经典雷达资料-第15章__动目标显示(mti)雷达-1

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1、第 15 章 动目标显示（MTI）雷达Willian W.Shrader V.Gregers-Hansen15.1 引言引言MTI 雷达的用途是抑制来自建筑物、山、树、海和雨之类的固定或慢动的无用目标信 号，并且能检测或显示飞机之类的运动目标信号。图 15.1 是两张平面位置显示器（PPI）的 照片，表明了一部正常工作的 MTI 雷达的效果。从中心亮点到平面位置显示器的最边缘为 40n mile，距离刻度环间距为 10 n mile。其中，左图是正常的视频显示，显示了固定的目标 回波；右图是 MTI 雷达抑制杂波的照片，在天线扫描 3 次的时间内，照相机快门始终是打 开的，因此飞机目标呈现连续

2、的 3 个回波。图 15.1 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 圈时，由于照相机的快门一直是打开的，所以在右面的照片上，飞机看起来就是相邻的 3 个亮点。PPI 的量程是 40 n mile。MTI 雷达利用动目标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， 这一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和飞向雷达站的一架飞机所反射。反射回波需经一定的时间方能返 回雷达。雷达又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雷 达 手 册576回。但是从飞机反射回的信号

3、所经历的时间却稍微少一些，这是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不重要，但脉 冲间时间是否变化却很重要。时间的变化（对飞机目标而言，数量级为几个毫微秒）可以 用回波信号的相位与雷达基准振荡器相位之间加以比较来确定。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。 图 15.2 是一种相参 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能 量。同时，射频振荡器还用做确定回波信号相位的相位基准。在发射脉冲的间隔时间内， 相位信息储存在脉冲重复间隔（PRI）存储器中，并且还与前一个发射脉冲的相位信息相减。 只有当回波信号

4、为动目标回波时，减法器才有输出。图 15.2 相参 MTI 雷达的简化框图MTI 方框图图 15.3 是一完整的 MTI 系统方框图。此方框图代表了一种使用脉冲振荡器的 MTI 系统。 它比下面讨论的那些 MTI 系统要简单，但是通过研究此方框图可以理解适用于任意 MTI 系 统的许多实际考虑的问题。图上标注的频率和 2500s 脉冲周期都是作用距离为 200 n mile 的 L 波段雷达的典型数据。 发射机采用磁控管。由于磁控管是一种相邻脉冲之间相位不相关的脉冲振荡器，因此 对每个发射脉冲都必须建立一个相位基准。这是通过以下方法实现的，即从定向耦合器采 样发射脉冲，并将此脉冲与稳定本振的信

5、号混频，然后再用这个脉冲去锁定相参振荡器。 这个相参振荡器就成了回波信号的基准振荡器（关于相参振荡器及稳定本振的稳定性要求 将在后面的 15.11 节中讨论） 。脉冲锁定放大器正好在发射脉冲结束前被关掉，这是因为在 加到磁控管的高压脉冲下降期间，磁控管会发射出相当数量的噪声，并且这些噪声会干扰 相参振荡器的正确锁定。第 15 章 动目标显示（MTI）雷达577图 15.3 MTI 系统框图回波信号与稳定本振的信号相混频，并由线性-限幅放大器放大（在某些设备中，并非 有意要使用限幅，然而由于接收机在某个信号电平会出现饱和，也不可忽视限幅放大器的 作用） 。 回波信号在相位检波器中与相参振荡器的信

6、号进行相位比较。相位检波器的输出是回 波信号与相参振荡器间相对相位的函数，同时也是回波信号幅度的函数。在相位检波器的 输出端，回波信号的相位及幅度信息被变换为双向视频信号。由单个发射脉冲所接收到的 双极性视频回波信号如图 15.4 所示。如果点目标在运动，并且强杂波区内还有另一个动目 标，则多个发射脉冲重叠的双极性视频回波信号如图 15.5 所示。图 15.4 双极性视频信号（单次扫描）方框图 15.3 的其余部分是检测动目标并使之显示在平面位置显示器上或送往目标自动 录取设备所不可缺少的。在模/数转换器（A/D）中，将双极性视频信号转换为数字信号。 A/D 的输出存储于 PRI 存储器中，并

7、与前一个发射脉冲的 A/D 输出相减。 相减器的输出是数字双极性视频信号，包含动目标、系统噪声和少量的杂波剩余（假 如杂波对消不理想的话） 。为便于在平面位置显示器上显示，该信号的绝对值在数/模转换器 （D/A）中被转换为模拟视频信号。数字信号同时还送往目标自动检测电路。对于平面位置雷 达 手 册578显示器而言，该信号的动态范围（信号峰值与噪声均方根值之比）被限制在 20dB 左右。图 15.5 双极性视频信号（多次扫描）动目标检测器（MTD）方框图基于 MTI 原理，在 MTD 中，信号处理机使用若干个并行的多普勒滤波器、CFAR 处理 及为抑制点杂波剩余而增加的一个或多个高分辨力的杂波图

8、，可进一步提高处理机的线性 动态范围。在现代警戒雷达中，由于增加了这些处理方法，因此已能实现一个完整的信号 处理系统，从而获得良好的杂波抑制。图 15.6 给出了这种 MTD 处理系统的一个典型实现 方法。图 15.6 MTD 框图MTD 雷达依次发射 PRF 和信号频率都恒定的一组 N 个脉冲。这一系列脉冲串通常称为 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 12 个附加的填充脉冲。一个 CPI 间隔接收到的回波经 N 脉冲 有限冲激响应（FIR）滤波器组处理后，雷达改变 PRF 和/或射频（RF）再发射另一 CPI

