(整理)动目标显示与动目标检测.

1、精品文档精品文档6.5动目标显示与动目标检测1目标回波频谱递归 非递归曹理滤波器设计I结语MTIMTDMTI+FFTY 点最佳等间隔最佳引言6.5.1目标回波和杂波的频谱2杂波频谱6.5.2MTI滤波器零点分配算法滤波器设计优化预测误差算法6.5.3 MTD滤波器6.5.4改善因子分析精品文档精品文档6.5动目标显示与动目标检测雷达探测的运动目标如飞机，导弹，舰艇，车辆等周围存在各种背景，包括不动的地物和运动着的云雨，海浪或金属丝干扰等。动目标显示(Moving Target Indicator :MTI)与动目标检测(Moving Target Detection: MTD)就是使用各种滤波

2、器，滤去这些背景产生的杂波而取出运动目标的回波。此外也可以通过把雷达安装在山上、增加雷达天线的倾角、安装防杂波网来阻止杂波进入天线；或通过调整雷达天线的波束形式、采用极化技术、降低雷达的分辨单元、在时域采用CFAR检测、自适应门限、杂波图来抑制杂波。在频域上应用MTI与MTD技术可以提高信杂比，改善杂波背景下检测运动目标的能力。本节首先分析目标回波和杂波的频谱特性；然后分别讨论MTI与MTD原理及滤波器设计方法；最后分析MTI与MTD对改善因子的提高。6.5.1目标回波和杂波的频谱运动目标回波和杂波在频谱结构上有所差别，运动目标检测就是利用这种差别，从频率上将它们区分，以达到抑制杂波而显示目标

3、回波的目的。为此，应首先弄清楚目标和杂波的回波的特性。(1)目标回波的频谱雷达发射相参脉冲串，其脉冲宽度为Te，脉冲重复频率为fr。当天线不扫描而对准目标时，所得脉冲为无限脉冲串。调制信号5(t)及其频谱U,f )分别为t -nTrTeU1(f)芋fKf nfr)Tr HfTe njooA为信号振幅。而咼频载波U2(t)及其频谱U2(f)为u2(t)二cos0tU2(f)、(f - f。)f。)发射的相参脉冲串u(t)二山性，故其频谱U(f)为(6.5.1)(6.5.2)(6.5.3)(6.5.4)(6.5.5)脉冲发射A 1发射信号频谱tfrffrd 1fd)-(d)(d)图 6.5.1 发

4、射接收信号时域与频域特性f0-1f01.4 *0f0-1 df : - fd)丨/fdf。- fd -1-(f0 ；fd)(c)f0 fd天线扫描动目标回波频谱UmCf)(a)0固定回波频谱2R0.1 fc11 1】;勺ii Uif汕UtI td g $回波個定)(b)回波(运动)(b)动目标回波频谱y Ij；11 Vtm(t)* I r n h(L 一c)t.i !U精品文档雷达发射信号通常是窄带信号(如图6.5.1(a)，因而运动目标回波频谱的特征是将发射信号的频谱位置在频率轴上平移一个多普勒频率2vr(如图6.5.1(c),fd的符号由目标运动的方向决定，靠近为正，远离为负。固定回波的频

5、谱与发射信号一致，只是幅度有衰减精品文档精品文档图6.5.1(b)。接收者与振荡源之间有相对接近的运动时，则它接收电磁波的频率大于振荡源发射频率，当两者背向运动时，结果相反。运动目标与雷达有相对运动，所以存在多普勒频率fd。定义固定回波的波程为2R0，R0为雷达到目标的距离，则回波到达雷达的时间为当；由于运动目标c与雷达有相对运动，其波程为2(R - . R)，时间为2侃一R)。c这时收到的回波脉冲为有限数，且其振幅受天线方向图调制。设天线方向图可用高斯函数来 表示，则收到的回波脉冲串的包络函数可写为(6.5.6)天线扫描时收到的回波信号，可以用m(t)和无限脉冲串ur(t)的乘积表示。ur(

6、t)为天线不扫描时的回波脉冲串，即Um(t) =m(t)Ur(t)其包络函数m(t)的频谱为2 2M (f) =e2r天线扫描时回波信号的频谱Um( f)为c是和天线波瓣宽度及扫描速度有关的参数。C减小，表示观察时间增加。多普勒频率fd可以直观地解释为：振荡源发射的电磁波以恒速c传播，当接收者相对振荡源不动，则它的接收频率等于发射频率。当雷达工作时，天线以各种方式进行扫描,(6.5.7)(6.5.8)mi:t)/_M(f)Um(f)二M(f)：Ur(f)(6.5.9)即无限回波脉冲串频谱Ur( f)的每一根谱线均按M(f)的形状展宽(如图6.5.1(d)。谱线展宽的程度反比于天线波束照射目标的

