrr或(8.1.9) 8.1 多普勒效应及其在雷达中的应用

17、多普勒效应及其在雷达中的应用 这个条件是经常满足的这个条件是经常满足的, 例如若目标速度为10倍音速, vr=3.3103 m/s, 则2vr/c 210-5, 这样即使信号的时间带宽积f为1000数量级时, 不等式(8.1.9)仍能满足。以上讨论均忽略了目以上讨论均忽略了目标加速度引起的影响标加速度引起的影响。可以看出, 在当前目标运动的速度范围内在当前目标运动的速度范围内, 运动目标回波的表达式运动目标回波的表达式(8.1.4)可以近似为可以近似为 )(exp)(Re)(00ttjttuktsdrr(8.1.10) 运动目标回波的主要特征是运动目标回波的主要特征是其中心频率偏移多普勒频率其

18、中心频率偏移多普勒频率, 其它影其它影响均可忽略响均可忽略。前面近似结果完全可以采用。 8.1 多普勒效应及其在雷达中的应用多普勒效应及其在雷达中的应用 回波信号产生的多普勒频移回波信号产生的多普勒频移可由发射站到目标的距离发射站到目标的距离Rt加加上由目标到接收站的距离上由目标到接收站的距离Rr随时间变化求得随时间变化求得： dtRRdfrtd)(1在单基地雷达情况下在单基地雷达情况下, 引起多普勒频移的是雷达和目标连线方引起多普勒频移的是雷达和目标连线方向的径向速度向的径向速度vr。设目标运动方向与该连线的夹角为, 目标速度为v, 则径向速度分量vr为 cosvvr(8.1.11) 8.1

19、 多普勒效应及其在雷达中的应用多普勒效应及其在雷达中的应用 8.1.2 多普勒信息的提取多普勒信息的提取 已经知道, 回波信号的多普勒频移fd正比于径向速度，而反比于雷达工作波长, 即 cvffvcfvfrdrrd2,2200 多普勒频移的相对值多普勒频移的相对值正比于目标速度与光速之比正比于目标速度与光速之比, fd的正负的正负值值取决于目标运动的方向取决于目标运动的方向。在多数情况下, 多普勒频率处于音频范围。例如当= 10 cm, vr= 300 m/s时, 求得fd = 6kHz 。而此时雷达工作频率f0 = 3000MHz , 目标回波信号频率为fr = 3000 MHz6kHz,

20、两者相差的百分比是很小的。因此要从接收信号中要从接收信号中提取多普勒频率需要采用差拍的方法提取多普勒频率需要采用差拍的方法, 即设法取出即设法取出f0和和fr的差值的差值fd 。 8.1 多普勒效应及其在雷达中的应用多普勒效应及其在雷达中的应用 1. 连续波多普勒雷达连续波多普勒雷达 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在接收机检波器输入端引入发射信号作为基准电压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检波器输出端即可得到收发频率的差频电压的差频电压, 即多普勒频率电压多普勒频率电压。这时的基准电压基准电压通常称为相相参参(干干)电压电压, 而完成差频比较的检

21、波器称为相干检波器相干检波器。相干检相干检波器波器就是一种相位检波器相位检波器, 在其输入端在其输入端除了除了加基准电压外加基准电压外, 还有还有需要需要鉴别其差频率或相对相位的信号电压鉴别其差频率或相对相位的信号电压。 图 8.1(a) (c)画出了连续波多普勒雷达的原理性组成方框图、获取多普勒频率的差拍矢量图及各主要点的频谱图。 8.1 多普勒效应及其在雷达中的应用多普勒效应及其在雷达中的应用 图图 8.1 连续波多普勒雷达原理框图连续波多普勒雷达原理框图(a) 组成框图组成框图; (b) 多普勒频率差拍矢量多普勒频率差拍矢量; (c) 频谱图频谱图 8.1 多普勒效应及其在雷达中的应用多

22、普勒效应及其在雷达中的应用 发射机产生频率为f0的等幅连续波高频振荡, 其中绝大部分绝大部分能量能量从发射天线辐射到空间, 很少部分能量很少部分能量耦合到接收机输入端作为基准电压。混合的发射信号和接收信号经过放大后混合的发射信号和接收信号经过放大后, 在在相位检波器输出端取出其差拍电压相位检波器输出端取出其差拍电压, 隔除其中直流分量隔除其中直流分量, 得到多得到多普勒频率信号普勒频率信号送到终端指示器。 8.1 多普勒效应及其在雷达中的应用多普勒效应及其在雷达中的应用 （1）固定目标）固定目标 对于固定目标信号, 由于它和基准信号的相位差由于它和基准信号的相位差=0tr保保持常数持常数, 故

