第8章运动目标检测及测速8.1多卜勒效应及其在雷达中的应用在雷达发射站处接收到由目标反射的回波信号sr(t)为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)为回波信号比起发射信号来,高频相位差多卜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.窄带信号时的多卜勒效应常用雷达信号为窄带信号(带宽远小于中心频率)。其发射信号可以表示为当目标相对雷达站匀速运动时,按式(8.1.2)近似地认为其延迟时间tr为附注:下面从式(8.1.1)出发,较严格地讨论运动目标回波的特点。在t时刻收到的回波是在t-tr时刻发射的,而照射到目标上的时间是t′=t-(1/2)tr,照射时的目标距离为将tr代入式(8.1.1)可得运动目标回波为即信号角频率的变化值ωd=(2vr/c)ω0=2π2vr/λ,为多卜勒频移。近似后的结果,与常用的多卜勒频率表达式(8.1.3)相同。对于窄带发射信号而言,要严格地讨论运动目标回波的特点,可将式(8.1.6)代入式(8.1.4)后,得到的结果是:由式(8.1.8)可以讨论窄带信号时的运动目标回波的几个特点:(1)由指数项,信号角频率已变为,通常总满足c>>vr,故角频率可作近似简化处理，得到信号角频率的变化量为(2)对于复数包络u(t)来讲,但在雷达的大多数应用情况下,上述复包络变化的效应可以忽略。设发射信号的时宽为τ,由于忽略时间轴伸缩所引起的时间误差为这个条件是经常满足的,例如若目标速度为10倍音速,vr=3.3×103m/s,则2vr/c≈2×10-5,这样即使信号的时间带宽积τΔf为1000数量级时,不等式(8.1.9)仍能满足。以上讨论均忽略了目标加速度引起的影响。可以看出,在当前目标运动的速度范围内,运动目标回波的表达式(8.1.4)可以近似为回波信号产生的多卜勒频移可由发射站到目标的距离Rt加上由目标到接收站的距离Rr随时间变化求得：8.1.2多卜勒信息的提取已经知道,回波信号的多卜勒频移fd正比于径向速度，而反比于雷达工作波长λ,即1.连续波多卜勒雷达为取出收发信号频率的差频,可以在接收机检波器输入端引入发射信号作为基准电压,在检波器输出端即可得到收发频率的差频电压,即多卜勒频率电压。这时的基准电压通常称为相参(干)电压,而完成差频比较的检波器称为相干检波器。相干检波器就是一种相位检波器,在其输入端除了加基准电压外,还有需要鉴别其差频率或相对相位的信号电压。图8.1(a)~(c)画出了连续波多卜勒雷达的原理性组成方框图、获取多卜勒频率的差拍矢量图及各主要点的频谱图。图8.1连续波多卜勒雷达原理框图(a)组成框图;(b)多卜勒频率差拍矢量;(c)频谱图发射机产生频率为f0的等幅连续波高频振荡,其中绝大部分能量从发射天线辐射到空间,很少部分能量耦合到接收机输入端作为基准电压。混合的发射信号和接收信号经过放大后,在相位检波器输出端取出其差拍电压,隔除其中直流分量,得到多卜勒频率信号送到终端指示器。对于固定目标信号,由于它和基准信号的相位差φ=ω0tr保持常数,故混合相加的合成电压幅度亦不改变。当回波信号振幅Ur远小于基准信号振幅U0时,从矢量图上可求得其合成电压为包络检波器输出正比于合成信号振幅。对于固定目标,合成矢量不随时间变化,检波器输出经隔直流后无输出。而运动目标回波与基准电压的相位差随时间按多卜勒频率变化。即回波信号矢量围绕基准信号矢量端点以等角速度ωd旋转,这时合成矢量的振幅为2.脉冲工作状态时的多卜勒效应脉冲雷达是最常用的雷达工作方式。当雷达发射脉冲信号时,和连续发射时一样,运动目标回波信号中产生一个附加的多卜勒频率分量。所不同的是目标回波仅在脉冲宽度时间内按重复周期出现。图8.2画出了利用多卜勒效应的脉冲雷达方框图及各主要点的波形图,图中所示为多卜勒频率fd小于脉冲宽度倒数的情况。图8.2利用多卜勒效应的脉冲雷达(a)原理方块图;(b)主要波形图;(c)A显画面(对消前)图8.2利用多卜勒效应的脉冲雷达(a)原理方块图;(b)主要波形图;(c)A显画面(对消前)图8.2利用多卜勒效应的脉冲雷达(a)原理方块图;(b)主要波形图;(c)A显画面(对消前)和连续波雷达的工作情况相类比:发射信号按一定的脉冲宽度τ和重复周期Tr工作。由连续振荡器取出的电压作为接收机相位检波器的基准电压,基准电压在每一重复周期均和发射信号有相