经典雷达资料-第17章脉冲多普勒(PD)雷达-2

保护通道保护通道的工作原理是通过比较两个并行接收通道的输出，其中一个与主天线连接，另一个与保护天线连接，以判断接收的信号是来自主波束还是来自副瓣[26]~[28]。

保护通道使用宽波束天线，理想上其天线方向图超过主天线的副瓣。

两个信道的回波在同一个距离单元、同一个多普勒滤波器单元中进行比较。

当在保护接收机中的副瓣回波较大时，副瓣回波被抑制（消除）；而主波束回波则通过，因为主通道接收的回波较大。

图17.8是保护通道的方框图。

CFAR电路后（在理想条件下，两个通道是相同的）有3个门限，即主通道门限、保护通道门限及主通道与保护通道信号比门限。

这些门限的检测逻辑如图17.8所示。

由于主通道和保护通道比较而产生的消隐将影响主通道的目标检测性能，因此影响的程度是门限设置的函数。

门限设置是由副瓣杂波引起的虚警与主通道检测性能损耗间的折中。

图17.9是一个不起伏目标回波的例子。

图中，纵坐标是最后输出的检测概率，横坐标是主通道中的信噪比（SNR）。

如图17.10所示中的B2是保护通道SNR与主通道SNR之比。

目标位于主波束时，B2值小；而在副瓣峰值时，B2值则大，约为0dB左右。

在该例中，对主波束中目标而言，由于保护通道的消隐作用，因此检测性能损耗0.5dB。

第17章 脉冲多普勒（PD ）雷达 ·663·图17.8双通道副瓣消隐器框图第17章脉冲多普勒（PD）雷达·664·图17.9 采用保护通道的检测概率与信噪比之间的关系曲线图17.10 主天线和保护天线的方向图理想情况下，保护天线方向图增益在除主波束方向外的所有方向上都将超过主天线方向图的增益，从而使雷达通过副瓣检测到的目标数最小。

如果不是那样，则如图17.10所示的保护天线方向图上的副瓣峰点处目标回波将在主信道具有较大的检测概率，这将形成虚警。

检波后STC消隐离散副瓣杂波的第二种方法是采用检波后STC[29]。

其逻辑框图如图17.11所示。

基本上，CFAR的输出数据将在距离上相关（解析）3次。

每个相关器采用M/N准则来计算不第17章 脉冲多普勒（PD ）雷达·665·图17.11单通道副瓣消隐逻辑框图第17章 脉冲多普勒（PD ）雷达·666· 模糊距离。

例如，8PRF 要求输出3次检测。

由于目标多普勒频率是模糊的，所以不使用多普勒相关。

前两次相关的结果用于消隐后面各个距离相关器输出的离散副瓣回波。

在此采用了3个距离相关器，其中A 相关器用来解额定检测范围（如10n mile ）内的距离模糊。

若超出此额定距离，则检测到离散副瓣回波的概率是很低的。

B 相关器则用于解同一个额定距离之外的距离模糊。

但是，在目标进入B 相关器之前，目标回波的幅度受一个随距离变化的门限（STC 门限）的控制。

在一个距离单元中，将A 相关器和B 相关器的相关结果进行比较，如果一个距离波门在A 相关器中相关，而在B 相关器不相关，则第3个相关器C 将该距离波门消隐掉。

相关器C 用于解决所关心的最大作用距离内的距离模糊。

图17.12说明了检波后STC 处理的原理。

图中画出了主波束目标回波和在副瓣中大离散目标与不模糊距离的关系图（意即距离模糊已经解决之后），还画出正常CFAR 门限和STC 门限与距离的关系。

很明显，在副瓣中的离散回波幅度低于STC 门限，而在主波束中的回波幅度则高于门限，因而雷达能识别副瓣中的离散回波，并在输出端将离散回波消隐掉，并保留目标。

图17.12 检波后STC 电平主波束杂波由式（17.2），用交叉的阴影面积代替d A 并在主波束内对所有的阴影面积相加的方法，可近似得到主波束杂波功率与噪声功率比[30]∑π=αστθλcos )4()2/(/30R T n s c 3az 2av RG G B T K L c P N C （17.3） 式中，求和边界为发射波束和接收波束的较小者顶端和底端边沿；θaz 为方位半功率点波束宽度，rad ；τ为压缩后的脉冲宽度；α为杂波区的入射余角；其他术语与式（17.2）的相同。

