雷达系统学习笔记（四）——脉冲多普勒雷达1

第五章脉冲多普勒雷达

　　脉冲多普勒雷达特点：具有脉冲雷达的距离分辨力和连续波雷达的速度分辨力，有较强的抑制杂波能力，因而能在较强的杂波背景中分辨出目标回波。

5.1 脉冲多普勒雷达的基本概念

5.1.1 PD雷达定义

PD雷达是通过脉冲发射并利用多普勒效应检测目标信息的脉冲雷达。
具有如下三点特征：

具有足够高的脉冲重复频率，以致不论杂波或所观测到的目标都没有速度模糊；
能实现对脉冲串频谱单根谱线的多普勒滤波，即频率滤波；
由于重复频率（PRF）很高，通常对所观测的目标产生距离模糊。

5.1.2 PD雷达分类

$PD雷达 \left\{\begin{matrix}高PRF—全相参\\ 中PRF—全相参\\低PRF{\left\{\begin{matrix}接收相参\\ 全相参\end{matrix}\right.} \end{matrix}\right.$

5.2 脉冲多普勒雷达的杂波

5.2.1 PD雷达性能指标

用杂波衰减CA和杂波下可见度SCV来描述。
CA：定义为对某一速度目标的杂波和信号功率输入比与输出比的比值，即

C A (υ_{r}) = \frac{(C / S)_{i}}{(C / S)_{o}} |_{υ_{r}}

$CA(υ_r )=\frac{(C/S)_i}{(C/S)_o}|_{υ_r}$
SCV:

S C V (υ_{r}) = \frac{C A (υ_{r})}{D_{X C}}

$SCV (υ_r )=\frac{CA(υ_r )}{D_{XC}}$
式中，检测因子

D_{X C}

$D_{XC}$ 为当已知后续处理时，检测所需的

(C / S)_{o}

$(C/S)_o$ 。

5.2.2机载下视PD雷达的杂波谱

　　多普勒雷达的基本特点之一，是在频域-时域分布相当宽广且相当强的背景杂波中检测出有用的信号。这种背景杂波通常被称为脉冲多普勒杂波，其杂波频谱是多普勒频率-距离的函数。
　　孤立目标对雷达发射信号的散射作用所产生的回波信号的多普勒频移，正比于雷达与运动目标之间的径向速度 $υ$ ，所以当雷达平台以地速 $υ_R$ 水平移动，地速矢量与地面一小块地杂波之间的夹角为Ψ时，其多普勒频移为：

f_{d} = \frac{2 υ_{R}}{λ} c o s Ψ

$f_d=\frac{2υ_R}{λ }cosΨ$
式中，

υ_{R}

$υ_R$ 为载机地速，

Ψ

$Ψ$ 为地速矢量与地面杂波A之间的夹角。

　　PD雷达发射具有N个矩形脉冲串，其载频为 $f_0$ ，脉宽为 $τ$ ，脉冲重复频率为 $f_r$ ，脉冲间隔周期为 $T_r$ ，脉冲持续时间为NT，则N个矩形脉冲串傅里叶变换的正频率部分如下：
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F(ω)可表示为：

杂波分析

1、主瓣杂波
多普勒中心频率（即主波束中心 $Ψ_0$ 处对应的多普勒频率）为

f_{M D} = f_{d} (Ψ_{0}) = \frac{2 υ_{R}}{λ} c o s Ψ_{0}

$f_{MD}=f_d (Ψ_0 )=\frac{2υ_R}{λ } cosΨ_0$

假设天线主波束的宽度为θ_B，则主瓣杂波的边缘位置间的最大多普勒频率差值为

∆ f_{M D} = f_{d} (Ψ_{0} - θ_{B} / 2) - f_{d} (Ψ_{0} + θ_{B} / 2) \approx \frac{2 υ_{R}}{λ} θ_{B} c o s Ψ_{0}

$∆f_{MD}=f_d (Ψ_0-θ_B/2)-f_d (Ψ_0+θ_B/2)≈\frac{2υ_R}{λ } θ_B cosΨ_0$

机载PD雷达的主瓣杂波的强度可以比雷达接收机的噪声强70~90dB，主瓣杂波的多普勒频率 $f_{MD}$ 也在不断变化，并且变化范围在 $±(2υ_R)/λ$ 之内。
2、旁瓣杂波
天线旁瓣接收到的雷达回波是无用的，所以可称其为旁瓣杂波。除了高度回波，旁瓣杂波不如主瓣旁波能量集中，但它占据很宽的频带。
旁瓣杂波区的多普勒频率范围为 $±f_{c,max}$ ，则

