HotZ-雷达系统(第三章)脉冲多普勒雷达

第三章脉冲多普勒雷达2020/3/1013.1脉冲多普勒(PD)雷达基本概念3.2脉冲多普勒雷达的杂波3.3PD雷达典型框图与原理3.4PD雷达的距离性能第三章脉冲多普勒雷达2020/3/1023.1脉冲多普勒(PD)雷达基本概念3.2脉冲多普勒雷达的杂波3.3PD雷达典型框图与原理3.4PD雷达的距离性能基本概念脉冲多普勒雷达(PulseDopplerRadar,PDRadar)在动目标显示雷达基础上发展起来的一种新型体制雷达。这种雷达具有脉冲雷达的距离分辨力和连续波雷达的速度分辨力，有更强的抑制杂波的能力，因而能在较强的杂波背景中分辨出动目标回波2020/3/10320世纪60年代，为了解决机载下视雷达强地杂波的干扰，研制了脉冲多普勒体制雷达，即PD雷达。基本概念PD雷达的特点2020/3/104①具有足够高的脉冲重复频率，使杂波和目标无速度模糊②能够实现对脉冲串频谱单根谱线的多普勒滤波(频域滤波)③由于PRF很高，通常对观测目标产生距离模糊关于PD雷达的广义定义：能实现对雷达信号脉冲串频谱单根谱线滤波(频域滤波)，具有对目标进行速度分辨能力的雷达，就可称为PD雷达。基本概念PD雷达的应用2020/3/105主要应用于那些需要在强杂波背景下检测动目标的雷达系统应用要求机载或空间监视探测距离远；距离数据精确机载截击或火控中等探测距离；距离和速度数据精确地面监视中等探测距离；距离数据精确战场监视(低速目标检测)中等探测距离；距离和速度数据精确导弹寻的头可以不要真实的距离信息地面武器控制探测距离近；距离和速度数据精确导弹告警探测距离近；非常低的虚警率气象距离和速度分辨力高本章以机载PD雷达为例基本概念PD雷达的分类2020/3/106PD雷达高PRF中PRF低PRF全相参全相参接收相参全相参基本概念PD雷达的距离-多普勒空间低PRF中PRF高PRF低PRF中PRF高PRF距离多普勒基本概念低、中、高PRF的PD雷达性能对比2020/3/108低中高测距清晰模糊模糊测速模糊模糊清晰测距设备简单复杂复杂信号处理简单复杂复杂测速精度很低高最高旁瓣杂波电平低中高主瓣杂波抑制差良优允许方位扫描角小中大分辨地、空动目标能力差良优第三章脉冲多普勒雷达2020/3/1093.1脉冲多普勒(PD)雷达基本概念3.2脉冲多普勒雷达的杂波3.3PD雷达典型框图与原理3.4PD雷达的距离性能概述研究PD雷达的杂波的重要意义2020/3/1010①PD雷达的基本特点之一：在频域-时域分布相当广且功率相当强的背景杂波中检测出有用信号。②杂波频谱的形状和强度决定着雷达对具有不同多普勒频率的目标的检测能力。脉冲多普勒杂波脉冲多普勒杂波的频谱是多普勒频率-距离的函数。固定PD雷达的地杂波谱：零多普勒频率附近极窄范围内运动PD雷达的地杂波谱：杂波频谱被相对运动速度所展宽机载PD雷达下视几何关系2020/3/1011天线主瓣天线旁瓣机载下视雷达的地面杂波被分为：主瓣杂波区旁瓣杂波区高度线杂波区天线波束主瓣照射区的地面杂波视角范围宽广的天线旁瓣照射的杂波雷达正下方的地面回波它们的多普勒频率分布和对雷达性能的影响取决于：①雷达平台速度(速度和方向)②平台相对地面照射点的几何关系机载PD雷达下视几何关系2020/3/1012载机与地面水平飞行，相对速度为Rv目标在载机前下方，速度Tv0：载机主波束轴线与地面夹角：旁瓣与地面夹角地面散射点A的回波多普勒频移为：2cosRdvf机载PD雷达下视几何关系等距离线2020/3/1013载机至地面的照射场景地面上的等距离线等距离线在地面上的投影是同心圆集合机载PD雷达下视几何关系等多普勒线2020/3/1014地面上多普勒频移相同的点构成等多普勒线机载PD雷达下视几何关系地面上的等多普勒线、等距离线2020/3/1015机载下视PD雷达发射信号频谱则信号的频谱由它的载频频率和边频频率上的若干条离散谱线所组成，频谱包络为辛格函数型。