雷达系统2018_脉冲多普勒雷达 (1)

主瓣杂波多普勒中心频率
f MB f d (0 )
2v R

cos 0
主瓣杂波最大展宽多普勒频率 B B 2v R f MB f d (0 ) f d (0 ) B sin 0 2 2
脉冲多普勒雷达的杂波
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
f c max
B sin 0 1.68kHz 2v R 45kHz
2v R
绘出地杂波谱图，给出各部分杂波的参数。
1o 0.0175 rad
f r 2kHz 时 ① 当低PRF，
f r fc max 45kHz
无杂波区不存在，地杂波谱高度重叠
目标信号 f d 落入多次重叠杂波谱中，造成检测难， f dT 检测产生模糊，即测速模糊
脉冲多普勒雷达的杂波
HPRF下的杂波谱
29
MPRF的杂波谱，无距离模 糊
30
31
32
33
机载PD雷达原理框图
PD雷达解距离模糊与速度模糊
• 问题
机载PD雷达下视时，不是采用HPRF，就是采用MPRF，两 者均会出现距离模糊。采用MPRF时，还会出现速度模糊
•
解决方法
多重PRF解模糊
如 ������������ = ������������������������������， ������������ = ������������������������������，则最大公约频率 ������������ = ������������������������ ，最大不模糊距离 ������������ = ������������������ → ������������������������������ 。
旁瓣波束与地面的夹角为 ，其多普勒频率为：
fd 2v R

cos
[0o ~ 360o ]
2vR
旁瓣杂波的多普勒频率范围： f c ,max

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。
脉冲多普勒雷达的杂波
气象
距离和速度分辨力高
脉冲多普勒雷达基本概念
PD雷达的分类
高PRF PD雷达 中PRF 低PRF 全相参 全相参 接收相参 全相参
脉冲多普勒雷达基本概念
PD雷达的距离-多普勒空间
距离
多普勒
低PRF
低PRF
中PRF 中PRF
高PRF
高PRF
脉冲多普勒雷达基本概念
低、中、高PRF的PD雷达性能对比
杂波源
LPRF的特点 杂波无距离模糊 杂波存在严重速度模糊，旁瓣 杂波电平高，目标总是处于杂 波区，无法进行目标检测 只有上视时，由于天线后向旁瓣较低， 杂波电平较低，才可能检测目标
MPRF的特点
杂波既存在距离模糊，也存在速度 模糊，但模糊都不严重 不存在无杂波区，但旁瓣杂波电平不高 目标总在杂波区，由于旁瓣杂波电平低， 目标可能被检测
高度线杂波
机载下视PD雷达地杂波中 f d 0 位置上的杂波 高度线杂波与发射机泄漏相重合，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”。
由
可知：
脉冲多普勒雷达的杂波
无杂波区
适当选择雷达发射信号的 PRF，当地面杂波既不重叠也不 连续时，出现无杂波区
脉冲重复频率足够高，导致出现距离模糊。
脉冲多普勒雷达基本概念
PD雷达的应用
应用 机载或空间监视 机载截击或火控 地面监视 战场监视(低速目标检测) 导弹寻的头 地面武器控制 导弹告警
本章以机载PD 雷达为例
主要应用于需要在强杂波背景下检测动目标的雷达系统
要求 探测距离远；距离数据精确 中等探测距离；距离和速度数据精确 中等探测距离；距离数据精确 中等探测距离；距离和速度数据精确 可以不要真实的距离信息 探测距离近；距离和速度数据精确 探测距离近；非常低的虚警率
脉冲多普勒雷达的杂波
fd
2v R

cos
机载PD雷达下视几何关系
等距离线
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
脉冲多普勒雷达的杂波
机载PD雷达下视几何关系
等多普勒线
地面上多普勒频移相同的点构成等多普勒线
脉冲多普勒雷达的杂波
机载PD雷达下视几何关系
地面上的等多普勒线、等距离线
脉冲多普勒雷达
本章内容
脉冲多普勒(PD)雷达基本概念
脉冲多普勒雷达的杂波
PD雷达典型框图与原理
PD雷达解距离与速度模糊
时空二维滤波简介
脉冲多普勒雷达基本概念
20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。
脉冲多普勒雷达(Pulse Doppler Radar, PD Radar)
在动目标显示雷达基础上发展的新体制雷达。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，能在较强的杂 波背景中分辨出动目标回波。

定义：能够对回波信号进行多普勒分辨的脉冲雷 达。
脉冲多普勒雷达基本概念
PD雷达的特点
发射相参脉冲串信号，接收采用相参处理。
利用多普勒信息，对杂波进行抑制。
常取中心最强的那根
接收信号的频谱： PD雷达只利用各种回波信号频谱中一根谱线，
脉冲多普勒雷达的杂波
主瓣杂波
影响主瓣杂波强度因素
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
B 2
B 2
影响主瓣杂波频谱形状因素
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
1 Tr fr
杂波在距离上不重叠
测距无模糊（可实现目标距离测量）
f r 200kHz 时 ② 当高PRF，
f r fc max 45kHz
有较宽无杂波区 若 f dT f c max
目标落入无杂波区
Tr
1 fr
f dT 易检测，无测速模糊
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
Tu Tu TG m1m2 m3 ...mN M
Ti 1/ PRFi miTG miTu / M
i 1 ~ N
例1
N 2, m1 11, m2 10, Tu 1ms
Tu 103 9.1 s 则距离门宽度 TG m1m2 1110
T1 11 9.1 T2 10 9.1
解速度模糊 一般不采用上面类似的方法 例如可采用距离差分等方法解速度模糊
PD雷达的空时二维滤波简介