23、混合相加的合成电压幅度亦不改变故混合相加的合成电压幅度亦不改变。当回波信号振幅Ur远小于基准信号振幅U0时, 从矢量图上可求得其合成电压为 cos0rUUU包络检波器输出正比于合成信号振幅。对于固定目标对于固定目标, 合成矢合成矢量不随时间变化量不随时间变化, 检波器输出经隔直流后无输出检波器输出经隔直流后无输出。8.1 多普勒效应及其在雷达中的应用多普勒效应及其在雷达中的应用 （2）运动目标）运动目标 运动目标回波与基准电压的相位差随时间按多普勒频率变运动目标回波与基准电压的相位差随时间按多普勒频率变化化。即回波信号矢量围绕基准信号矢量端点以等角速度回波信号矢量围绕基准信号矢量端点以等角速度

24、d旋转旋转, 这时合成矢量的振幅为这时合成矢量的振幅为 )cos(00tUUUdr经相位检波器经相位检波器取出二电压的差拍取出二电压的差拍, 通过隔直流电容器得到输出通过隔直流电容器得到输出的多普勒频率信号为的多普勒频率信号为 )cos(0tUdr(8.1.12)在检波器中在检波器中, 还可能产生多种和差组合频率还可能产生多种和差组合频率, 可用低通滤波器取出低通滤波器取出所需要的多普勒频率所需要的多普勒频率fd送到终端指示(例如频率计), 即可测得目标可测得目标的径向速度值的径向速度值。 8.1 多普勒效应及其在雷达中的应用多普勒效应及其在雷达中的应用 2. 脉冲工作状态时的多普勒效应脉冲工

25、作状态时的多普勒效应 当雷达发射脉冲信号时, 和连续发射时一样, 运动目标回波信号中产生一个附加的多普勒频率分量。所不同的是所不同的是目标回波目标回波仅在脉冲宽度时间内按重复周期出现仅在脉冲宽度时间内按重复周期出现。 图8.2画出了利用多普勒效应的脉冲雷达方框图及各主要点的波形图, 图中所示为多普勒频率fd小于脉冲宽度倒数的情况。 8.1 多普勒效应及其在雷达中的应用多普勒效应及其在雷达中的应用 图图 8.2 利用多普勒效应的脉冲雷达利用多普勒效应的脉冲雷达 (a) 原理框图原理框图; (b) 主要波形图主要波形图;(c) A显画面显画面(对消前对消前) 脉冲调制器功率放大器连续振荡器接收机显

26、示系统f0 fdf0发射接收基准电压(a)8.1 多普勒效应及其在雷达中的应用多普勒效应及其在雷达中的应用 图图 8.2 利用多普勒效应的脉冲雷达利用多普勒效应的脉冲雷达 (a) 原理方块图原理方块图; (b) 主要波形图主要波形图;(c) A显画面显画面(对消前对消前) 连 续 振 荡脉 冲 发 射回 波 (固 定 )回 波 (运 动 )相 干 检 波 (运 动 )相 干 检 波 (固 定 )tttttt(b)cR02cRR)(208.1 多普勒效应及其在雷达中的应用多普勒效应及其在雷达中的应用 图图 8.2 利用多普勒效应的脉冲雷达利用多普勒效应的脉冲雷达 (a) 原理方块图原理方块图;

27、(b) 主要波形图主要波形图;(c) A显画面显画面(对消前对消前) 动目标强固定目标噪声(c)8.1 多普勒效应及其在雷达中的应用多普勒效应及其在雷达中的应用 和连续波雷达的工作情况相类比和连续波雷达的工作情况相类比: 发射信号按一定的脉冲宽度和重复周期Tr工作。由连续振荡器取出的电压作为接收机相位检波器的基准电压, 基准电压在每一重复周期均和发射信号基准电压在每一重复周期均和发射信号有相同的起始相位有相同的起始相位, 因而是相参的因而是相参的。 相位检波器输入端所加电压有两个相位检波器输入端所加电压有两个: 连续的基准电压连续的基准电压uk，uk=Uksin(0t+0), 其频率和起始相位

