【文章內(nèi)容簡介】 。式中為單個脈沖的匹配濾波器，通常由接收機(jī)中放實(shí)；專對相參脈沖串進(jìn)行匹配濾波，它利用了回波脈沖串的相位特性而進(jìn)行相參積累。根據(jù)有關(guān)回波脈沖串的頻譜分析可以想象應(yīng)是梳齒形濾波器，齒的間隔為脈沖重復(fù)頻率，齒的位置取決于回波信號的多普勒頻移，而齒的寬度則應(yīng)和回波譜線寬度相一致。要對回波相參脈沖串作匹配濾波，必須知道目標(biāo)的多普勒頻移以及天線掃描對脈沖串的調(diào)制情況(亦即信號的時寬，對簡單信號而言它決定信號的頻寬)。實(shí)際情況中，多普勒頻移不能預(yù)知，因此需要采用一組相鄰且部分重疊的濾波器組，覆蓋整個多普勒頻率范圍，這就是窄帶多普勒濾波器組。 動目標(biāo)顯示濾波器和多普勒濾波器組的特性(a)動目標(biāo)顯示濾波；(b)多普勒濾波器組的特性3 MTD多普勒濾波器組的設(shè)計(jì)上一章我們對MTD雷達(dá)原理進(jìn)行了比較深刻的闡述，這一章我們來研究一下MTD雷達(dá)中多普勒濾波器組的設(shè)計(jì)。多普勒濾波器組是MTD系統(tǒng)的核心，其性能決定MTD的性能，其最簡單的實(shí)現(xiàn)方法是采用離散傅里葉變換(DFT)。但DFT濾波器組中的濾波器在零附近沒有零陷，因而無法很好地抑制地雜波，使濾波器組輸出的檢測性能受到影響。所以，后來人們又在DFT濾波器組之前加了MTI處理，這樣可以先用MTI消掉地雜波，再用DFT濾波器組進(jìn)行濾波處理，由于DFT濾波器組可以用快速傅里葉變換(FFT)實(shí)現(xiàn)，所以這種方法又稱為MTD的MTI加FFT實(shí)現(xiàn)法。因?yàn)镕FT可以節(jié)省很大的運(yùn)算量，所以這種方法至今仍在大量使用，尤其是MTD濾波器階數(shù)較大時。由于FFT的階數(shù)一定要是2的整數(shù)冪，使得MTI加FFT實(shí)現(xiàn)法的應(yīng)用受到了一定的限制，并且DFT濾波器組位于MTT之后，濾波器組的各濾波器增益受到MTT濾波器頻率響應(yīng)的調(diào)制。所以目前人們感興趣的MTD濾波器組實(shí)現(xiàn)方法是采用FIR濾波器組。盡管采用FIR濾波器組要比MTT加FFT實(shí)現(xiàn)法的運(yùn)算量大，但由于大規(guī)模集成電路和數(shù)字信號處理技術(shù)的飛速發(fā)展，目前FIR濾波器組的實(shí)現(xiàn)己不成問題。對于FIR濾波器組來說，可以靈活設(shè)計(jì)每個濾波器的權(quán)系數(shù)，使其幅度頻率響應(yīng)都在零頻附近有較深的零陷，用于抑制地雜波。下面來分別討論一下快速傅里葉變換(FFT)和有限沖激響應(yīng)(FIR)實(shí)現(xiàn)多普勒濾波器組這兩種方法。 加權(quán)DFT實(shí)現(xiàn)MTD濾波具有N個輸出的橫向?yàn)V波器(N個重復(fù)周期和N1根延遲線)，經(jīng)過各重復(fù)周期的不同加權(quán)并求和后。注意：實(shí)際實(shí)現(xiàn)中的延遲線是下一章將要介紹的輸人緩存器。由于DFT是一種特殊的橫向?yàn)V波器，并采用DFT的快速算法FFT，就可實(shí)現(xiàn)基于FFT的MTD濾波。 DFT濾波器分析，橫向?yàn)V波器有N1根遲延線，每根遲延線的遲延時間為。對一串由N個脈沖組成的雷達(dá)回波信號作FFT，若考慮矩形窗加權(quán)的 MTD橫向?yàn)V波器結(jié)構(gòu)情況，則第個FFT濾波器的輸出端頭加權(quán)值可表示為 (31)式中，表示第個抽頭；表示0到的標(biāo)記，每一個值對應(yīng)一組不同的加權(quán)值，相應(yīng)地對應(yīng)于一個不同的多普勒濾波器響應(yīng)。這樣，N個相互接鄰的濾波器即形成一個濾波器組，它覆蓋了從0到的頻段。由(31)可寫出第個FFT濾波器的沖激響應(yīng)表示為 (32)其傅立葉變換就是頻率響應(yīng)函數(shù) (33)濾波器的幅頻特性為 (34)其中表示濾波器號，每個濾波器均有形狀相同、中心頻率(即取峰值的頻率)不同的幅頻特性，根據(jù)式(34)結(jié)果，其形狀為一主瓣與兩側(cè)各個旁瓣的組合。