雷达手册第3版(中文)_第2章 动目标显示(MTI)雷达

第2章动目标显示(MTI)霄达2.1序言揭徽藕耀8本章陈述位于地表的雷达，如站点在陆地上或舰船上的雷达。对于机载雷达，平台的快速运动对设计和性能有很大的影响，参见第3、4、5章的讨论。动目标显示(MTI)雷达的基本理论，如同前儿版《雷达于册》中所讲的一样，没有本质上的改变。然而MTI雷达的性能却得到了很大改进，主要由于四方面的进展(1)雷达子系统，如发射机、振荡器和接收机稳定性的提高(2)接收机和模数CAID)转换器动态范围的提高(3)更快更强的数字处理(4)对MTI的局限有更清楚的认识，并意识到需要的解决方法，即要求MTI系统与环境相适应。这四个方面的进展使许多年前曾经考虑过、有时尝试过但无法实施的复杂技术变得可实用。例如，过去超越当时已有技术水平的速度指示相干积累(VICI)[1]和相干记忆滤波器CCMF)[2.54]等。尽管这些进展已经使MTI性能有很大改进，然而仍然没有MTI雷达全部问题的完美解答，设计一个MTI系统仍然既是一门科学又是一门艺术。当前的问题例子包括:当接收机具有大的动态范围时，系统不稳定性的局限会造成更多的杂波残留(相对于系统噪声)，从而造成虚警探测:应用杂波图来防止来自杂波残留的虚警探测在固定的雷达系统上工作得很好，但很难例如在舰载雷达上实施，因为随着舰艇的移动，每个杂波单元的方位和距离发生改变，应用杂波图后会造成更多的残留。降低杂波图的分辨力以对付快速变化的杂波残留，会大大降低杂波内可见度(见本章下文)，而杂波内可见度是最少受到人们赞赏的成功的MTI工作秘诀。MTI雷达必须在包含强静止杂波、鸟、蝙蝠、昆虫、天气、汽车和大气管道的环境中工作。大气管道，又称反常传播，导致来自地表的杂波回波出现在很远的距离上，这加剧了鸟和汽车带来的问题，也导致对几百千米外静止杂波的探测。本章中的杂波模型是几种必须处理的杂波类型的近似。精确的定量数据，如每种杂波的精确频谱和幅度、鸟的精确数目或单位面积上的点反射体数(如水塔或油井铁架)并不重要;因为MTI雷达设计者必须制造一个鲁棒的系统，不管真实遇到的杂波偏离杂波模型多少，系统都应很好地工作。MTI雷达可以用旋转的天线或固定孔径电扫描(相控阵)天线。旋转天线可采用连续波，使用有限脉冲响应滤波器CFIR)或无限脉冲响应滤波器CIIR)处理:或采用一组相干处理间隔CCPIs)组成的批波形。这样的波形在FIR中以N个脉冲为一组进行处理(本章经常使用的术语MTI滤披器，是一个类的命名，包括FIR和IIR)。有限的目标照射时间要求使用批处理方案。有许多成功MTI技术的不同组合，但是任何特定的MTI系统必须有一个基于天线参数、发射机、波形、信号处理和工作环境的总体方案。为了提供对环境的更好理解，本章列举了一些多年前的平面位置显示器(PpI)照片，这.22.些环境图片很难在现代雷达中看到，但它们比任何语言描述都能更好显示出MTI的工作、鸟、昆虫和大气管道。特别要请读者注意的是2.11节适用于MTI雷达系统的一些考虑。这一节提供对MTI系统几十年的发展中学到的关于硬件和环境方面的经验和教训的深入了解。雷达手册(第二版)MTI雷达介绍2.2MTI雷达的目的是抑制来自建筑物、山、树、海和雨之类的固定或慢动的无用目标信号，并且保留对如飞机之类的运动目标信号的检测或显示。图2.1是一对平面位置显示器(PpI)的照片，说明一部MTI雷达的效果。从中心亮点到平面位置显示器的最边缘为40nmile，距离刻度环间距为lOnmile。其中，左图是正常的视频显示，主要显示了固定的目标回波:右图示出了MTI雷达抑制杂波的效果。在天线扫描3次的时间内，右图的照相机快门始终是打开的，因此飞机目标呈现为连续的3个回波。(b)MTI视频(a).iE常视频MTI系统的效果这两张照片显示了MTI系统的效果。在天线连续转3圈的时间内，由于照相机的快门一直是打开的，所以在右面的照片上，飞机显示为相邻的3个亮点。