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中文摘要 (1)
英文摘要 (2)
1 引言 (3)
1.1 研究背景及意义 (3)
1.2 国内外研究现状 (4)
1.3 本设计的指导思想和主要工作 (4)
2 动目标检测(MTD)雷达基本原理 (6)
2.1 多普勒效应 (6)
2.2 动目标检测(MTD)雷达的工作原理 (8)
2.2.1 动目标显示(MTI)雷达的工作原理 (8)
2.2.2 动目标检测(MTD)雷达的工作原理 (10)
3 MTD多普勒滤波器组的设计 (13)
3.1 加权DFT实现MTD滤波 (13)
3.1.1 DFT滤波器分析 (13)
3.1.2 窄带滤波器组信号处理的优点 (15)
3.2 FIR实现MTD多普勒滤波器 (16)
3.2.1 设计思路 (17)
3.2.2 MTD多普勒滤波器组的设计 (17)
3.3 MTD/MTI雷达的性能评价指标 (20)
4 MTD雷达中预处理模块设计 (23)
4.1 乒乓操作 (23)
4.1.1 乒乓操作的处理流程 (23)
4.1.2 乒乓操作的特点 (23)
4.1.3 乒乓操作的应用 (25)
4.2 MTD雷达匹配滤波器的总体结构 (26)
4.3 MTD雷达中预处理模块设计 (27)
4.3.1 多路选择器的设计 (28)
4.3.2 计数器的设计 (30)
4.3.3 MTD雷达预处理模块设计 (32)
总结 (34)
谢辞 (34)
参考文献 (35)
合肥工业大学理学院电子科学与技术2006届毕业论文集
摘要：在高科技战争中，探测敌方的进攻目标(如飞机、导弹、舰艇等)是一个重要问题。它实际上是一个解决在密集的杂乱回波中发现感兴趣的目标的问题，即所谓的动目标检测(MTD)。
本文对MTD雷达技术的核心(多普勒滤波器组)进行了深入的研究和设计。文章主要分为以下四个部分：
首先，本文对研究课题的背景及其意义进行了一个大概的说明。其次，对动目标检测(MTD)雷达的基本原理进行了全面而详细的介绍，如MTD的主要功能，其中，对于与MTD极其相关的动目标显示(MTI)也进行了一个简要的介绍。再次，对MTD雷达技术的核心(多普勒滤波器组)进行了设计和分析，文中应用了加权DFT和FIR这两种方法实现MTD滤波，并给出了MTD 性能评价指标。最后，对MTD滤波器输入数据的存储这一问题用预处理乒乓操作进行了设计，并对仿真结果进行了分析和说明。
关键词：动目标检测(MTD)，动目标显示(MTI)，滤波器，乒乓操作，设计
MTD雷达中多普勒滤波器组的设计与实现
Abstract：In high-tech warfare, detecting enemy’s offensive goals (such as aircraft, missiles, ships, etc.)is an important issue.
In fact, it is a solution about how to found the interesting
objectives in the intensive mess echo., the so-called Moving
Target Detection (MTD).
In this paper, I spent much time and many words on the research of the core of MTD radar technology--the design of
Doppler Filter Team. The article is divided into four main
parts:
First, There is a general description about the background of this topic and its significance. Secondly, the basic
principles of the Moving Target Detection (MTD) radar are
comprehensive and detailed introduced, such as the main
function of MTD. In addition, the Moving Target Indication(MTI)
which is Extremely relevant with MTD is also conducted a brief
introduction. Thirdly, There are some design and analysis that
I did on the MTD radar technology core (Doppler Filter Team),
and the two approaches—DFT and FIR were applicated in
achieving MTD filter. At the same time some of the MTD
performance evaluation indicators were given. Finally, how to
store the input data of MTD filter in the design was designed
with the ping-pong operation, and the simulation results were
analysed and described.
Keyword: Moving Target Detection (MTD), Moving Target Indication(MTI), Filter, Ping-pong operation , Design
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1 引言
1.1 研究背景及意义
雷达是用来发现目标和测量目标的无线电电子系统。雷达工作的物理基础是物体对电磁波的反射现象。雷达的两个主要特征是，它具有远距离探测目标和对目标进行较高精度定位的能力。虽然雷达技术主要因军事应用而得到发展，但它也在许多民用领域中得到了应用，比如船舶和飞机的导航就是典型的例子。
从50年代末以来，由于航空与航天技术的飞速发展，飞机、导弹、人造卫星及宇宙飞船等采用雷达作为探测和控制的手段，尤其是在60年代研制的反洲际弹道导弹系统，对雷达提出了高精度、远距离、高分辨率及多目标测量等要求。由于解决了一系列的关键性问题，雷达进入蓬勃发展的新阶段，如脉冲压缩技术的采用；单脉冲雷达和相控阵雷达研制的成功；脉冲多卜勒雷达体制的研制成功，使雷达能测量目标的位置和相对运动速度，并具有良好的抑制地物去干扰等的能力；由于雷达中数字电路的广泛应用和计算机与雷达的配合使用，使雷达的结构组成和设计发生了根本性的变化。雷达采用这些先进技术后，工作性能大为提高。60年代相控阵雷达技术大量用于战术雷达，这期间研制成功的主要相控阵雷达，包括美国陆军的“爱国者”、海军的“宙斯盾”等。进入90年代，尽管冷战结束，但局部战争仍然不断，特别是由于海湾战争的刺激，雷达又进入了一个新的发展时期；对雷达观察隐身目标的能力、在反辐射导弹(ARM)与电子战(CEW)条件下的生存能力和工作有效性提出了更高的要求，对雷达测量目标特征参数和进行目标分类、目标识别有了更强烈的需求。随着微电子和计算机的高速发展，雷达的技术性能也在迅速提高，在军事上的应用进一步扩大。雷达是在不断发展变化的：一方面它综合应用各种新技术、新器件来完善和提高自身的性能，另一方面不断出现的各种新技术的应用，也促使雷达不断的改善。
在现代高技术战争条件下，雷达所面临的电磁信号环境越来越复杂，雷达在复杂电磁环境下的生存能力便成为衡量雷达性能指标的重要标志。为了抵御各种有源和无源干扰，现代雷达采取了各种各样的抗干扰措施，概括起来，可以归纳为时域抗干扰、频域抗干扰和空域抗干扰三个方面。
雷达信号的频域抗干扰措施主要包括动目标显示(MTT)、动目标检测(MTD)和脉冲多普勒(PD)技术等。广义讲，MTD是PD的一种特例，一般认为MTD是一
MTD雷达中多普勒滤波器组的设计与实现
种低重复频率的PD处理。但MTD与PD处理的基木原理是相同的。现在，MTD处理己成为雷达抗干扰(尤其是抗杂波干扰和箔条干扰)的重要手段，在现代雷达中得到了广泛的应用，发挥着不可替代的作用。
1.2 国内外研究现状
1974年美国麻省理工学院林肯实验室研制出了新型的需达信号频域处理装置——动目标检测器，为第一代MTD。它主要由一个传统的三脉冲MTI对消器级联一个8点FFT构成，这一8点FFT等效为一组相邻有覆盖的窄带滤波器组，它实际上就是用作脉冲串回波相参积累的匹配滤波器。
第二代MTD在70年代末推出，它的主要改进是：其一，在匹配滤波处理后对同一单元不同滤波器频道的输出分别进行自适应门限调整，即分频道CFAR处理；其二，增加了所谓“饱和/干扰”试验电路，用于封锁特别强干扰的对应距离单元的输出；其三，具备了一定的气象估测能力，这主要是ATC需达所要求的。
更新一代的动目标检测是自适应MTD(AMTD),其关键是实时检测杂波的存在，判定杂波强度(如强/中/弱)甚至特性，据此对存储的杂波图进行修正，并自动产生或选择滤波器加权因子，以期在保证对地杂波的高度抑制的前提下，尽量减小对气象(如雨)杂波的灵敏性(低的多普勒旁瓣),并具有最小的主瓣宽度和最小的信噪比(SNR)损失。
目前MTD技术己成为雷达数字信号处理机的核心技术。伴随着视频数字集成电路，特别是FFT,DSP以及PLD硬件的发展，使MTD技术得以在脉冲多普勒(PD)雷达引信信号处理机的硬件上实现，并使引信在1-2ms内完成对背景干扰下动目标的三维探测和对回波更具细节的检测与识别成为可能，这大大提高了系统的信噪比和信干比。
1.3 本设计的指导思想和主要工作