f_{c, m a x} = \frac{2 υ_{R}}{λ}

$f_{c,max}=\frac{2υ_R}{λ}$

雷达天线的旁瓣波束增益通常要比它的主波束增益低得多。当PD雷达不运动时，旁瓣杂波与主瓣杂波在频域上重合；当PD雷达运动时，旁瓣杂波与主瓣杂波就分布在不同的频域上。
3、高度线杂波
当天线方向图中的某个旁瓣垂直照射地面时，是属于 $Ψ=90°$ 和 $f_d=0$ 的情况。通常，八机载下视PD雷达的地面杂波中 $f_d=0$ 位置上的杂波叫做高度线杂波。在零多普勒频移处总有一个较强的“杂波”。
4、无杂波区
地面杂波分为主瓣杂波区、旁瓣杂波区和高度线杂波区。
通常恰当选择雷达信号的脉冲重复频率 $f_r$ ，使得其地面杂波既不重叠也不连接，从而出现了无杂波区。
5、杂波频率与目标多普勒频率间的关系
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5.2.3 三种PD雷达脉冲重复频率选择的比较

1、低PRF
①没有距离模糊，但有许多多普勒模糊（盲速）。
②在远距离由于地球的曲率没有杂波，因而可在无杂波情况下工作。
③旁瓣杂波并不像在高PRF脉冲多普勒系统中一样重要。
④在相同的性能下，要求的平均功率和天线孔径乘积比高PRF脉冲多普勒雷达小。
⑤通常比高PRF脉冲多普勒更简单。费用通常比同样性能的高PRF脉冲多普勒雷达少得多。
2、中PRF
①具有距离和多普勒模糊
②没有高PRF系统存在的无杂波区，因此，高速目标的检测性能不如高PRF系统。
③较小的距离模糊意味着天线旁瓣看见的杂波少，因此，与高PRF系统相比，可在更远距离检测低相对速度的目标。
④中PRF系统相当于用高速目标的检测能力换取低速目标的更好检测，因此，如果只有一个系统可用的话，战斗机或截击机应用雷达更愿意采用中PRF系统。
⑤与高PRF系统相比，可获得更好的距离精度和距离分辨力。
⑥为了减少旁瓣杂波，天线必须有低的旁瓣。
3、高PRF
①多普勒频移没有模糊，但有盲速，但存在许多距离模糊。
②在无杂波区可以检测远距离高速接近目标。
③低径向速度目标通常被距离上折叠起来的近距离旁瓣杂波淹没在多普勒频域区，检测效果差。
④与低PRF系统相比，高PRF导致更多的杂波通过天线旁路进入雷达，因而要求更大的改善因子。
⑤为了使旁瓣杂波最小，天线旁瓣必须低。
⑥同其他雷达相比，距离精度和距离上分辨多个目标的能力比其他雷达差。

5.3 脉冲多普勒雷达的基本组成

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１、收发开关
　　在ＰＤ雷达中，收发开关通常是诸如环形器等无源器件，可在发射和接收之间将天线有效地切换。由于铁氧体环形器隔离度的典型值为20-50dB，因此尚有相当大的能量耦合到接收机。
2、接收机保护器（R/P）
　　接收机保护器是一个快速响应的大功率开关，可防止由收发开关泄露过来的大功率发射机输出信号损坏高灵敏度的接收机前端。为了使发射脉冲之后的门中的灵敏度降低到最小，接收机保护器必须有快速的恢复能力。
3、射频衰减器
　　射频（RF）衰减器不仅可以抑制由R/P进入接收机的发射机泄露，而且控制进入接收机的输入信号电平。所接收到的信号电平始终低于饱和电平。比较典型的方法是，在搜索时采用杂波AGC，而在单目标跟踪时采用目标AGC，以防止假信号的产生而使性能将低。
4、杂波定位
　　通常作为稳定本振一部分的压控振荡器（VOC）与主波束杂波差频后得到零频或直流。当杂波为直流时，就降低了对同相（I）和正交（Q）通道的幅度平衡和相位平衡的要求。这是因为不平衡所导致的镜像将落于直流的附近，可以很容易地将它和主波束杂波一起滤除。
5、发射脉冲抑制器
　　接收机中频段提供的发射脉冲抑制器可进一步衰减发射机泄露，是一种波门选取器件。
6、信号处理
　　通过正交混频，接收机的模拟输出信号下变频为基带信号。同相信号和正交信号经匹配滤波器滤波，由A/D变换为数字信号。A/D之后一般是延迟线杂波对消器和多普勒滤波器组，为的是用来抑制主波束杂波和进行相参积累。
　　滤波器组通常采用FFT来实现或当滤波器较少时用离散傅里叶变换DFT来完成。合适的加权可用来降低滤波器的旁瓣。
　　I/Q合成近似形成FFT输出的电压包络，也可以用检波后积累（PDI），即每个距离门-多普勒滤波器的输出在几个相参周期内线性相加。PDI的输出再于恒虚警（CFAR）处理形成的检测门限比较。
　　在CFAR电路之后是离散的旁路抑制逻辑电路及距离模糊和速度模糊解算器。最后的检测输出被送往雷达显示器和计算机。