PPI的量程是40nmile图2.1'立》Pυ恒、ιqzh''ν」Zl1、Fhr、LF··MTI雷达利用动目标带给回波的多普勒频移来区分动目标和固定目标。在脉冲雷达系统中，这种多普勒频移表现为相继返回的雷达脉冲间回波信号的相位变化。假设雷达所辐射的射频脉冲能量被一幢楼房(固定目标)和飞向雷达站的一架飞机(动目标)所反射。反射回波脉冲需经一定的时间方能返回雷达。雷达然后发射第二个射频脉冲，楼房反射的回波信号仍将经历完全相同的时间后返回。但是从运动的飞机反射回的信号返回所经历的时间却稍微少一些，因为在两个发射脉冲之间，飞机已向雷达的方向靠近了一段距离。回波信号返回雷达所需的准确时间并没有根本性的重要性，重要的是脉冲间的时间是否变化。时间的变化(对飞机目标而言，数量级为几毫微秒)可以用回波信号的相位与雷达基准振荡器相位之间的比较来确定。如目标在脉冲间发生移动，则回波脉冲的相位就会发生变化。第2章动目标显示(MTI)雷达.23•图2.2是一种相干MTI雷达的简化框图。射频振荡器向发射脉冲的脉冲放大器馈送信号。同时，射频振荡器还用作确定回波信号相位的相位基准。在发射脉冲的间隔时间内，相位信息存储在脉冲重复间隔(P阳)存储器中，并且和当前一个接收脉冲的相位信息相减。只有当回波信号为动目标回波时，减法器才有输出。/于丁T·线.\l\l~怕JMTI滤波器图2.2相干MTI雷达的简化框图MTI菇矗黯图2.3是一幅更完整的MTI雷达方框图，此框图对现代的空中交通管制雷达是有代表性的。该雷达工作在L或S波段，典型脉冲间隔为1~3ms，当采用真空管放大器，如速调管时脉宽为几微秒:当使用固态发射机时，为进行脉冲压缩，脉宽为几十微秒。接收信号由低噪声放大器(LNA)放大，然后通过与稳定本振混频经一个或多个中频CIF)下变频。接收机输出端接中频带通限幅器保护后面的AID转换器，并防止AID饱和。在早期MTI系统中，中频限幅器起到有意限制动态范围以降低MTI输出杂波残留的目的。接收信号然后通过面D转换器转换成同相和正交分量(J和Q)，方法是使用一对相位检测器或直接采样，参见2.13节。同相分量(J)和正交分量(Q)输出是中频信号幅度和相位的函数，过去称为双极性视频，但更确切的说法是接收信号的复包络。由单个发射脉冲所接收到的双极性视频回波信号如图2.4所示，其中包括了杂波和点目标。如果点目标在运动则多个发射脉冲的重叠双极性视频回波信号如图2.5所示。框图2.3的其余部分示出余下需要进行的处理，以使动目标能显示在PPI上或送至目标自动提取器。西D输出的同相和正交分量存储于PRI存储器中，并与前一个发射脉冲的AID输出相减。这种实现方法代表了最基本的两脉冲MTI对消器，以一个FIR滤波器的形式实现。如2.8节中讨论的一样，实际雷达中使用的MTI对消器是高阶滤波器，有时采用IIR滤波器实现。.24.雷达手册(第三版)波形发生器|呀!MTI滤波楼图2.3MTI系统框图点目标「i/IV川w距离一一+卜强杂波回波区十号声斗|图2.4双极性视频信号(从单个发射脉冲来的回波).--?动目标性摩强JV飞I-W\/咱咖H屿&AA叫伊曹.....uPv....~-，距离-一+←一阴阳一十22斗|图2.5双极性视频信号(从接续的多个发射脉冲来的回波)减法器的输出还是一个双极性信号，其中包含动目标、系统噪声和少量杂波残留(如果杂波耐不完全的话)。然后计算附和正交信号的大小(~I2+Q2)，并通过D从转换为模第2章动目标显示(MTI)雷达.25.拟视频在PPI上显示。数字信号也可以送至自动目标检测电路。PPI的动态范围(信号峰值与噪声均方根值之比)限制在20dB左右。MTI雷达系统抑制静止杂波的关键特性来自相继发射脉冲回波信号的相位不发生大的变化，在后来复杂的雷达系统当中，有时这一点会被忽略。静止杂波只要有少到两个回波脉冲就可以通过上面描述的相减处理被消除，甚至在每个发射脉冲有频率调制或其他调制时也是这样，只要调制在脉冲之间是相同的。这里想要说明的是MTI系统工作不依赖于目标与杂波之间的频率分辨。