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雷达系统导论4四、动目标显示MTI(Moving Target Indicator)、脉冲多普勒雷达PD(Pulsed Doppler)按照《电气与电子工程师协会(IEEE)标准雷达定义》，多普勒雷达是一种利用多普勒效应来确定雷达—目标相对速度径向分量或选择具有径向速度目标的雷达[31]。
脉冲多普勒雷达：采用脉冲方式发射的多普勒雷达。
动目标显示：为增强检测并显示运动目标的一种技术。
共同特点：利用多普勒效应从与目标竞争的、多余的回波即所谓杂波中分离出小的运动目标，杂波是从地面、海、雨和其它流体、箔条、鸟类、昆虫以及极光反射得到的典型回波。
主要区别：《雷达系统导论》认为MTI、PD雷达的区别是它们在脉冲雷达系统中多普勒频移(相对速度)、距离(时延)测量模糊度上的差异。
用低脉冲重复频率(PRF)可以克服距离模糊，用高PRF可克服多普勒频率模糊，但一般难以同时克服两种模糊。
通常MTI雷达的PRF选得较低，以便能克服距离模糊(即没有多次回波)，但频率测量是模糊的并导致了盲速。
而PD雷达具有高的PRF，能克服盲速但存在距离模糊[3]p117~118。
《动目标显示和脉冲多普勒雷达》则认为MTI和PD雷达的区别不在于用低的、中等的或高的PRF，而在于MTI雷达是一个通带—阻带滤波器，而PD雷达是用一组相参积累滤波器。
因此有中PRF的MTI系统、低PRF的PD系统(如动目标检测器MTD)[31]p2。
MTI雷达利用一个梳状滤波器来消除杂波，滤波器的阻带设置在强杂波集中的范围上，而运动目标则通过杂波不占据的那些速度范围。
由于固定目标杂波背景的复杂性，MTI技术抑制地物杂波的能力往往受到限制，达不到对动目标检测的最佳效果。
PD雷达是分辨和增强在一个特定速度带内的目标，同时抑制掉杂波和感兴趣速度带外的其它回波，通常采用一个覆盖所感兴趣速度范围的、与目标响应匹配的相邻多普勒滤波器组，其作用是相对噪声而言相参地积累目标回波。
系统损耗下面讨论采用数字信号处理的PD 雷达所固有的但不一定是独有的某些损耗。
量化噪声损耗量化噪声损耗是由模/数转换处理过程中所引入的噪声产生的，以及由信号处理电路中有限字长的截断效应产生的[45]。
CFAR 损耗这是由检测门限非理想估值与理想的门限相比所造成的。
估计值的波动迫使门限均值高于理想门限值，因而产生了损耗。
多普勒滤波器的跨接损耗由于目标并不总是位于多普勒滤波器的中心，因而造成了多普勒滤波器的跨接损耗。
假设目标多普勒频率在一个滤波器频率范围内是均匀分布的，则可算出该损耗，而且它是FFT 副瓣加权的函数。
幅度加权损耗滤波器副瓣加权使多普勒滤波器的噪声带宽增加，从而导致了幅度加权损耗。
这种损耗可用多普勒滤波器噪声带宽的增量来考虑，而不看做另外的某种损耗。
脉冲压缩失配损耗脉冲压缩失配损耗是由于为了降低时间（距离）副瓣而引入失配产生的。
保护消隐损耗这是由保护通道寄生消隐造成的主信道检测损耗，如图17.9所示。
遮挡和距离波门跨接损耗由于遮挡，因此按式（17.20）给出的距离R 0可能是零或最大值之间的任意值，这取决于脉间目标回波的确切位置。
当PRF 较高时，会出现许多距离模糊，则扫描间的距离延迟可认为是随机的，且在脉间均匀分布。
在这种情况下，一种近似的性能度量是首先计算从零到脉冲间间隔全部模糊距离的平均检测曲线。
为获得与采用匹配波门接收发射脉冲无跨接时相同的检测概率，遮挡和距离波门跨接损耗等于系统所要求的信噪比提高。
由于检测概率的曲线形状不同，所以损耗取决于所选择的检测概率。
一种粗略的近似是脉间平均信噪比与匹配条件下的信噪比进行比较。
在M 个宽度为的相邻距离波门情况下，这些波门占据了除宽度为的发射脉冲之外的整个脉冲间隔，在信噪比基础上的平均的遮挡和跨接损耗为遮挡和跨接损耗= )1(3+M Y g t ττ= （17.21） 式中，Y 1=(1-R )(2+R ) M =1；Y =(1-R )(1-R +2X )+2+1.75(M -2) M >1, R ≥0.618;Y =(1-R )(1+R +Z )+(Z -R )[Z (Z +X )]+(1-Z )[Z (Z +1)+1]+1+1.75(M -2) M >1, R <0.618； Z =1/(1+X )；X=R -1；R =b /；b =第一个波门消隐的宽度；=发射脉冲t 和接收波门g 的宽度；M =相邻波门的数目。