28、均与发射信号相同; 回波信回波信号号ur, ur = Ursin0(t-tr)+0 , 当雷达为脉冲工作时当雷达为脉冲工作时, 回波信号回波信号是脉冲电压是脉冲电压, 只在信号来到期间即只在信号来到期间即trttr+时才存在时才存在, 其它时间只有基准电压Uk加在相位检波器上。经过检波器的输出信号为经过检波器的输出信号为 )cos1 ()cos1 (0mUmUKukd(8.1.14) 8.1 多普勒效应及其在雷达中的应用多普勒效应及其在雷达中的应用 式中, U0为直流分量为直流分量, 为连续振荡的基准电压经检波后的输为连续振荡的基准电压经检波后的输出出, 而U0m cos则代表检波后的信号分量

29、代表检波后的信号分量。在脉冲雷达中在脉冲雷达中, 由于由于回波信号为按一定重复周期出现的脉冲回波信号为按一定重复周期出现的脉冲, 因此因此, U0m cos表示相表示相位检波器输出回波信号的包络位检波器输出回波信号的包络。图8.3给出了相位检波器输出波形图。 对于固定目标来讲对于固定目标来讲, 相位差是常数, cRtr0002合成矢量的幅度不变化, 检波后隔去直流分量可得到一串等幅脉冲输出。对运动目标回波而言对运动目标回波而言, 相位差随时间t改变, 其变化情况由目标径向运动速度vr及雷达工作波长决定。 )(22)(2000tvRctRtrr8.1 多普勒效应及其在雷达中的应用多普勒效应及其在

30、雷达中的应用 图图 8.3 相位检波器输出波形相位检波器输出波形 ttTrcos(dt0)uuUrUkUinUr2UkUr1008.1 多普勒效应及其在雷达中的应用多普勒效应及其在雷达中的应用 合成矢量为基准电压合成矢量为基准电压Uk以及回波信号相加以及回波信号相加, 经检波及隔去检波及隔去直流分量后得到脉冲信号的包络为直流分量后得到脉冲信号的包络为 )cos(2coscos000000tmUtRcmUmUdrd(8.1.15) 即回波脉冲的包络调制频率回波脉冲的包络调制频率为多普勒频率多普勒频率。这相当于连续波工相当于连续波工作时的取样状态作时的取样状态, 在脉冲工作状态时, 回波信号按脉冲

31、重复周期回波信号按脉冲重复周期依次出现依次出现, 信号出现时对多普勒频率取样输出信号出现时对多普勒频率取样输出。 脉冲工作时, 相邻重复周期运动目标回波与基准电压之间的相位差是变化的, 其变化量变化量为 rrrrdtTcvT0028.1 多普勒效应及其在雷达中的应用多普勒效应及其在雷达中的应用 相邻重复周期延迟时间的变化量相邻重复周期延迟时间的变化量tr=2R/c=2vrTr/c是很是很小的数量小的数量, 但当它反映到高频相位上时它反映到高频相位上时, =0tr就会产生很就会产生很灵敏的反应灵敏的反应。相参脉冲雷达利用了相邻重复周期回波信号与基准信号之间相位差的变化来检测运动目标回波, 相位检

32、波器相位检波器将高频的相位差转化为输出信号的幅度变化将高频的相位差转化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亦有相应的单个回波脉冲的中心频率亦有相应的多普勒频移多普勒频移, 但在在fd1/的条件下的条件下(这是常遇到的情况), 这这个多普勒频移只使相位检波器输出脉冲的顶部产生畸变个多普勒频移只使相位检波器输出脉冲的顶部产生畸变。这就表明要检测出多普勒频率需要多个脉冲信号要检测出多普勒频率需要多个脉冲信号。只有当只有当fd 1/时时, 才有可能利用单个脉冲测出其多普勒频率才有可能利用单个脉冲测出其多普勒频率

