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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:曾耀華
研究生(外文):Tseng, Yau-Hwa
論文名稱:脈波都卜勒雷達在雜波環境下之目標偵測研究
論文名稱(外文):Target Detection in Clutter Environment Employing Pulse-Doppler Radar
指導教授:蘇英俊黃瑞彬黃瑞彬引用關係
指導教授(外文):Su, Ing-JiunnHwang, Ruey-Bing
口試委員:徐敬文施家頤郝樹聲王健仁黃天偉黃瑞彬蘇英俊
口試委員(外文):Hsue, Ching-WenSze, Jia-YiHao, Shu-ShengWang, Chien-JenHuang, Tian-WeiHwang, Ruey-BingSu, Ing-Jiunn
口試日期:2015-07-09
學位類別:博士
校院名稱:國防大學理工學院
系所名稱:國防科學研究所
學門:軍警國防安全學門
學類:軍事學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2015
畢業學年度:103
語文別:中文
論文頁數:102
中文關鍵詞:脈波都卜勒雷達脈波重複頻率都卜勒頻移恆誤警率頻譜分布
外文關鍵詞:Pulse-Doppler RadarPulse Repetition FrequencyDoppler frequencyConstant False Alarm RateSpectrum Distribution
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為了解決空用雷達俯視地面偵測目標時,所遭遇強大雜波的干擾,因而研製了脈波都卜勒雷達,這種雷達是從運動目標指示雷達為基礎所發展出來的一種新型雷達體制,主要是利用都卜勒效應來偵測目標訊號的脈波雷達,因此,它具有脈波雷達的距離分辨力、連續波雷達的速度分辨力及更具有良好的雜波抑制能力,因而能在較強的雜波環境中分辨出運動的目標。
本論文主要分析空用脈波都卜勒雷達中,移動目標產生之都卜勒頻移及其頻譜分布、地面雜波頻譜分布、目標偵測機率、恆誤警率、距離與速度的模糊度…等,為能增加無雜波區頻譜,必須提高脈波重複頻率,以便在頻域-時域分布相當寬廣且功率相當強的雜波背景中檢測出目標回波的信號。另一方面,因主雜波回波功率遠高於目標回波功率,我們利用陷波濾波器,將雜波儘量排除,使信號處理器能據此分離真實目標與地面雜波。
本論文亦針對目前現有空用主動雷達遭遇雜波的問題進行分析,提出反巡弋飛彈模式及雜波抑制方法,並經掛載測試,最後進行實際飛試驗證,其驗證結果顯示,本機制具有良好的低空目標偵測與追蹤能力,相較於原構型之空用主動雷達目標偵測,確實驗證其性能已提升可用於低空目標之偵測與追蹤。

關鍵詞:脈波都卜勒雷達、脈波重複頻率、都卜勒頻移、恆誤警率、頻譜分布。

Airborne pulse-Doppler radar is used to mitigate the interference of clutter as it detects or tracks target at a look-down environments. By inherent characteristics of a pulse Doppler radar, it has simultaneous advantages of the range recognition from pulse wave and of the speed detection from continuous wave. Most of all it has better performance of clutter suppression and moving target recognition in a strong clutter environment.
In our research on airborne pulse-Doppler radar, the primary topics are focused on the distribution of those spectra such as Doppler shift and ground clutter, the ambiguity of range and Doppler, the ability of target detection, false alarm rate…etc. In order to increase the clear range of spectrum for target detection, we must raise the pulse repetition rate of the pulse-Doppler radar. Since the power reflected from the clutter are higher than from the target, we used a notch filter to reject clutter interference to separate the true target signal and the ground clutter.
In this thesis we also treat the problems that actually happened in our airborne target detetor and give anti-cruise missile mode, clutter rejection methods which had been already verified in flight test. Finally we give the results of our research which showed good detecting and tracking capabilities.

Key words: Pulse-Doppler Radar, Pulse Repetition Frequency, Doppler frequency, Constant False Alarm Rate, Spectrum Distribution.