保护通道保护通道的工作原理是通过比较两个并行接收通道的输出，其中一个与主天线连接，另一个与保护天线连接，以判断接收的信号是来自主波束还是来自副瓣[26]~[28]。
保护通道使用宽波束天线，理想上其天线方向图超过主天线的副瓣。
两个信道的回波在同一个距离单元、同一个多普勒滤波器单元中进行比较。
当在保护接收机中的副瓣回波较大时，副瓣回波被抑制（消除）；而主波束回波则通过，因为主通道接收的回波较大。
图17.8是保护通道的方框图。
CFAR电路后（在理想条件下，两个通道是相同的）有3个门限，即主通道门限、保护通道门限及主通道与保护通道信号比门限。
这些门限的检测逻辑如图17.8所示。
由于主通道和保护通道比较而产生的消隐将影响主通道的目标检测性能，因此影响的程度是门限设置的函数。
门限设置是由副瓣杂波引起的虚警与主通道检测性能损耗间的折中。
图17.9是一个不起伏目标回波的例子。
图中，纵坐标是最后输出的检测概率，横坐标是主通道中的信噪比（SNR）。
如图17.10所示中的B2是保护通道SNR与主通道SNR之比。
目标位于主波束时，B2值小；而在副瓣峰值时，B2值则大，约为0dB左右。
在该例中，对主波束中目标而言，由于保护通道的消隐作用，因此检测性能损耗0.5dB。
图17.8双通道副瓣消隐器框图图17.9 采用保护通道的检测概率与信噪比之间的关系曲线图17.10 主天线和保护天线的方向图理想情况下，保护天线方向图增益在除主波束方向外的所有方向上都将超过主天线方向图的增益，从而使雷达通过副瓣检测到的目标数最小。
如果不是那样，则如图17.10所示的保护天线方向图上的副瓣峰点处目标回波将在主信道具有较大的检测概率，这将形成虚警。
检波后STC消隐离散副瓣杂波的第二种方法是采用检波后STC[29]。
其逻辑框图如图17.11所示。
基本上，CFAR的输出数据将在距离上相关（解析）3次。
每个相关器采用M/N准则来计算不图17.11单通道副瓣消隐逻辑框图模糊距离。
脉冲多普勒雷达的总结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f rhtnin >2/ThTT ^ 多普勒中心频率 变化范围 特点主瓣杂波 仏二人僚）=于co 喊 ±2血/入①强度比雷达接收机的噪声强70-90dB ② 与天线主波束的宽度、方向角、载机速度、发射信号波长有 关 旁瓣杂波① 当PDJ 达不运动时，旁瓣杂波与主瓣杂波在频域上相重合； ② 当PDJ 达运动时，旁瓣杂波与主瓣杂波就分布在不同的频域上 高度线杂波/d 宙=90° ① 机载下视PDJ 达做平行于地面的运动 ② 在零多普勒频率处总有一个较强的“杂波" 无杂波区+ 丁 co 引斷 ① 恰当选择雷达信号的PRF 使得其地面杂波既不重叠也不连接 ② 其频谱中不可能有地面杂波，只有接收机内部热噪声的部分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PRF③ 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。
脉冲多普勒的英文缩写
脉冲多普勒的英文缩写是PD (Pulse Doppler)。
脉冲多普勒（Pulse Doppler）是一种用于测量和分析物体相对速度的雷达技术。
它结合了脉冲雷达和多普勒效应的原理，可以提供更详细的目标信息，如目标速度、方向和距离。
脉冲多普勒雷达工作原理是通过发送短脉冲信号并接收回波信号来测量目标的速度。
当脉冲信号与目标相交时，回波信号中会出现多普勒频移。
通过测量这种频移，可以计算出目标相对于雷达的速度。
脉冲多普勒雷达具有许多优点。
首先，它可以抑制静止或低速目标的回波信号，从而减少背景噪声的干扰。
其次，它可以提供目标的速度信息，这对于追踪移动目标、识别飞行器或车辆速度以及监测天气现象非常有用。
此外，脉冲多普勒雷达还可以实现目标的距离测量，因此在军事、航空航天、气象和交通等领域得到广泛应用。
脉冲多普勒雷达在军事领域的应用非常重要。
它可以用于侦测敌方飞机、导弹和地面车辆等目标的速度和距离。
