摘要 為提高雷達(dá)對(duì)低空或海面快速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)和連續(xù)跟蹤測(cè)量的能力，論述用基于MTI技術(shù)對(duì)固定目標(biāo)、海雜波進(jìn)行相位對(duì)消，以在最大程度上對(duì)其進(jìn)行衰減，使運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的回波得以保留，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的快速檢測(cè)與跟蹤測(cè)量。
關(guān)鍵詞 動(dòng)目標(biāo)指示；目標(biāo)識(shí)別；脈沖對(duì)消器

1 多普勒處理和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)指示概述
    多普勒處理是指對(duì)接收到來(lái)自某一固定距離單元、一段時(shí)間內(nèi)的信號(hào)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(hào)的頻譜包含著噪聲、雜波以及一個(gè)或多個(gè)目標(biāo)信號(hào)。接收機(jī)噪聲在整個(gè)頻譜范圍內(nèi)均勻分布。雜波占據(jù)了譜的一部分。譜中以雜波作為主要干擾的部分通常稱為雜波區(qū)，以噪聲作為主要干擾的譜區(qū)稱為清潔區(qū)。雜波區(qū)和清潔區(qū)之間的過(guò)渡部分被定義為過(guò)渡區(qū)。在過(guò)渡區(qū)內(nèi)，噪聲和雜波都是主要的干擾源。靜止目標(biāo)出現(xiàn)在零多普勒頻率處，而運(yùn)動(dòng)目標(biāo)出現(xiàn)在譜的任何位置，這個(gè)位置取決于目標(biāo)相對(duì)于雷達(dá)的徑向速度。多普勒處理用于在多普勒域分離目標(biāo)和雜波信號(hào)。雜波信號(hào)可以被直接濾除，保留下來(lái)的目標(biāo)信號(hào)便成為最強(qiáng)的信號(hào)，或把多普勒譜直接計(jì)算出來(lái)，而位于雜波區(qū)外的目標(biāo)信號(hào)就可根據(jù)超過(guò)噪聲電平的頻率分量被檢測(cè)出來(lái)。
    運(yùn)動(dòng)目標(biāo)指示(MTI)是指完全在時(shí)域?qū)β龝r(shí)間信號(hào)進(jìn)行處理。而脈沖多普勒處理是指在多普勒域?qū)π盘?hào)進(jìn)行處理。MTI處理只需較低的運(yùn)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(yùn)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(biāo)從靜止目標(biāo)和相對(duì)低速的目標(biāo)中分離出來(lái)，以利于快速準(zhǔn)確捕獲和測(cè)量目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，需要采用MTI+多普勒處理的方式對(duì)接收機(jī)所接收的信號(hào)進(jìn)行處理。

2 MTI的基本原理
    雷達(dá)接收到的由M個(gè)連續(xù)脈沖組成的回波信號(hào)，經(jīng)相干解調(diào)后的基帶數(shù)據(jù)形成的一個(gè)二維數(shù)據(jù)矩陣，此矩陣對(duì)應(yīng)雷達(dá)三維數(shù)據(jù)塊的一個(gè)二維水平切面。也就是說(shuō)，對(duì)每個(gè)天線，相位中心都接收一個(gè)類似的數(shù)據(jù)矩陣。對(duì)于一個(gè)單孔徑天線系統(tǒng)或陣列天線的某一固定波束形成輸出，只能形成單個(gè)二維數(shù)據(jù)矩陣。
    二維數(shù)據(jù)矩陣中的每個(gè)列對(duì)應(yīng)于對(duì)一個(gè)脈沖的連續(xù)采樣，即連續(xù)的距離門。列中的每個(gè)元素都是一個(gè)復(fù)數(shù)，代表一個(gè)距離單元的實(shí)部和虛部分量。因此，二維數(shù)據(jù)矩陣中的每一行代表對(duì)同一個(gè)距離單元的一連串脈沖測(cè)量。快時(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(jí)為幾百kHz到幾十甚至幾百M(fèi)Hz之間。慢時(shí)間或脈沖數(shù)維按雷達(dá)的脈沖重復(fù)間隔進(jìn)行采樣。因此慢時(shí)間維的采樣率為PRF，其量級(jí)為幾kHz到幾十kHz，有時(shí)達(dá)到幾百kHz。多普勒濾波是對(duì)矩陣的行數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。
    MTI處理器對(duì)慢時(shí)間數(shù)據(jù)序列執(zhí)行一個(gè)線性濾波處理，以抑制數(shù)據(jù)中的雜波分量。利用平臺(tái)運(yùn)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(qū)中的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。MTI濾波和目標(biāo)檢測(cè)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(hào)，它包含噪聲以及可能存在的一個(gè)或多個(gè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)信號(hào)。此慢時(shí)間信號(hào)再經(jīng)過(guò)一個(gè)門限檢測(cè)器。如果MTI濾波輸出的信號(hào)幅度超過(guò)檢測(cè)門限，則表明目標(biāo)的存在。在MTI處理中只能給出目標(biāo)是否存在的判決信息，并沒有提供任何關(guān)于目標(biāo)多普勒頻率的估計(jì)信息，也沒有提供目標(biāo)徑向運(yùn)動(dòng)方向的正負(fù)號(hào)信息。也就是說(shuō)，它能夠判斷目標(biāo)的存在，但不能確定目標(biāo)多普勒頻率的大小和方向。而且，它也不能提供目標(biāo)存在的數(shù)目信息。如果多個(gè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)同時(shí)存在于某個(gè)特定距離單元的慢時(shí)間信號(hào)中，MTI處理結(jié)果也僅給出“目標(biāo)存在”的判決。另一方面，MTI處理簡(jiǎn)單、運(yùn)算量較低。盡管處理形式簡(jiǎn)單，但一個(gè)精心設(shè)計(jì)的MTI處理器還是能夠使信雜比(SNR)改善幾dB到20dB。對(duì)于某些雜波環(huán)境，如海雜波影響強(qiáng)烈的區(qū)域，甚至能改善更多。

