D雷达讲义RaderCH7(自适应MTI系统)
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prf惯导参数机速方位角等输出检测结果输出检测结果输入数据输入数据时域数据加窗处理时域数据加窗处理fftfftcfarcfar处理将位于杂道输出置0将位于杂道输出置0杂波谱中心和谱宽估计杂波谱中心和谱宽估计图中核心为杂波谱中心和谱宽估计子系统图中核心为杂波谱中心和谱宽估计子系统输出输出输入数据输入数据自适应mti的前沿最大熵谱估计mti前置滤前置滤最大熵谱估最大熵谱估计mem白化滤波器白化滤波器前置滤波器应能仅滤除杂波以保证进入mem的仅有杂波
• (二).杂波谱中心多普勒频率的精估:
§2 速度自适应MTI系统
由于惯导系统给出的v和 有较大误差,所以上面估计 的 f d 也有较大误差,必须用其他方法进行精估. • 采用质量中心法进行精估,公式为: •
• • pc 为由粗估计所得到的杂波区中的杂波总能量
k 1 L N p mod( k , N ) N k M fc pc
• 1.首先让杂波通过一地杂波抑制滤波器（凹口中心在零 频），输出的剩余杂波就仅包括有气象，箔条等杂波 了。
§2 速度自适应MTI系统
• 2. 比较剩下的气象杂波（或箔条杂波）相继两个周期 相参视频信号的相位差，从而可获得杂波，多普勒频 率估计值。 • 令正交双通道复调制信号 信号为：
u uI ju
k 1 2 L ( N f c ) [ p mod( k , N )] N k M pc 该式中的实际上就是归一化的杂波谱均方根带宽.
k M L
§2 速度自适应MTI系统
对于高斯型谱密度函数 p( f ) ( f f0 )2 1 exp[ ] 2 g 2
第七讲 自适应MTI系统
• § 1、 引言
• 由于雷达杂波常常表现为时变杂波,其杂波谱的中 心频率和谱宽会随时间而变化.因此固定凹口的MIT滤 波器在这种情况下不能有效抑制杂波.
• 引起杂波产生时变特性的因素有:
• 1 气象条件变化时(如风力变化),使云雨杂波、海浪杂 波和地杂波的谱中心和谱宽发生变化.
cos cos
• 其中v为载机航速, 为雷达波长, 为某距离单元相 对载机的俯仰角, 为天线相对载机飞行方向的方位 角,这里: h , h为载机高度,R为载机在地面投
arctg ( R )
• 影到某距离单元的距离
§2 速度自适应MTI系统
•
z 飞机速度v
h
B
y
4 N log 2 N
•
估计 : 2 N次乘法
总计 : 4 N log 2 N 3 N 运算量非常节省
§2 速度自适应MTI系统
• (四). 剔除杂波: • 在 f d 和 f ( ) 估计基础上,扣除相应的杂波 通道,剩余通道输出,既是经杂波抑制之后的 AMTI输出了. • 这种频域AMTI方法,必须在每个距离单元均有 强杂波存在时才能利用,所以这种方法多用于机 载下视雷达,特别是机载战场侦察和机载SAR雷 达中特别有效.
z 1 延时一周期。a <1，当a越接近1时，积
• 的滤波器，这相当于一个数字积分器。自适应延时线 正好等于计算 k opt 的时间。当第1，2，3个回波都分
§2 速度自适应MTI系统
• 别出现在自适应延时线的输出端时，三个回波相当于 k 分别用1， opt ，1加权，然后相加。处理是连续的， 这就保证了每个距离单元的k= k opt 。这种系统对单时 变杂波的抑制性能好，但比较复杂。
2
§2 速度自适应MTI系统
• P对k微分,令 •
dp k opt ,经计算得: 0 ,可以找到 dk
2 0
当kopt
• •
2
s ( ) cos d
2 0
s ( ) d
时
P将取得最小值。 另外，注意到一次对消的表达式为：
G( z ) 1 z
1
§2 速度自适应MTI系统
§2 速度自适应MTI系统
• 一 实数谱自适应MTI滤波器
•
这种MTI可形成一个随杂波中心频率改变而自适 应变化的抑制凹口 • 三脉冲对消器的特性为: 1 2 • H ( z ) 1 kz z • • 当k=-2时,就是一个二项式加权的普通三脉冲对消 器.为了自适应,可对杂波参数进行自动估算,并以此估 计来适时调整k值,达到自适应目的
• 二：累试法自适应MTI系统 • 预先设计若干个彼此相邻但形状相同的凹口滤波器， 顺序地用这些凹口滤波器来对有 f d 频移的杂波滤波，
将所有滤波输出（剩余）进行比较，取剩余最小的滤 波器权系数作为此时的工作滤波器权系数，以构成杂 波最佳抑制滤波器。
§2 速度自适应MTI系统
•ห้องสมุดไป่ตู้
滤波器1 2 3 4 5 气象杂波
• 方框图见下页：
§2 速度自适应MTI系统
•
f d 估计器 f d 杂波图 H i 选择
I,Q 视频
A/D
地杂波MTI
.
