【ch08】运动目标检测

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