33、。对于运动目标回波, 其重复周期的微小变化Tr = (2vr/c) Tr通常均可忽略。8.1 多普勒效应及其在雷达中的应用多普勒效应及其在雷达中的应用 8.1.3 盲速和频闪盲速和频闪 当雷达处于脉冲工作状态时, 将发生区别于连续工作状态的特殊问题, 即盲速盲速和频闪效应频闪效应。 盲速盲速是指目标虽然有一定的径向速度vr, 但若其回波信号经过相位检波回波信号经过相位检波器后器后, 输出为一串等幅脉冲输出为一串等幅脉冲, 与固定目标的回波相同与固定目标的回波相同，此时的目标运动速度目标运动速度称为盲速。 频闪效应频闪效应是当脉冲工作状态时, 相位检波器输出端检波器输出端回波脉冲串回波脉冲串的包

34、络调包络调制频率制频率Fd, 与目标运动的径向速度目标运动的径向速度vr不再保持正比关系不再保持正比关系。此时如用包络调制频率测速时将产生测速模糊。 产生盲速和频闪效应的基本原因在于产生盲速和频闪效应的基本原因在于, 脉冲工作状态是对连续发射的取脉冲工作状态是对连续发射的取样样, 取样后的波形和频谱均将发生变化取样后的波形和频谱均将发生变化。 8.1 多普勒效应及其在雷达中的应用多普勒效应及其在雷达中的应用 由式(8.1.10)知, 当雷达信号为窄带信号时, 运动目标的雷达运动目标的雷达回波回波sr(t)为为 sr(t) =Reku(t-tr)expj(0+d)(t-t0) 式中，tr为复包络

35、迟延, 而fd为高频的多普勒频移。当雷达处于脉当雷达处于脉冲工作状态时冲工作状态时, 简单脉冲波形时的复调制函数脉冲波形时的复调制函数u(t)可写成 nrnTtrecttu)(式中, rect表示矩形函数; 为脉冲宽度; Tr为脉冲重复周期。 8.1 多普勒效应及其在雷达中的应用多普勒效应及其在雷达中的应用 u(t)的频谱的频谱U(f)是一串间隔是一串间隔fr = 1/Tr的谱线的谱线, 谱线的包络取决谱线的包络取决于脉冲宽度于脉冲宽度的值的值。运动目标的回波信号是u(t-tr)和具有多普勒频移的连续振荡相乘, 因而其频谱是两者的卷积频谱是两者的卷积, )()()()()()()(0000dd

36、ddrrfffUfffUfffffffUfSts如图8.4(b)所示，相当于把U(f)的频谱中心分别搬移到f0+fd和-(f0+fd)的位置上。 8.1 多普勒效应及其在雷达中的应用多普勒效应及其在雷达中的应用 图图 8.4 脉冲工作时各主要点信号频谱脉冲工作时各主要点信号频谱(a)发射信号频谱发射信号频谱; (b) 接收信号频谱接收信号频谱; (c) 相参电压谱相参电压谱; (d) 相位检波输出谱相位检波输出谱 frfrfrfr f0f01f01f0ffff0 fd1f0 fd1f0 fd( f0 fd)1( f0 fd) f0f0S( f )Sr( f )000(a)(b)(c)f1 fd

37、fdfr fdfr fd10(d ) f018.1 多普勒效应及其在雷达中的应用多普勒效应及其在雷达中的应用 相位检波器的输入端相位检波器的输入端加有频率为频率为f0的相参电压的相参电压和回波信号电压回波信号电压, 在其输出端输出端得到两个电压的差频两个电压的差频, 如图8.4(d)所示, 其谱线的位置在nfrfd处, n=0, 1, 2, , 谱线的包络与U(f)相同。 由图由图8.4的频谱图可以看出脉冲信号产生的频谱图可以看出脉冲信号产生“盲速盲速”的原因的原因: 固定目标时固定目标时，fd=0, 其回波的频谱结构与发射信号相同其回波的频谱结构与发射信号相同, 是由是由f0和和f0nfr的

38、谱线所组成的谱线所组成。对于运动目标回波对于运动目标回波, 谱线中心移动谱线中心移动fd, 故其频谱由故其频谱由f0+fd、f0+fdnfr的谱线组的谱线组成成, 经过相位检波器后经过相位检波器后, 得到得到fd及及nfrfd的差频的差频, 其波形为多普勒频率其波形为多普勒频率fd调幅调幅的一串脉冲的一串脉冲。当当fd=nfr时时, 运动目标回波的谱线由运动目标回波的谱线由nfr所组成所组成, 频谱结构与固频谱结构与固定目标回波的相同定目标回波的相同, 这时无法区分运动目标与固定目标这时无法区分运动目标与固定目标。 8.1 多普勒效应及其在雷达中的应用多普勒效应及其在雷达中的应用 从图从图8.

