第5讲 雷达信号的相参检测和处理共84张课件.ppt

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1、第五讲 雷达信号的相参检测和处理,1.引言一、使用非相参处理的缺点二、相参处理的原理和发展三、相参处理的几个问题2.MTI一、分类二、MTI改善因子及参差MTI的频率响应(一)MTI的改善因子(二)参差MTI的频率响应特性(三)参差MTI的权系数设计3MTI处理对改善因子和信噪比的损失一、I上限二.、MTI处理损失,第五讲 雷达信号的相参检测和处理1.引言,第五讲 雷达信号的相参检测和处理,1.引言一、非相参处理的缺点仅使用幅度信息，失去了相位信息！不能区分目标的运动方向。,第五讲 雷达信号的相参检测和处理1.引言,信号的矢量表示方法,信号的矢量表示方法,不能通过时域积累改善信杂比，因杂波相关

2、时间击中数时间对S/N的改善有限，当N=100；S/N的改善约为10dB。即使能获得独立杂波样本，S/C改善也难达到要求。如海杂波，相关时间1020ms，当采样间隔1020ms时，为独立样本。积累1s，有 50100个样本，S/C改善 10dB，远不满足要求。因输入S/C为-20-50dB。,1.引言,不能通过时域积累改善信杂比，因杂波相关时间击中数时间1,1.引言,二、相参处理的原理和发展同时利用幅度和相位信息本质上属频域处理,1.引言二、相参处理的原理和发展,固定目标，fd=0，f=0，处于零频单根谱线；杂波（地、海），fd约等于0，f 0，处于零频或低频有一定谱宽的信号；气象、箔条杂波，

3、fd较高，f 0；动目标信号，fd较高（0 fr任意），f 0（可近似认为f 0）。,1.引言,相参雷达中：,固定目标，fd=0，f=0，处于零频单根谱线；1.引,不同目标信号的频谱特性,不同目标信号的频谱特性,下图表示了固定目标（杂波）和动目标频谱特性相参检波处理，可获得fd 信息,1.引言,下图表示了固定目标（杂波）和动目标频谱特性1.引言,第5讲_雷达信号的相参检测和处理共84张课件,1.引言,1.引言,1.引言,1.引言,动目标处理:MTI和MTDMTI一次对消 频率响应为梳状滤波器，凹口在fr整数倍处,1.引言,动目标处理:MTI和MTD1.引言,缺点：凹口太窄过滤带太缓通带太窄所以

4、杂波抑制差，动目标损失大。,改进：多次对消，或反馈型MTI,1.引言,缺点：改进：1.引言,发展：水银延迟线 如CPS-5D，我国64年581雷达，清华的403MTI，S/C改善1820 dB。熔融石英延迟线（60年代）移位寄存器（70年代）RAM延迟线（80年代初）MTI指标25dB80年代以后，出现MTD,AMTI,AMTD,SMTD等。,1.引言,发展：1.引言,1.引言,三 相参处理中的几个问题（一）指标 改善因子-信号平均增益，-杂波抑制比,1.引言三 相参处理中的几个问题,改善因子-IS/N NA-噪声抑制比杂波中可见度-SCV信、杂重叠；经处理仍能以一定PF和PD 检测动目标时的

5、(C/S)in=SCV工程计算 SCV=I s/c-6dB,1.引言,改善因子-IS/N1.引言,动目标处理损失-L动目标谱落在凹口或过渡带处时造成信号损失 理想 fd=0fr时，=1，实际：定义：,1.引言,动目标处理损失-L1.引言,（二）双通道（I,Q）处理的优点可克服盲相可区分fd（证）单通道 可见fd输出均一样，不能分辨目标运动方向！,1.引言,（二）双通道（I,Q）处理的优点1.引言,盲速和盲相,盲速和盲相,信号的矢量表示方法（I、Q双通道表示方法）,信号的矢量表示方法（I、Q双通道表示方法）,双通道：,1.引言,双通道：1.引言,同样,1.引言,同样1.引言,则有当为d时因此，当

6、为正d时，X(t)和Y(t)差90；当为-d时，X(t)和Y(t)差270。因此，可区分 d 了。,1.引言,则有1.引言,能保留相对中频L的非对称频谱特性,1.引言,能保留相对中频L的非对称频谱特性1.引言,实窄带带通信号的复包络表示方法,复包络,调制信号,实信号,下变频,实窄带带通信号的复包络表示方法复包络调制信号实信号下变频,单通道:,1.引言,单通道:1.引言,1.引言,1.引言,正交双通道相参处理该式频谱保留了中频谱中非对称形式,1.引言,正交双通道相参处理1.引言,*该结论的意义：可利用Kalmus滤波器检测杂波中慢目标，正负频率部分绝对值相减消除杂波，保留目标。,1.引言,*该结