9、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。若相邻的相关脉 冲串间采用不同的 PRF，使目标响应落于滤波器通带内的不同频率上，则可消除盲速的影 响。 每个多普勒滤波器所设计的目标响应都是其多普勒频带中的非重叠部分，并且也抑制 掉其他多普勒频率内的所有杂波源。这种方法使每个滤波器的相关信号积累最大，与单个 MTI 滤波器相比，可在更宽的多普勒频域内实现更大的杂波衰减。因此，一个或多个杂波第 15 章 动目标显示（MTI）雷达579滤波器能抑制掉不同多普勒频率的多个杂波源。图 15.7 是 MTD 多普勒滤波器组抑制同时 存在的地杂波和气象杂波（Wx）的一个实例。从图中

10、可看出，滤波器 3 和 4 能明显抑制这 两个杂波。图 15.7 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 检测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。但受限制的动态范围却 有不良后果，即导致附加的杂波谱扩展，从而降低杂波抑制能力。 在 MTD 中，在多普勒滤波后使用的一个或多个高分辨力的杂波图可将杂波剩余降为接 收机噪声电平（或将检测门限提高到杂波剩余电平之上） 。这就消除了对

11、中频动态范围的必 要限制，因此可按 A/D 转换器所能支持的最大值设定中频动态范围。由此，可提供一个有 杂波抑制能力的系统概念，它仅受限于雷达系统稳定度、接收机-处理机的动态范围和杂波 的谱宽。采用高分辨力数字杂波图抑制杂波剩余的思想，可追溯到建立类似于使用存储管 之类的模拟 MTI 系统时人们所做的早期努力。 随后的章节将讨论 MTD 系统设计的特殊情况。15.8 节将讨论多普勒滤波器组的设计和 性能。15.14 节将详细讨论杂波图。15.2 动目标杂波滤波器响应动目标杂波滤波器响应MTI 系统对动目标的响应随目标径向速度而变化。对上述 MTI 系统而言，噪声功率增 益归一化的响应如图 15

12、.8 所示。由图可知，固定目标和径向速度为89kn，178kn，267kn，的动目标输出响应均为零。这些速度就是所谓的盲速。 它们是目标在相邻发射脉冲间移动 0，1/2，1，3/2，波长时的速度。这就使回波信号在 脉冲间的相移刚好为 360或其整倍数，从而使相位检波器的输出没有变化。盲速可按下式 计算K = 0,1,2, （15.1）2rBfkV式中，VB为盲速（m/s） ；为发射波长（m） ；fr 为脉冲重复频率（Hz） 。 比较方便的近似式为雷 达 手 册580K = 0,1,2, （15.2）ffkVGHzrB29. 0)kn(式中，fr为 PRF（Hz） ；fGHz为发射频率（GHz）

13、 。由速度响应曲线可看出，速度在两个盲速 中间的目标响应要比常规接收机的响应大一些。 速度响应曲线的横坐标也可标为多普勒频率。目标的多普勒频率可由下式计算（15.3）VfR d2式中，fd为多普勒频率（Hz） ；VR为目标径向速度（m/s） ；为发射波长（m） 。 由如图 15.8 所示可见，系统盲速的多普勒频率出现在 PRF 的整数倍上。图 15.8 MTI 系统的响应曲线（雷达工作频率为 1300MHz，重复频率为 400Hz）15.3 杂波特性杂波特性频谱特性脉冲发射机发射宽度为的简单矩形脉冲，其频谱如图 15.9 所示。包络（sinU/U）的频 谱宽度由发射脉冲的宽度确定，第一对零点出

14、现在 f01/ 的频率上，单根谱线按 PRF 间隔 隔开。这些谱线全部落在如图 15.8 所示各个盲速的相同频率上。因此，从理论上讲，用一 个对消器就能够完全对消图中所示的这种具有理想频谱的信号。但实际上，由于杂波的运 动（如被风刮动的树木）和搜索雷达的天线转动，杂波信号的谱线被展宽。Barlow 指出1， 杂波频谱可用标准偏差为v的高斯谱来表示。由于这些展宽了的谱线，因此就无法在 MTI 系统中将杂波完全对消。第 15 章 动目标显示（MTI）雷达581图 15.9 脉冲发射机频谱表 15.1 给出了杂波频谱的标准偏差v(m/s)。虽然还有许多更复杂和更详细的杂波频谱 模型存在6，但是为了理

15、解系统的限制和获得良好的性能预测，高斯模型通常已经足够。表 15.1 杂波频谱的标准偏差汇总*杂波源风速（kn）v（m/s）参考资料稀疏树林无风0.017Barlow1有树林的小山100.04Goldstein3第 583585 页有树林的小山200.22Barlow1有树林的小山250.12Goldstein3第 583 页有树林的小山400.32Goldstein3第 583585 页海杂波0.7Wiltse 等4第 226 页海杂波0.751.0Goldstein3第 580581 页海杂波8200.461.1Hicks 等5第 831 页海杂波大风0.89Barlow1箔条0.370.

16、91Goldstein3第 472 页箔条251.2Goldstein3第 472 页箔条1.1Barlow1雨云1.84.0Goldstein3第 576 页雨云2.0Barlow1* 摘自 Barton2。Nathanson 和 Reilly7指出，雨滴的杂波频谱宽度主要是由扰动分量和风速切变分量 （风速随高度而变）引起的。他们的测量结果表明，对扰动分量而言，其有效平均值v =1.0 m/s，而风速切变分量v =1.68 m/(s/km)。若在垂直波束中充满雨滴时，则表示风速切变作用 的一种简便方程是v = 0.04Re1 m/s。这里，R 为降雨区的距离（n mile） ，e1为单程半功率 点垂直波束宽度（） 。举例来说，垂直波束宽度为 4，距离为 25 n mile 的降雨区，雨滴的 v = 4.1 m