39、4的频谱图上也可以分析产生频闪的原因的频谱图上也可以分析产生频闪的原因: 当多普勒频率当多普勒频率fd超过超过重复频率重复频率fr的一半时的一半时, 频率频率nfr的上边频分量的上边频分量nfr+fd与频率与频率(n+1)fr的下边频分的下边频分量量(n+1)fr-fd在谱线排列的前后位置上交叉在谱线排列的前后位置上交叉。两个不同的多普勒频率两个不同的多普勒频率fd1和和fd2, 只要满足只要满足fd1=nfr-fd2, 则二者的谱线位置相同而无法区分则二者的谱线位置相同而无法区分。同样。同样, 当当fd1=nfr+fd2时时, 二者的频谱结构相同也是显而易见的二者的频谱结构相同也是显而易见的

40、。因此, 在相参脉冲雷达中, 如果要用相位检波器输出脉冲的包络频率来单值地测定目标的速度, 必须满足的条件是 rdff21(8.1.16) 8.1 多普勒效应及其在雷达中的应用多普勒效应及其在雷达中的应用 盲速和频闪效应也可以从矢量图和相对应的波形图加以说明盲速和频闪效应也可以从矢量图和相对应的波形图加以说明。 1、最新盲速、最新盲速 从矢量图从矢量图8.5(a)可以看出可以看出, 相邻周期运动目标的回波相邻周期运动目标的回波和基准电压基准电压之间相位相位差的变化量为差的变化量为=dTr, 根据的变化规律即可得到一串振幅变化的视频脉一串振幅变化的视频脉冲冲。当当=2时时, 虽然目标是运动的虽然

41、目标是运动的, 但相邻周期回波与基准电压间的相对位但相邻周期回波与基准电压间的相对位置不变置不变, 其效果正如目标是不运动的一样其效果正如目标是不运动的一样, 这就是盲速这就是盲速。可求得盲速与雷达参数的关系。 当=2n, 即 =dTr =2n n=1, 2, 3, 时, 会产生盲速, 这时 fdTr = n 或 fd = nfr 8.1 多普勒效应及其在雷达中的应用多普勒效应及其在雷达中的应用 图图 8.5 用矢量和波用矢量和波形图说明盲速和形图说明盲速和频闪频闪(a) 盲速说明盲速说明; (b) 频闪说明频闪说明; (c) Fa的变化规律的变化规律 TrFdfdtUr1Ur2UkdTr2

42、Fd0fd frTrUr1Ur2UkdTr2 1 2 2 FdTrFd fr fdFdfdfdFdfr2frr21fr21f0t(a)(b)(c)28.1 多普勒效应及其在雷达中的应用多普勒效应及其在雷达中的应用 因 fd = 2vr/, 所以盲速 rrfnv210盲速的出现的原因是盲速的出现的原因是取样系统的观察是间断而不是连续的取样系统的观察是间断而不是连续的。在连续系统中在连续系统中, 多普勒频率总是正比于目标运动的速度而没有模糊多普勒频率总是正比于目标运动的速度而没有模糊。但在脉冲工作时在脉冲工作时, 相位相位检波器输出端的回波脉冲包络频率只在多普勒频率较脉冲重复频率低时检波器输出端的

43、回波脉冲包络频率只在多普勒频率较脉冲重复频率低时(fd1/2fr)才能代表目标的多普勒频率才能代表目标的多普勒频率。在盲速时在盲速时, nTvfnvrrr212100或即在重复周期内即在重复周期内, 目标走过的距离正好是发射高频振荡半波长的整数倍目标走过的距离正好是发射高频振荡半波长的整数倍, 由由此引起的高频相位差正好是此引起的高频相位差正好是2的整数倍。的整数倍。 8.1 多普勒效应及其在雷达中的应用多普勒效应及其在雷达中的应用 2、最新频闪效应、最新频闪效应 可从图可从图8.5(b)的矢量图上看出的矢量图上看出，当相邻重复周期回波信号的当相邻重复周期回波信号的相位差相位差=2n-时时,