雷达与杂波源的几何关系
设PD雷达为机载雷达，同时也是相控阵雷达，采用侧 面水平线阵天线。
设雷达脉冲重复频率（PRF）为 f r ，阵元间隔为 d ， 载机速度为 v ，杂波源锥角为 ，方位角和俯仰角分 别为 、
M 3' 5
最后得到模糊距离:
X A i M i' M i mod M TG
i 1 3
(10 6 90 9 9 99 8 5 110)( mod 990) TG 17819 mod 990 TG 989 1.01 s 999 s
解距离模糊法
(i 1 ~ N ) 设 PRFi 时测得的模糊距离分别为 AT i G
则模糊距离为
X Ai M i' M i (mod M) TG
i 1 N
其中 M i
M mi
M i' 为由 m1 , m2 ,
' 满足： M i M i 1
, mN 决定的整数
(mod mi )
低
测距 测速 测距设备 信号处理 测速精度 旁瓣杂波电平 主瓣杂波抑制 允许方位扫描角 分辨地、空动目标能力
脉冲多普勒雷达基本概念
中
晰 糊 单 单 低 模 模 复 复 高 中 良 中 良 糊 糊 杂 杂 模 清 复 复 最
高
糊 晰 杂 杂 高
清 模 简 简 很
低 差 小 差
高 优 大 优
机载PD雷达杂波谱
fd
2v

cos
2(vR vT )

cos
2vR
fBiblioteka c max当 f r 高时，目标落入无杂区
对目标检测能力最强
b)载机尾追目标时，相对速度 v vR v，回波多普勒频率： T
fd
2(vR vT )

cos
2v R

f c max
目标检测取决于 回波功率谱
无杂波区中仅有 接收机内部噪声 无杂波区的出现与脉冲重 复频率fr、载机速度vr和发 射信号的波长有关
脉冲多普勒雷达的杂波
不同PRF情况下的杂波谱

机载脉冲多普勒雷达杂波谱回顾
杂波源
HPRF的特点
杂波无速度模糊，有无杂波区， 容易检测落入无杂波区的目标 杂波存在严重距离模糊，旁瓣杂 波电平高，无法检测落入旁瓣杂 波区的目标（如同向飞行目标）
对回波信号进行频谱分析，就得到杂波谱
PD雷达就是根据目标和杂波的时间角频率进行区分的

杂波的空间角频率
空间同频率的相邻天线单元同一时间收到的杂波回波脉 冲串的相位差
侧面线阵空间角频率 s ( )
一般采用3重PRF解距离模糊 以一般的3重PRF解距离模糊为例，说明各种PRF的选择方法。
① 暂设距离门宽度为 TG ，最大不模糊距离为 Tu
② 设 PRFi 的周期为 miTG ，即 Ti 1/ PRFi miTG i 1 ~ N ， 其中 m1 m2 mN 且是两两互素的 ③ ④
例2
PRF1 10kHz PRF2 11kHz
103 TG 1.01 s 1110 9
N 3, m1 11, m2 10, m3 9, Tu 1ms
则距离门宽度
T1 111.01 T2 10 1.01 T3 111.01
PRF1 90kHz PRF2 99kHz PRF3 110kHz
举例
o 设某机载PD雷达的工作波长 3cm ，主波束宽度 B 3， 载机速度 vR 680m/s ，波束中心轴线与载机速度矢量间 o 的夹角 0 45
主瓣杂波中心频率
f MB
2v R

cos 0 32kHz
主瓣杂波的频率分布范围 旁瓣杂波的频率分布范围
f MB
③ 当中PRF，f r 20kHz 时
杂波在频谱、距离上均有重叠（不严重） 测速、测距均有模糊
总结
① PD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
② 目标环境与PRF关系 a)目标与载机迎面运动，相对速度 v vR vT ， 回波多普勒频率：

杂波的时间角频率 t ( )
时间角频率即为多普勒角频率 2V cos 多普勒频率： f d ( )
1 4 V cos 多普勒角频率：t ( ) 2 gf d ( )g fr fr 4 V cos cos fr
即任一天线单元接收到的相邻回波信号脉冲由于多普 勒频率引起的相位差，该相位差反映了杂波源的径向 运动速度，与目标方向角 与俯仰角 构成的锥角有 关。
当 f r 太小，目标落入杂波区 ③ 频谱展宽 地面PD雷达：杂波频率宽度窄 机载PD雷达：杂波频谱展宽
机载PD雷达杂波的进一步介绍
载机与地面水平飞行， 相对地面速度为 vR 目标在载机前下方， 相对地面速度 vT
0: 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：
解距离模糊举例：
上面例2中，设 PRF1、PRF2、PRF3 测得的模糊距离 分别为：10TG 、 9TG、 8TG
计算得：M 11 10 9 990 M 1 M / m1 90 M 2 M / m2 99 M 3 M / m3 110
M 1' 6
' M2 9

机载下视PD雷达发射信号频谱

f0
若PD雷达发射频率为 f 0，重频为 f r 的相参脉冲串信号。
则信号的频谱由它的载频频率 f 0 和边频频率 f 0 nf r 上的若干 条离散谱线所组成，频谱包络为辛格函数型。
f0
sin x x
fr
fr
脉冲多普勒雷达的杂波
1


机载下视PD雷达接收信号频谱