动杂波MTI
输出
§2 速度自适应MTI系统
地杂波 地杂波滤波器 气象杂波
0
fd 动杂波滤波器
• f
§2 速度自适应MTI系统
•
对于英国Watchman雷达,采用这种AMTI,4阶FIR滤波器 • 虚线部分的细图如下: T T T
……
N
f
选出的最佳滤波器
f
§2 速度自适应MTI系统
• 由于气象,箔条等为慢变化的非平稳杂波,所以隔一段时 间(如10分钟),重新进行一次累试,选出一组使杂波剩余 最小的新的权系数来构成工作滤波器。 • 这种方法的优点是：简单，易于实现。 • 缺点是：在累试期间会丢失数据率。
• 三：速度估计自适应杂波相消MTI
§2 速度自适应MTI系统
• 并在这一粗略估计谱宽内进行杂波谱中心和谱 宽的精确估计. • 最后,剔除所估计的杂波谱宽内所有杂波(相应 的FFT通道屏蔽)通道;其余通道输出即为抑制杂 波後的目标输出.
§2 速度自适应MTI系统
• (一). 杂波中心和杂波谱宽的粗估计
• 杂波谱中心频率:
fd
2v
• 其框图见下页
§2 速度自适应MTI系统
•
输入
数据
时域数据 加高处理
FFT
求 模
将位于杂 波区的通 道输出是0
CFAR 处理
输出检
测结果
杂波谱中心 和谱宽估计
PRF,惯导参数(机 速,分位角等)
图中,核心为“杂波谱中心和谱宽估计”子系统
§2 速度自适应MTI系统
• (五). 自适应MTI的前沿——最大熵谱估计MTI
白化滤波器
输出
a0 … ... aM
输入 数据
前置滤 波器
最大熵谱估 计MEM
§2 速度自适应MTI系统
• 1. 前置滤波器应能仅滤除杂波,以保证进入 MEM的仅有杂波. • 2. MEM算法研究,估计准确,运算量小,便于实 现Burg,Levinson,Marple,Lud,Mlod等各种算法. • 3. 可精确估计谱中心,谱宽以及谱形状,实现理 想白化.
而 G( ) (1 e )(1 e ) 2(1 cos ) k 从而， opt 可写成：
2 j j
k opt
2
2
0
s ( ) G ( ) d
2
2
0
s ( ) d
该式的物理解释为：
kopt 一次对消器G的杂波功率输出 2 杂波输入功率
实数谱自适应MTI系统
§2 速度自适应MTI系统
•
图中,两个延时线均分别延时T(周期),当第三个回波 到达时,第二个回波的平分和第二及第三个回波相减的 平分均形成,平分後的信号均输入到传输函数,传输函数 等于: 1 F ( z) 1 z 1
分常数越大。）
• (其中, a为积分常数,，
§2 速度自适应MTI系统
• MTI滤波器输出功率为: • 2
P
0
S ( ) H ( ) d
2
• 这里: H ( ) 1 ke • S()为杂波输入功率谱.