本文对MTD的核心技术(多普勒滤波器组)进行了设计，多普勒滤波器组的设计首先要解决的问题是滤波器的设计，而滤波器的设计方法多种多样，其中最常用的方法有三种：窗函数设计法、频率抽样设计法和切比雪夫加权设计法。本文在设计滤波器时应用了窗函数法，选择了相对理想的窗口(汉明窗)，从仿真出来的结果看，还很理想，其旁瓣较低，主瓣宽度也比较窄。各个滤波器设计好之后，接下来就是对各个滤波器进行加权处理，实现多普勒滤波器组。实验结果表明，
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所设计的多普勒滤波器组，具有滤波精度高、处理速度快、可编程特性好的特点。
多普勒滤波器组的实现另一个比较核心的问题是滤波器输入数据的存储，由于MTD雷达原理的别样性，文中采用了预处理乒乓操作对MTD滤波器输入数据进行存储。由于预处理乒乓操作通过“输入数据选择单元”和“输出数据选择单元”按节拍、相互配合的切换，所以经过缓冲的数据流没有停顿地送到“数据流运算处理模块”进行运算与处理。这样不仅节省了很多等待的时间，而且也节约了缓冲区空间。
在对MTD预处理模块设计时，设计一个具有控制功能的多路选择器和计数器是本课题的关键，所以这两个小模块的设计是MTD预处理模块设计中心问题。
MTD 雷达中多普勒滤波器组的设计与实现
2 动目标检测(MTD)雷达基本原理
雷达要探测的目标，通常是运动着的物体，例如空中的飞机、导弹，海上的舰艇，地面的车辆等。但在目标的周围经常存在着各种背景，例如各种地物、云雨、海浪及敌人施放的金属丝干扰等。这些背景可能是完全不动的，如山和建筑物，也可以是缓慢运动的，如有风时的海浪和金属丝干扰，一般来说，其运动速度远小于目标。这些背景所产生的回波称为杂波或无源干扰。
当杂波和运动目标回波在雷达显示器上同时显示时，会使目标的观察变得很困难。如果目标处在杂波背景内，弱的目标湮没在强杂波中，特别是当强杂波使接受系统产生过载时，发现目标十分困难。目标不在杂波背景内时，要在成片杂波中很快分辨出运动目标回波也不容易。如果雷达终端采用自动检测和数据处理系统，则由于大量杂波的存在，将引起终端过载或者不必要地增大系统的容量和复杂性。因此，无论从抗干扰或改善雷达工作质量的观点来看，选择运动目标回波而抑制固定杂波背景都是一个很重要的问题。
区分运动目标和固定杂波的基础是它们在速度上的差别。由于运动速度不同而引起回波信号频率产生的多普勒频移不相等，这就可以从频移上区分不同速度目标的回波。在动目标显示(MTI)和动目标检测(MTD)雷达中使用了各种滤波器，滤去固定杂波而取出运动目标的回波，从而大大改善了在杂波背景下检测运动目标的能力，并且提高了雷达的抗干扰能力。
2.1 多普勒效应
在阐述MTD 雷达原理之前，我们先来看一下多普勒效应这一概念。
多普勒效应是指当发射源和接收者之间有相对径向运动时，接收到的信号频率将发生变化。这一物理现象首先在声学上由物理学家克里斯顿·多普勒于1842年发现的。1930年左右开始将这一规律运用到电磁波范围。雷达应用日益广泛及对其性能要求更加提高，推动了利用多普勒效应来改善雷达工作质量的进程。
下面研究当雷达与目标有相对运动时，雷达站接收信号的特征。为方便计，设目标为理想“点”目标，即目标尺寸远小于雷达分辨单元。
这里我们只考虑雷达发射连续波的情况，这时发射信号可表示为
022/r o t f R c ωπ= (2-1)
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式中，0ω为发射角频率；?为初相；A 为振幅。
在雷达发射站处接收到由目标发射的回波信号()r s t 为
()()cos[()]r r o r s t ks t t kA t t ω?=-=-+ (2-2)
式中，2/r t R c =，为回波滞后于发射信号的时间，其中R 为目标和雷达站间的距离；c 为电磁波传播速度，在自由空间传播时它等于光速；k 为回波的衰减系数。
如果固定目标不动，则距离R 为常数。回波与发射信号之间有固定相位差22/(2/)2o r o t f R c R ωππλ==，它是电磁波往返于雷达与目标之间所产生的相位滞后。
当目标与雷达站之间有相对运动时，则距离R 随时间变化。设目标以匀速相对雷达站运动，则在时间t 时刻，目标与雷达站间的距离()R t 为
()o r R t R v t =- (2-3)
式中，o R 为0t =时的距离；r v 为目标相对雷达站的径向运动速度。
式(2-2)说明，在t 时刻接收到的波形()r s t 上的某点，是在r t t -时刻发射的。由于通常雷达和目标间的相对运动速度r v 远小于电磁波速度c ，故时延r t 可近似写为
2()2()r o r R t t R v t c c
==- (2-4) 回波信号比起发射信号来，高频相位差 2
2()2()o r o o r o r t R v t R v t c ?ωωπλ=-=--=-- (2-5)
是时间t 的函数，在径向速度r v 为常数时，产生频率差为
122d r d f v dt ?πλ
== (2-6) 这就是多普勒频率，它正比于相对运动的速度r v 而反比于工作波长λ。当目标飞向雷达站时，多普勒频率为正值，接收信号频率高于发射信号频率，而当目标背离雷达站飞行时，多普勒频率为负值，接收信号频率低于发射信号频率。
MTD雷达中多普勒滤波器组的设计与实现
多普勒频率可以直观地解释为：振荡源发射的电磁波以恒速c传播，如果接收者相对于振荡源是不动的，则他在单位时间内收到的振荡数目与振荡源发出的相同，即二者频率相等。如果振荡源与接收者之间有相对接近的运动，则接收者在单位时间内收到的振荡数目要比他不动时多一些，也就是接收频率增高；当二者作背向运动时，结果相反。
2.2 动目标检测(MTD)雷达的工作原理
上面我们引出了多普勒频率这一概念，下面我们来介绍一下运动目标检测(MTD)雷达的基本原理。首先我们先来看一下与动目标检测(MTD)极其相关的动目标显示(MTI)雷达的工作原理。
2.2.1 动目标显示(MTI)雷达的工作原理
MTI(Moving Target Indication)即运动目标显示，其本质含义是：基于回波多普勒信息的提取而区分运动目标与固定目标(包括低速运动的杂波等)。当脉冲雷达利用多普勒效应来鉴别运动目标回波和固定目标回波时，与普通脉冲雷达的差别是必须在相位检波器的输入端加上基准电压(或称相参电压)，该电压应和发射信号频率相参并保存发射信号的初相，且在整个接收信号期间连续存在。工程上，基准电压的频率常选在中频。这个基准电压是相位检波器的相位基准，各种回波信号均与基准电压比较相位。从相位检波器输出的视频脉冲，有固定目标的等幅脉冲串和运动目标的调幅脉冲串。通常在送到终端(显示器或数据处理系统)去之前要将固定杂波消去，故要采用相消设备或杂波滤波器，滤去杂波干扰而保存运动目标信息。
因此，MTI通常包括两个最基本的部分，即完成多普勒信息提取的相参处理与完成目标区分的对消处理(有时又称滤波处理)。下面主要介绍一下固定杂波消除这个问题。
在相位检波器输出端,固定目标的回波是一串振幅不变的脉冲，而运动目标的回波是一串振幅调制的脉冲。将它们加到偏转调制显示器上，固定目标回波是振幅固定的脉冲，而运动目标回波呈现上下“跳动”的“蝴蝶效应”。可以根据这种波形持点，在偏转显示器上区分固定目标与运动目标。如果要把回波信号加到亮度调制显示器或终端数据处理设备，则必须先消除固定目标回波。最直观的一种办法是将相邻重复周期的信号相减，则固定目标回波由于振幅不变而互相抵
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消；运动目标回波相减后剩下相邻重复周期振幅变化的部分输出。
由相位检波器输出的脉冲包络为
cos o u U ?= (2-7) 式中，?为回波与基准电压之间的相位差， 2()o r o r o d o R v t t t c
?ωωω?-=-=-=- (2-8) 回波信号按重复周期r T 出现，将回波信号延迟一周期后，其包络为
cos[()]o d r o u U t T ω?'=-- (2-9) 相消器的输出为两者相减， 2sin()sin()22d r
d r
o d o T T u u u U t ωωω?'=-=-- (2-10)
输出包络为一多普勒频率的正弦信号，其振幅为 2sin 2d r
o T U ω (2-11)
也是多普勒频率的函数。当/2(1,2,3)d r T n n ωπ==???时，输出振幅为零。这时的目标速度正相当于盲速。盲速时的运动目标回波在相位检波器的输出端与固定目标回波相同，因而经相消设备后输出为零，如图2.1延迟相消设备及输出响应曲线所示。
(b)
(c)
(a)
MTD 雷达中多普勒滤波器组的设计与实现
图2.1 迟延相消设备及其输出响应
(a)组成框图；(b)速度响应；(c)频率响应特性
相消设备也可以从频率域滤波器的观点来说明，而且为了得到更好的杂波抑制性能，常从频率域设计较好的滤波器来达到。下面求出相消设备的频率响应特性。输出为
(1)r j T o i u u e
ω-=- (2-12)
网络的频率响应待性为
()2
()(1)(1cos )sin 2sin r r j fT j T o r r r i u K j e T j T fT e u ππωωωωπ--==-=-+= (2-13) 其频率响应特性如图2.1(c)所示。
相消设备等效于一个梳齿形滤波器，其频率特性在r f nf =各点均为零。固定目标频谱的特点是：谱线位于r nf 点上，因而在理想情况下，通过相消器这样的梳齿滤波器后输出为零。当目标的多普勒频率为重复频率整数倍时，其频谱结构也有相同的特点，故通过上述梳状滤波器后无输出。
2.2.2 动目标检测(MTD)雷达的工作原理
1、MTD 的主要功能和要求
上一节讨论了动目标显示(MTI)的原理，这一章将系统介绍动目标检测(MTD)技术。MTD 与MTI 虽同属雷达信号的频域处理范畴，但一般意义上说，MTD 是MTI 的改进或更有效的频域处理技术。这种基于杂波与运动目标多普勒频率差别的信号处理大致经过了一个由模拟MTI →数字MTI(DMTI)→线性MTI →自适应MTI →MTD →自适应MTD(AMTD)的发展里程。而广义地讲，MTD 处理又是脉冲多普勒(PD)处理的一种特殊形式。与传统MTI 相比，MTD 主要依靠信号处理的潜在能力，在以下三个方面作了改进：