7、论的意义：可利用Kalmus滤波器检测杂波中慢目标，正,相参检测和处理，MTI/MTD,2.MTI,相参检测和处理，MTI/MTD2.MTI,2.MTI,在同一距离单元上成组或滑动处理，注意这里不需要形成局部的判断0/1，直接在原数据上进行相参处理,2.MTI在同一距离单元上,2.MTI,本质为一低阻，高通滤波器分类（一）非递归形MTI滤波器（FIR),Advanced radar techniques and systems,Gaspare Galati,第6章，茅于海，,2.MTI本质为一低阻，高通滤波器Advanced ra,（二）递归型,2.MTI,（二）递归型2.MTI,（三）混合型

8、,2.MTI,（三）混合型2.MTI,MTI滤波器,MTI滤波器,非递归型有：一次对消,2.MTI,非递归型有：2.MTI,2)二次对消当 K=2时，还有多次对消MTI滤波器,2.MTI,2)二次对消2.MTI,一次和二次对消器的比较,一次和二次对消器的比较,混合型有,2.MTI,混合型有2.MTI,一个极点 一个零点,2.MTI,2.MTI,MTI频率响应的评价：凹口越深越好；过渡带越陡越好；通带应尽量平坦和宽。,2.MTI,MTI频率响应的评价：2.MTI,二 MTI改善因子及参差MTI的频率响应(一)MTI的改善因子等重频情况 令采样间隔为ti，i=1,2,N，t1=0。即t1=T1=0

9、,t2=tN=Tr，各采样点相对t1的时延为,2.MTI,二 MTI改善因子及参差MTI的频率响应2.MTI,MTI的加权矢量W为（FIR):MTI频率响应为：,2.MTI,其中，,MTI的加权矢量W为（FIR):2.MTI其中，,第5讲_雷达信号的相参检测和处理共84张课件,MTI改善因子的计算公式：,MTI改善因子的计算公式：,则MTI的增益为：,R矩阵的对角线元素为1，该矩阵为Hermit矩阵。,则MTI的增益为：R矩阵的对角线元素为1，该矩阵为Hermi,平均增益为：,2.MTI,即得到了信号的平均增益。,平均增益为：2.MTI即得到了信号的平均增益。,设杂波由多种杂波组成，功率谱为：

10、,可能包含各种杂波类型。,设杂波由多种杂波组成，功率谱为：可能包含各种杂波类型。,改善因子为：,2.MTI,和杂波的自相关函数有什么关系？,改善因子为：2.MTI和杂波的自相关函数有什么关系？,其中,2.MTI,杂波自相关矩阵的第ij个元素,其中 2.MTI杂波自相关矩阵的第ij个元素,其中，令杂波相关矩阵为C=Cij，Cij代表用杂波功率归一化后的C的元素上式基于相关阵各元素与功率谱间互为傅立叶变换，且 为输入杂波功率。,2.MTI,其中，令杂波相关矩阵为C=Cij，Cij代表用杂波功率,所以，有：,所以，有：,对相关阵C,有以下关系：和W0为相关阵C的特征值和相应的特征向量。令当=min时

11、，而与min相对应的W0,即为最佳加权矢量,2.MTI,对相关阵C,有以下关系：2.MTI,总结 设计Wopt和求Imax的步骤为：构造杂波协方差阵C特征分解得找与min相对应的W0PT求得,2.MTI,总结 2.MTI,(二)参差MTI的频应特性 为克服等频状态下的盲速，采用重频参差技术，可将速度响应的零点推出几倍马赫之外。1、等重频时N阶MTI的加权系数为Wn，n=1,2,N则系统冲击响应为：,2.MTI,(二)参差MTI的频应特性2.MTI,MTI的速度响应为：其中V为目标的径向速度此|H(V)|为周期性函数，在fr整数倍相对应的速度处将为零,2.MTI,2.MTI,例：雷达工作频率3G

12、Hz，波长为0.1m,例：雷达工作频率3GHz，波长为0.1m,2、参差重频速度的响应设N个脉冲的相互间隔为：T1 T2,TN-1,即第k个和第k-1个脉冲的间隔为Tk，则有冲击响应为：,2.MTI,2、参差重频速度的响应2.MTI,则系统频率响应为：零点推出几马赫以外,2.MTI,则系统频率响应为：2.MTI,(三)参差MTI权系数设计 参差使I下降，权系数设计的目标是使参差MTI的改善因子I非参差MTI的I。两种设计方法：1、权系数修正法（前提：非参差MTI权值已知，参差间隔Tn已知）令非参差MTI最佳权为 频率响应为,2.MTI,(三)参差MTI权系数设计2.MTI,参差时，设第n个脉冲