2020/3/10160rfnf0f若PD雷达发射频率为，重频为的相参脉冲串信号。rf0frf0f1rf0fsinxx机载下视PD雷达接收信号频谱2020/3/1017则接收信号的频谱为：PD雷达只利用各种回波信号频谱中一根谱线，常取中心最强的那根主瓣杂波主瓣杂波强度发射机功率天线主瓣增益地物反射特性载机与地面之间的高度2020/3/1018主瓣杂波频谱波束主瓣宽度方向角载机速度发射信号波长发射脉冲PRF回波脉冲串长度天线扫描周期变化地物变化主瓣杂波主瓣杂波多普勒中心频率2020/3/1019002()cosRMBdvff主瓣杂波最大展宽多普勒频率为0002()()sin22BBRMBddBvfff旁瓣杂波旁瓣杂波强度载机的高度地物反射特性载机速度天线参数旁瓣波束与地面的夹角为，其多普勒频率为：2020/3/10202cosRdvf,max2Rcvf的变化范围为，旁瓣杂波的多普勒频率范围为：oo0~360,maxcf当PD雷达不运动时：旁瓣杂波和主瓣杂波频域重合当PD雷达运动时，由于主瓣波束和旁瓣波束方向角的不同，旁瓣杂波和主瓣杂波是不同的。高度线杂波机载下视PD雷达地杂波中位置上的杂波2020/3/10210df高度线杂波与发射机泄露相重合，高度线杂波距离雷达最近，加之垂直反射强。所以在任何时候，在零多普勒频率位置处总有一个较强的“杂波”。无杂波区通过适当选择雷达发射信号的PRF，使地面杂波既不重叠也不连续，从而出现了无杂波区。无杂波区中仅有接收机内部噪声。2020/3/1022杂波重叠与PRF选择课堂练习2020/3/10233cm设某机载PD雷达的工作波长，主波束宽度，载机速度，波束中心轴线与载机速度矢量间的夹角o3B680m/sRvo045主瓣杂波中心频率主瓣杂波的频率分布范围旁瓣杂波的频率分布范围max2Rcvf02cosRMBvf32KHz45KHz02sinRMBBvf1.68KHzo10.0175rad绘出地杂波谱图，给出个部分杂波的参数。杂波重叠与PRF选择PRF对杂波的影响2020/3/1024①当低PRF，时2KHzrfmax45KHzrcff无杂波区不存在，地杂波谱高度重叠1rrTf杂波在距离上不重叠测距无模糊（可实现目标距离测量）目标信号落入多次重叠杂波谱中，造成检测难，检测产生模糊，即测速模糊dfdTf杂波重叠与PRF选择PRF对杂波的影响2020/3/1025②当高PRF，时200KHzrfmax45KHzrcff有较宽无杂波区1rrTf目标落入无杂波区若maxdTcff易检测，无测速模糊dTf杂波在距离上重叠（使杂波功率谱密度增高，信号功率低于杂波功率）距离测量模糊杂波重叠与PRF选择PRF对杂波的影响2020/3/1026③当高PRF，时20KHzrf测速、测距均有模糊杂波在频谱、距离上均有重叠（不严重）杂波重叠与PRF选择总结2020/3/1027①PD雷达的地杂波谱a)主杂波、高度线杂波区、旁瓣杂波区、无杂波区b)主杂波强度最高，干扰最强，其次是高度线杂波c)目标可能出现在杂波区或无杂波区做CFAR处理，保证信号有效检测杂波重叠与PRF选择总结2020/3/1028②目标环境与PRF关系a)目标与载机迎面运动，相对速度，回波多普勒频率：RTvvvmax2()22coscosRTRdcvvvvff当高时，目标落入无杂区rf对目标检测能力最强杂波重叠与PRF选择总结2020/3/1029②目标环境与PRF关系b)载机尾追目标时，相对速度，回波多普勒频率：RTvvvmax2()2cosRTRdcvvvff当太小，目标落入杂波区rf目标检测取决于回波功率谱措施：①降低天线副瓣杂波功率谱提高相对强度②提高载机飞行高度maxcf第三章脉冲多普勒雷达2020/3/10303.1脉冲多普勒(PD)雷达基本概念3.2脉冲多普勒雷达的杂波3.3PD雷达典型框图与原理3.4PD雷达的距离性能机载PD雷达典型框图与原理任务把位于特定距离上、具有特定多普勒频率的目标回波检测出来，而把其它的杂波和干扰滤除。