脉冲多普勒雷达的干扰原理解析

从战术上讲，预警机雷达要求探测距离远，并且还能探测低空的动目标。为了增加雷达的探测距离，采用了脉冲压缩雷达 （在上两章中已经分析过了）；为了发现低空的活动目标，雷达应采用脉冲多普勒体制。

脉冲多普勒体制可以把某一特定多普勒频移的目标回波检测出来，而把其他的杂波、工业干扰滤除。脉冲多普勒体制的优越性能，是以高的技术要求为基础取得的。目前的关键技术如下：

（1）极稳定的信号产生和放大技术。

（2）极低旁瓣天线技术。

（3）先进的数字信号处理技术。

以机载脉冲多普勒雷达为例，分析脉冲多普勒雷达体制的信号和杂波谱的滤除。

1.机载雷达杂波干扰的来源

如图4.1 所示，雷达载机的飞行速度为vR；雷达天线波束宽度为θB；波束方向与飞行方向夹角为；目标的飞行速度为vT；目标飞行方向与雷达和目标间视线夹角为φ。

图4.1　机载脉冲多普勒雷达杂波来源图

1）主瓣杂波

机载雷达天线波束可能照射到地物背景，而地物相对于雷达有相对运动。因此，由这部分地物背景反射形成的主瓣杂波有多普勒频移，多普勒频率为

2）旁瓣杂波

由于雷达的旁瓣也会照射到地面，由旁瓣照射到地面的回波造成了旁瓣干扰。由于旁瓣增益较小，指向不同方向，所以，旁瓣的频谱密度也较小，而其多普勒频移范围分散在±fSLmax之间，则

3）高度线杂波

雷达通过旁瓣垂直向下的辐射会引起较大的杂波，这是因为垂直入射地面时，反射最强，并且沿飞行高度离地面最近。由于水平飞行的飞机在垂直向下与地面没有径向速度，所以，在高度线杂波没有多普勒频移。

机载多普勒雷达地物杂波如图4.2 所示。

图4.2　机载脉冲多普勒雷达地物杂波谱

机载多普勒雷达的发射信号谱和接收信号谱如图4.3 所示。

目标运动投射到波束主瓣方向的多普勒频率为

图4.3　机载多普勒雷达的发射信号谱和接收信号谱

（a）发射信号谱；（b）接收信号谱

杂波的数学模型为脉冲多普勒雷达对目标进行空间滤波和频率过滤，只有在时间上与目标同时进入一个距离门，在频率上与目标处于同一个窄带滤波器中的杂波，才能构成对目标的干扰。

其空间几何关系为假设雷达脉冲重复周期为tr，波门位置距离发射脉冲为tG，波门宽度为TG，如图4.4 所示。

图4.4　能通过距离门的杂波区的几何关系

（a）发射脉冲与距离门波形图；（b）距离门对应的空间关系

设飞机为水平飞行，高度为，在t=0 时发射的脉冲在A 处反射后，在tr+ tG时返回雷达，通过波门A。在B 处反射后，回波在2tr+tG时返回雷达，可以通过波门B。在C 处反射后，回波在3tr+ tG时返回雷达，可以进入波门C。

根据雷达方程，接收到的由微小杂波面积dA 反射的杂波功率为

式中　P——连续波雷达发射功率；

　　　λ——雷达波长；

　　　G（，θ）——在微小杂波面积方向的天线增益；

　　　σ0——地面单位面积的杂波横截面积；

　　　R——雷达到微小杂波面积dA 的视距；

　　　L——传播与系统损耗因子。

根据上述对杂波来源的分析，得出结论如下。

（1）脉冲多普勒雷达具有主杂波区、高度线杂波区、旁瓣杂波区和没有地物杂波而只有噪声的无杂波区，主瓣杂波区最强，高度线干扰也较强。目标回波可以落在杂波区或无杂波区，取决于目标的径向速度。

（2）当运动目标相对于雷达载机的运动速度模值时，回波的多普勒频移，动目标处于无杂波区，此时作用距离最大。

（3）当运动目标相对于雷达载机的运动速度模值时，回波的多普勒频移，动目标处于旁瓣杂波区。采用超低副瓣天线，减小杂波电平和提高飞行高度，提高回波功率，可以在旁瓣区检测出有用回波信号。