第17章 脉冲多普勒（PD ）雷达 ·667·主波束杂波的滤波在采用数字信号处理的PD 雷达中，抑制主波束杂波的方法有两种：其一是在多普勒滤波器组前加延迟线杂波对消器；其二是使用具有低副瓣的滤波器组。

无论哪种方法，其主波束杂波区附近的滤波器都被消隐，从而使主波束杂波的虚警最小。

量化噪声和与滤波器加权损耗有关的设备复杂性间的折中确定了选择哪种方法。

若使用对消器，则对滤波器的加权要求比仅用滤波器组要宽松些。

这是因为，如果主波束杂波是最大的信号，则对消器降低了进入FFT 的动态范围要求。

若不采用对消器，则必须用较重的加权来降低副瓣电平，使主波束杂波的滤波器响应低于热噪声电平。

这种加权增大了滤波器的噪声带宽，使信噪比损耗增大。

DFT 滤波器的改善因子[31]为{}∑∑-π-π-⎥⎦⎤⎢⎣⎡∑=-=-=-=10102c 102]/)(2cos[])([2exp )(N n N m m n N n n N m n K T m n A A A K I σ （17.4） 式中，A i 为DFT 权系数，0≤i ≤N -1；N 为DFT 点数；σc 为杂波频谱的标准偏差；K 为滤波器序号（K ＝0为直流滤波器）；T 为脉冲间间隔。

与延迟线对消器的一般定义相比，滤波器的改善因子的定义是滤波器杂波输入总功率与滤波器剩余杂波功率之比。

换句话说，如果杂波处于滤波器中心，且杂波谱宽减至零，则改善因子是滤波器输出的杂波功率与实际工作时滤波器输出的杂波功率之比[32][33]。

多尔夫-切比雪夫（Dolph-Chebyshew ）加权的256点FFT 的改善因子如图17.13所示。

对滤波器组中的不同滤波器数而言，改善因子是杂波谱宽的函数。

图17.13 滤波器改善因子与杂波谱宽的关系曲线第17章 脉冲多普勒（PD ）雷达·668· 如果主波束的指向低于水平方向，且从0︒方位角算起大于波束宽度，则由于雷达平台移动所产生的6dB 杂波宽度∆f 为ψθλ0B R sin 2V f =∆ （17.5） 式中，V R 为雷达的对地速度；ψ0为相对于速度矢量的主波束角度；θB 为3dB 单程天线波束宽度，rad ；λ为波长。

杂波瞬态抑制当用多个PRF 测距法改变PRF 时，或当用线性调频测距法改变调制斜率时，或当射频载波发生改变时，如果不做适当处理，则杂波回波的瞬态变化会引起雷达性能的降低[34]。

