基于MTI技術(shù)改善雷達識別目標性能方法

摘要 為提高雷達對低空或海面快速運動(dòng)目標的檢測和連續跟蹤測量的能力，論述用基于MTI技術(shù)對固定目標、海雜波進(jìn)行相位對消，以在最大程度上對其進(jìn)行衰減，使運動(dòng)目標的回波得以保留，從而實(shí)現對運動(dòng)目標的快速檢測與跟蹤測量。
關(guān)鍵詞 動(dòng)目標指示；目標識別；脈沖對消器

1 多普勒處理和運動(dòng)目標指示概述
多普勒處理是指對接收到來(lái)自某一固定距離單元、一段時(shí)間內的信號進(jìn)行濾波或譜分析處理。一般來(lái)說(shuō)，來(lái)自一個(gè)距離單元的慢時(shí)間信號的頻譜包含著(zhù)噪聲、雜波以及一個(gè)或多個(gè)目標信號。接收機噪聲在整個(gè)頻譜范圍內均勻分布。雜波占據了譜的一部分。譜中以雜波作為主要干擾的部分通常稱(chēng)為雜波區，以噪聲作為主要干擾的譜區稱(chēng)為清潔區。雜波區和清潔區之間的過(guò)渡部分被定義為過(guò)渡區。在過(guò)渡區內，噪聲和雜波都是主要的干擾源。靜止目標出現在零多普勒頻率處，而運動(dòng)目標出現在譜的任何位置，這個(gè)位置取決于目標相對于雷達的徑向速度。多普勒處理用于在多普勒域分離目標和雜波信號。雜波信號可以被直接濾除，保留下來(lái)的目標信號便成為最強的信號，或把多普勒譜直接計算出來(lái)，而位于雜波區外的目標信號就可根據超過(guò)噪聲電平的頻率分量被檢測出來(lái)。
運動(dòng)目標指示(MTI)是指完全在時(shí)域對慢時(shí)間信號進(jìn)行處理。而脈沖多普勒處理是指在多普勒域對信號進(jìn)行處理。MTI處理只需較低的運算量，但其獲得的信息較為有限。脈沖多普勒處理要求較大的運算量，但能獲得更多信息和更高的信干比。為便于把高速目標從靜止目標和相對低速的目標中分離出來(lái)，以利于快速準確捕獲和測量目標運動(dòng)參數，需要采用MTI+多普勒處理的方式對接收機所接收的信號進(jìn)行處理。

2 MTI的基本原理
雷達接收到的由M個(gè)連續脈沖組成的回波信號，經(jīng)相干解調后的基帶數據形成的一個(gè)二維數據矩陣，此矩陣對應雷達三維數據塊的一個(gè)二維水平切面。也就是說(shuō)，對每個(gè)天線(xiàn)，相位中心都接收一個(gè)類(lèi)似的數據矩陣。對于一個(gè)單孔徑天線(xiàn)系統或陣列天線(xiàn)的某一固定波束形成輸出，只能形成單個(gè)二維數據矩陣。
二維數據矩陣中的每個(gè)列對應于對一個(gè)脈沖的連續采樣，即連續的距離門(mén)。列中的每個(gè)元素都是一個(gè)復數，代表一個(gè)距離單元的實(shí)部和虛部分量。因此，二維數據矩陣中的每一行代表對同一個(gè)距離單元的一連串脈沖測量?？鞎r(shí)間或距離維的采樣率至少為發(fā)射脈沖的帶寬，因此其量級為幾百kHz到幾十甚至幾百MHz之間。慢時(shí)間或脈沖數維按雷達的脈沖重復間隔進(jìn)行采樣。因此慢時(shí)間維的采樣率為PRF，其量級為幾kHz到幾十kHz，有時(shí)達到幾百kHz。多普勒濾波是對矩陣的行數據進(jìn)行操作。
MTI處理器對慢時(shí)間數據序列執行一個(gè)線(xiàn)性濾波處理，以抑制數據中的雜波分量。利用平臺運動(dòng)和場(chǎng)景的幾何信息把雜波多普勒譜中心搬移到零多普勒譜頻率處。然后利用高通濾波完成雜波衰減，保留了位于多普勒清潔區中的運動(dòng)目標。MTI濾波和目標檢測過(guò)程如圖1所示。