目錄

誌謝 ii
摘要 iii
Abstract iv
目錄 v
表目錄 viii
圖目錄 ix
縮寫英中對照表 xii
1. 緒論 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究動機及目的 2
1.3 論文架構 2
2. 空用脈波都卜勒雷達 3
2.1 脈波都卜勒雷達特性 5
2.1.1 脈波都卜勒雷達最大不模糊距離 6
2.1.2 脈波都卜勒雷達最大不模糊速度 7
2.1.3 強大雜波對雷達效能影響 9
2.2 目標、雜波頻譜及目標偵測研究 11
2.2.1 空用脈波都卜勒雷達目標頻譜研究 11
2.2.2 空用脈波都卜勒雷達雜波頻譜研究 16
2.2.2.1 目標反射的簡易雷達方程式 17
2.2.2.2 雜波反射的雷達方程式 17
2.2.2.3 主波瓣雜波(Main Lobe Clutter, MLC) 19
2.2.2.4 旁波瓣雜波(Side Lobe Clutter, SLC) 21
2.2.2.5 高度線雜波(Altitude Line Clutter, ALC) 21
2.2.2.6 雜波頻譜與目標頻率間之關係 22
2.2.3 空用脈波都卜勒雷達目標偵測信號研究 23
2.2.3.1 目標RCS波動研究 24
2.2.3.2 恆誤警率(Constant False Alarm Rate, CFAR)研究 28
2.2.3.3 單元平均CFAR(Cell Averaging CFAR, CA CFAR) 32
2.2.3.4 距離/都卜勒合併單元平均CFAR 34
2.2.3.5 Dicke Fix CFAR 34
2.2.4 解距離模糊研究 35
2.2.4.1 線性調頻(Linear Frequency Modulation, LFM)測距法 36
2.2.4.2 多重脈波重複頻率測距法 37
3. 空用雷達目標偵測的挑戰 40
3.1 前言 40
3.2 初步驗證說明 41
3.3 失效分析 42
3.4 分析說明及改進措施 44
3.4.1 分析說明 44
3.4.1.1 目標偵測追蹤說明 44
3.4.1.2 目標偵測遙測資料分析 47
3.4.2 改進措施 51
3.4.2.1 適應性量測距離法(Adaptive Range Measurement Method) 51
3.4.2.2 分散式即時處理單元平均CFAR演算法 53
3.4.2.3 主動雷達目標偵測軟體精進 56
4. 主動雷達目標偵測掛載測試 59
4.1 前言 59
4.2 測試規劃 60
4.3 測試科目:載機低高度攔截測試 61
4.4 機載第一階段測試結果 64
4.5 機載第二階段精進措施 67
4.5.1 軟體ACM搜索流程 69
4.5.2 軟體雜波抑制流程 70
4.6 機載第二階段測試結果 71
4.7 機載測試結論 74
5. 實際驗證測試結果與討論 75
5.1 主動雷達目標偵測搜索追蹤時序 75
5.2 主動雷達目標偵測搜索追蹤分析 81
5.3 主動雷達目標偵測驗證測試結果 82
5.4 機動主動雷達測試 83
5.4.1 機動主動雷達研改前統計 83
5.4.2 機動主動雷達研改後統計 83
5.4.3 機動主動雷達測試結果 83
6. 結論與未來研究方向 85
6.1 結論 85
6.2 未來研究方向 85
參考文獻 87
論文發表 89
自傳 90


表目錄
表 2.1 移動目標指示(MTI)雷達與脈波都卜勒(PD)雷達比較[2] 6
表 2.2 Peter Swerling模型所適用的四種情況[3] 26
表 2.3 高PRF優缺點[3] 35
表 3.1 主動雷達目標偵測重要時序 41
表 4.1 主動雷達目標偵測操作順序 62
表 4.2 目標偵測第一階段機載測試結果 65
表 4.3 目標偵測第二階段機載測試結果 71
表 5.1 機動雷達研改前平均偵獲比率 83
表 5.2 研改後機動雷達偵追性能 83