13、发射时刻为Tn，时变加权系数为hn。则参差MTI的频应为：令在杂波中心附近范围内，参差和非参差MTI频率响应模的平方相等，则可保证两者I相等，即：其中f0为杂波中心频率,2.MTI,注意这里和前面的Tn不同,参差时，设第n个脉冲发射时刻为Tn，时变加权系数为hn。,当f0=0时，将上式在零点做泰勒展开：,2.MTI,其中：,当f0=0时，将上式在零点做泰勒展开：2.MTI其中：,同样，有：,令：,则可以得到N-1个方程。,同样，有：令：则可以得到N-1个方程。,则可以解得系数hn。,进一步可以得到方程组：,则可以解得系数hn。进一步可以得到方程组：,f00时，由(2)式可得：将hn代入上式，就

14、可以得出杂波谱中心不在零频处的参差MTI的时变加权系数,2.MTI,f00时，由(2)式可得：2.MTI,总结：参差MTI设计步骤如下,（1）设计凹口中心在零频的非参差MTI的最佳权系数。（2）解式（3）求出凹口中心在零频处MTI的时变加权系数。（3）当凹口中心非零时（即杂波中心非零时），由式（4）可得出相应的时变加权系数。,注：权系数修正法只适用于单杂波环境，当多杂波存在时，可采用特征向量法直接设计。,2.MTI,总结：参差MTI设计步骤如下（1）设计凹口中心在零频的非参差,2特征向量法：这是已知参差码时的最佳权系数直接设计法，设计准则是对已知模型的杂波，平均改善因子最大。,设 为参差时变加

15、权，n=0,1,2,N-1.则频率响应为,2.MTI,2特征向量法：设 为参差时变加权，n=0,1,2,杂波功率谱为：杂波相关阵为,2.MTI,杂波功率谱为：2.MTI,改善因子:所以求解权系数w,变为求解矩阵C的最小特征值所对应的特征向量。当 时,2.MTI,改善因子:2.MTI,例：设计6脉冲MTI能抗地杂波和中心在-50HZ+150HZ范围内的气象杂波杂波模型：地杂波高斯谱，=4HZ，强度=60dB.气象杂波高斯谱，=13HZ，中心分别在-50HZ，50HZ，100HZ，150HZ，强度分别为 40dB，30dB，30dB，40dB。,2.MTI,例：设计6脉冲MTI能抗地杂波和中心在-

16、50HZ+150HZ,地杂波（f=0处）有深凹口气象杂波区，从-50HZ+150HZ有一个200HZ宽的凹口通带内波纹很小,2.MTI,2.MTI,下面两表为设计的三和六脉冲MTI的改善因子,表1，三脉冲MTI,2.MTI,下面两表为设计的三和六脉冲MTI的改善因子表1，三脉冲MTI,表2，六脉冲MTI，fr=657HZ 可见，参差时，不进行权系数修正，I损失大,2.MTI,表2，六脉冲MTI，fr=657HZ 2.MTI,参差比选择的原则：使MTI速度响应的第一盲速目标最大速度 速度响应通带内应尽量平坦（波纹小）,2.MTI,参差比选择的原则：2.MTI,3MTI处理对改善因子和信噪比的损失

17、,一、I上限：受A/D和系统噪声的限制令A/D的量化误差为，信号在A/D输入，输出分别为SD 和SA，则：SA=SD+，=2-b(b为A/D有效位数)设为均匀分布的白噪声：因 理想情况：,3MTI处理对改善因子和信噪比的损失 一、I上限：,则令 Ci=1（归一化）Co=0（理想情况杂波全部被抑制）2为A/D量化噪声的功率,3MTI处理对改善因子和信噪比的损失,则令3MTI处理对改善因子和信噪比的损失,表1 b与 的关系,实际上:因,Co0.因此,接收机和系统其它噪声也会限制I。,3MTI处理对改善因子和信噪比的损失,A/D位数（b）9101112（dB）,设系统总噪声为，调整增益，使，(即系统

18、最小方差=A/D最小量化间隔)，因此系统噪声和A/D量化误差两者对I的限制为：,表2，与b的关系,3MTI处理对改善因子的限制和信噪比的损失,设系统总噪声为，调整增益，使，(即系,二.MTI处理损失由有限字长造成 模型：,3MTI处理对改善因子和信噪比的损失,二.MTI处理损失3MTI处理对改善因子和信噪比的损失,MTI处理有限字长为bm，截尾噪声为：MTI输入端口噪声为:将MTI处理增加的噪声，折合到MTI输入端，其噪声等效增大了,其中为MTI平均增益。,3MTI处理对改善因子和信噪比的损失,MTI处理有限字长为bm，3MTI处理对改善因,所以LMTI为:,3MTI处理对改善因子和信噪比的损失,所以LMTI为:3MTI处理对改善因子和信噪比的损失,例:A/D为12bits，MTI用12位字长运算 随着MTI字长，如MTI采用浮点运算，可忽略。,3MTI处理对改善因子和信噪比的损失,例:A/D为12bits，MTI用12位字长运算 3MT,The End!,The End!,谢谢！,谢谢！,