2
j
e
2 j
H ( ) H ( ) H ( ) 2 k 4k cos 2 cos 2
I
fd 杂 波 图
存储, 选择
Hi
Q
I Q
2
2
§2 速度自适应MTI系统
• 这种AMTI虽然也较简单,但有如下缺点: • 1). 最多只能对付两杂波,不能对付三杂波(或多杂波) • 2). 自适应滤波器中心只能对 f d 自适应,不能对杂波 谱形状和谱宽自适应 • 3). 当两杂波靠近时,估计的 f d 为两杂波的中间,抑制 效果下降
s (m)为FFT变换后, 第m个分量的幅值 2 2 p ( m) s ( m) , N -1 j nm N s(m) x(n)e n 0
• 这是将物理学中的质心法引入到杂波中心多普勒频率 的估计中
§2 速度自适应MTI系统
• (三). 杂波谱宽的精估:
• • 杂波谱一般为高斯型或接近高斯型的对称分布;因此 杂波的方差为:
• 四. 频域自适应处理MTI
§2 速度自适应MTI系统
•
在机载下视雷达中,由于机载飞行速度不均匀;天线 扫描,载机姿态不稳,以及地面或海面杂波内部起伏等因 素,杂波谱中心和谱宽都是时变的,为了抑制这类时变杂 波,必须采用自适应MTI;这里首先介绍一种频域自适应 MTI系统. • 其工作原理是: • 首先对接收回波进行FFT变换(变换点数应与波束内集 中数相当或小于). • 然后根据载机速度,天线指向,大致确定杂波中心和杂波 谱宽(因机速和天线指向是由惯导系统给出,具有误差, 因而由此确定的杂波谱中心和谱宽就有误差,仅是粗略 估计).
X 等多普勒线
R 杂波 单元
R sec
§2 速度自适应MTI系统
• 杂波谱宽为:
•
B 为天线波速方位角宽度; 为雷达脉宽对应的斜距, R 这里,杂波谱宽 f 由两部分组成,一为由天线波束宽度
引入的展宽,二为由脉宽引入的主杂波展宽.
R sin 3 cos 2v f f f cos cos B h cos
，相继两周期
u1 uI1 ju 1
•
u2 uI 2 ju 2
§2 速度自适应MTI系统
• u1 的相位为： 1 arcsin u1 u I21 u21 u 2 u I22 u22
• u 的相位为： arcsin 2 2
1 2 2f d Tr
有一下关系 : f 0 f c ,
• 此时均方根带宽的物理含义才十分明确,它与高斯杂波 谱的3dB带宽 f 之间的关系为:
3dB
f3dB 2 g ln 2 2.35
§2 速度自适应MTI系统
• * 运算量估计:
• 乘法次数: • FFT: N点数据的复数FFT需乘法次数为: • f 估计 : N次乘法 c
• 所以
fd
2Tr
§2 速度自适应MTI系统
• 3. 将计算出的 f d 进行多次平滑，得到平均 f d • 4. 将不同方位—距离分辨单元中的 f 存于速 d 度---杂波图中。 • 5. 预先设计若干组彼此相邻的杂波抑制滤波器， 覆盖 f d 可能出现的范围，由速度---杂波图中 输出的 f d 来选出相应的滤波器，以得到与 之匹配的杂波抑制滤波器。
§2 速度自适应MTI系统
k opt 可在-2~+2间变化，使凹口频率可在一定范
围内变化。 这种速度自适应MTI滤波器的原理图如下：
自适应延时 输入
.
T
. .
2
1-a
T
+
.
-
+
自适应延时 +
+
输出
自 适 应 延 时
2
1-a
2
a
1
.
2
1
.
2
a
z 1
z 1
图:
kopt
M L
M L
1 pc p mod( k , N ) , mod( k , N )是k对N求模 N k M L
§2 速度自适应MTI系统
• 这里M为粗估计得到的杂波多普勒中心频率所对应的 FFT通道号;2L为粗估计所得杂波谱宽所占有的FFT通 道数(实际估计时,可适当向两边延伸n个通道),这里假设 了杂波谱为对称的.