44、在相位检波器输出端相位检波器输出端的结果与与=时是相同的时是相同的, 差别仅为矢量矢量的视在旋转方向相反的视在旋转方向相反, 因此上述二种情况下, 脉冲信号的包络调制频率相同脉冲信号的包络调制频率相同。相位差相位差=2n+时时, 其相位检波器输入端合成矢量相位检波器输入端合成矢量与=完全一样完全一样, 因而其输出脉冲串的调制频率亦相同。当当=0时时表现为盲速现象表现为盲速现象,一般情况下0, 表表现为频闪现象现为频闪现象, 这时相位检波器输出脉冲包络调制频率与回波信号的多普勒频率不相等。8.1 多普勒效应及其在雷达中的应用多普勒效应及其在雷达中的应用 8.1 多普勒效应及其在雷达中的应用多普勒

45、效应及其在雷达中的应用 包络调制频率包络调制频率随着多普勒频率的增加多普勒频率的增加按雷达工作的重复频率雷达工作的重复频率周期周期性地变化性地变化。包络调制频率的最大值产生在包络调制频率的最大值产生在=2n-时时, 相应的多普勒多普勒频率为频率为nfr-(1/2)fr, 而这时的包络调制频率包络调制频率Fd=fr/2 。只有当只有当fdfr/2时时, 包包络调制频率络调制频率和多普勒频率多普勒频率才相等相等。图8.5(c)中画出了脉冲包络调制频率脉冲包络调制频率Fd变化规律曲线变化规律曲线, 它随着多普勒频率的增加而周期性变化随着多普勒频率的增加而周期性变化, 这就是频闪频闪效应效应。当当fd

46、=nfr时时, 包络调制频率包络调制频率Fd=0, 这就是盲速盲速。图图 8.6 高速目标高速目标(fd 1/)的多普勒效应的多普勒效应(a) 波形波形; (b) 频谱频谱 UrUkfdtuf0ff0 fdU( f )0f01(a)(b)08.1 多普勒效应及其在雷达中的应用多普勒效应及其在雷达中的应用 一、动目标显示雷达与普通雷达的主要区别一、动目标显示雷达与普通雷达的主要区别 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：有产生相干振荡电压的系统；用相干检波器代替普通振幅检波器，输出相干视频脉冲串；信号经相消设备后送到终端，显示运动目标回波脉冲 8.

47、2 动目标显示雷达的工作原理及主要组成动目标显示雷达的工作原理及主要组成 二、动目标显示雷达的基本类型二、动目标显示雷达的基本类型1. 1. 中频全相参中频全相参( (干干) )动目标显示动目标显示 当雷达发射机采用主振放大器主振放大器时, 每次发射脉冲的初相由连续振荡的主振源控制主振源控制, 发射信号是全相参的全相参的, 即发射高频脉冲、本振电压、相参电压之间均有确定的相位关系。相相位检波位检波通常是在中频上进行的, 因为在超外差接收机中, 信号的放大主要依靠中频放大器。在中频进行相位检波, 仍能保持和高频相位检波相同的相位关系。8.2 动目标显示雷达的工作原理及主要组成动目标显示雷达的工作

48、原理及主要组成 图图 8.7 中频全相参中频全相参(干干)动目标显示雷达方框图动目标显示雷达方框图连续波振荡器上变频器中频相干振荡器脉冲功率放大器相位检波器收发开关混频器中频放大器对消器脉冲调制器主振源f0fcfcf1 f0 fc本地振荡回波信号f0 fd中频脉冲fc fd相参电压相参视频输出对消视频主振源为U0cos(0t+0)中频相参振荡器Uc cos(ct+c)cos(0011cctUu和频回波信号为Urcos0(t-tr)+0回波与本振混频后中频信号: tftvRctRtddr2)22(2)(20000Urcosct+c+0tr8.2 动目标显示雷达的工作原理及主要组成动目标显示雷达的

49、工作原理及主要组成 2. 2. 锁相相参动目标显示锁相相参动目标显示 当雷达发射机采用自激振荡器自激振荡器(如磁控管振荡器)时, 它的每一发射脉冲高频起始相位是随机的每一发射脉冲高频起始相位是随机的。因此，为了得到与发射脉冲起始相位保持严格关系的基准电压基准电压, 应该采用锁相锁相的办法的办法, 也就是使振荡电压的起始相位受外加电压相位的控使振荡电压的起始相位受外加电压相位的控制制。原则上有两种锁相的办法两种锁相的办法: : 一种是一种是将发射机输出的高频电压加到相参振荡器去锁相; 另一种是另一种是将连续振荡的相参电压加到发射机振荡器去, 以控制发射脉冲的起始相位。后一种方法要求较大的控制功率