3 MTI設(shè)計(jì)的主要任務(wù)與仿真分析
    MTI設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)方法。假設(shè)一個(gè)固定雷達(dá)照射一個(gè)被理想靜止雜波包圍的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。對(duì)于每個(gè)脈沖，其回波信號(hào)中的雜波分量都相同，而運(yùn)動(dòng)目標(biāo)分量的相位會(huì)隨距離的變化而改變。對(duì)連續(xù)脈沖對(duì)的回波進(jìn)行相減，就可以完全對(duì)消雜波分量，而目標(biāo)信號(hào)由于其相位的改變，通常不被對(duì)消掉或不被完全對(duì)消掉。因此，實(shí)現(xiàn)MTI的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)合適的脈沖對(duì)消器。
3．1 脈沖對(duì)消處理原理
    當(dāng)固定目標(biāo)、海雜波與運(yùn)動(dòng)目標(biāo)處于同一距離單元時(shí)，前者的回波通常較強(qiáng)，以至于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的回波被“淹沒”其中，故必須設(shè)法對(duì)二者進(jìn)行區(qū)分。因固定目標(biāo)回波中的多普勒頻率為零，慢速運(yùn)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(hào)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(yùn)動(dòng)目標(biāo)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(fù)周期內(nèi)的相位檢波輸出作相減運(yùn)算，則固定目標(biāo)回波將被完全對(duì)消，慢速雜波也將得到很大程度的衰減，只有運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波得以保留。顯然這樣便可將固定目標(biāo)、慢速雜波與運(yùn)動(dòng)目標(biāo)區(qū)別開。這就是MTI對(duì)消的基本原理。
3．2 脈沖對(duì)消器
    為便于對(duì)脈沖對(duì)消器的基本原理進(jìn)行理解，下面分別以二脈沖對(duì)消器和三脈沖對(duì)消器為例進(jìn)行分析。圖2為二脈沖對(duì)消器的流程圖。

    圖2中，輸入數(shù)據(jù)為對(duì)同一距離單元連續(xù)脈沖采樣的基帶復(fù)數(shù)據(jù)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(fù)間隔。此線性有限沖激響應(yīng)濾波器的系統(tǒng)函數(shù)為H(z)=1-z-1。把z=ej2πft代入系統(tǒng)函數(shù)中，得到以模擬頻率F為變量的頻率響應(yīng)函數(shù)，即
   
    式(1)中，二脈沖對(duì)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(yùn)動(dòng)目標(biāo)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(zhǔn)確位置。
    二脈沖對(duì)消器是一個(gè)簡(jiǎn)單的濾波器。它的實(shí)現(xiàn)不需乘法運(yùn)算，每一個(gè)輸出采樣只需一次減法運(yùn)算。然而，與理想的高通濾波器相比，它只是近似，但效果差。二脈沖對(duì)消器的一個(gè)常規(guī)改進(jìn)就是三脈沖對(duì)消器，由兩個(gè)二脈沖對(duì)消器級(jí)聯(lián)得到。圖3給出了二脈沖／三脈沖對(duì)消器歸一化頻率響應(yīng)，三脈沖對(duì)消器能夠明顯地改善零多普勒附近的凹口寬度，但并不能改善非零多普勒頻率處運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的響應(yīng)。三脈沖對(duì)消器的每一個(gè)輸出采樣只需兩次減法運(yùn)算。