2.典型的脉冲多普勒雷达的组成原理框图

由于脉冲多普勒体制是采用频谱分离技术滤出所需动目标的单根谱线的，所以对杂波的滤除主要在频域中利用各种滤波器完成，也配合一些时间波门，选取有用信号回波。

图4.5 所示是典型脉冲多普勒雷达的组成框图。

图4.5　典型机载脉冲多普勒雷达组成原理框图

1）单边带滤波

它的带宽接近于脉冲重复频率，由回波中只滤出一根谱线和它对应的多普勒频移分量，使得以后的信号和杂波的滤波在单根谱线上进行。通常单边带滤波器是选取回波谱的中心谱线，选择谱线功率大，在使用多个脉冲重频的情况下，在重频改变时，只有这根谱线的位置不变。

由于通带窄，只相当于一个重频间隔，输入的中频脉冲信号经过它后，只剩一根谱线，成了连续波，距离信息无法提取，所以距离选通波门必须加在单边带滤波器之前。

输出单根谱线使信号功率大大降低（降低1/d2，d 为发射脉冲占空系数），但是输出的杂波和噪声也同样减小，所以单边带滤波器并不降低信杂比，单边带滤波器带外抑制要求大于60 dB。

2）主瓣杂波滤波器

主瓣杂波多普勒频率间变化时，相应主瓣杂波频率在间变化，利用杂波跟踪器，可将主瓣杂波滤除，如图4.6 所示。

图4.6　无杂波区滤波器频响特性

当脉冲多普勒雷达使用脉冲压缩时，在脉冲压缩前不能使用单边带滤波。

3）对高度线杂波滤波

由于载机水平飞行时，它的多普勒频率为零，通常采用单独的固定频率抑制滤波，用零多普勒滤波器来滤除它。

4）多普勒滤波器组

多普勒滤波器组是指对应在一个脉冲重复周期内，覆盖目标预期多普勒频率范围的一组邻接窄带滤波器组成的滤波器组。如图4.7 所示。

目标相对雷达的速度不同，多普勒频移不同，落入的窄带滤波器也不同，从而实现了速度的测量和分辨。同时，也起到了抑制杂波和提高灵敏度的作用，它是使脉冲多普勒雷达具有高性能所必不可少的组成部分。多普勒滤波器组可设在视频或中频，滤波器组目前多采用数字滤波。它具有体积小、质量小、高可靠和可灵活改变脉冲间距与加权及带宽处理等优点。

图4.7　多普勒雷达滤波器组示意图

5）脉冲重复频率选择

一般高脉冲重复频率的选择都以测速无模糊为原则，也就是使重复频率高到使相邻谱线产生的运动目标谱线不产生重叠。

设目标机相对于地面的最大速度为vTmax，主波束动目标回波相对于主瓣杂波中心频率的最大多普勒频率为

则脉冲重复频率最小值frmin为

主瓣杂波的中心频率为

主波束杂波中心多普勒频移为fmLmin～fmLmax，所以，目标机可能出现的多普勒频率范围为（fmLmin-fTmin）～（fmLmax+fTmax），如图4.8 所示。

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图4.8　克服速度模糊的脉冲多普勒雷达

最低脉冲重复频率为

式中min——波束偏离速度矢量的最小扫描角；

　　　max——波束偏离速度矢量的最大扫描角；

　　　vTmax——目标机相对于地面的最大速度；

　　　vR——雷达载机飞行速度；

　　　λ——雷达工作波长。

6）消除测距模糊的方法

当脉冲重复按上述方法选择时，避免了测速的模糊，但带来了测距的模糊，即当脉冲重频很高时，对应一个脉冲产生的回波可能经过几个周期以后才能被收到，如图4.9 所示。

图4.9　测距模糊产生示意图

（a）发射信号；（b）回波信号；（c）显示器

采用多个离散的脉冲重复频率。常用两个或三个重频，先用两个重频。

假设雷达发射机先工作在重复频率fr1，然后再工作在fr2，这样交替工作。通过记忆比较装置，把两次的发射脉冲相重合，接收脉冲与接收脉冲重合，则重合出来的发射脉冲与接收脉冲间的延时tu就代表目标的真实距离，如图4.10 所示。

图4.10　双脉冲重复频率消除距离模糊原理波形图

（a）发射脉冲fr1；（b）接收脉冲fr1；（c）发射脉冲fr2；（d）接收脉冲fr2；（e）发射脉冲重合；（f）接收脉冲重合

采用双重频时，能达到最大无模糊距离Rumax，由fr1、fr2最大公约频率1/tu决定，即

例如，fr1=10 kHz，fr2=11 kHz，最大公约频率1/tu=1 kHz，最大无模糊距离Rumax=150 km。

在实际雷达中，由于多目标和杂波干扰，不能把接收回波直接重合，而是利用距离跟踪波门代替回波进行重合。利用三个或多个重频，可进一步扩大无模糊距离。

在多目标情况下，只要这些目标速度或角度可以分辨开，重合法是好用的；若速度和角度分辨不开，重合法可能造成混乱。

在边扫描边跟踪雷达中，要求距离模糊必须在天线波束扫过目标的时间内分辨。这时只有用增加设备和快速算法来解决，即用距离波门排满整个重复周期，每个波门后采用并行的通道来减少测量时间。