通过分析多个雷达回波信号，可以获得更多的目标信息，如目标的运动轨迹和加速度。
这些信息对于作战决策和防御策略至关重要。
此外，脉冲多普勒雷达也在民用领域得到广泛应用。
它被用于航空交通管制系统中，以提供飞机的速度和距离信息，确保空中交通的安全性。
此外，它还可以用于天气雷达，以监测和预测降水、风暴和龙卷风等天气现象。
总之，脉冲多普勒技术的发展使得雷达在目标检测和跟踪方面取得了巨大的进步。
它的应用范围广泛，对于军事、航空航天、气象和交通等领域都具有重要意义。
脉冲多普勒雷达原理
脉冲多普勒雷达（Pulse-Doppler radar）是一种利用脉冲信号和多普勒效应来测量目标运动状态的雷达系统。
其原理涉及到以下几个关键概念和过程。
首先，雷达系统会发射短暂、高功率的脉冲信号。
这些脉冲信号会沿着发射方向传播，并在探测到目标后被反射回来。
当脉冲信号遇到一个静止的目标时，反射信号的频率与发送频率相同，因为目标对信号的回波没有任何变化。
然而，当目标相对于雷达系统运动时，反射信号的频率会发生变化，这就是多普勒效应。
多普勒效应是由于目标的运动引起的，它会导致回波信号的频率发生变化。
当目标以接近雷达的速度靠近时，回波频率会比发送频率更高；当目标以远离雷达的速度远离时，回波频率会比发送频率更低。
利用多普勒效应，雷达系统可以通过测量回波信号的频率来确定目标的速度。
此外，雷达系统还可以通过比较不同时间内的回波信号来确定目标的位置和运动方向。
脉冲多普勒雷达系统通常使用特殊的信号处理技术来处理接收到的回波信号。
这包括时域滤波和频域分析等方法。
通过这些技术，雷达系统可以提取出目标的速度、距离和方向等关键参数。
总的来说，脉冲多普勒雷达利用脉冲信号和多普勒效应实现对目标运动状态的测量。
通过测量回波信号的频率变化，雷达系统可以确定目标的速度、距离和方向等关键信息。
这使得脉冲多普勒雷达成为了许多应用中非常重要的一种雷达技术。
第17章脉冲多普勒（PD）雷达William H.LongDavid H.MooneyWilliam A.Skillman17.1 特性和应用术语在本章中，脉冲多普勒（PD）一词适用于下列雷达：（1）雷达采用相参发射和接收，即发射脉冲和接收机本振信号都与一个高稳定的自激振荡器信号同步；（2）雷达的PRF足够高，距离是模糊的；（3）雷达采用相参处理来抑制主瓣杂波，以提高目标的检测能力和辅助进行目标识别或分类。
应用PD主要应用于那些需要在强杂波背景下检测动目标的雷达系统。
表17.1列出了PD的典型应用[1]~[10]和要求。
虽然PD的基本原理也可应用于地面雷达，但本章主要讨论PD在机载雷达中的应用。
表17.1 PD的典型应用和要求脉冲重复频率PD雷达通常可分为两大类，即中PRF和高PRF的PD雷达[11]。
在中PRF的PD雷达[12]~[14]中，我们所关心的目标距离、杂波距离和速度通常都是模糊的。
但在高PRF的PD雷达中[15]，只有距离是模糊的，而速度是不模糊的（或如后面所讨论的最多只有一阶速度模糊）。
在通常被称为动目标显示器（MTI）[16]的低PRF雷达中，人们所关心的距离是不模糊的，但速度通常是模糊的。
尽管MTI雷达和PD雷达的工作原理是相同的，但通常并不把它也列入PD雷达。
表17.2给出了MTI和PD雷达的比较。
表17.2 MTI雷达和PD雷达的比较优点缺点MTI 雷达低PRF 1．根据距离可区分目标和杂波；2．无距离模糊；3．前端STC抑制了副瓣检测和降低对动态范围的要求。
1．由于多重盲速，多普勒能见度低；2．对慢目标抑制能力低；3．不能测量目标的径向速度。
PD雷达中PRF1．在目标的各个视角都有良好的性能；2．有良好的慢速目标抑制能力；3．可以测量目标的径向速度；4．距离遮挡比高PRF时小。
1．有距离幻影；2．副瓣杂波限制了雷达性能；3．由于有距离重叠，导致稳定性要求高。
PD雷达高PRF1．在目标的某些视角上可以无副瓣杂波干扰；2．惟一的多普勒盲区在零速；3．有良好的慢速目标抑制能力；4．可以测量目标的径向速度；5．仅检测速度可提高探测距离。
1．副瓣杂波限制了雷达性能；2．有距离遮挡；3．有距离幻影；4．由于有距离重叠，因此导致稳定性要求高。