50、, 因而在实际中用得较少。 8.2 动目标显示雷达的工作原理及主要组成动目标显示雷达的工作原理及主要组成 图图 8.8 中频锁相的脉冲相参雷达方框图中频锁相的脉冲相参雷达方框图 脉冲调制器磁控管发射机收发开关混频器稳定本地振荡器混频器中频相参振荡器相位检波器高频锁相脉冲相参电压中频放大器对消器中频回波对消视频中频锁相脉冲f0f1f1f0f0 fdf0 fdf1 f0fc fdfc 中频高频回波脉冲中频回波f1( f0 fd) fc fd本地振荡器 )cos(1111tUu发射机输出 )cos(0000tUu混频后取其差频作为锁相电压: )(cos()()cos(010101tUtUucccc目

51、标回波信号为:)(cos00rrrttUu混频后得到中频信号:)()cos(00101rrrttUu回波信号回波信号ur与基准电压比较相位位差只决与基准电压比较相位位差只决定于定于rt08.2 动目标显示雷达的工作原理及主要组成动目标显示雷达的工作原理及主要组成 对磁控管发射机的雷达, 如果后后面用数字信号处理面用数字信号处理, 则接收相参接收相参可用图8.9所示的方式。将发射信号的随机相将发射信号的随机相位位t测量出来测量出来, 并与送到数字对消器前送到数字对消器前的接收信号相位的接收信号相位r相减相减, 消去消去发射信号发射信号随机相位的影响而获得等效的接收相随机相位的影响而获得等效的接收

52、相参参。发射信号发射信号经稳定本振混频稳定本振混频后获得中频发射脉冲中频发射脉冲, 而后以相参振荡器相参振荡器(COHO)的电压的电压为基准, 在正交相位检正交相位检波器中相参检波波器中相参检波, 获得I与与Q两路基带两路基带输出输出,t的信息包含在基带输出中的信息包含在基带输出中, t = arctan Q/I。8.2 动目标显示雷达的工作原理及主要组成动目标显示雷达的工作原理及主要组成 稳定本振基准混频脉冲振荡器接收混频相参振荡双工器中频放大IQ信号A / D数字式减中频放大IQ基准A / D数字MTI基准MTI输出QI天线图图 8.9 相位存储式接收相参相位存储式接收相参MTI 如果如果

53、A/D变换器的精度足够变换器的精度足够, 则这种方式的接收相参所能则这种方式的接收相参所能得到的对消结果将优于通常所用的锁相相参振荡器得到的对消结果将优于通常所用的锁相相参振荡器。这是因因为为连续工作的相参振荡器, 其频率稳定性比每次发射脉冲均要被锁相而处于启断工作状态的相参振荡器要好得多。 8.2 动目标显示雷达的工作原理及主要组成动目标显示雷达的工作原理及主要组成 三、三、 消除固定目标回波消除固定目标回波 1. 相消设备特性相消设备特性由相位检波器输出的脉冲包络为 式中，为回波与基准电压之间的相位差回波与基准电压之间的相位差, 0000)(2tctvRtdrr回波信号按重复周期Tr出现,

54、 将回波信号延迟一周期回波信号延迟一周期后, 其包络为 u=U0 cosd(t-Tr)-0 (8.2.6) 8.2 动目标显示雷达的工作原理及主要组成动目标显示雷达的工作原理及主要组成 cos0U相消器的输出为两者相减, 002sin2sin2rddrdTtTUuuu(8.2.7) 输出包络输出包络为一多普勒频率的正弦信号一多普勒频率的正弦信号, 其振幅振幅为 2sin20rdTU也是多普勒频率的函数。当当dTr/2 = n(n=1, 2, 3)时时, 输出振幅为零。输出振幅为零。这时的目标速度正相当于盲速这时的目标速度正相当于盲速。此时，运动目标回波在相位检波器的输运动目标回波在相位检波器的