(1)、改善滤波器的频率特性，使之更接近于最佳(匹配)线性滤波，以提高改善因子；
(2)、能够检测强地物杂波中的低速目标甚至切向飞行的大目标；
(3)、不仅能抑制平均多普勒频移通常等于零的固定杂波，而且还能抑制如气象、鸟群等引起的运动(慢动)杂波。
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早期的动目标显示雷达性能不高，其改善因子一般在20dB 左右。这是由多方面因素造成的：锁相相参系统的高频稳定性不够、接收系统的非线性限幅、采用模拟延迟线时通常只能作一次相消且性能不稳亦不能实现最佳滤波等。由雷达原理所知，当雷达高频系统稳定性不高时，将使固定杂波回波谱产生一部分接近均匀谱的杂散分量，而限制改善因子可能达到的更大值。当雷达采用全相参体制或者是用信号处理的方法(如DSU)来改善锁相相参系统的高频稳定性后，其性能会有明显的提高。从目前情况来看，全相参系统的高频稳定性已可做到不再成为改善因子的障碍。在信号处理方面当采用数字延迟线代替模拟延迟线实现MTI 后，其工作稳定、可靠，这种DMTI 系统还广泛采用了I,Q 正交双通道处理和高阶数字滤波器来得到合适的滤波特性。DMTI 已比早期模拟MTI 在性能上有了较大的改善。但它的滤波特性还不是最佳线性滤波特性，且非线性中放限幅制约了改善因子的进一步提高。围绕着这两个问题的研究，提出了具有信号匹配滤波特性的窄带多普勒滤波器组及具有大动态范围的线性MTI 的处理技术，再加上高速集成电路技术的发展和FFT 算法的实际应用等，促成了动目标检测处理器的研制成功。实质上，MTD 的核心就是线性DMTI 加窄带多普勒滤波器组。
2、雷达信号的最佳滤波：窄带多普勒滤波器组处理
当杂波功率谱()C f 和信号频谱()S f 已知时，最佳滤波器的频率响应是 2()()()
s j ft S f e H f C f π-*= (2-14) 这实际上就是基于色噪声(这里称为杂波)白化处理的匹配滤波器。这一滤波器可分成两个级联的滤波器1()H f 和2()H f ，其传递函数分别为 211()()
H f C f = (2-15) 221()()()s j ft H f H f S f e π-**= (2-16) 可以粗略地认为，1()H f 用于杂波抑制，而2()H f 用于对雷达回波脉冲串信号匹配。对MTI 而言，它要使杂波得到抑制而让各种速度的运动目标信号通过，所以MTI 滤波器即相当于1()H f ；至于和目标信号的匹配，对单个脉冲可用中频带通放大器来保证，而对脉冲串则只能采用对消后的非相参积累，这离式(2-10)的要
MTD 雷达中多普勒滤波器组的设计与实现
求差距较大。所以实际能做到的大多数MTI 滤波器，只能使其滤波特性的凹口对准杂波梳状谱的中心，且使二者宽度基本相当。有时也将这称为杂波抑制准最佳滤波。对于相参脉冲串信号，2()H f 还可进一步表示成
22122()()()H f H f H f (2-17) 即信号匹配滤波器为21()H f 和22()H f 两个滤波器级联。式中21()H f 为单个脉冲的匹配滤波器，通常由接收机中放实；22()H f 专对相参脉冲串进行匹配滤波，它利用了回波脉冲串的相位特性而进行相参积累。根据有关回波脉冲串的频谱分析可以想象22()H f 应是梳齿形滤波器，齿的间隔为脉冲重复频率r f ，齿的位置
取决于回波信号的多普勒频移，而齿的宽度则应和回波谱线宽度相一致。
要对回波相参脉冲串作匹配滤波，必须知道目标的多普勒频移以及天线扫描对脉冲串的调制情况(亦即信号的时宽，对简单信号而言它决定信号的频宽)。实际情况中，多普勒频移d f 不能预知，因此需要采用一组相邻且部分重叠的滤波
器组，覆盖整个多普勒频率范围，这就是窄带多普勒滤波器组。见图2.2。
图2.2 动目标显示滤波器和多普勒滤波器组的特性
(a)动目标显示滤波；(b)多普勒滤波器组的特性
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3 MTD 多普勒滤波器组的设计
上一章我们对MTD 雷达原理进行了比较深刻的阐述，这一章我们来研究一下MTD 雷达中多普勒滤波器组的设计。
多普勒滤波器组是MTD 系统的核心，其性能决定MTD 的性能，其最简单的实现方法是采用离散傅里叶变换(DFT)。但DFT 滤波器组中的滤波器在零附近没有零陷，因而无法很好地抑制地杂波，使滤波器组输出的检测性能受到影响。所以，后来人们又在DFT 滤波器组之前加了MTI 处理，这样可以先用MTI 消掉地杂波，再用DFT 滤波器组进行滤波处理，由于DFT 滤波器组可以用快速傅里叶变换(FFT)实现，所以这种方法又称为MTD 的MTI 加FFT 实现法。因为FFT 可以节省很大的运算量，所以这种方法至今仍在大量使用，尤其是MTD 滤波器阶数较大时。由于FFT 的阶数一定要是2的整数幂，使得MTI 加FFT 实现法的应用受到了一定的限制，并且DFT 滤波器组位于MTT 之后，滤波器组的各滤波器增益受到MTT 滤波器频率响应的调制。所以目前人们感兴趣的MTD 滤波器组实现方法是采用FIR 滤波器组。尽管采用FIR 滤波器组要比MTT 加FFT 实现法的运算量大，但由于大规模集成电路和数字信号处理技术的飞速发展，目前FIR 滤波器组的实现己不成问题。对于FIR 滤波器组来说，可以灵活设计每个滤波器的权系数，使其幅度频率响应都在零频附近有较深的零陷，用于抑制地杂波。
下面来分别讨论一下快速傅里叶变换(FFT)和有限冲激响应(FIR)实现多普勒滤波器组这两种方法。
3.1 加权DFT 实现MTD 滤波
具有N 个输出的横向滤波器(N 个重复周期和N-1根延迟线)，经过各重复周期的不同加权并求和后，即可实现图2.2所要求的N 个相邻的窄带滤波器组。其原理性结构框图如图3.1所示。注意：实际实现中的延迟线是下一章将要介绍的输人缓存器。由于DFT 是一种特殊的横向滤波器，所以若将图3.1的加权因子按DFT 定义选择，并采用DFT 的快速算法FFT ，就可实现基于FFT 的MTD 滤波。
3.1.1 DFT 滤波器分析
如图 3.1所示，横向滤波器有N-1根迟延线，每根迟延线的迟延时间为r T 1/r f 。对一串由N 个脉冲组成的雷达回波信号作FFT ，若考虑矩形窗加权的
MTD 雷达中多普勒滤波器组的设计与实现
图3.1 MTD 横向滤波器结构
情况，则第k 个FFT 滤波器的输出端头加权值可表示为
[2(1)/]j i N k ik W e π--= 1,2,,i N =??? (3-1)
式中，i 表示第i 个抽头；k 表示0到1N -的标记，每一个k 值对应一组不同的加权值，相应地对应于一个不同的多普勒滤波器响应。这样，N 个相互接邻的滤波器即形成一个滤波器组，它覆盖了从0到r f 的频段。
由(3-1)可写出第k 个FFT 滤波器的冲激响应表示为
2(1)/1()[(1)]N
j i k N k r i h t t i T e πδ--==--∑ (3-2)
其傅立叶变换就是频率响应函数
2(1)2(1)(/)2(1)/11()r r N N
j f i T j i fT K N j i K N k i i H f e
e e πππ----+--====∑∑ 2(/)(/)(/)(/)
2(/)(/)(/)(/)11r r r r r r r r j N fT K N j N fT K N j N fT K N j N fT K N j fT K N j fT K N j fT K N j fT K N e e e e e e e e
ππππππππ-+-++-+-+-+-+-+--==?-- (/)(/)sin((/))sin((/))
r r j N fT K N r j fT K N r N fT K N e e fT K N πππ-+-++=?+ (3-3) 滤波器的幅频特性为 (/)(/)sin((/))sin((/))()sin((/))sin((/))
r r j N fT K N r r k j fT K N r r N fT K N N fT K N e H f e fT K N fT K N ππππππ-+-+++=?=++ (3-4) 其中k 表示滤波器号，每个滤波器均有形状相同、中心频率(即()k H f 取峰值的频率)不同的幅频特性，根据式(3-4)结果，其形状为一主瓣与两侧各个旁瓣
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的组合。图3.2给出了N=8时DFT 等效横向滤波器振幅特性的主瓣。
图3.2 N=8时DFT 等效横向滤波器的幅频响应
滤波器的峰值产生于sin[(/)]0r fT k N π-=或者(/)]0,,2r fT k N πππ-=，…当k =0时，滤波器峰值位置为120,,,r r
f T T =…，即滤波器的中心位置在零频率以及重复频率的整数倍处，这个滤波器可通过没有多普勒频移的杂波，因此对地杂波没有抑制能力。然而，它的输出在某些MTD 雷达中可以作提供杂波地图之用。这个滤波器的第一个零点出现在式(3-4)分子第一次取零值时，即1r f NT =时。在第一对零点之间的频带宽度为2r
NT ，而半功率带宽近似为0.9/r NT 。 当k =1时，峰值响应产生在1r f NT =以及1121,r r r r f f T NT T NT =+=+，等等。对k =2,峰值响应时的2,r
f NT =???依此类推。因而每一个k 值决定一个独立的滤波器响应。全部滤波器响应覆盖了从零到r f 的频率范围，由于信号的取样性质，
其余的频带按同样的响应周期覆盖，因而会在频率上产生模糊。每个滤波器的形状和k =0时的相同，只是滤波器的中心频率不同。图3.2所示的滤波器有时称为相参累积滤波器，因为通过该滤波器后，它将N 个相参脉冲累积，使信噪比提高N 倍(对白噪声而言)。
3.1.2 窄带滤波器组信号处理的优点