脉冲多普勒频谱PD雷达的发射频谱由位于载频f0和边带频率f0 i f R上的若干离散谱线组成。
其中，f R 为PRF；i为整数。
频谱的包络由脉冲的形状决定。
对常用的矩形脉冲而言，其频谱的包络是(sin x)/x。
固定目标的接收频谱谱线有正比于雷达平台和目标之间视线或径向速度的多普勒频移。
电磁波往返的多普勒频移为f d = (2V R/)cos0。
式中，为雷达波长；V R为雷达平台的速度；0为速度矢量和目标视线之间的夹角。
图17.1给出的是来自连续杂波（诸如地物回波或云雨杂波）和离散目标（诸如飞机、汽车、坦克等）回波的频谱。
图17.1 水平运动平台的杂波和目标频谱图17.2给出了当雷达平台以速度V R水平移动时的无折叠频谱，即没有邻近脉冲重复频率谱线的频谱折叠。
无杂波区是指那些不存在地物杂波的频谱区（中PRF通常不存在无杂波区）。
宽度为4V R/的副瓣杂波区包含由天线副瓣进入的地杂波功率，在某些区域其杂波功663 / 43率可能低于噪声功率。
位于f0+(2V R/)cos0的主波束区，包含天线主波束及由速度矢量测得的扫描角0扫过地面所产生的强回波。
当主波束照射到雨或箔条云时，也会产生强的雨或箔条杂波。
此外，由于风的影响，其频谱在频域上会发生位移或展宽。
图17.2 无折叠频谱图（无杂波跟踪）若雷达平台的垂直运动速度为零，则由雷达平台正下方几乎垂直处的地面所产生的高度线杂波落在零多普勒频移上。
由主波束返回的离散目标回波的频谱位于f T = f0+(2V R/)cos+ (2V T/)cos T。
式中，V T为目标速度；T为雷达目标视线和目标速度矢量之间的夹角。
0图17.2的频谱成分随距离的变化而变化，以后还将讨论。
图17.3示出各种不同的杂波多普勒频率区。
它们是天线方位和雷达与目标之间相对速度的函数，再次说明是对无折叠频谱而言。
纵坐标是目标速度的径向或视线分量，以雷达平台的速度为单位，因而主波束杂波区位于零速度处，而副瓣杂波区频率边界随天线方位成正弦变化。
这就给出了目标能避开副瓣杂波的多普勒区域。
例如，若天线方位角为0，则任一迎头目标（V T cos T>0）都能避开副瓣杂波；反之，若雷达尾追目标（T = 180和0 = 0），则目标的径向速度必须大于雷达速度的2倍方能避开副瓣杂波。
无副瓣杂波区和副瓣杂波区还可以用如图17.4所示的目标视角来表示[14]。
这里假设截击几何图为雷达和目标沿直线飞向一截获点。
当雷达速度V R和目标速度V T给定时，雷达观测角0和目标的视角T是常数。
图的中心为目标，并且指向位于圆周上雷达的角度为视角。
视角和观测角满足关系式V R sin0=V T sin T，是按截击航向定义的。
迎头飞行时，目标的视角为0，尾追时则为180。
对应于副瓣杂波区和无副瓣杂波区之间的边界视角是雷达-目标相对速度比的函数。
如图17.4给出了4种情况。
情况1是雷达和目标的速度相等，并且在目标速度矢量两侧、视角从迎头～60都是能观测目标的无副瓣杂波区。
同样，情况2～情况4的条件是目标速度为雷达速度的0.8倍、0.6倍和0.4倍。
在这三种情况中，能观测目标的无副瓣杂波区将超过相对目标速度矢量的视角，可达78.5。
再次说明，上述的情况都假设是在截击航路上。
很明显，目标无副瓣杂波区的视角总是位于波束视角的前方。
665 /43图17.3 杂波区和无杂波区与目标速度和方位的关系注意：高度线杂波区和主波束杂波区的宽度随条件而变，根据雷达平台速度矢量至天线口径视向或至目标视线的角度测得方位角，水平运行情况图17.4 无副瓣杂波区与目标视角的关系图模糊和PRF 的选择PD 雷达的距离或多普勒频率通常是模糊的或者二者都是模糊的。
不模糊距离R u 为c /2f R 。
其中，c 为光速；f R 为PRF 。
如果被观测的最大目标速度是V Tmax ，则若想在速度上（大小和多普勒符号，即正的和负的）不模糊，那么最小的脉冲重复频率值f Rmin 为λ/4m ax T m in R V f = （17.1）然而，某些PD 雷达采用仅速度大小上无模糊的PRF ，即f Rmin =2V Tmax /，并依靠在照射目标期间用多重PRF 检测来解决多普勒符号上的模糊问题。
如果过去的高PRF （没有速度模糊）雷达的定义扩展为可允许一个多普勒符号的速度模糊，则这些雷达可归属为高PRF 类雷达。