由于在PD 雷达中，杂波在距离上通常是模糊的，因而从远模糊距离上（一直到地平线）所接收到的杂波回波都会使每一个脉冲间周期（IPP ）内的杂波功率增加。

这种现象称谓“空间填充（space charging ）”。

注意，虽然在“填充”期间所接收到的杂波回波的数目增加，但是由于从不同地块返回的杂波回波的相位关系是随机的，所以杂波回波信号的矢量与实际相比可能减小。

如果采用杂波对消器，则在“空间填充”完成之前，对消器的输出不可能达到稳态值。

因此，在信号送往滤波器组之前必须留有过渡时间，所以每次观测可得到的相参积累时间等于总观测时间减去“空间填充”时间和瞬态过渡时间。

用稳定的输入值给对消器进行“预填充”可消除过渡时间[35]。

其方法是通过改变对消器的增益，使所有延迟线均在第一个脉间周期内达到稳态值。

若不采用对消器，则在完成“空间填充”后信号就可送往滤波器组，因而相参积累时间就等于总观测时间减去“空间填充”时间。

高度线杂波的滤波机载脉冲雷达正下方地面的反射回波称为高度线杂波。

由于平坦地形、大几何面积和离雷达较近的地面都是镜面反射，因而这种回波信号能够非常大。

它们位于PD 频谱的副瓣杂波区内。

由于高度线杂波比漫散的副瓣杂波大很多，而且频谱宽度也较窄，因此通常可采用以下两种方法来滤除：其一是使用可防止检测高度线杂波专用的CFAR 电路；其二是使用航迹消隐器除去最后输出的高度线杂波。

后一种方法采用闭环跟踪装置确定高度线杂波附近的距离和速度波门，并消隐掉那些受影响的距离-多普勒区域。

17.3 时间波门接收机的时间波门可消隐发射机的泄漏和其噪声边带，消除与信号抗争的过量接收机噪声，可用做目标跟踪的距离波门和进行真实的距离测量，当然是在可以解决模糊的情况下。

发射脉冲的抑制在时间上将发射机的泄漏消隐掉是PD 系统胜出CW 系统的一个主要优点，因而，接收第17章脉冲多普勒（PD）雷达·669·机灵敏度就不会因为饱和效应或发射机的噪声边带而降低。

谐波频率要特别注意防止在系统的输出端出现假信号。

例如，如果一部30MHz中频接收机，选通波门的PRF为110kHz，则波门瞬态的第272次谐波频率是29.92MHz，而第273次谐波是30.03MHz。

这两个谐波分量都处于多普勒通带内，因而也会出现在输出端。

虽然波门瞬态的高阶谐波分量相对较小，但是由于波门出现在接收机的前端，所以该分量与信号相比可能较大。

波门和同步解决波门谐波问题的一种方法是采用平衡选通波门电路和使中频通带与PRF同步。

这样，PRF谐波全部落于有用通带之外。

另一种解决方法是将杂波频率差频为PRF的倍数，从而将PRF谐波与杂波一起被滤除。

但是，不管是哪种方法均不能用于变PRF雷达系统，除非PRF的离散跳变是精确已知的。

虽然PRF和中频通带通常都必须同步，但并不要求它们在射频上同步。

有害的谐波是高次的，因此其幅度非常小。

此外，通常用中频波门选通电路可进一步降低射频波门的瞬时响应。

发射机泄漏由于整个发射机消隐电路所要求的通断比是相当大的（它要比在没有很大插入损耗的射频端所能容易获得的通断比还要大），因此，通常射频消隐和中频消隐系统是相结合的。

如果用零多普勒滤波器可滤除发射泄漏，则通过消隐电路的发射泄漏的大小可和主波束杂波的大小相当。

反之，若无此滤波，则发射泄漏必须是噪声功率的几分之一。

距离波门距离波门能消除一些与信号抗争的接收机噪声，并可实现目标跟踪和距离测量。

距离波门与发射脉冲抑制非常相似。

在一个单信道、占空比为0.5的系统中，一个脉冲抑制电路就可完成上述两种功能。

多距离波门系统也一样，如果一个电路要同时完成这功能，为了脉冲抑制则通断比必须适当。

然而，若采用两个电路来实现，则距离波门不需如此多的抑制。

17.4 解距离模糊在高PRF多普勒雷达中可使用多种测距方法，而在中PRF雷达中只能使用多重离散的PRF测距。

高PRF测距在高PRF系统中，解距离模糊是通过调制发射信号和观测回波中调制的相移来实现的。

调制的方法包括连续或离散地改变PRF、射频载波的线性或正弦调频或其他形式的脉冲调制，如脉宽调制（PWM）、脉冲位置调制（PPM）或脉冲幅度调制（PAM）。