7、时间口。已求出当天线方向图为高斯形时谱线展宽的均方值为a=空50265 frs匚(6.5.10)式中：fr为雷达重复频率,n为在单程天线方向图3dB宽度内收到的脉冲数。中频回波信号经过相位检波器后，相当于把中频信号的频谱搬移到零频率附近，根据目标多普勒频移fd的不同，相位检波后谱线n fr一fd的具体位置也有差异,每根谱线均按脉冲串包络的频谱形状展宽。杂波频谱对于固定点杂波，当天线不扫描时，固定杂波的频谱是位于nfr上的谱线，可以用对消器全部滤去。当天线扫描时，由于回波数目有00t图 6.5.2 天线扫描条件下回波频谱精品文档精品文档限，谱线将展宽。由于天线扫描引起双程天线方向图对回波信号调幅

8、，杂波谱展宽可用高斯函数表示为G(f) = Goef运(6.5.11)其中匚s=0.265 n,n为在单程天线方向图3dB宽度内的脉冲数。设 口为天线照射目标的等效时间，则n二Tf，即匚s= 0.265匚，即精品文档精品文档与杂波梳状谱宽度相当。(2)杂波有多普勒频移，即不在零频时，滤波器凹口要对准杂波谱平均多普勒位置。衰减，目标回波能在尽可能大的速度范围内有较大输出。改善因子是综合评定滤波器性能的参数。6.5.2 MTI滤波器(1)MTI滤波器原理6 与目标照射时间成正比。杂波信号的功2w(f)= g(f)=2 -gexp_ a(6.5.12)其中：W(f)作为频率函数的杂波功率谱,g( f

9、 )杂波的傅立叶变换,fo雷达载波，a和杂波相关的参数。杂波频谱可以用杂波频率分布的均方根值匚c(Hz)或速度分布的均方根值Cv(m s)来表示，式(2-12)可写为W(f)二W0expf2、f2厂)12=W0exp1 Zuc2九丿叭丿(6.5.13)其中：W0 = g26cc飞，可得a二云/c为杂波功率谱方差。r 为杂波内部起伏运动速度的均方根值，和工作波长无关。相同的值，对不同的雷达工作波长产生的杂波谱线的宽度也是不同的。工作波长越短，杂波谱的展宽越严重。图6.4.1中的载波频率f0为1GHz。Jl0图 6.5.3 杂波的功率谱在接收机前端引入发射信号作为基准电压，可得到收发频率的差频电压

10、，即多普勒电压。图6.5.4给出各主要点的频谱图。(a)A0(c)f。f0f0- fdf4Af0fdf0- fd2ff(d)滤波器频率特性0fd相位检波后的频谱如图(d)，固定杂波的频谱在零于天线扫描收到的回波脉冲数有限，谱线会有一定程 中还会出现杂乱分量，把它近似看成均匀谱。本节要图6.5.4(d)所示，取出动目标频谱，滤除杂波频谱。 滤波器凹口和通带的平坦程度是关注的特性。动目标f图 6.5.4 主要点频谱图及滤波器特性点， 图中给出的是一条谱线。 实际中， 由 度的展宽，由于系统不稳等原因，杂波谱 设计的滤波器特性如图 6.5.5 地杂波的功率谱滤波器要满足的要求：(1)凹口适当扩宽,(

11、3)凹口深度能使杂波尽量多的(a)(b)(d)滤波器频率特性(c)%(b)精品文档精品文档当杂波和运动目标回波在雷达显示器上同时显示时，会使目标的观察变得很困难。如果目标处在强杂波背景内，弱的目标淹没在强杂波中，特别是当强杂波使接收机发生过载时，将很难发现目标。目标回波和杂波在时间域上难以区分，但由于目标的速度远大于背景的速度，目标回波的多普勒频移远大于背景的多普勒频移，从而可在频域上区分目标与杂波。动目标显示滤波器(MTI)利用运动目标回波和杂波在频谱上的区别，有效地抑制杂波而提取信号。在雷达上加装MTI滤波器，大大的改善了雷达在强杂波背景中检测运动目标的能力。MTI有多种实现方法，包括传统