=8時DFT等效橫向?yàn)V波器振幅特性的主瓣。 N=8時DFT等效橫向?yàn)V波器的幅頻響應(yīng) 濾波器的峰值產(chǎn)生于或者，…當(dāng)=0時，濾波器峰值位置為…，即濾波器的中心位置在零頻率以及重復(fù)頻率的整數(shù)倍處，這個濾波器可通過沒有多普勒頻移的雜波，因此對地雜波沒有抑制能力。然而，它的輸出在某些MTD雷達(dá)中可以作提供雜波地圖之用。這個濾波器的第一個零點(diǎn)出現(xiàn)在式(34)分子第一次取零值時，即時。在第一對零點(diǎn)之間的頻帶寬度為，而半功率帶寬近似為。當(dāng)=1時，峰值響應(yīng)產(chǎn)生在以及，等等。對=2,峰值響應(yīng)時的依此類推。因而每一個值決定一個獨(dú)立的濾波器響應(yīng)。全部濾波器響應(yīng)覆蓋了從零到的頻率范圍，由于信號的取樣性質(zhì)，其余的頻帶按同樣的響應(yīng)周期覆蓋，因而會在頻率上產(chǎn)生模糊。每個濾波器的形狀和=0時的相同，只是濾波器的中心頻率不同。，因?yàn)橥ㄟ^該濾波器后，它將N個相參脈沖累積，使信噪比提高N倍(對白噪聲而言)。 窄帶濾波器組信號處理的優(yōu)點(diǎn)如上所述，由于每個窄帶濾波器只占延遲線對消器通頻帶的大約1/N寬度，因而其輸出端的信噪比有相應(yīng)的提高。對于白噪聲，采用窄帶濾波器組后信噪比應(yīng)提高近N倍。對于有色雜波來說，各個濾波器輸出端的改善因子亦均有提高(與延遲對消器比較)，但提高的程度不及白噪聲情形。采用窄帶濾波器組所以能較MTI對消器提高改善因子是因?yàn)樗杨l帶細(xì)分后，各濾波器的雜波輸出功率只有各自通帶范圍內(nèi)的雜波譜部分，而不是整個多普勒頻帶內(nèi)的雜波功率。但要注意到，雜波不僅由各濾波器的主瓣進(jìn)入，而且未加權(quán)的濾波器由于其副瓣值較高()而副瓣的頻率位置又處于強(qiáng)雜波處，這時由副瓣進(jìn)入的雜波將明顯地降低其改善因子。解決的辦法可以有兩種：一種是在窄帶濾波器組前面先采用對消器(一次或二次)，將雜波的主要部分濾去，這樣后接的濾波器組中通過副瓣進(jìn)入的雜波明顯減少，各濾波器的改善因子會提高。這種方法實(shí)際上常用，因?yàn)闉V去強(qiáng)雜波后，濾波器的動態(tài)范圍可明顯減小，利于技術(shù)實(shí)現(xiàn)；第二種辦法是采用加權(quán)法降低各個濾波器的副瓣，同樣可以提高改善因子，所付代價是濾波器的主瓣有所加寬。 窄帶濾波器組對于運(yùn)動雜波的抑制效果較好。來自鳥群或氣象的運(yùn)動雜波，其多普勒頻率不是零頻，普通對消器無法抑制它。如果不止一個運(yùn)動雜波同時出現(xiàn)，則采用自適應(yīng)對消抑制也很困難。但這種運(yùn)動雜波可能出現(xiàn)在窄帶濾波器組中的某一濾波器內(nèi)，而每個濾波器的檢測門限可以根據(jù)該濾波器內(nèi)所含噪聲和雜波的強(qiáng)弱而適時選定，如雜波強(qiáng)時門限值選高，這樣就可以將運(yùn)動雜波的影響排除，使之不影響出現(xiàn)于其它濾波器內(nèi)的信號。 FIR實(shí)現(xiàn)MTD多普勒濾波器由于一般地面雷達(dá)的重復(fù)頻率不高(如1kHz左右，它是無模糊測距所要求的)，所以窄帶濾波器的數(shù)目只需幾個或十幾個。因此在MTD的許多應(yīng)用中，無需或者說無需刻意采用FFT算法。這一橫向?yàn)V波器實(shí)際上就是一典型的有限沖激響應(yīng)濾波器(FIR)。20世紀(jì)80年代以后大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展帶來高精度快速乘法累加器研制成功，使得FIR直接實(shí)現(xiàn)(而無需借助FFT等快速算法)多普勒濾波進(jìn)人實(shí)用階段。FIR作為MTD濾波器的更重要原因是：(1)可根據(jù)特殊的要求，采用比加權(quán)FFT更有效和更靈活的設(shè)計(jì)方法得到濾波器特性(如更低的旁瓣)；(2)不同頻道(即組中的不同濾波器)更容易實(shí)現(xiàn)與目標(biāo)及雜波速度分布相匹配的分別設(shè)計(jì)或選擇控制。因此自適應(yīng)多普勒濾波中多采用FIR。