这种较低PRF 不仅可保留高PRF 在零多普勒频率附近只有一个盲速区的优点，而且还使目标距离测量变得容易。
高PRF 和中PRF 之间的选择涉及许多考虑，如发射脉冲占空比限制、脉冲压缩可行性、信号处理能力、导弹照射要求等，但通常取决于目标全方位可检测性的需要。
全方位覆盖要求具有良好的尾追性能，此时目标多普勒频率位于副瓣杂波区中并接近于高度线。
在高PRF 雷达中，距离折叠使距离维几乎无清晰区，因此降低了目标的探测能力。
若采用较低的或中PRF ，则距离上的清晰区增大，但这是以高多普勒目标的速度折叠为代价的，而在高PRF 时，它们位于无杂波区。
例如，图17.5在距离-多普勒坐标上画出了杂波加噪声与噪声之比。
其中，高度取6 000ft ，PRF 取12kHz 。
图中画出了主波束杂波、高度线杂波和副瓣杂波。
距离坐标表示不模糊距离间隔R u ，频率坐标表示PRF 间隔。
由图可知，存在一个副瓣杂波低于热噪声且具有较好目标检测能力的距离-多普勒区。
主波束杂波可用滤波器滤除。
图17.5 在距离-多普勒空间上的杂波加噪声与噪声之比因为中PRF 在距离和多普勒频率上杂波是折叠的，因此需要采用多重PRF 来取得令人满意的检测概率，以解决距离模糊和多普勒模糊。
多重PRF 通过移动无杂波区的相对位置以达到对目标的全方位覆盖。
由于副瓣杂波通常覆盖人们感兴趣的多普勒频率区，因此低于噪声的副瓣杂波区和整个距离-多普勒空间之比是雷达高度、雷达速度和天线副瓣电平的函数。
若采用高PRF 波形，则由于在不模糊距离间隔内（假定目标多普勒仍然与副瓣杂波抗争）副瓣杂波折叠，因此距离清晰区也就没有了。
然而，在如图17.3和17.4所示的无副瓣杂波的多普勒区中，目标的检测能力仅受限于热噪声，而与雷达高度、速度和副瓣电平无关。
对那些最恶劣的主波束杂波情况而言，要求系统稳定边带远低于噪声。
总之，尽管中PRF 可提供全方位的目标覆盖，但是目标在全方位上都要与副瓣杂波抗争，而用高PRF，目标在波束前方无副瓣杂波。
基本组成图17.6是PD雷达的典型组成，采用在中央计算机控制下的数字信号处理结构，包括发射机抑制电路、主波束和独立的副瓣抑制电路及模糊解算器。
雷达计算机在接收机载系统的输入（如惯导单元和操纵员控制指令）后，如同一位熟练的控制员那样完成对雷达的控制。
它本身还包含跟踪回路、自动增益控制（AGC）滤波回路、天线扫描方式产生器及杂波定位和目标处理功能（如求质心）。
此外，当雷达采用边扫描边跟踪方式时，计算机可完成多目标跟踪功能，而且还可完成雷达的自检和例行校准。
为简单起见，图中仅给出搜索处理组成。
收发开关在PD雷达中，收发开关通常都是诸如环行器之类的无源器件，可在发射和接收之间将天线有效地切换。
由于铁氧体环行器隔离度的典型值为20～25dB，因此尚有相当大的能量耦合到接收机。
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漏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距离门中的灵敏度降低减至最小，接收机保护器必须具有快速恢复的能力。
射频衰减器射频（RF）衰减器不仅可抑制由R/P进入接收机的发射机泄漏（这就不会使接收机发生饱和，否则将延长发射机关机后的恢复时间），而且能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保持在低于饱和电平。
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降低。
杂波定位通常，作为稳定本振一部分的压控振荡器（VCO）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。
这是因为由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。
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漏，是一种波门选通器件。
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（dc）信号。