如上所述，由于每个窄带滤波器只占延迟线对消器通频带的大约1/N 宽度，
MTD雷达中多普勒滤波器组的设计与实现
因而其输出端的信噪比有相应的提高。对于白噪声，采用窄带滤波器组后信噪比应提高近N倍。对于有色杂波来说，各个滤波器输出端的改善因子亦均有提高(与延迟对消器比较)，但提高的程度不及白噪声情形。采用窄带滤波器组所以能较MTI对消器提高改善因子是因为它把频带细分后，各滤波器的杂波输出功率只有各自通带范围内的杂波谱部分，而不是整个多普勒频带内的杂波功率。但要注意到，杂波不仅由各滤波器的主瓣进入，而且未加权的滤波器由于其副瓣值较高(一13.2dB)而副瓣的频率位置又处于强杂波处，这时由副瓣进入的杂波将明显地降低其改善因子。解决的办法可以有两种：一种是在窄带滤波器组前面先采用对消器(一次或二次)，将杂波的主要部分滤去，这样后接的滤波器组中通过副瓣进入的杂波明显减少，各滤波器的改善因子会提高。这种方法实际上常用，因为滤去强杂波后，滤波器的动态范围可明显减小，利于技术实现；第二种办法是采用加权法降低各个滤波器的副瓣，同样可以提高改善因子，所付代价是滤波器的主瓣有所加宽。
窄带滤波器组对于运动杂波的抑制效果较好。来自鸟群或气象的运动杂波，其多普勒频率不是零频，普通对消器无法抑制它。如果不止一个运动杂波同时出现，则采用自适应对消抑制也很困难。但这种运动杂波可能出现在窄带滤波器组中的某一滤波器内，而每个滤波器的检测门限可以根据该滤波器内所含噪声和杂波的强弱而适时选定，如杂波强时门限值选高，这样就可以将运动杂波的影响排除，使之不影响出现于其它滤波器内的信号。
3.2 FIR实现MTD多普勒滤波器
由于一般地面雷达的重复频率不高(如1kHz左右，它是无模糊测距所要求的)，所以窄带滤波器的数目只需几个或十几个。因此在MTD的许多应用中，无需或者说无需刻意采用FFT算法，而直接采用图3.1所描述的相乘累加运算即可。这一横向滤波器实际上就是一典型的有限冲激响应滤波器(FIR)。20世纪80年代以后大规模集成电路技术的迅速发展带来高精度快速乘法累加器研制成功，使得FIR直接实现(而无需借助FFT等快速算法)多普勒滤波进人实用阶段。FIR作为MTD滤波器的更重要原因是：(1)可根据特殊的要求，采用比加权FFT更有效和更灵活的设计方法得到滤波器特性(如更低的旁瓣)；(2)不同频道(即组中的不同滤波器)更容易实现与目标及杂波速度分布相匹配的分别设计或选择控制。因
合肥工业大学理学院电子科学与技术2006届毕业论文集
此自适应多普勒滤波中多采用FIR 。
下面来探讨一下FIR 实现MTD 滤波的设计。
3.2.1 设计思路
经典的FIR 滤波器的设计方法有窗口法、频率采样法及其它一些采用最佳准则逼近的改进算法等。笼统地讲，最佳FIR 滤波器用作多普勒滤波器的设计思路和原则是：
1、在由系统整机要求确定了滤波器个数的前提下，应使分开设计的各滤波器主峰位置及形状在r f 内均匀(或基本均匀)覆盖，以至不丢失处于任何多普勒频
率(一般零多普勒除外)的目标；
2、在确定了各个滤波器的理想带通特性()k D f 后，按某一最佳准则并在所要求的指标(主要是改善因子及相关的主瓣带宽、旁瓣电平及特定处凹口深度等)的限制下使设计的滤波特性()k H f 逼近()k D f ；
3、按傅里叶逆变换获得每个滤波器的单位脉冲响应()k h n ，此即为横向滤波器的加权因子(系数)，k 对应滤波器号，0,1,,1F k N =???-；n 对应不同重复周期，0,1,,1n N =???-，一般有F N N =。
4、用选择的窗函数对()k h f 进行加窗
()()()k k h n h n w n = (3-5)
5、计算滤波器的频率响应
1
20()()N j fn k k i H f h f e π--==∑ (3-6)
3.2.2 MTD 多普勒滤波器组的设计
在进行多谱勒滤波器组设计之前，我们先来用FIR 设计一个滤波器，假设一理想特性的FIR 数字滤波器的理想带通特性()k D f 为
11,110,2()r r F F r r F F k f f f N N k k f f f f N N D f -≤<-
N =8 (3-7) 假设k =0,则
MTD 雷达中多普勒滤波器组的设计与实现
1
1,80110,82()r r r
f f f f f D f ≤<
根据傅立叶变换可以得出其单位冲激响应为 11112()2()222211000221()()(2)()2r r r r N N f f j f n j f n f f h n D f e d f D f e df ππππ------==??
112()821112()882182()2r r r r N f j f n N f f j f n f e e df j n πππ------==-? (3-9)
假如所选择的是矩形窗，则
000()()()()R h n h n n h n ω===112()8218
2()2r r N f j f n f e j n ππ--
-- ，12
N n -≤ (3-10) 其频率响应为
112()821118220000()()2()2r r N f j f n N N f j fn j fn n n e H f h n e e j n ππππ-------====-∑∑ ，12
N n -≤(3-11) 下图3.3是根据上面的频率响应在matlab 软件环境下画出的0()H f 的频率响应图0()H f 。
图3.3 滤波器幅频特性〔0k =)
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同理，也可以算出k=1,2,3,4,5,6,7时的频率响应
1()
H f，…，
7()
H f，这样组合就可以得到8点多普勒滤波器的频率响应图，如图3.4所示。
图3.4 8点多普勒滤波器的频率响应图
同样，我们也可以画出16点的多普勒滤波器的频率响应图，如图3.5所示。
图3.5 16点多普勒滤波器的频率响应图
从图3.4和图3.5可以看出，随着FFT点数的增多，滤波器的频率分辨率也在增大，也即雷达对速度的分辨率也越高。但是，随着FFT点数的增多，系统的运算量也在增大，这会影响系统的实时性。对FFT点数的选择需要综合系统对速度分辨率和实时性的要求以及雷达一个扫描周期内收到的回波数等因素来决定。
图3.4和图3.5体现出滤波器在全频段内都没有截止特性，这是一个误区，因为上述的任意一幅图都是由很多滤波器组成的，也就是说，8点FFT点数的滤波器是由8个滤波器组成的，16点FFT点数的滤波器是由16个滤波器组成的，同样，32点FFT点数的滤波器是由32个滤波器组成的。在实际的应用过程中，
多普勒雷达系统仿真
精品好文档，推荐学习交流 摘要 现代通信系统要求通信距离远、通信容量大、传输质量好，作为其关键技术之一的调制解调技术一直是人们研究的一个重要方向。本文以MATLAB为软件平台，充分利用其提供的通信工具箱和信号处理工具箱中的模块，对数字调制解调系统进行Simulink设计仿真，并且进行误差分析。 数字化正交数字化正交调制与解调是通信系统中十分重要的一个环节，针对不同的信道环境选择不同的数字化正交数字化正交调制与解调方式可以有效地提高通信系统中的频带利用率，改善接收信号的误码率。本设计运用Simulink仿真软件对二进制调制解调系统进行模型构建、系统设计、仿真演示、结果显示、误差分析以及综合性能分析，重点对BASK，BFSK，BPSK进行性能比较和误差分析。在实际应用中，视情况选择最佳的调制方式。 本文首先介绍了课题研究的背景，然后介绍系统设计所用的Simulink仿真软件，随后介绍了载波数字调制系统的原理，并根据原理构建仿真模型，进行数字调制系统仿真，最后对设计进行总结，并归纳了Simulink软件使用中需要注意的事项。本文的主要目的是对Simulink的学习和对数字调制解调理论的掌握和深化，为今后在通信领域继续学习和研究打下坚实的基础。 关键字：排通信系统，Simulink仿真，数字化调制解调，BASK，BFSK
精品好文档，推荐学习交流 ABSTRACT TheThe Modern communication systems require communication distance, large communication capacity, good transmission quality, as one of its key technologies modem technology has been an important direction for researchers. In this paper, MATLAB software platform, providing full use of its communications toolbox and signal processing toolbox module, digital modulation and demodulation system Simulink design simulation and error analysis. Modulation and demodulation is a very important part of the communication system, for different channel environment to select different modulation and demodulation system can effectively improve the spectrum efficiency in a communication system, improve the bit error rate of the received signal. This design using Simulink simulation software binary modulation and demodulation system modeling, system design, simulation