§ 1、 引言
• 2 由于地物为非均匀杂波,所以天线扫描时,使接收到的 杂波为时变的. • 3 机载或星载雷达收到的地杂波,由于平台的运动而呈 现非均匀性,时变性. • 另外,雷达杂波环境有时为多杂波环境: 包括地杂波、 海浪杂波、云雨杂波、箔条杂波等. • 每个杂波的谱中心和谱宽均会随外界条件而变化. • 因此,为了有效抑制杂波 ,必须采用自适应杂波抑制MTI 系统. •
• (二).杂波谱中心多普勒频率的精估:
§2 速度自适应MTI系统
由于惯导系统给出的v和 有较大误差,所以上面估计 的 f d 也有较大误差,必须用其他方法进行精估. • 采用质量中心法进行精估,公式为: •
• • pc 为由粗估计所得到的杂波区中的杂波总能量
k 1 L N p mod( k , N ) N k M fc pc
• 1.首先让杂波通过一地杂波抑制滤波器（凹口中心在零 频），输出的剩余杂波就仅包括有气象，箔条等杂波 了。
§2 速度自适应MTI系统
• 2. 比较剩下的气象杂波（或箔条杂波）相继两个周期 相参视频信号的相位差，从而可获得杂波，多普勒频 率估计值。 • 令正交双通道复调制信号 信号为：
u uI ju
k 1 2 L ( N f c ) [ p mod( k , N )] N k M pc 该式中的实际上就是归一化的杂波谱均方根带宽.
k M L
§2 速度自适应MTI系统
对于高斯型谱密度函数 p( f ) ( f f0 )2 1 exp[ ] 2 g 2
第七讲 自适应MTI系统
• § 1、 引言
• 由于雷达杂波常常表现为时变杂波,其杂波谱的中 心频率和谱宽会随时间而变化.因此固定凹口的MIT滤 波器在这种情况下不能有效抑制杂波.
• 引起杂波产生时变特性的因素有:
• 1 气象条件变化时(如风力变化),使云雨杂波、海浪杂 波和地杂波的谱中心和谱宽发生变化.
cos cos
• 其中v为载机航速, 为雷达波长, 为某距离单元相 对载机的俯仰角, 为天线相对载机飞行方向的方位 角,这里: h , h为载机高度,R为载机在地面投
arctg ( R )
• 影到某距离单元的距离
§2 速度自适应MTI系统
•
z 飞机速度v
h
B
y
4 N log 2 N
•
估计 : 2 N次乘法
总计 : 4 N log 2 N 3 N 运算量非常节省
§2 速度自适应MTI系统
• (四). 剔除杂波: • 在 f d 和 f ( ) 估计基础上,扣除相应的杂波 通道,剩余通道输出,既是经杂波抑制之后的 AMTI输出了. • 这种频域AMTI方法,必须在每个距离单元均有 强杂波存在时才能利用,所以这种方法多用于机 载下视雷达,特别是机载战场侦察和机载SAR雷 达中特别有效.
z 1 延时一周期。a <1，当a越接近1时，积
• 的滤波器，这相当于一个数字积分器。自适应延时线 正好等于计算 k opt 的时间。当第1，2，3个回波都分
§2 速度自适应MTI系统
• 别出现在自适应延时线的输出端时，三个回波相当于 k 分别用1， opt ，1加权，然后相加。处理是连续的， 这就保证了每个距离单元的k= k opt 。这种系统对单时 变杂波的抑制性能好，但比较复杂。
2
§2 速度自适应MTI系统
• P对k微分,令 •
dp k opt ,经计算得: 0 ,可以找到 dk
2 0
当kopt
• •
2
s ( ) cos d
2 0
s ( ) d
时
P将取得最小值。 另外，注意到一次对消的表达式为：
G( z ) 1 z
1
§2 速度自适应MTI系统
§2 速度自适应MTI系统
• 一 实数谱自适应MTI滤波器
•
这种MTI可形成一个随杂波中心频率改变而自适 应变化的抑制凹口 • 三脉冲对消器的特性为: 1 2 • H ( z ) 1 kz z • • 当k=-2时,就是一个二项式加权的普通三脉冲对消 器.为了自适应,可对杂波参数进行自动估算,并以此估 计来适时调整k值,达到自适应目的
• 二：累试法自适应MTI系统 • 预先设计若干个彼此相邻但形状相同的凹口滤波器， 顺序地用这些凹口滤波器来对有 f d 频移的杂波滤波，
将所有滤波输出（剩余）进行比较，取剩余最小的滤 波器权系数作为此时的工作滤波器权系数，以构成杂 波最佳抑制滤波器。
§2 速度自适应MTI系统
•ห้องสมุดไป่ตู้
滤波器1 2 3 4 5 气象杂波
• 方框图见下页：
§2 速度自适应MTI系统
•
f d 估计器 f d 杂波图 H i 选择
I,Q 视频
A/D
地杂波MTI
.