例4.1　一个三重频系统，设距离波门宽度为T，重复周期为t1中排满m1个波门，类似地，t2、t3中分别排满m2、m3个波门。设m1、m2、m3为相接近的质数，且m1＞m2＞m3，即可得fr1=，此时最大的模糊距离为

若T=1 μs，m1∶m2∶m3=9 ∶8 ∶7，则最大无模糊距离为

无模糊的多普勒频率为

对应目标相对于雷达无模糊速度为

3.脉冲多普勒雷达的距离性能

1）雷达的距离方程

雷达的距离方程为

式中　Pt——雷达脉冲功率；

　　　σ——目标的雷达等效反射面积；

　　　R0——信噪比等于1 的作用距离；

　　　k——玻尔兹曼常数；

　　　t0——热力学温度；

　　　Bn——接收机带宽；

　　　Fn——噪声系数；

　　　L——馈线损耗。

在脉冲多普勒雷达中，由于被接收的信号要经过距离门选通、单边带滤波器、多普勒窄带滤波器组的处理，对信号、杂波和噪声检测前的功率发生了影响，因此，必须对一般雷达作用距离方程式 （4.10）加以修正，才能在脉冲多普勒雷达中应用。

在脉冲多普勒雷达中，一般采用较高的重频，测距高度模糊，当回波由一个重复周期移到相邻的周期时，就会发生脉冲对回波的“遮挡”，如图4.11 所示，称为发射脉冲的遮挡效应。这种遮挡影响降低了回波的有效宽度，回波有效功率降低，从而降低了雷达的探测距离。

（1）距离门的跨越效应。当目标回波经过距离选通门时，回波可能落在相邻的距离门之间，即产生了跨越，如图4.12 所示。

图4.11　发射脉冲遮挡效应示意图

图4.12　距离门的跨越效应

TG—距离门宽度；TS1—回波与第一被跨越的波门重合的部分；TS2—回波与第二被跨越的波门重合的部分；TR—脉冲间隔周期。

跨越的影响也是降低了回波的功率，减小了雷达作用距离。

（2）单边带滤波的影响。单边带滤波的带宽等于脉冲重复频率，所以，信号通过之后，只滤出了一根谱线，因此提供检测的回波功率有很大的降低。窄带滤波器（多普勒滤波器）组每个滤波器的带宽与回波谱线宽相匹配，不影响一根回波谱线的功率。

经过单边带滤波器后，取出的信号中心谱线功率比脉冲功率降低了1/d2，而

由于遮挡效应，使回波的有效宽度降低到TS，设ds=TS/tr，考虑到单边带滤波和由于脉冲多普勒雷达的脉冲重频提高引起脉冲遮挡、距离相接跨越影响因素、跨越和遮挡后回波信号的占空比系数，则有效回波信号检测功率降低了1/。

另外，噪声功率也受到信号处理方式的影响，在普通雷达中，折合到雷达输入端的噪声功率为kt0BnFn。在脉冲多普勒中，经过波门选通后，噪声功率降低了dG=TG/tr。dG为距离门的占空比系数，而经过多普勒滤波器，噪声带宽Bn等于一个窄带滤波器的通带。

2）脉冲多普勒雷达的距离方程

在动目标的多普勒频移落在无杂波区时，雷达的作用距离只受系统噪声的限制，检波前的信号有效功率折算到雷达输入端，则为

检波前的噪声功率折合到雷达输入端，则为

对于脉冲多普勒雷达信噪比为1 的作用距离为

设Dp=为邻接的等宽距离波门数目，则式（4.13）可写成

式中　Dp——脉冲发射功率恒定时，脉冲多普勒雷达的距离损失系数。

考虑脉冲功率和平均功率的关系，有

式中　Dav——脉冲发射功率恒定或平均发射功率恒定时，脉冲多普勒雷达的距离损失系数。

式（4.13）、式（4.14）、式（4.15）是脉冲多普勒雷达信号落在无杂波区，信噪比为1 时的作用距离的三种表示式。

若脉冲多普勒雷达目标回波的多普勒频移落在旁瓣杂波区，那么信噪比为1 时，其作用距离为

式中　C——通过窄带滤波的杂波功率折合到雷达输入端的功率值。