55、输出端与固定目标回波相同出端与固定目标回波相同, 因而经相消设备后输出为零因而经相消设备后输出为零, 如图 8.10 所示。 8.2 动目标显示雷达的工作原理及主要组成动目标显示雷达的工作原理及主要组成 图图 8.10 迟延相消设备及其输出响应迟延相消设备及其输出响应(a) 组成框图组成框图; (b) 速度响应速度响应; (c) 频率响应特性频率响应特性 延迟 Tr相位检波器相减回波 ur相参电压uc相消器输出(a)0Uu)(jKfr2frfdf3fr2frfr(vr 01)(vr 02)(vr)(b)(c)uiuoejTr008.2 动目标显示雷达的工作原理及主要组成动目标显示雷达的工作原理

56、及主要组成 相消设备也可以从频率域滤波器的观点来说明相消设备也可以从频率域滤波器的观点来说明。下面求出相消设备的频率响应特性。输出为 )1 (rTjioeuu网络的频率响应特性为 rrfTjrrrTjioefTTjTeuujK2sin2sin)cos1 ()1 ()(8.2.8) 其频率响应特性如图8.10(c)所示。 8.2 动目标显示雷达的工作原理及主要组成动目标显示雷达的工作原理及主要组成 相消设备等效于一个梳齿形滤波器相消设备等效于一个梳齿形滤波器, 其频率特性在f=nfr各点均为零。固定目标频谱的特点是固定目标频谱的特点是, 谱线位于谱线位于nfr点上点上, 因而在理想情况下, 通过

57、相消器这样的梳齿滤波器后输出为零。当目标的多普勒频率为重复频率整数当目标的多普勒频率为重复频率整数倍时倍时, 其频谱结构也有相同的特点其频谱结构也有相同的特点, 故通过上述梳状滤波器后无输出。 8.2 动目标显示雷达的工作原理及主要组成动目标显示雷达的工作原理及主要组成 2. 2. 数字式相消器数字式相消器 用数字迟延线数字迟延线代替模拟迟延线模拟迟延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、重量轻。 此外， 数字式对消器还具有一些特点: 容易得到长的延时容易得到长的延时, 因而便于实现多脉冲对消, 以改善

58、滤波器频率特性; 容易实现重复周期的参容易实现重复周期的参差跳变差跳变, 以消除盲速并改善速度响应特性; 容易和其它数字式信号处理容易和其它数字式信号处理设备设备( (如数字式信号积累器等如数字式信号积累器等) )配合配合, 以提高雷达性能; 动态范围可做得动态范围可做得较大较大。总之, 它可以实现更为完善和灵活的信号处理功能。 8.2 动目标显示雷达的工作原理及主要组成动目标显示雷达的工作原理及主要组成 图图 8.11 数字式相消器简单组成方框数字式相消器简单组成方框 取样保持电路模 数转换电路数字延迟线(存储器)相减器(运算器)模 数转换器相干视频延迟数字信号相消视频输出8.2 动目标显示

59、雷达的工作原理及主要组成动目标显示雷达的工作原理及主要组成 模拟信号变为数字信号要经过时间取样时间取样和幅度分层幅度分层两步。以时钟脉冲控制以时钟脉冲控制取样保持电路取样保持电路对输入相参视频信号取样取样, 被时间量化的取样保持信号时间量化的取样保持信号送到模数转模数转换电路换电路(A/D变换器变换器)进行幅度分层进行幅度分层, 转为数字信号输出。首先要把从相位检波首先要把从相位检波器输出的模拟信号变器输出的模拟信号变为数字信号为数字信号 数字信号的迟延可用存储器完成, 将数字信号按取样顺序写入存将数字信号按取样顺序写入存储器内储器内, 当下一个重复周期的数字信号到来时当下一个重复周期的数字信

60、号到来时, 由存储器中读出同一距由存储器中读出同一距离单元的信号进行相减运算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它数字处理(例如积累、恒虚警等), 如果需要模拟信号作显示, 则可将数字信号经过数模转换器, 变为模拟信号输出。 8.2 动目标显示雷达的工作原理及主要组成动目标显示雷达的工作原理及主要组成 8.3 盲速、盲相的影响及其解决途径盲速、盲相的影响及其解决途径 8.3.1 盲速盲速 1. 盲速以及消除盲速影响的方法盲速以及消除盲速影响的方法盲速在相邻两周期运动目标回波的相位差为相位差为2的整数倍的整数倍, 即