下面來探討一下FIR實(shí)現(xiàn)MTD濾波的設(shè)計(jì)。 設(shè)計(jì)思路經(jīng)典的FIR濾波器的設(shè)計(jì)方法有窗口法、頻率采樣法及其它一些采用最佳準(zhǔn)則逼近的改進(jìn)算法等。籠統(tǒng)地講，最佳FIR濾波器用作多普勒濾波器的設(shè)計(jì)思路和原則是：在由系統(tǒng)整機(jī)要求確定了濾波器個數(shù)的前提下，應(yīng)使分開設(shè)計(jì)的各濾波器主峰位置及形狀在內(nèi)均勻(或基本均勻)覆蓋，以至不丟失處于任何多普勒頻率(一般零多普勒除外)的目標(biāo)；在確定了各個濾波器的理想帶通特性后，按某一最佳準(zhǔn)則并在所要求的指標(biāo)(主要是改善因子及相關(guān)的主瓣帶寬、旁瓣電平及特定處凹口深度等)的限制下使設(shè)計(jì)的濾波特性逼近；按傅里葉逆變換獲得每個濾波器的單位脈沖響應(yīng)，此即為橫向?yàn)V波器的加權(quán)因子(系數(shù))，k對應(yīng)濾波器號，；n對應(yīng)不同重復(fù)周期，一般有。用選擇的窗函數(shù)對進(jìn)行加窗 (35)計(jì)算濾波器的頻率響應(yīng) (36) MTD多普勒濾波器組的設(shè)計(jì)在進(jìn)行多譜勒濾波器組設(shè)計(jì)之前，我們先來用FIR設(shè)計(jì)一個濾波器，假設(shè)一理想特性的FIR數(shù)字濾波器的理想帶通特性為， 其中=8 (37)假設(shè)=0,則 (38)根據(jù)傅立葉變換可以得出其單位沖激響應(yīng)為 (39)假如所選擇的是矩形窗，則 ， (310)其頻率響應(yīng)為 ，(311)。 濾波器幅頻特性〔)同理，也可以算出k=1,2,3,4,5,6,7時的頻率響應(yīng)，…，這樣組合就可以得到8點(diǎn)多普勒濾波器的頻率響應(yīng)圖。 8點(diǎn)多普勒濾波器的頻率響應(yīng)圖同樣，我們也可以畫出16點(diǎn)的多普勒濾波器的頻率響應(yīng)圖。 16點(diǎn)多普勒濾波器的頻率響應(yīng)圖，隨著FFT點(diǎn)數(shù)的增多，濾波器的頻率分辨率也在增大，也即雷達(dá)對速度的分辨率也越高。但是，隨著FFT點(diǎn)數(shù)的增多，系統(tǒng)的運(yùn)算量也在增大，這會影響系統(tǒng)的實(shí)時性。對FFT點(diǎn)數(shù)的選擇需要綜合系統(tǒng)對速度分辨率和實(shí)時性的要求以及雷達(dá)一個掃描周期內(nèi)收到的回波數(shù)等因素來決定。，這是一個誤區(qū)，因?yàn)樯鲜龅娜我庖环鶊D都是由很多濾波器組成的，也就是說，8點(diǎn)FFT點(diǎn)數(shù)的濾波器是由8個濾波器組成的，16點(diǎn)FFT點(diǎn)數(shù)的濾波器是由16個濾波器組成的，同樣，32點(diǎn)FFT點(diǎn)數(shù)的濾波器是由32個濾波器組成的。在實(shí)際的應(yīng)用過程中，系統(tǒng)把回波信號最強(qiáng)的濾波器的輸出作為真實(shí)的目標(biāo)信號。為了說明這個問題。下面分別繪出8點(diǎn)FFT和16點(diǎn)FFT真實(shí)工作時的濾波特性。 8點(diǎn)多普勒濾波器的頻率響應(yīng)圖() 16點(diǎn)多普勒濾波器的頻率響應(yīng)圖()從上述單個FFT濾波器的特性看，不論是選擇幾號(K)FFT濾波器，都對相應(yīng)通帶以外的雜波或噪聲有一定的抑制作用。特別需要指出的是任意點(diǎn)數(shù)的FFT濾波器的0號濾波器，從上面的分析可以看出，0號濾波器是一個低通濾波器，對雜波沒有抑制作用，一般將0號濾波器的輸出作雜波圖處理。以上我們對多普勒濾波器組的設(shè)計(jì)做了研究，下面我們來看一看MTD雷達(dá)的性能評價指標(biāo) MTD/MTI雷達(dá)的性能評價指標(biāo)評價MTD/MTI處理的工作質(zhì)量，常用的有以下幾種指標(biāo)。雜波衰減(CA)和對消比(CR)雜波衰減(CA)定義為輸入雜波功率和對消后同一雜波的剩余功率之比，即 (312)有時也用對消比來表示。對消比定義為:對消后的剩余雜波電壓與同一雜波未經(jīng)對消時的電壓比值 (313)雜波衰減C