demo showed that the error analysis and comprehensive performance analysis, focusing on the BASK, BFSK, BPSK performance comparison and error analysis. In practice, as the case may select the best modulation. This paper describes the background of the research, then describes the system design using Simulink simulation software, then introduced the carrier digital modulation system of principles, and build a simulation model based on the principle of digital modulation system simulation, and finally the design summary and induction Simulink software matters that need attention. The main purpose of this paper is to study and Simulink digital modem theory of mastery and deepening for the future to continue learning and research in the field of communication and lay a solid foundation. Key Words: queuing theory, demand management, telecom offices
第30卷 第6期航 空 学 报 Vol 130No 16 2009年 6月ACTA A ERONAU TICA ET ASTRONAU TICA SIN ICA J une 2009 收稿日期:2008204221;修订日期:2008210215基金项目:国家自然科学基金(60702070)通讯作者:彭卫E 2mail :pw7@https://www.doczj.com/doc/0917166011.html, 文章编号:100026893(2009)0621096207 基于常规多普勒滤波器组结构的 合成宽带距离像性能分析 彭卫1,汪学刚1,赵建宏1,吴宏刚2 (1.电子科技大学电子工程学院,四川成都 610054)(2.中国民航局第二研究所,四川成都 610041) Analysis of Synthetic Wideband R ange Prof ile B ased on Conventional Doppler Filter B anks Peng Wei 1,Wang Xuegang 1,Zhao Jianhong 1,Wu Honggang 2 (1.School of Electronic Engineering ,University of Electronic Science and Technology of China , Chengdu 610054,China ) (2.The Second Reseach Institude of Civil Aviation Administration of China ,Chengdu 610041,China ) 摘 要:为了消除散布效应对宽带信号的不利影响,可以利用多个窄带信号合成宽带信号;同时,通过在子带内处理相干脉冲串,可进行杂波抑制、目标速度估计和区分不同速度的目标。然而,在子带内分别使用常规多普勒滤波器组,会引进多普勒散布效应所造成的输出失配误差,从而造成合成距离像的失真。分析了多普勒散布效应与子带常规多普勒滤波器组输出失配之间的关系,推导了运动目标通过滤波器组后所成高分辨距离像的距离走动公式,给出了适合子带常规多普勒滤波器组的目标速度临界值。仿真实验验证了以上结论。 关键词:雷达成像;合成宽带波形;目标多普勒散布效应;子带;滤波器组中图分类号:TN95916 文献标识码:A Abstract :In order to prevent the deleterious effects of dispersion for wideband signals ,a wideband signal can be synthesized by combining coherently several individual narrow band components ;meanwhile ,clutter mitiga 2tion as well as estimation and discrimination of target velocity is enabled by processing the coherent pulse trains in each subband.However ,the separate and independent processing using conventional Doppler filter banks in a subband can introduce deleterious effects of target Doppler dispersion among subbands and cause distortion on synthesized one 2dimensional range profile.This article first analyzed the mismatch outputs of Doppler filter banks caused by target Doppler dispersion among subbands ,and then derived an equation to calculate the shift of high resolution range profile for moving targets and obtained a critical velocity suitable for conventional Doppler filter banks.The conclusion is verified by simulation results. K ey w ords :radar imaging ;synthetic wideband waveform ;target Doppler dispersion effects ;subband ;filter banks 高分辨距离像提供目标的距离向几何特征信息,这使得目标的识别及分类成为可能[122]。合成 宽带技术是当前获得高分辨距离像的最有效方法之一[324],其基本原理是发射和接收一系列不同中心频率的窄带脉冲信号,通过对回波脉冲进行运动补偿及相干合成,得到目标的高分辨距离像[5],例如,步进频率信号就是其中最典型的一种信号形式[6]。 由于脉冲之间的中心频率不一致,难于利用相干脉冲雷达的动目标显示(M TI )及动目标检测 (M TD )技术,这使得处于严重杂波环境下,如何 分辨不同速度目标并对其进行成像处理,成为合成宽带技术所遇到的最大挑战之一[728]。文献[9]提出步进频率信号使用两个同频脉冲一次对消地面杂波方法。文献[10]中提出了一种子带脉冲组串方法,即通过在每一个脉冲中心频率上,发射一组相干脉冲,通过脉组内传统多普勒滤波器组处理,得到目标速度估计,再通过脉组间的相干处理,获得距离高分辨的效果。由于空时自适应处理(STA P )的优异性能[11],文献[12]和文献[13]提出,在脉组内用STA P 技术,去除地面强 杂波,满足机载雷达地面动目标显示(GM TI )的要求;文献[14]讨论了合成宽带STA P 与地面
练习题2 1．业务运行的多普勒天气雷达通常采用体积扫描的方式观测。我国业务运行多普勒雷达通常采用的体描模式（VCP11、VCP21、VCP31）2．多普勒天气雷达与常规天气雷达的主要区别在于：前者可以测量目标物（沿雷达径向速度），从而大大加强了天气雷达对各种天气系统特别是（强对流天气系统）的识别和预警能力。 3．新一代雷达系统对灾害天气有强的监测和预警能力。对台风、暴雨等大范围降水天气的监测距离应不小于（400km）。 4．新一代雷达系统对灾害天气有强的监测和预警能力。对雹云、中气旋等小尺度强对流现象的有效监测和识别距离应大于（150km）。 5．新一代雷达观测的实时的图像中，提供了丰富的有关（强对流天气）信息。 6．新一代雷达速度埸中，辐合（或辐散）在径向风场图像中表现为一个最大和最小的径向速度对，两个极值中心连线和雷达射线（一致）。7．新一代雷达速度埸中，气流中的小尺度气旋（或反气旋），在径向风场图像中表现为一个最大和最小的径向速度对，但中心连线走向则与雷达射线相（垂直）。 8．新一代天气雷达观测采用的是北京时。计时方法采用24小时制，计时精度为秒。 9．速度场（零等值线）的走向不仅表示风向随高度的变化，同时表示雷达有效探测范围内的（冷、暖平流）。 10．在距离雷达一定距离的一个小区域内，通过对该区域内沿雷达径向速度特征的分析，可以确定该区域内的气流（辐合）、（辐散）和（旋转）等特征。 11．天气雷达是用来探测大气中降水区的（位置）、大小、强度及变化