滤波方法采用邻接的窄带滤波器组或窄带跟踪滤波器，把所关心的运动目标过滤出来。并且窄带滤波器的频率响应应当设计为尽量与目标回波谱相匹配，使接收机工作在最佳状态。2020/3/1031典型机载PD雷达框图调制器收发开关功放低噪高放频综低噪中放发射脉冲抑制器距离选通放大器速度门滤波器零多普勒频率抑制滤波器主瓣杂波抑制滤波器滤波器组检波和积累转换器和门限距离跟踪速度跟踪压控振荡器压控振荡器杂波跟踪器单边带滤波器天线伺服同步器角度跟踪多距离通道(中频)固定门距离门(自同步器来)(自距离跟踪来)站速天线指向到速度门显示或截获电路自同步器来天线典型机载PD雷达框图调制器收发开关功放低噪高放频综低噪中放发射脉冲抑制器距离选通放大器速度门滤波器零多普勒频率抑制滤波器主瓣杂波抑制滤波器滤波器组检波和积累转换器和门限距离跟踪速度跟踪压控振荡器压控振荡器杂波跟踪器单边带滤波器天线伺服同步器角度跟踪多距离通道(中频)固定门距离门(自同步器来)(自距离跟踪来)站速天线指向到速度门显示或截获电路自同步器来天线PD雷达中，通常采用环行器这类无源器件，用于发射与接收之间有效切换天线铁氧体环行器隔离度的典型值为20～25dB，尚有相当大的能量耦合到接收机。因此，在其后还常接上接收机保护器、射频衰减器和发射脉冲抑制器等。典型机载PD雷达框图调制器收发开关功放低噪高放频综低噪中放发射脉冲抑制器距离选通放大器速度门滤波器零多普勒频率抑制滤波器主瓣杂波抑制滤波器滤波器组检波和积累转换器和门限距离跟踪速度跟踪压控振荡器压控振荡器杂波跟踪器天线伺服同步器角度跟踪多距离通道(中频)固定门距离门(自同步器来)(自距离跟踪来)站速天线指向到速度门发射机一定要采用全相干主振放大式发射机，保证发射脉冲的相位相干性。1.产生发射激励信号2.产生调制波形3.接收机本振信号自同步器来天线单边带滤波器典型机载PD雷达框图调制器收发开关功放低噪高放频综低噪中放发射脉冲抑制器距离选通放大器速度门滤波器零多普勒频率抑制滤波器主瓣杂波抑制滤波器滤波器组检波和积累转换器和门限距离跟踪速度跟踪压控振荡器压控振荡器杂波跟踪器天线伺服同步器角度跟踪多距离通道(中频)固定门距离门(自同步器来)(自距离跟踪来)站速天线指向到速度门自同步器来显示或截获电路天线0f0fIf'0f是一种波门选通器件，在接收机的中频段进一步衰减发射机泄漏单边带滤波器典型机载PD雷达框图调制器收发开关功放低噪高放频综低噪中放发射脉冲抑制器距离选通放大器速度门滤波器零多普勒频率抑制滤波器主瓣杂波抑制滤波器滤波器组检波和积累转换器和门限距离跟踪速度跟踪压控振荡器压控振荡器杂波跟踪器天线伺服同步器角度跟踪多距离通道(中频)固定门距离门(自同步器来)(自距离跟踪来)站速天线指向到速度门自同步器来显示或截获电路天线0f0fIf'0f获取对应距离的目标信息：①实现距离(时间)量化，从距离上对目标进行分辨②消除本距离单元外的杂波单边带滤波器典型机载PD雷达框图调制器收发开关功放低噪高放频综低噪中放发射脉冲抑制器速度门滤波器零多普勒频率抑制滤波器主瓣杂波抑制滤波器滤波器组检波和积累转换器和门限距离跟踪速度跟踪压控振荡器压控振荡器杂波跟踪器单边带滤波器天线伺服同步器角度跟踪多距离通道(中频)固定门距离门(自同步器来)(自距离跟踪来)站速天线指向到速度门自同步器来显示或截获电路天线0f0fIf'0f滤除杂波和干扰，为动目标检测提供有利条件距离选通放大器典型机载PD雷达框图单边带滤波器2020/3/1038通带宽度近似等于脉冲重复频率的带通滤波器rf用途：从回波频谱中滤出单根谱线，从而使后面的各种滤波处理都在单根谱线上进行。特性：中心频率(),0fIfrff提取附近宽信息，滤除的重复谱