雷达原理运动目标检测.pptx
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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:15182388504 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主要内容主要内容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
2、及动目标显示滤波器回波和杂波的频谱及动目标显示滤波器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 MTDMTD滤波器组示意图滤波器组示意图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 8.1.1 多普勒效应多普勒效应 1.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(8.1.1)式
3、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。如如果果目目标标固固定定不不动动,则距离R为常数。回波与发射信号之间有固固定定相相位位差差0tr=2f02R/c=(2/)2R,它它是是电电磁磁波波往往返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 当当目目标标与与雷雷达达站站之之间间有有相相对对运运动动时时,则距离R随时间变化。设设目目标标以以匀匀速速相相对对雷雷达达站站运运动动,则在时间t时刻,目目标标与与雷雷达达站站间间的距离的距离R(t)为为 R(t)=R0-vrt 式中,R0 为
4、 t=0 时的距离;vr为目标相对雷达站的径向运动速度。由由目目标标反反射射的的回回波波信信号号sr(t)说说明明,在在t时时刻刻接接收收到到的的波波形形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(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 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(8.1.3)这就是多普勒频率,它正正比比于于相相对对运运动动
5、的的速速度度而而反反比比于于工工作作波波长长。当当目目标标飞飞向向雷雷达达站站时时,多多普普勒勒频频率率为为正正值值,接接收收信信号号频频率率高高于于发发射射信信号号频频率率,而当当目目标标背背离离雷雷达达站站飞飞行行时时,多多普普勒勒频频率率为为负负值值,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 多多普普勒勒频频率率可可以以直直观观地地解解释释为为:振荡源发射的电磁波以恒速c传播,如如果果接接收收者者相相对对于于振振荡荡源源是是不不动动的的,则他他在在单单位位时时间间内内收收到到的的振振荡荡数数目目与与振振荡荡
6、源源发发出出的的相相同同,即即二二者者频频率率相相等等。如如果果振振荡荡源源与与接接收收者者之之间间有有相相对对接接近近的的运运动动,则接接收收者者在在单单位位时时间间内内收收到到的的振振荡荡数数目目要要比比他他不不动动时时多多一一些些,也就是接接收收频频率率增增高高;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 式中,Re表示取实部;u(t)为调制信号的复数包络;0为发射角频率。由目
7、标反射的回波信号目标反射的回波信号sr(t)可以写成(8.1.4)当当目目标标固固定定不不动动时时,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 当当目目标标相相对对雷雷达达站站匀匀速速运运动动时,按式(8.1.2)近似地认为其延迟时间tr为 则式(8.1.4)的的回回波波信信号号表表示示式式说说明明,回回波波信信号号比比起起发发射射信信号号来来讲讲,复复包包络络滞滞后后tr,而而高高频频相相位位差差=-0tr=-2(2/)(R0-vrt)是是时时间间的的函数函数。当速度vr为常数时,(t)引起的频率差为 称为多普勒频
8、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:从从式式(8.1.1)出出发发,较较严严格格地地讨讨论论运运动动目目标标回回波波的的特特点点。在t时刻收到的回波是在t-tr时刻发射的,而照照射射到到目目标标上上的的时时间间是是t=t-(1/2)tr,照射时的目标距离目标距离为(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 可解得结果可解得结果(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
9、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(8.1.7)由式(8.1.7)可以看出,运运动动目目标标回回波波信信号号的的角角频频率率变为 ,可化简并近似为化简并近似为 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 即信信号号角角频频率率的的变变化化值值d=(2vr/c)0=2 2vr/,为为多多普普勒勒频频移移。近似后的结果,与常用的多普勒频率表达式(8.1.3)相同。对对于于窄窄带带发发射射信信号号而而言言,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:(8.1.8)8.1 多普勒效应及其在雷达中的应用
10、多普勒效应及其在雷达中的应用 由式(8.1.8)可以讨论窄窄带带信信号号时时的的运运动动目目标标回回波波的的几几个个特特点点:(1)由由指指数数项项,信信号号角角频频率率已已变变为为 ,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 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,中的因子(c+vr)/(c-vr)表示信信号号在在时时间间轴轴上上的的增增长长或或压压缩缩。根据目标运动的方向可确定其是增长还是压缩。目目标标和和雷雷达达站站相相对对运运动动时时,vr为为正正值值,相相当当于于波波
11、形形在在时时间间轴轴上上压压缩缩,而而在在频频率率轴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。设设发发射射信信号号的的时时宽宽为为,由由于于忽忽略略时时间间轴轴伸伸缩缩所引起的时间误差为时间误差为 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(8.1.9)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 这这个个条条件件是是经经常常满满足足的的,例如若目标速度为10倍音速,vr=3.3103 m/s,则2vr/c 210-5,这样
12、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。以以上上讨讨论论均均忽忽略略了了目目标标加加速速度度引引起起的的影影响响。可以看出,在在当当前前目目标标运运动动的的速速度度范范围围内内,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(8.1.10)运运动动目目标标回回波波的的主主要要特特征征是是其其中中心心频频率率偏偏移移多多普普勒勒频频率率,其其它它影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 回回波波信信号号产产生生的的多多普普勒勒频频移移可由发发射射站站到到目目标标