12．气象目标对雷达电磁波的（散射）是雷达探测的基础。 13．气象上云滴、雨滴和冰雹等粒子一般可近似地看作是圆球。当雷达波长确定后，球形粒子的散射情况在很大程度上依赖于粒子直径D 和入射波长λ之比。对于（D远小于λ）情况下的球形粒子散射称为瑞利散射；而（D与λ尺度相当）情况下的球形粒子散射称为（Mie）米散射。 14．多普勒天气雷达使用低脉冲重复频率PRF测（反射率因子）,用高脉冲重复频率PRF测（速度）。 15．每秒产生的触发脉冲的数目，称为（脉冲重复频率），用PRF 表示。两个相邻脉冲之间的间隔时间，称为（脉冲重复周期），用PRT表示，它等于脉冲重复频率的（倒）数。 16．降水粒子产生的回波功率与降水粒子集合的反射率因子成（正比）。与取样体积到雷达的距离的平方成（反比）。 17．S波段天气雷达是（10）cm波长的雷达。 18．在天线方向上两个半功率点方向的夹角称为（c波束宽度）。19．在强回波离雷达（较近）时，有可能产生旁瓣造成虚假回波. 20．降水粒子的后向散射截面是随粒子尺度增大而（增大）。 21．0 dBZ、－10dBZ、30dBZ和40dBZ对应的Z值分别为（1）、（0.1）、（1000）、（10000） (mm6/m3)。 22．SA雷达基数据中反射率因子的分辨率为(1km×1°)。 23．写出Z-I关系的表达公式 (b Z ) AI 24．Ze的物理意义是（所有粒子直径的６次方之和）。 25．雷达反射率η是单位体积中，所有降水粒子的（雷达截面之和）。 26．雷达气象方程说明回波功率与距离的（二）次方成反比。
% ====================================================== =====================================% % 该程序完成16个脉冲信号的【脉压、动目标显示/动目标 检测（MTI/MTD）】 % ====================================================== =====================================% % 程序中根据每个学生学号的末尾三位（依次为XYZ）来决定仿真参数，034 % 目标距离为[3000 8025 9000+(Y*10+Z)*200 8025]，4个目标 % 目标速度为[50 0 (Y*10+X+Z)*6 100] % ====================================================== =====================================% close all; %关闭所有图形 clear all; %清除所有变量 clc; % ====================================================== =============================% % 雷达参 数 % % ====================================================== =============================% C=3.0e8; %光速(m/s) RF=3.140e9/2; %雷达射频 1.57GHz Lambda=C/RF;%雷达工作波长 PulseNumber=16; %回波脉冲数 BandWidth=2.0e6; %发射信号带宽带宽B=1/τ，τ是脉冲宽度TimeWidth=42.0e-6; %发射信号时宽 PRT=240e-6; % 雷达发射脉冲重复周期(s),240us对应 1/2*240*300=36000米最大无模糊距离 PRF=1/PRT; Fs=2.0e6; %采样频率
实验一 交叉耦合滤波器设计与仿真 一、 实验目的 1.设计一个交叉耦合滤波器 2.查看并分析该交叉耦合滤波器的S 参数 二、 实验设备 装有HFSS 13.0软件的笔记本电脑一台 三、 实验原理 具有带外有限传输零点的滤波器，常常采用谐振腔多耦合的形式实现。这种形式的特点是在谐振腔级联的基础上，非相邻腔之间可以相互耦合即“交叉耦合”，甚至可以采用源与负载也向多腔耦合，以及源与负载之间的耦合。交叉耦合带通滤波器的等效电路如下图所示。在等效电路模型中，e1表示激励电压源，R1、R2分别为电源内阻和负载电阻，ik （k=1,2,3,…,N ）表示各谐振腔的回路电流，Mij 表示第i 个谐振腔与第k 个谐振腔之间的互耦合系数(i,j=1,2,…,N ，且i ≠j)。在这里取ω0=1，即各谐振回路的电感L 和电容C 均取单位值。Mkk （k=1,2,3,…,N ）表示各谐振腔的自耦合系数。 n 腔交叉耦合带通滤波器等效电路如下图所示: ...1F 1/2H 1/2H 1/2H 1/2H 1/2H 1/2H 1H 1F 1F 1F ...i 1 i 2 i k i N i N M N ,1M k 1M kN M N 1 ,2-M 12 M k 2M N k 1 ,-M N N ,1-e 1 R 1 R 2 1F 1H 这个电路的回路方程可以写为 ?? ? ??? ? ?? ? ???????????????????????? ? ?? ???++=????????????????????---------N N N N N N N N N N N N n N N N N N i i i i i R s jM jM jM jM jM s jM jM jM jM jM s jM jM jM jM jM s jM jM jM jM jM s R e 13212,1321,11,31,21,131 ,3231321,22312 11,11312110000M Λ ΛM M ΛM M M ΛΛΛM 或者写成矩阵方程的形式：I R M sU ZI E )(0++==j
多普勒天气雷达原理与业务应用试题 1、新一代天气雷达主要有哪三个部分组成？ 答：雷达数据采集（RDA ）、雷达产品生成（RPG ）和主用户处理器（PUP ）。 2、雷达数据采集（Radar Data Acquisition ）简称RDA ，有哪几部分构成？ 答：发射机、天线、接收机和信号处理器。 3、主用户处理器（Principal User Processor ）简称PUP ，主要功能是什么？ 答：获取、存储和显示产品。 4、新一代天气雷达第一级数据是由接收机输出的模拟数据，第二级数据是由信号处理器产生的最高时空精度的高分辨率数据，称为 基数据 ；第三级数据是由RPG 生成的数据，称为 产品数据 。 5、新一代天气雷达有哪4种常用体扫模式？强对流天气过程中最好使用何种扫描模式？ 新一代天气雷达有VCP11、VCP21、VCP31、VCP32四种常用体扫模式。 强对流天气过程中最好使用VCP11体扫模式。 6、雷达气象方程为i i kdr t r r r h G P P 单位体积∑?=-σψπθφλ0 2.02 22210.)2(ln 1024，其中G 表示 天线增益 ，λ表示 雷达波长 ， σ表示 粒子的后向散射截面 。 7、在瑞利散射条件下， 单位体积 单位体积 ∑∑= 62 4 5||i i D k λπσ，定义反射率因子单位体积 ∑= 6 i D Z ，则雷达气象方程可表示为C P r Z r 2= ，其中22 23||)2(ln 1024K h G P C t λθφ π=。在不满足瑞利散射条件下，雷达气象方程要表示为同一形式C P r Z r e 2=，则e Z 称为 等效反射率因子 。 8、反射率因子和回波功率的表示形式分别定义为 0 lg 10Z Z dBZ ?=（10=Z 3 6/m mm ）和 min lg 10P P dB r ?=，将雷达气象方程 C P r Z r 2= 变换为
微带低通滤波器的设计与仿真 分类： 电路设计 嘿嘿，学完微波技术与天线，老师要求我们设计一个微带元器件，可以代替实验室里的元器件，小弟不才，只设计了一个低通滤波 器。现把它放到网上，以供大家参考。 带低通滤波器的设计 一、题目 第三题：低通滤波器的设计 f < 800MHz ；通带插入损耗 ；带外 100MHz 损耗 ；特性阻抗 Z0=50 Ohm 。 二、设计过程 1、参数确定：设计一个微带低通滤波器，其技术参数为 f < 800MHz ;通带插入损耗；带外100MHz 损耗；特性阻抗Z0=50 Ohm 。 介质材料：介电常数 ￡r = 2.65，板厚 1mm 。 2、设计方法：用高、底阻抗线实现滤波器的设计，高阻抗线可以等效为串联电感，低阻抗线可以等效为并联电容，计算各阻抗线的 宽度及长度，确保各段长度均小于 X /8(入为带内波长)。 3、设计过程： (1)确定原型滤波器：选择切比雪夫滤波器， ?s = fs/fc = 1.82 , ?s -1 = 0.82及Lr = 0.2dB , Ls >= 30，查表得N=5,原型滤波器的归 一化元件参数值如下： g1 = g5 = 1 .3394， g2 = g4 = 1.3370，g3 = 2.1660，gL= 1 .0000。 该滤波器的电路图如图 1 所示： O H 技术参数： 仿真软件： HFSS 、 ADS 或 IE3D 介质材料： 介电常数 ￡ r = 2.65板厚1mm
(2)计算各元件的真实值：终端特性阻抗为Z0=50?，则有 C1 = C5 =g1/(2*pi*f0*Z0) = 1.3394/(2*3.1416*8*10^8*50) = 5.3293pF , C3 = g3/(2*pi*f0*Z0) = 2.1660/(2*3.1416*8*10^8*50)= 8.6182pF , L2 = L4 = Z0*g2/(2* pi*f0) = 50*1.3370/(2*3.1416*8*10^8) = 13.2994nH。 (3)计算微带低通滤波器的实际尺寸: 设低阻抗(电容)为Z0I = 15?。 经过计算可得W/d = 12.3656, ￡ e = 2.443,贝U 微带宽度W1 = W3 = W5 = W = 1.000*12.3656 = 12.3656mm , 各段长度I1 = I5 = Z0I*V pl *C1 = 15* 3*10A11/sqrt(2.4437)*5.3293*10A-12 =15.3412mm， I3 = Z0I*V pl*C3 = 15* 3*10A11/sqrt(2.4437)*8.6182*10A-12 =24.8088mm， 可知各段均小于入/8符合要求。 设高阻抗(电感)为Z0h = 95? 。 经过计算可得W/d =0.85，￡ e = 2.0402则 微带宽度W2 = W4 = W =1.0000*0.85 =0.85mm ， 各段长度l2 = l4 = Vph*L2/Z0h = 29.4031mm ， 带内波长入=Vpl/f = 3*10^11/(sqrt(2.0402)*8*10^8) = 262.5396mm,入/8 = 32.8175mm 可知各段均小于入/8符合要求。