动杂波MTI
输出
§2 速度自适应MTI系统
地杂波 地杂波滤波器 气象杂波
0
fd 动杂波滤波器
• f
§2 速度自适应MTI系统
•
对于英国Watchman雷达,采用这种AMTI,4阶FIR滤波器 • 虚线部分的细图如下: T T T
……
N
f
选出的最佳滤波器
f
§2 速度自适应MTI系统
• 由于气象,箔条等为慢变化的非平稳杂波,所以隔一段时 间(如10分钟),重新进行一次累试,选出一组使杂波剩余 最小的新的权系数来构成工作滤波器。 • 这种方法的优点是：简单，易于实现。 • 缺点是：在累试期间会丢失数据率。
• 三：速度估计自适应杂波相消MTI
§2 速度自适应MTI系统
• 并在这一粗略估计谱宽内进行杂波谱中心和谱 宽的精确估计. • 最后,剔除所估计的杂波谱宽内所有杂波(相应 的FFT通道屏蔽)通道;其余通道输出即为抑制杂 波後的目标输出.
§2 速度自适应MTI系统
• (一). 杂波中心和杂波谱宽的粗估计
• 杂波谱中心频率:
fd
2v
• 其框图见下页
§2 速度自适应MTI系统
•
输入
数据
时域数据 加高处理
FFT
求 模
将位于杂 波区的通 道输出是0
CFAR 处理
输出检
测结果
杂波谱中心 和谱宽估计
PRF,惯导参数(机 速,分位角等)
图中,核心为“杂波谱中心和谱宽估计”子系统
§2 速度自适应MTI系统
• (五). 自适应MTI的前沿——最大熵谱估计MTI
白化滤波器
输出
a0 … ... aM
输入 数据
前置滤 波器
最大熵谱估 计MEM
§2 速度自适应MTI系统
• 1. 前置滤波器应能仅滤除杂波,以保证进入 MEM的仅有杂波. • 2. MEM算法研究,估计准确,运算量小,便于实 现Burg,Levinson,Marple,Lud,Mlod等各种算法. • 3. 可精确估计谱中心,谱宽以及谱形状,实现理 想白化.
而 G( ) (1 e )(1 e ) 2(1 cos ) k 从而， opt 可写成：
2 j j
k opt
2
2
0
s ( ) G ( ) d
2
2
0
s ( ) d
该式的物理解释为：
kopt 一次对消器G的杂波功率输出 2 杂波输入功率
实数谱自适应MTI系统
§2 速度自适应MTI系统
•
图中,两个延时线均分别延时T(周期),当第三个回波 到达时,第二个回波的平分和第二及第三个回波相减的 平分均形成,平分後的信号均输入到传输函数,传输函数 等于: 1 F ( z) 1 z 1
分常数越大。）
• (其中, a为积分常数,，
§2 速度自适应MTI系统
• MTI滤波器输出功率为: • 2
P
0
S ( ) H ( ) d
2
• 这里: H ( ) 1 ke • S()为杂波输入功率谱.