提供频率分辨需要长得多的目标照射时间，而不是间隔一个PRI的两个脉冲。这么长的照射时间是下面将要介绍的动目标检测(MTD)的基本特征之一。曲目幢幢嚣嚣(MTD)茹麓圈20世纪70年代中期数字信号处理技术的进步，第一次让提高传统的MTI性能可以实现(1)安装一组并行的FIR滤波器以提高输出信杂比(2)取消过去使用的中频限幅器，代之以高分辨力杂波图以进行有效的虚警率控制。尽管这些方案在多年前就曾使用速度指示相干积累(VICI)[1]或用相干记忆滤波器(CMF)[2.54]实现多普勒滤波器组，以及用存储管或磁鼓存储器实现杂波图尝试过，但正是MIT林肯实验室的改进机场监视雷达的工作导致了第一个现在称为动目标检测(MTD)雷达的工作的例子口.4]。这种方法的理论和期望益处已在1972年的两份报告中描述问，它们提供了理解和实际实现MTD概念的数学基础。使用第二代MTD11处理器取代三脉冲MTI处理器后，ASR-7机场监视雷达预计的杂波中可见度改善如图2.6所示。4030∞E2OUCIl10。。0.20.4检测百分数=50Pfa=lxI0-5ASR-7刷1TDII0.6径向速度/盲速0.8图2.6三脉冲MTI和MTDII杂波中可见度的比较1.0一部分改善是由于采用了8脉冲多普勒滤波器来代替仅有3脉冲的MTI对消器;另一部分改善是允许MTD处理器有更大的动态范围，以及依靠杂波图在杂波电平超过雷达最大杂波抑制能力的地方抑制杂波残留。.26.雷达手册(第三版)MTDII信号处理器的方框图如图2.7所示。提供了并行处理通道，一路通过2脉冲MTI对消器和7脉冲多普勒滤波器组处理动目标:一路通过零速滤波器处理静止目标(零多普勒勺。利用零速滤波器的输出建立一个高分辨力的杂波图，杂波图的值被用来设定两个处理通道的门限。在动目标通道中，由杂波图获得的门限按期望的杂波衰减比例下降。除了用杂波图建立的门限之外，传统的用恒虚警率建立的门限也用来抑制动杂波(雨)和干扰。检测输出，称为初始目标输出，在每个单独的处理间隔CPI，经过这样的处理后获得。图2.8所示为生成凝聚目标报告和处理这些目标报告得到的航迹输出显示在空中交通管制系统上所需要的附加处理。到相关分类器饱和/干扰标志到监视处理器接收机数字化信号天气输出图2.7MTD11信号处理器的方框图MTD雷达发射PRF和信号频率都恒定的一组N个脉冲。这一组脉冲通常称为一个相关处理间隔(CPI)或脉组。有时为了抑制在不规则(异常)传播时出现的距离模糊杂波回波，在CPI内也加上1~2个附加的填充脉冲。一个CPI间隔期间接收到的回波经N脉冲有限冲激响应(FIR)滤波器组处理后，雷达可改变PRF和/或射频(RF)频率再发射另一CPI间隔的N个脉冲。因为大多数搜索雷达在多普勒上是模糊的，即存在盲速，若相邻的相干驻留期间采用不同的P盯，将使相继照射目标期间的目标响应落于滤波器通带内的不同频率上，从而消除盲速的影响。每个多普勒滤波器都设计在不重叠的多普勒频带中能对目标响应，井且可抑制掉其他多普勒频率上的杂波源。这种方法使每个多普勒滤波器中的相干信号积累最大，与单个MTI滤波器相比，可在更宽的多普勒频率范围内实现杂波衰减。因此，一个或多个杂波滤波器能抑制不同多普勒频率上的多个杂波源。图2.9是用MTD多普勒滤波器组抑制同时存在的地杂波和气象杂波(民)的一个实例。从图中可看出，滤波器3和4能明显抑制这两个杂波。第2章动目标显示(MTI)雷达.27.雷达目标报告初始目标联系相关航迹更新目标输出/显示2层天气轮廓输出航迹初始化图2.8MTDII初始目标检测处理和雷达目标报告无杂波多普勒滤波器图2.9使用多普勒滤波器组对多个杂波源抑制每个多普勒滤波器的输出经包络检波，再经一个单元平均恒虚警处理器处理，从而可抑制掉滤波器不能完全滤除的由距离扩展产生的杂波剩余。如本章后面所述的那样，常规的MTI检跚系统输出的杂波剩余是否能降低到接收机噪声电平或更小，取决于雷达接收机中频部分精心控制的动态范围。