12、的相消器和各种优化的FIR滤波器。采用重复参差和时变加权的MTI体制可以克服盲速。MTI和MTD是对多个回波数据进行处理，因此数据需要进行存储。其中每一行的数据是沿距离单元采样值，反映了某一距离单元的信号特征。每一列的数据为从相同的距离单元，依次间隔一个脉冲重复周期的采样值，这些数据的变化反映了在同一距离单元目标的变化情况。MTI和MTD都是对同一距离单元的数据，即同一列的数据进行处理。通常MTI雷达滤波器如图6.5.6所示图，图中Tr为雷达重复周期，在这里作为延迟线的延迟时间，wi为滤波器权系数值。传统的MTI相消器可以滤除零频杂波，性能不高，改善因子在20dB左右。优化的MTI滤波器可以满

13、足上一节提出的动目标滤波器要求，现在就滤波器的设计讨论如下。(2) MTI滤波器设计1.传统MTI滤波器设计：在相位检波器输出端，固定目标的回波是一串振幅不变的脉冲，而运动目标的回波是一串振幅调制的脉冲。在把回波信号送到终端显示器前，必须先消除固定目标回波。最直接的方法是将相邻重复周期的回波信号相减，则固定目标回波由于振幅不变而互相抵消，运动目标回波相减后剩下相邻重复周期振幅变化的部分。传统的MTI滤波器有两种形式：非递归形和递归形。(a)非递归滤波器不带反馈的滤波器称为非递归型滤波器。下面以一次对消器为例进行说明。一次对消器，即二脉冲对消。其结构图如图6.5.7(a),对消器的输入X(z)相

14、位检波器的输出信号。它是一个单零点系统，零点位置在z=_1， 令s =，即z =eT在Z平面上是单位圆。05图 6.5.6 MTI 滤波器的组成精品文档精品文档X(z)匚+XII0-0 5(a)框图H (z) =1 -z-1 , ,o1虚部虚部(b)零点图图6.5.7一次对消滤波器由相位检波器输出的脉冲包络为u(t) = U0cos (t)(6.5.14)-为回波与基准电压之间的相位差(t)0tr 02(RfdtJ(6.5.15)精品文档精品文档归一归一化频率化频率f6.5.8 对消器框图及其输出响应其频率响应特性如图6.5.8。对消器等效于一个梳状滤波器，其频率特性在f =nfr各点处均为零

15、。固定目标频谱的特点是它的谱线位于上，因而在理想情况下，通过对消器后输出为零。当目标的多普勒频率为重复频率的整数倍时，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。表6.5.1二项式权系数和增益表对消器阶数n_ 2增益G=送Wj(线性)j=0二项式系数121, -1261, 2 13201,-, 3, -14701,6,152521, -5,10, -10, 5, -1回波信号按重复周期 出现，将回波信号延迟一周期后，其包络是U (t) =UoCOSd(t)仝o(6.5.16)(6.5.17)输出包络为一多普勒频率的正弦信号，其频率为2U0sin2(6.5.18)为多普勒频率的函数

16、。当化.2二n二(n=1,2,3,)时，输出振幅为零。这时的目标速度正相当于盲速，盲速是运动目标回波在相位检波器的输出端与固定目标回波相同，因而经对消设备后输出为零。下面从频率域来说明对消器的工作原理。对消器的输出为Uo = m (1一e)对消器的频率响应特性为(6.5.19)H(j ,)=1 eTr=(1 cos)jsinT =2sin二5严)Ui(6.5.20)051.522 533,54归一化频率归一化频率4冊冊o50JInfr点I.8.64C4精品文档精品文档2采用级联二项式形的N次对消器(N 1脉冲对消)的权系数为1 -x展开式的系数，其计算式为idN!Wi = -1, i = 1,

17、2,.N1(6.5.21)N -i 1 ! i -1 !非递归滤波器中的权系数变化它的输出也会变化。MTI滤波器中的权系数可选二项式系数，也可选其它的系数。在不同的准则下，系数也不同。在没有先验知识的情况下，二项式系数式一个很好的选择。如果已知信号和杂波的协方差阵，在最优MTI滤波器的准则是改善因子最大化时，则可以求其最优化的权系数。如果杂波协方差阵为：A二E(C”CT)，信号协方差阵为：S二E(S”ST)。其中：权系数向量为w = (N 1)，信号向量为s=(N 1)，杂波向量为C=(N 1)，*代表共轭，T代表转置。则FIR滤波器的最优化权系数为WikA S(6.5.22)式中k为任意常数