2
j
e
2 j
H ( ) H ( ) H ( ) 2 k 4k cos 2 cos 2
I
fd 杂 波 图
存储, 选择
Hi
Q
I Q
2
2
§2 速度自适应MTI系统
• 这种AMTI虽然也较简单,但有如下缺点: • 1). 最多只能对付两杂波,不能对付三杂波(或多杂波) • 2). 自适应滤波器中心只能对 f d 自适应,不能对杂波 谱形状和谱宽自适应 • 3). 当两杂波靠近时,估计的 f d 为两杂波的中间,抑制 效果下降
s (m)为FFT变换后, 第m个分量的幅值 2 2 p ( m) s ( m) , N -1 j nm N s(m) x(n)e n 0
• 这是将物理学中的质心法引入到杂波中心多普勒频率 的估计中
§2 速度自适应MTI系统
• (三). 杂波谱宽的精估:
• • 杂波谱一般为高斯型或接近高斯型的对称分布;因此 杂波的方差为:
• 四. 频域自适应处理MTI
§2 速度自适应MTI系统
•
在机载下视雷达中,由于机载飞行速度不均匀;天线 扫描,载机姿态不稳,以及地面或海面杂波内部起伏等因 素,杂波谱中心和谱宽都是时变的,为了抑制这类时变杂 波,必须采用自适应MTI;这里首先介绍一种频域自适应 MTI系统. • 其工作原理是: • 首先对接收回波进行FFT变换(变换点数应与波束内集 中数相当或小于). • 然后根据载机速度,天线指向,大致确定杂波中心和杂波 谱宽(因机速和天线指向是由惯导系统给出,具有误差, 因而由此确定的杂波谱中心和谱宽就有误差,仅是粗略 估计).
X 等多普勒线
R 杂波 单元
R sec
§2 速度自适应MTI系统
• 杂波谱宽为:
•
B 为天线波速方位角宽度; 为雷达脉宽对应的斜距, R 这里,杂波谱宽 f 由两部分组成,一为由天线波束宽度
引入的展宽,二为由脉宽引入的主杂波展宽.
R sin 3 cos 2v f f f cos cos B h cos
，相继两周期
u1 uI1 ju 1
•
u2 uI 2 ju 2
§2 速度自适应MTI系统
• u1 的相位为： 1 arcsin u1 u I21 u21 u 2 u I22 u22
• u 的相位为： arcsin 2 2
1 2 2f d Tr
有一下关系 : f 0 f c ,
• 此时均方根带宽的物理含义才十分明确,它与高斯杂波 谱的3dB带宽 f 之间的关系为:
3dB
f3dB 2 g ln 2 2.35
§2 速度自适应MTI系统
• * 运算量估计:
• 乘法次数: • FFT: N点数据的复数FFT需乘法次数为: • f 估计 : N次乘法 c
• 所以
fd
2Tr
§2 速度自适应MTI系统
• 3. 将计算出的 f d 进行多次平滑，得到平均 f d • 4. 将不同方位—距离分辨单元中的 f 存于速 d 度---杂波图中。 • 5. 预先设计若干组彼此相邻的杂波抑制滤波器， 覆盖 f d 可能出现的范围，由速度---杂波图中 输出的 f d 来选出相应的滤波器，以得到与 之匹配的杂波抑制滤波器。
§2 速度自适应MTI系统
k opt 可在-2~+2间变化，使凹口频率可在一定范
围内变化。 这种速度自适应MTI滤波器的原理图如下：
自适应延时 输入
.
T
. .
2
1-a
T
+
.
-
+
自适应延时 +
+
输出
自 适 应 延 时
2
1-a
2
a
1
.
2
1
.
2
a
z 1
z 1
图:
kopt
M L
M L
1 pc p mod( k , N ) , mod( k , N )是k对N求模 N k M L
§2 速度自适应MTI系统
• 这里M为粗估计得到的杂波多普勒中心频率所对应的 FFT通道号;2L为粗估计所得杂波谱宽所占有的FFT通 道数(实际估计时,可适当向两边延伸n个通道),这里假设 了杂波谱为对称的.
§ 1、 引言
• 2 由于地物为非均匀杂波,所以天线扫描时,使接收到的 杂波为时变的. • 3 机载或星载雷达收到的地杂波,由于平台的运动而呈 现非均匀性,时变性. • 另外,雷达杂波环境有时为多杂波环境: 包括地杂波、 海浪杂波、云雨杂波、箔条杂波等. • 每个杂波的谱中心和谱宽均会随外界条件而变化. • 因此,为了有效抑制杂波 ,必须采用自适应杂波抑制MTI 系统. •