脉冲多普勒雷达的总结 1、适用范围 脉冲多普勒（PD）雷达是在动目标显示雷达基础上发展起来的一种新型雷达体制。这种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，因而能在较强的杂波背景中分辨出动目标回波。 2、PD雷达的定义及其特征 （1）定义：PD雷达是一种利用多普勒效应检测目标信息的脉冲雷达。 （2）特征：①具有足够高的脉冲重复频率（简称PRF），以致不论杂波或所观测到的目标都没有速度模糊。 ②能实现对脉冲串频谱单根谱线的多普勒滤波，即频域滤波。 ③PRF很高，通常对所观测的目标产生距离模糊。 3、PD雷达的分类 图1 PD雷达的分类图 ①MTI雷达（低PRF）：测距清晰，测速模糊 ②PD雷达（中PRF）：测距模糊，测速模糊，是机载雷达的最佳波形选择 ③PD雷达（高PRF）：测距模糊，测速清晰 4、机载下视PD雷达的杂波谱分析 机载下视PD雷达的地面杂波是由主瓣杂波、旁瓣杂波和高度线杂波所组成的。 、PRF 的选择 （1）高、中、低脉冲重复频率的选择 ①机载雷达在没有地杂波背景干扰的仰视情况下，通常采用低PRF加脉冲压缩。 ②迎面攻击时高PRF优于中PRF。尾随时，在低空，中PRF优于高PRF ;在高空，高PRF优于中PRF。 ③交替使用中、高PRF的方法，或者再加上在下视时采用低PRF的方法，并在低、中PRF时配合采用脉冲压缩技术，将是在所有工作条件下得到远距离探测性能的最有效的方
法。 （2）高PRF时重复频率的选择 ①使迎面目标谱线不落人旁瓣杂波区中: ②为了识别迎面和离去的目标： A、当接收机单边带滤波器对主瓣杂波频率固定时： B、当接收机单边带滤波器相对发射频率是固定时： 注：单边带滤波器的通带范围应从，单边带滤波器的中心频率是固定的，但偏离应为。 6、PD雷达的信号处理系统 PD雷达的信号处理系统主要由单边带滤波器、主瓣杂波抑制滤波器、零多普勒频率抑制滤波器、多普勒滤波器组、检波积累、转换器和门限等部分组成，下面总结各组成部分的特点及其实现方法。 （1）单边带滤波器 特点：带宽近似等于脉冲重复频率fr, 一般设置在中频； 从回波频谱中只滤出单根谱线； 避免了后面信号处理过程中可能产生的频谱折叠效应; 距离选通波门必须设在单边带滤波器之前; 要求带外抑制至少要大于60dB; 实现方法：采用石英晶体滤波器 （2）主瓣杂波抑制滤波器 特点：比目标回波能量要高出60-80dB； 主瓣杂波抑制滤波器的幅一频特性应是主瓣杂波频谱包络的倒数； 相当于一个白化滤波器，经过主瓣杂波抑制之后，后面的多普勒滤波器可以 按照白噪声中的匹配滤波理论来进行设计； 实现方法：首先确定它的频率，用一个混频器先消除变化的，就可以用一个固定频率的滤波器将其滤除. 确定主瓣杂波中心频率有两种方法:一种方法是利用频率跟踪； 另一种是由天线指向和载机飞行速度计算出主瓣杂波应有的多普勒频移，直接控制压 控振荡器去产生的振荡濒率。 （3）零多普勒频率抑制滤波器 特点：用于高度杂波的滤除； 同时抑制发射机直接进人到接收机的泄漏； 实现方法：①只需断开滤波器组中落人高度杂波区的那些子滤波器的输出； ②使用可防止检测高度线杂波专用的CFAR电路; ③使用航迹消隐器除去最后输出的高度线杂波。 （4）多普勒滤波器组 特点：是覆盖预期的目标多普勒频移范围的一组邻接的窄带滤波器； 起到了实现速度分辨和精确测量的作用； 可以设在中频，也可以设在视频；
任务书 雷达进行PD测速主要是利用了目标回波中携带的多普勒信息，在频域实现目标和杂波的分离，它可以把位于特定距离上、具有特定多普勒频移的目标回波检测出来，而把其他的杂波和干扰滤除。因此要求雷达必须具备很强的抑制杂波的能力，能在较强的杂波背景中分辨出运动目标的回波。 如今，不管是在军用还是民用上，雷达都在发挥着它很早重要的作用，与早期雷达采用距离微分方法测速相比，基于脉冲多普勒理论的雷达测速技术具有实时性好、精度高等优点。特别是现代相控阵技术在雷达领域的应用，实现了波束的无惯性扫描和工作方式的快速切换，更便于应用脉冲多普勒技术进行雷达测速。 本篇课程设计目的在于介绍脉冲多普勒雷达测速的原理，并对这种技术进行介绍和仿真。
摘要 脉冲多普勒(PD)雷达以其卓越的杂波抑制性能受到世人瞩目。现代飞行器性能的改进和导航手段的加强，使其能在低空和超低空飞行，因此防御低空入侵己成重要问题，由此要求机载雷达，包括预警机雷达和机载火控雷达具有下视能力，即要求能在强的地杂波背景中发现微弱的目标信号，所以现代的预警机雷达和机载火控雷达皆采用PD体制。脉冲多普勒雷达包含了连续波雷达和脉冲雷达两方面的优点，它具有较高的速度分辨能力，从而可以更有效地解决抑制极强的地杂波干扰问题;此外，脉冲多普勒雷达能够同时敏感地测定距离和速度信息;能够利用多普勒处理技术实现高分辨率的合成孔径图像;而且亦具有良好的抗消极干扰能力和抗积极干扰能力。 本文介绍了脉冲多普勒雷达测速的原理，信号处理。并用matlab简单的仿真了雷达系统对信号的处理. 关键词：脉冲多普勒雷达恒虚警脉冲压缩线性调频 Abstact Pulse Doppler (PD) radar is famous for it`s outsdanding clutter suppression.Modern aircraft`s function and GPS has been strengthen.now.it makes the aircraft can fly lower and lower.So.nowadays,Defensing.Low altitude invasion has been an important problem.so we require airborne radar. Early warning radar and airborne fire control radar have the ability to look down.That is to say.The radar is be required the ability to find Weak target signal in the strong Groung clutter.So .The modern airborne early warning radar and airborne fire control radar use the PD system.Pulse Doppler (PD) radar concludes two adervantages of Continuous wave radar and impulse radar.It has a higher velocity resolution.thus it can effectively.soveing the problem of strong ground clutter.what`s more.Pulse Dppler (PD) radar can Sensitive text the Distance and speed on the same time.Itcan use Doppler processing technology to realise Synthetic aperture images with high resolution. This article sinply introduced principle of pulse Doppler radar and signal
49 多普勒测风激光雷达系统 1.研究背景 大气风场信息是一项重要的资源，精确可靠的大气风场测量设备可提高风电可再生能源领域的利用率，改进气候气象学模型建立的准 确性，增强飞行器运行的安全性，因此在风电、航空航 天、气候气象、军事等领域都有着重要的意义。 风场信息测量的手段主要分为被动式和主动式两大类。传统的被动式测量装置有风速计、风向标和探空仪，主动式测量装置有微波雷达、声雷达等。风速计和风向标只能实现单点测量，借助测风塔后实现对应高度层的风场信息检测，这类传统装置易受冰冻天气影响，测风塔的搭建和维护也需要花费大量的人力物力，还存在移动困难和前期征地手续复杂等问题；微波雷达以电磁波作为探测介质，由于微波雷达常用波长主要为厘米波，与大气中的大尺寸粒子（如云、雨、冰等）相互作用产生回波，无法与大气中的分子或气溶胶颗粒产生作用，而晴空时大气中大尺寸粒子较少，因此微波雷达在晴空天气条件下将出现探测盲区。另外，微波雷达还具备庞大的收发系统也导致其移动困难；声雷达与微波雷达测量原理相似，不同的是将探测介质由微波改为了声波。声雷达的探测方式使得在夜间和高海拔地区易出现信噪比降低的情况甚至无法测量。因此，迫切需要补充新型的风场测量手段替代传统测风装置实现大气风场信息的测量。2. 测风激光雷达系统 2015年，南京牧镭激光科技有限公司成功研制出国产化测风激光雷达产品Molas B300，该产品基于多普勒原理可实现40～300 m 风场信息测 ■ 黄晨，朱海龙，周军 南京牧镭激光科技有限公司 第一作者 黄晨 量，风速测量精度可达0.1 m/s ，风向测量精度可达1°，数据更新率为1 Hz ，风速测量范围可达0～60 m/s 。测风激光雷达定位为外场应用装备，对环境适应性有较高要求，Molas B300可在外界温度范围为-40℃～50℃，相对湿度为0%～100%的环境条件下正常工作。除此以外，Molas B300体积小质量轻（约50 kg ）方便运输安装便捷，可显著降低项目前期施工时间。测风激光雷达采用激光作为探测介质，可与空气中微小颗粒发生相互作用，具有时空分辨率高、自动化程度高、安装简单易维护、移动便携性好等优势，可有效提高项目实施效率， 因此成为了最具前景的风场信息测量手段。 表1 各类风场探测技术的优缺点 探测技术优势 劣势风速计、风向标较高的水平分辨率， 成本低单点测量微波雷达三维风场探测，测量距离 可达100 km 晴空条件下不能使用，体积庞大声雷达三维风场探测探测距离较近，易受大气环境影响 测风激光雷达 三维风场探测，晴空下仍 能测量，移动便携性好 图1 测风激光雷达Molas B300