圖目錄
圖 2.1 典型Pulse Doppler Radar基本組成架構[2] 4
圖 2.2 距離模糊的圖示[5] 7
圖 2.3 發射、接收波形頻譜及都卜勒濾波器[5] 8
圖 2.4 接收信號的都卜勒頻移頻譜[5] 8
圖 2.5 雜波與目標頻譜分布關係[2] 9
圖 2.6 地面雜波與目標回波的無折疊頻譜分布關係[2] 10
圖 2.7 具有N個矩形脈波序列傅立葉轉換之正頻部份頻譜[3] 16
圖 2.8 三種地面回波[3] 17
圖 2.9 地面產生的回波功率大小的決定因素: 18
圖 2.10 地面交截面RCS 18
圖 2.11 主波束照射到的地面區域 20
圖 2.12 主波瓣雜波的都卜勒頻率與俯視角L之間的關係 20
圖 2.13 旁波瓣雜波對應於雷達速度 21
圖 2.14 來自一大區域的高度回波圖示[3] 22
圖 2.15 各種目標速度頻譜與雜波回波頻譜之關係[3] 23
圖 2.16 典型的信雜比濾波器輸出的機率密度函數 24
圖 2.17 Swerling四種模型目標雷達回波 26
圖 2.18 基於簡化雷達橫截面積模型的標準化曲線 27
圖 2.19 非同調式脈波雷達檢測目標機率與所需信雜比 29
圖 2.20 簡易雷達接收機方塊圖 30
圖 2.21 窄頻寬中頻接收機輸出的雜訊機率密度 31
圖 2.22 VT右邊的雜訊曲線下面積與VT之間的關係[3] 31
圖 2.23 Cell Averaging CFAR[4] 33
圖 2.24 Greater of Cell Averaging CFAR[10] 33
圖 2.25 Range/Doppler Combined Cell Averaging CFAR[10] 34
圖 2.26 Dicke Fix CFAR[10] 35
圖 2.27 fd=0目標回波頻率與回波接收時之發射頻率差 36
圖 2.28 fd=(+)在發射波與接收回波之間頻率差 37
圖 3.1 目標偵測角度搜索 42
圖 3.2 目標偵測目標閘訊號強度 42
圖 3.3 目標偵測目標偵獲距離與速度 43
圖 3.4 前後兩次在目標偵測搜索時之信號強度比較 44
圖 3.5 FT1目標偵測遙測資料 46
圖 3.6 FT1目標偵測遙測資料35.8秒至39.0秒 48
圖 3.7 FT1目標偵測遙測資料40.0秒至41.5秒 50
圖 3.8 適應性量測距離演算法流程圖 51
圖 3.9 FM調頻接收信號頻譜 52
圖 3.10 TAD距離匹配樣式示意圖 52
圖 3.11 多PRF真實距離計算示意圖 53
圖 3.12 分散式即時處理單元平均演算法流程圖 55
圖 4.1 FT1目標偵測全程遙測資料 59
圖 4.2 機載測試規劃架構圖 60
圖 4.3 載機與靶機飛行航跡側視圖 61
圖 4.4 載機與靶機飛行航跡俯視圖 61
圖 4.5 飛行航跡俯視圖 63
圖 4.6 飛行航跡側視圖 63
圖 4.7 飛行航跡側視圖(平飛) 64
圖 4.8 飛行航跡側視圖(俯衝) 64
圖 4.9 0824目標偵測鎖定目標遙測資料 66
圖 4.10 0828 Run No.6目標偵測誤鎖雜波 66
圖 4.11 0828 Run No.9目標偵測誤鎖雜波 67
圖 4.12 目標偵測ACM模式Doppler Search流程圖 69
圖 4.13 目標偵測雜波抑制Search設定流程圖 70
圖 4.14 10/24(1119)目標偵測遙測資料 72
圖 4.15 10/24(1119)目標偵測RV Map遙測資料 72
圖 4.16 10/24(1127)目標偵測遙測資料 73
圖 4.17 10/24(1127)目標偵測RV Map遙測資料 73
圖 5.1 FT2目標偵測搜索追蹤時序圖 76
圖 5.2 FT2目標偵測搜索追蹤遙測資料1 77
圖 5.3 FT2目標偵測搜索追蹤遙測資料2 78
圖 5.4 FT2目標偵測搜索追蹤遙測資料3 78
圖 5.5 FT2目標偵測搜索追蹤遙測資料4 79
圖 5.6 FT2目標偵測搜索追蹤遙測資料5 79
圖 5.7 FT2目標偵測搜索追蹤遙測資料6 80
圖 5.8 FT2目標偵測搜索追蹤遙測資料7 80
圖 5.9 FT2目標偵測搜索追蹤遙測資料8 81

參考文獻

[1]Skolnik, M. I., Introduction to Radar Systems, Third Edition, McGraw-Hill, New Delhi, 2001.
[2]Skolnik, M. I., Radar Handbook , second Edition, McGraw-Hill, Boston, 1990.
[3]Stimson, G. W., Introduction to Airborne Radar, Second Edition, SciTech, Mendham, 1998.
[4]Mahafza, B. R., Radar Systems Analysis and Design Using MATLAB, Chapman & Hall/CRC, Boca Raton, 2000.
[5]Mahafza, B. R. and Elsherbeni, A. Z., Matlab Simulations For Radar Systems Design, Chapman & Hall/CRC, Boca Raton, 2004.
[6]張明友、汪學剛,雷達系統,第二版,電子工業出版社,北京,2006.
[7]書傳安、林幼權,機載雷達技術,第二版,電子工業出版社,北京,2006.
[8]Barton, D. K. and Leonov, S. A., Radar Technology Encyclopedia, Artech House, Inc., Norwood, 1998.
[9]Karim, O., “Advanced Signal Processing Techniques For Pulsed-Doppler Radar”, Master of Science Thesis, Department of Signals and Systems, Chalmers University of Technology, 2004.
[10]Richards, M. A., Scheer, J. A., and Holm, W. A., Principles of Modern Radar - Basic Principles, SciTech Publishing, Edison, New Jersey, 2010.
[11]Melvin, W. L. and Scheer, J. A., Principles of Modern Radar - Advanced Techniques, SciTech Publishing, Edison, New Jersey, 2013.
[12]Melvin, W. L. and Scheer, J. A., Principles of Modern Radar - Radar Applications, SciTech Publishing, Edison, New Jersey, 2014.
[13]Schleher, D. C., MTI and Pulsed Doppler Radar with Matlab, Second Edition, Artech House Publishers, 2009.
[14]孫遠皓,“應用訊號方位估測演算法於雷達目標搜索”,碩士論文,國立交通大學電信工程研究所,新竹,2013。

QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
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