經(jīng)過(guò)高通MTI濾波器的輸出成為一個(gè)新的慢時(shí)間信號，它包含噪聲以及可能存在的一個(gè)或多個(gè)運動(dòng)目標信號。此慢時(shí)間信號再經(jīng)過(guò)一個(gè)門(mén)限檢測器。如果MTI濾波輸出的信號幅度超過(guò)檢測門(mén)限，則表明目標的存在。在MTI處理中只能給出目標是否存在的判決信息，并沒(méi)有提供任何關(guān)于目標多普勒頻率的估計信息，也沒(méi)有提供目標徑向運動(dòng)方向的正負號信息。也就是說(shuō)，它能夠判斷目標的存在，但不能確定目標多普勒頻率的大小和方向。而且，它也不能提供目標存在的數目信息。如果多個(gè)運動(dòng)目標同時(shí)存在于某個(gè)特定距離單元的慢時(shí)間信號中，MTI處理結果也僅給出“目標存在”的判決。另一方面，MTI處理簡(jiǎn)單、運算量較低。盡管處理形式簡(jiǎn)單，但一個(gè)精心設計的MTI處理器還是能夠使信雜比(SNR)改善幾dB到20dB。對于某些雜波環(huán)境，如海雜波影響強烈的區域，甚至能改善更多。

3 MTI設計的主要任務(wù)與仿真分析
MTI設計的主要任務(wù)是選擇所要使用的特定濾波器。典型的MTI濾波器是一個(gè)低階、簡(jiǎn)單的形式。實(shí)際上，許多普通的MTI濾波器都是基于簡(jiǎn)單的探索式設計方法。假設一個(gè)固定雷達照射一個(gè)被理想靜止雜波包圍的運動(dòng)目標。對于每個(gè)脈沖，其回波信號中的雜波分量都相同，而運動(dòng)目標分量的相位會(huì )隨距離的變化而改變。對連續脈沖對的回波進(jìn)行相減，就可以完全對消雜波分量，而目標信號由于其相位的改變，通常不被對消掉或不被完全對消掉。因此，實(shí)現MTI的關(guān)鍵是設計合適的脈沖對消器。
3．1 脈沖對消處理原理
當固定目標、海雜波與運動(dòng)目標處于同一距離單元時(shí)，前者的回波通常較強，以至于運動(dòng)目標的回波被“淹沒(méi)”其中，故必須設法對二者進(jìn)行區分。因固定目標回波中的多普勒頻率為零，慢速運動(dòng)的雜波中所含的多普勒頻率也集中在零頻附近，它們的回波經(jīng)相位檢波后，輸出信號的相位將不隨時(shí)間變化而變化或僅隨時(shí)間作緩慢變化，反映在幅度上則為其幅度不隨時(shí)間變化而變化或隨時(shí)間緩慢變化。相反，運動(dòng)目標回波經(jīng)相位檢波輸出后，因其相位隨時(shí)間變化較大，反映在幅度上也是其幅度隨時(shí)間變化而變化。因此，若將同一距離單元在相鄰重復周期內的相位檢波輸出作相減運算，則固定目標回波將被完全對消，慢速雜波也將得到很大程度的衰減，只有運動(dòng)目標回波得以保留。顯然這樣便可將固定目標、慢速雜波與運動(dòng)目標區別開(kāi)。這就是MTI對消的基本原理。
3．2 脈沖對消器
為便于對脈沖對消器的基本原理進(jìn)行理解，下面分別以二脈沖對消器和三脈沖對消器為例進(jìn)行分析。圖2為二脈沖對消器的流程圖。

圖2中，輸入數據為對同一距離單元連續脈沖采樣的基帶復數據序列。x[n]是一個(gè)離散時(shí)間序列，其有效采樣時(shí)間間隔t等于脈沖重復間隔。此線(xiàn)性有限沖激響應濾波器的系統函數為H(z)=1-z-1。把z=ej2πft代入系統函數中，得到以模擬頻率F為變量的頻率響應函數，即

式(1)中，二脈沖對消器確實(shí)在零多普勒頻率處起到了抑制雜波能量的作用，使得運動(dòng)目標的譜分量或被部分衰減，或被放大，被衰減或被放大最終取決于譜分量在多普勒軸中的準確位置。