雷达信号matlab仿真
雷达系统分析大作 作 者： 陈雪娣 学号：0410420727 1. 最大不模糊距离： ,max 1252u r C R km f == 距离分辨率： 1502m c R m B ?= = 2. 天线有效面积： 22 0.07164e G A m λπ == 半功率波束宽度： 3 6.44o db G θπ == 3. 模糊函数的一般表示式为 () ()()2 2* 2 ;? ∞ ∞ -+= dt e t s t s f d f j d πττχ 对于线性调频信号 ()21 j t p p t s t ct e T T πμ??= ? ??? 则有： ()()2 21 ;Re Re p j t T j t d p p p t t f ct ct e e dt T T T πμπμτ χτ∞+-∞????+= ? ? ? ????? ? () ()()sin 1;11d p p d p d p p f T T f T f T T τπμττχττπμτ????+- ? ? ? ???????=- ? ?????+- ? ? ? ? 分别令0,0==d f τ可得()()2 2 0;,;0τχχd f ()() sin 0;d p d d p f T f f T πχπ=
()sin 1 ;01 1p p p p p T T T T T τπμττχττπμτ?? ??- ? ? ? ???????=- ? ?????- ? ?? ? 程序代码见附录1的T_3.m, 仿真结果如下:
4. 程序代码见附录1的T_4.m, 仿真结果如下:
脉冲多普勒雷达的总结 1、 适用范围 脉冲多普勒（PD ）雷达是在动目标显示雷达基础上发展起来的一种新型雷达体制。这种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，因而能在较强的杂波背景中分辨出动目标回波。 2、 PD 雷达的定义及其特征 （1） 定义：PD 雷达是一种利用多普勒效应检测目标信息的脉冲雷达。 （2） 特征：①具有足够高的脉冲重复频率（简称PRF ），以致不论杂波或所观 测到的目标都没有速度模糊。 ②能实现对脉冲串频谱单根谱线的多普勒滤波，即频域滤波。 ③PRF 很高，通常对所观测的目标产生距离模糊。 3、 PD 雷达的分类 图1 PD 雷达的分类图 ① MTI 雷达（低PRF ）：测距清晰，测速模糊 ② PD 雷达（中PRF ）：测距模糊，测速模糊，是机载雷达的最佳波形选择 ③ PD 雷达（高PRF ）：测距模糊，测速清晰 4、 机载下视PD 雷达的杂波谱分析 机载下视PD 雷达的地面杂波是由主瓣杂波、旁瓣杂波和高度线杂波所组成的。 表 1
5、PRF的选择 （1）高、中、低脉冲重复频率的选择 ①机载雷达在没有地杂波背景干扰的仰视情况下，通常采用低PRF加脉冲压缩。 ②迎面攻击时高PRF优于中PRF。尾随时，在低空，中PRF优于高PRF ;在高空，高PRF优于中PRF。 ③交替使用中、高PRF的方法，或者再加上在下视时采用低PRF的方法，并在低、中PRF时配合采用脉冲压缩技术，将是在所有工作条件下得到远距离探测性能的最有效的方法。 （2）高PRF时重复频率的选择 ①使迎面目标谱线不落人旁瓣杂波区中: ②为了识别迎面和离去的目标： A、当接收机单边带滤波器对主瓣杂波频率固定时： B、当接收机单边带滤波器相对发射频率是固定时： 注：单边带滤波器的通带范围应从，单边带滤波器的中心频率是固定的，但偏离应为。6、PD雷达的信号处理系统 PD雷达的信号处理系统主要由单边带滤波器、主瓣杂波抑制滤波器、零多普勒频率抑制滤波器、多普勒滤波器组、检波积累、转换器和门限等部分组成，下面总结各组成部分的特点及其实现方法。 （1）单边带滤波器 特点：带宽近似等于脉冲重复频率fr, 一般设置在中频； 从回波频谱中只滤出单根谱线；
1 多普勒天气雷达主要由几个部分构成？每个部分的主要功能是什么？ 答：主要由雷达数据采集子系统（RDA ），雷达产品生成子系统（RPG ），主用户终端子系统（PUP ）三部分构成。RDA 的主要功能是：产生和发射射频脉冲，接收目标物对这些脉冲的散射能量，并通过数字化形成基本数据。RPG 的主要功能是：由宽带通讯线路从RDA 接收数字化的基本数据，对其进行处理和生成各种产品，并将产品通过窄带通讯线路传给用户，是控制整个雷达系统的指令中心。PUP 的主要功能是：获取、存储和显示产品，预报员主要通过这一界面获取所需要的雷达产品，并将它们以适当的形式显示在监视器上。 2 多普勒天气雷达的应用领域主要有哪些？ 答：一、对龙卷、冰雹、雷雨大风、暴洪等多种强对流天气进行监测和预警；二、利用单部或多部雷达实现对某个区域或者全国的降水监测；三、进行较大范围的降水定量估测；四、获取降水和降水云体的风场信息，得到垂直风廓线；五、改善高分辨率数值预报模式的初值场。 3 我国新一代天气雷达主要采用的体扫模式有哪些？ 答：主要有以下三个体扫模式：VCP11——规定5分钟内对14个具体仰角的扫描，主要对强对流天气进行监测；VCP21——规定6分钟内对9个具体仰角的扫描，主要对降水天气进行监测；VCP31/VCP32——规定10分钟内对5个具体仰角的扫描（使用长脉冲），主要对无降水的天气进行监测。 4 天气雷达有哪些固有的局限性？ 答：一、波束中心的高度随距离的增加而增加；二、波束宽度随距离的增加而展宽；三、静锥区的存在。 5 给出雷达气象方程的表达式，并解释其中各项的意义。 答： P t 为雷达发射功率(峰值功率)； G 为天线增益；h 为脉冲长度； 、 ：天线在水平方向和垂直方向的波束宽度； r 为降水目标到雷达的距离； ：波长； m ：复折射指数； Z 雷达反射率因子。 6 给出反射率因子在瑞利散射条件下的理论表达式，并说明其意义。 答：∑= 单位体积6i D z ，反射率因子指在单位体积内所有粒子的直径的六次方的总和，与波长无关。 7 给出后向散射截面的定义式及其物理意义。 答： 定义：设有一个理想的散射体，其截面面积为?，它能全部接收射到其 上的电磁波能量，并全部均匀的向四周散射，若该理想散射体返回雷达天线处的电磁波能流密度，恰好等于同距离上实际散射体返回雷达天线的电磁波能流密度，则该理想散射体的截面面积?就称为实际散射体的后向散射截面。 物理意义：定量表示粒子后向散射能力的强弱，后向散射截面越大，粒子的后向散射能力越强，在同等条件下，它所产生的回波信号也越强。 8 什么是天气雷达工作频率？什么是天气雷达脉冲重复频率？ 答：工作频率——天气雷达发射的探测脉冲的震荡频率 脉冲重复频率——每秒产生的触发脉冲的数目 9 什么是波束的有效照射深度和有效照射体积？ 答：有效照射深度——雷达发出的探测脉冲具有一定的持续时间τ，在空间的电磁波列就有一定的长度h=τc ，在雷Z R C Z m m r h G p p t r ?=?+-=2 2222223212ln 1024λθ?πθ?λi S s R S 24πσ=
第28卷第5期 2004年9月大气科学Chinese Journal of Atmospheric Sciences Vol 128 No 15Sept.2004 2003205208收到,2003210214收到修改稿 3中国科学院百人计划和上海市光科技计划共同资助 基于斐索干涉仪的直接探测多普勒测风激光雷达 3刘继桥 陈卫标 胡企铨 (中国科学院上海光学精密机械研究所先进激光技术与应用系统实验室,上海201800) 摘 要 提出结合多光束斐索(Fizeau )干涉仪和CCD 探测器的条纹图像技术,测量地球边界层下的三维风场的直接探测多普勒激光雷达技术。在分析Fizeau 干涉仪的物理特性和光谱特性以及影响测量多普勒频移的因数和改进方法的基础上,提出一套切合实际的直接探测多普勒激光雷达系统参数。并利用该参数进行性能评估分析,模拟不同干涉仪参数对风速精度的影响,得出一个优化的干涉仪物理参数。模拟结果显示,系统可以获得小于1m s -1的水平风速精度。这些分析,为建立实际的激光雷达系统提供设计依据。 关键词:多光束斐索干涉仪;直接探测;多普勒激光雷达;风速 文章编号 100629895(2004)0520762209 中图分类号 P415 文献标识码 A 1 引言 大气风场是各种天气过程、大气化学成分循环和海气相互作用的主要动力,因此大气风场探测在气象、环境等领域中有着极其重要的地位。多普勒激光雷达已经被认为是精确测量三维风场的有效手段[1]。从全球风场的测量来看,直接探测多普勒激光雷达技术相对相干技术来说存在一定的优势[2]。边缘检测[3]和条纹图像[4]是目前直接探测多普勒激光雷达中最主要的两种多普勒频移测量技术。边缘检测常采用高分辨率的法—伯(FP )干涉仪[3]或者分子[5]、原子吸收线的翼作为鉴频器,其测量灵敏度依赖于分子和气溶胶的后向散射比和风速大小;条纹图像技术则是利用干涉条纹的移动直接测量多普勒频移。Mc G ill 等[6]详细分析、比较了两种测量技术,认为两种技术在风速测量精度十分接近。Mc Kay 等[7]从星载系统的角度比较两种技术,认为条纹图像技术更适合于研制星载激光雷达系统。 最初的条纹图像技术采用FP 干涉仪和图像光电探测器(IPD )得以实现,但这种多阳极光电倍增管的量子效率比较低,而且像元数很有限[8]。Irang 等[9]演示了利用CCD 探测器的条纹图像的直接探测激光雷达,系统利用复杂的二元光学技术将环形条纹转换成点阵[10],增加系统复杂性。因此,相关学者把目光转移到寻找更加适合的干涉仪来代替FP ,如M 2Z 干涉仪[11]和Fizeau 干涉仪[12]。Mc Kay [12]首次分析了利用Fizeau 干涉仪进行多普勒频移检测,其分析是较初步的,也没有针对具体系统进行分析。由于Fizeau 干涉形成的是直线条纹,这样可以利用量子效率较高的线阵固体探测