18、，A1为杂波协方差阵的逆，S为目标回波信号向量。最优化权系数是相对于一定准则的，准则不同结果也不同。如果没有先验知识或先验知识不准确，则求得的最优权系数的实现效果可 能会小于二项式权系数实现的结果。(b)递归滤波器带有反馈的滤波器称为递归型滤波器。递归型一次对消器的传递函数为递归滤波器的框图和频响如图6.4.4所示。虽然递归滤波器有较好的频响，可以减小滤波器的阶数，但它的暂态响应差，限制了它在雷达信号处理中的应用。2 521 510.50图 6.5.9 波器框图及其输出响应2优化MTI滤波器设计：在自适应杂波抑制的应用环境下，我们需要的理想滤波器是在杂波分布的频率点处，能使杂波得到最大限度的抑

19、制，而在其他频率点具H二丫丫X1 z1 _ Qz(6.5.23)-!：输出(a)递归滤波器框图0 2(b)递归滤波器频率响应对于FIR滤波器，如图6.5.10，设第i阶 是前几个时刻输入信号的加权和。N阶滤波器的 传 输 函 数 为：T输出的延迟时间是 i。FIR滤波器在t时刻的输出的权系数为Wi,i=0,1,2,，N,滤波器图 6.5.10 FIR 滤波器框图精品文档精品文档有最大平坦幅度。(a)零点分配算法零点分配算法是在设计带阻滤波器时，在凹口处设置频率响应零点的一种方法，他不需要计算杂波的相关系数。(6.5.24)精品文档精品文档式中，T=o且T=LTk；i=0,1,2,N。将H(f)

20、在f=fo处展开成泰勒级数:k J2H f二H f。H f。(f f。)H” f。/2(f一f。)川(6.5.25)式中：.NHf和。)=(-j2兀)5：TikWie2EiTi _0.要在f=f。处设计带阻滤波器，为使在f=f。处附近幅度最大平坦，则必须使泰勒级数展开式中这样， 就产生了N个关于Wi,的齐次线形方程。N、TikwieJ：f0Ti=0k=0,1,2,N-1i -0其中，T。=1,w。为一个常数。将式(6.5.28)写成矩阵形式:A = -w0Ue2fT1-1- 1Te(6.5.30)取i=Tr,解矩阵方程(6.5.29)得权系数向量W带入式(6.5.24)即得滤波器的频率响应如下

21、:(a)凹口对准 0 频点杂波(b)凹口对准动杂波图 6.5.11 零点分配算法 MTI 滤波器频率响应目标速度为对应fr的整数时倍称为盲速。由图6.5.11，MTI滤波器会在整数倍fr的多普勒频率处形成凹口。因此，当运动目标的 多普勒频率等于整数倍fr时，这些运动目标也会被MTI滤波器滤掉。使用参差变T可以将第一个盲速扩大到可以接受的范围，即使其大于 可能出现的目标最大速度。如图6.5.10，设计一个3阶3参差变T滤波器，V :2:= 11:12：13，得MTI滤波器频率响应如下：HIf0=。，k=0,1,2，N-1(6.5.27)T其中：W =W1,W2,DI, WNT,U =(1,0,|

22、朴,0 )T2Ne*fT。2川NV j2二fTN。INe(6.5.26)k(f-f。)(k=0,1,2,N-1)的系数为零，即(6.5.28)(6.5.29)IIIIIIe_jI。TNL2TN0应响率频-150-1-1503-10 1 2归一化频率 f/fr应响率频o0010123归一化频率 f/fro001精品文档精品文档(a)等 T(b)参差变 T图 6.5.12 预测误差算法 MTI 滤波器频率响应6.5.3 MTD滤波器(1)MTD滤波器原理早期的动目标显示雷达性能不高，其改善因子一般在20dB左右。随着在系统设计与实现技术的改进、数字技术的提高，主要依靠信号处理的潜在能力，MTI雷达的性能还将进一步的改善和提高：1增大信号处理的线性动态范围；2增加一组多普勒滤波器，使之更接近于最佳滤波，提高改善因子；3能抑制地杂波(其平均多普勒频移通常为零)且能同时抑制运动杂波(如云雨、鸟群、箔条等)；JIWf 一*/ X / X/V fy v r Y -i-f-250E EY Tfn-rrrrr(a)凹口对准0