    盡管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但對(duì)于具有中等到較高脈沖相關(guān)性的雜波，二脈沖和三脈沖對(duì)消器是有效的。通過(guò)對(duì)雜波序列進(jìn)行仿真研究可以得出以下結(jié)論：一個(gè)白噪聲序列通過(guò)一個(gè)具有高斯功率譜的低通濾波器，在歸一化頻率上的標(biāo)準(zhǔn)差為整個(gè)頻譜寬度的5％。雜波序列通過(guò)二脈沖對(duì)消器后，其功率衰減了13．4dB，而對(duì)于三脈沖對(duì)消器，輸出功率衰減了21．9dB。
3．3 系統(tǒng)仿真分析
    基于Matlab的雷達(dá)系統(tǒng)仿真框圖，如圖4所示。由于本系統(tǒng)只為仿真雷達(dá)系統(tǒng)處理部分，輸入的是中頻段回波。雷達(dá)發(fā)射采用線性調(diào)頻信號(hào)，回波信號(hào)中包括2個(gè)速度為50 m／s和110 m／s運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波，一個(gè)固定目標(biāo)的回波用來(lái)檢驗(yàn)MTI性能，信號(hào)淹沒在系統(tǒng)噪聲當(dāng)中。接收信號(hào)首先經(jīng)過(guò)數(shù)字正交解調(diào)得到I，Q兩路信號(hào)，分別對(duì)這兩路信號(hào)進(jìn)行頻域脈沖壓縮處理，之后進(jìn)行一次二脈沖對(duì)消，將對(duì)消后的信號(hào)進(jìn)行多普勒濾波。濾波后經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理就可得到速度和距離信息。

    圖5是正交解調(diào)后的波形，這時(shí)的信號(hào)脈沖和噪聲混疊在一起無(wú)法分辨出有用信息。

    由圖6可見，在接收信號(hào)進(jìn)行脈沖對(duì)消之前，運(yùn)動(dòng)信號(hào)與固定目標(biāo)和噪聲幅值大小難以區(qū)分，而經(jīng)過(guò)MTI處理后，多數(shù)干擾被抵消掉，運(yùn)動(dòng)目標(biāo)清晰的顯示出來(lái)。對(duì)這樣的信號(hào)進(jìn)行多普勒濾波可以得到正確的目標(biāo)信息。

    圖7是沒有經(jīng)過(guò)MTI處理的多普勒濾波結(jié)果，從圖中可以看出，接收回波中的固定目標(biāo)被誤判為低速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。

    圖8顯示的是經(jīng)過(guò)MTI處理的多普勒濾波結(jié)果，與圖7相比，固定目標(biāo)經(jīng)脈沖對(duì)消處理后被抵消，得到正確的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)信息。經(jīng)計(jì)算速度信息有1．4％的誤差，如果增加濾波器的組數(shù)，可以減小速度誤差。MTI技術(shù)在雷達(dá)目標(biāo)的識(shí)別、探測(cè)和跟蹤過(guò)程中起著關(guān)鍵的作用。

4 MTI技術(shù)運(yùn)用實(shí)際
    為改善復(fù)雜海雜波條件下雷達(dá)捕獲被測(cè)目標(biāo)的性能，某新型脈沖雷達(dá)采用4個(gè)二脈沖對(duì)消器級(jí)聯(lián)的方式來(lái)消除海雜波對(duì)被測(cè)目標(biāo)回波信號(hào)的影響。經(jīng)過(guò)230 h對(duì)海雜波的特性錄取和分析，提取出海雜波的平均多普勒功率譜，并以此作為門限，可極大地提高在強(qiáng)雜波干擾條件下捕獲并連續(xù)跟蹤被測(cè)目標(biāo)的概率。對(duì)于徑向速度>3m·s-1的目標(biāo)，可達(dá)到99．9％以上的捕獲概率。

5 結(jié)束語(yǔ)
    在監(jiān)視雷達(dá)或測(cè)量雷達(dá)中引入MTI技術(shù)，可在較大程度上衰減固定目標(biāo)回波和雜波，從而大大改善運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波信號(hào)的強(qiáng)度，使運(yùn)動(dòng)目標(biāo)從固定目標(biāo)和雜波中分離出來(lái)，這樣雷達(dá)就可以快速發(fā)現(xiàn)外來(lái)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，并對(duì)其進(jìn)行連續(xù)穩(wěn)定的跟蹤測(cè)量。