13、的的距距离离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:在在单单基基地地雷雷达达情情况况下下,引引起起多多普普勒勒频频移移的的是是雷雷达达和和目目标标连连线线方方向向的的径径向向速速度度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(8.1.11)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 8.1.2 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 多多普普勒勒频频移移的的相相对对值值正正比比于于目目标标速速度度与与光光速速之之比比,fd的的正
14、正负负值值取取决决于于目目标标运运动动的的方方向向。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,两者相差的百分比是很小的。因此要要从从接接收收信信号号中中提提取取多多普普勒勒频频率率需需要要采采用用差差拍拍的的方方法法,即即设设法法取取出出f0和和fr的的差差值值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,可以在在接接收收机机检检波波器器输输入入端端引引入入
15、发发射射信信号号作作为为基基准准电电压压,在检检波波器器输输出出端端即即可可得得到到收收发发频频率率的的差差频频电电压压,即多多普普勒勒频频率率电电压压。这时的基基准准电电压压通常称为相相参参(干干)电电压压,而完成差频比较的检波器称为相相干干检检波波器器。相相干干检检波波器器就是一种相相位位检检波波器器,在在其其输输入入端端除除了了加加基基准准电电压压外外,还还有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
16、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,其中绝绝大大部部分分能能量量从发射天线辐射到空间,很很少少部部分分能能量量耦合到接收机输入端作为基准电压。混混合合的的发发射射信信号号和和接接收收信信号号经经过过放放大大后后,在在相相位位检检波波器器输输出出端端取取出出其其差差拍拍电电压压,隔隔除除其其中中直直流流分分量量,得得到到多多普勒频率信号普勒频率信号送到终端指
17、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,由由于于它它和和基基准准信信号号的的相相位位差差=0tr保保持持常常数数,故故混混合合相相加加的的合合成成电电压压幅幅度度亦亦不不改改变变。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 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 运运动动目目标标回回波
18、波与与基基准准电电压压的的相相位位差差随随时时间间按按多多普普勒勒频频率率变变化化。即回回波波信信号号矢矢量量围围绕绕基基准准信信号号矢矢量量端端点点以以等等角角速速度度d旋旋转转,这时合成矢量的振幅为这时合成矢量的振幅为 经经相相位位检检波波器器取取出出二二电电压压的的差差拍拍,通通过过隔隔直直流流电电容容器器得得到到输输出出的多普勒频率信号为的多普勒频率信号为(8.1.12)在在检检波波器器中中,还还可可能能产产生生多多种种和和差差组组合合频频率率,可用低低通通滤滤波波器器取取出出所所需需要要的的多多普普勒勒频频率率fd送到终端指示(例如频率计),即可可测测得得目目标标的径向速度值的径向速
19、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。所所不不同同的的是是目目标标回回波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
20、主要波形图;(c)A显画面显画面(对消前对消前)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)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)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 和和连连续续波波雷雷达达的的工工作作情情况况相
21、相类类比比: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,基基准准电电压压在在每每一一重重复复周周期期均均和和发发射射信信号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。相相位位检检波波器器输输入入端端所所加加电电压压有有两两个个:连连续续的的基基准准电电压压uk,uk=Uksin(0t+0),其频率和起始相位均与发射信号相同;回回波波信信号号ur,ur=Ursin0(t-tr)+0,当当雷雷达达为为脉脉冲冲工工作作时时,回回波波信信号号是是脉脉冲冲电电压压,只只在在信信号号来来到到期期间间即即trttr+时时才才存存在在,其
22、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(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为为直直流流分分量量,为为连连续续振振荡荡的的基基准准电电压压经经检检波波后后的的输输出出,而U0m cos则代代表表检检波波后后的的信信号号分分量量。在在脉脉冲冲雷雷达达中中,由由于于回回波波信信号号为为按按一一定定重重复复周周期期出出现现的的脉脉冲冲,因因此此,U0m cos表表示示相相位位检检波波器器输输出出回回波波信信号号的的包包络络。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
23、常数,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。对对运运动动目目标标回回波波而而言言,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。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 8.3 相位检波器输出波形相位检波器输出波形 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 合合成成矢矢量量为为基基准准电电压压Uk以以及及回回波波信信号号相相加加,经检检波波及及隔隔去去直直流分量后得到脉冲信号的包络为流分量后得到脉冲信号的包络为(8.1.15)即回回波波脉脉冲冲的的包包络络调调制制频频率率为多多普普勒勒频频
24、率率。这相相当当于于连连续续波波工工作作时时的的取取样样状状态态,在脉冲工作状态时,回回波波信信号号按按脉脉冲冲重重复复周周期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 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 相相邻邻重重复复周周期期延延迟迟时时间间的的变变化化量量tr=2R/c=2vrTr/c是是很很小小的的数数量量,但当它它反反映映到到高高频频相相位位上上时时,=0tr就就会会产产生生很很灵灵敏敏的的反反应应。相参脉冲雷达利用了相邻重复周期回
25、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,相相位位检检波波器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
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