雷達(dá)測距原理及實(shí)現(xiàn)方法

1、雷達(dá)測距原理,測量電磁波往返雷達(dá)與目標(biāo)之間的時間。對單基地雷達(dá)，設(shè)光速為c，電磁波往返雷達(dá)與目標(biāo)的時間為TR，則目標(biāo)相對雷達(dá)的距離R為：據(jù)上述公式可得1微秒(μs)對應(yīng)150米(m)，式中數(shù)字2表示收發(fā)雙程。,2024/3/16,哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系,2,2024/3/16,哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系,3,對雙基地雷達(dá)，計(jì)算RT+RR有兩種方法：直接法：間接法：,,單基地：R=cT/2,2024/3/16,哈爾濱工

2、業(yè)大學(xué)電子工程系,4,對雙基地雷達(dá)，具體計(jì)算RT或RR需要目標(biāo)角度信息，如利用目標(biāo)的接收視線角，則計(jì)算公式為：還有其他多種目標(biāo)定位方法，具體可參考：M.I. Skolnik, Radar Handbook: Ch25 Bistatic Radar, 2nd edition, McGraw-Hill, 1990,2024/3/16,哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系,5,雷達(dá)測距的物理基礎(chǔ),電磁波恒光速傳播電磁波直線傳播(直視距情形

3、)在均勻大氣中電磁波等速直線傳播。沿海面繞射傳播(超視距情形)特殊條件下電磁波沿海面、大氣波導(dǎo)曲線傳播。,2024/3/16,哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系,6,地球表面的大氣層分布是不均勻的。1、大氣密度、溫度、濕度等參數(shù)隨時間、地點(diǎn)而變化，導(dǎo)致大氣傳播介質(zhì)的導(dǎo)磁系數(shù)和介電常數(shù)發(fā)生相應(yīng)改變，引起電波傳播速度c變化。晝夜間大氣中溫度、氣壓及濕度的起伏變化所引起的傳播速度變化為：丁鷺飛，雷達(dá)原理，西電出版社，1995,地球大

4、氣層,2024/3/16,哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系,7,,分層大氣(層內(nèi)均勻，越高越稀薄),,,2、大氣介質(zhì)分布的不均勻?qū)⒃斐呻姶挪ǚ侵本€傳播(大氣折射)。折射系數(shù)n=c/vp折射率N=(n-1)x10h↑—n↓—vp↑dn/dh<0 射線通過徑向分層大氣時的途徑[美]杰里L(fēng). 伊伏斯等編，現(xiàn)代雷達(dá)原理，電子工業(yè)出版社，1991.3,2024/3/

5、16,哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系,8,折射效應(yīng)對目標(biāo)位置的影響電磁波在非均勻大氣層中傳播時出現(xiàn)的大氣折射，將有兩方面影響：1)、改變雷達(dá)測量距離，產(chǎn)生測距誤差。2)、引起俯仰角測量誤差。折射的影響可采用等效地球半徑法近似說明?！冬F(xiàn)代雷達(dá)原理》P60,2024/3/16,哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系,9,高頻地波超視距雷達(dá)正是利用高頻垂直極化電磁波沿海面繞射的特性探測超視距的海面艦船和低空飛機(jī)。,電磁波沿海面的繞射傳播,2024/3/1

6、6,哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系,10,地基/艦載雷達(dá)實(shí)現(xiàn)超視距探測的主要手段有：高頻地波超視距雷達(dá)High Frequency Surface Wave OTH Radar 高頻地波超視距雷達(dá)正是利用高頻(3~30MHz)垂直極化電磁波沿海面繞射的特性探測超視距的海面艦船和低空飛機(jī)，沿海面繞射300~400km。高頻天波雷達(dá)High Frequency Skywave OTH Radar 高頻天波超視距雷達(dá)

7、利用電離層對短波的反射效應(yīng)，其探測距離可達(dá)1000至4000km。高頻天發(fā)地收超視距雷達(dá)High Frequency Hybrid Sky-Surface Wave OTH Radar 基于天波發(fā)射地波接收的新體制雷達(dá)，將目前采用的高頻天波超視距雷達(dá)和高頻地波超視距雷達(dá)的傳播模式相結(jié)合，可發(fā)揮各自的優(yōu)勢?；谔觳òl(fā)射的高頻電磁波信號，是利用電離層對高頻電磁波的折射，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的傳播。由于電離層對電磁波的衰減較小，這種傳播

8、方式可實(shí)現(xiàn)信號的遠(yuǎn)距離傳播，通常情況下可達(dá)2000km-4000km，并且覆蓋區(qū)域非常大。,2024/3/16,哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系,11,2024/3/16,哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系,12,微波超視距雷達(dá) 利用海上大氣波導(dǎo)(大氣超折射和對流層非均勻散射)傳播效應(yīng)是此系統(tǒng)在微波段實(shí)現(xiàn)超視距探測的基礎(chǔ)，分別對應(yīng)主動、被動工作方式。 詳細(xì)分析：見《電磁波傳播特性》章節(jié)。,,dn/dh比正常值更負(fù)時，電波更加向地面彎曲。

9、,2024/3/16,哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系,13,美國Raytheon公司高頻地波雷達(dá)SWR-503的接收天線陣,澳大利亞Jindaleee高頻天波雷達(dá)接收天線陣,2024/3/16,哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系,14,現(xiàn)代級：136-139中華現(xiàn)代：168-169中華神盾：170-171,,,俄制MINERAL-ME目標(biāo)指示/射控雷達(dá)(Bandstand音樂臺)——利用大氣波導(dǎo),2024/3/16,哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系,15

10、,雷達(dá)測距的實(shí)現(xiàn)方法,物理解釋： 一般地說單載頻的連續(xù)波雷達(dá)沒有測距能力，這與其發(fā)射信號帶寬太窄有關(guān)。若必須測量距離，則需要在連續(xù)波發(fā)射信號上加上某些定時標(biāo)志以識別發(fā)射的時間和回波時間。標(biāo)志越尖銳、鮮明，則傳輸時間的測量越準(zhǔn)確。由傅立葉變換知：定時標(biāo)志越尖銳，則發(fā)射信號的頻譜越寬。因此為了測量傳輸時間或距離，則必須擴(kuò)展單載頻連續(xù)波的頻譜。實(shí)現(xiàn)方法： 調(diào)幅——脈沖法測距

11、 調(diào)頻——頻率法測距 調(diào)相——相位法測距,2024/3/16,哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系,16,D.K. Barton et al, Radar Technology Encyclopedia, Artech House, Inc., 1998,2024/3/16,哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系,17,脈沖法測距的優(yōu)缺點(diǎn),2024/3/16,哈爾濱

12、工業(yè)大學(xué)電子工程系,18,脈沖雷達(dá),常規(guī)脈沖雷達(dá)是幅度調(diào)制的一個例子，其發(fā)射波形是單載頻的矩形脈沖，按一定的(單重復(fù)周期)或交錯的重復(fù)周期(參差重復(fù)周期)工作，發(fā)射一個短脈沖相當(dāng)于對電磁波打上標(biāo)記以測往返時間。,B.R. Mahafza et al, Matlab simulations for radar systems design, Chapman & Hall/CRC, 2004,2024/3/16,哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子

13、工程系,19,脈沖雷達(dá)的天線是收發(fā)共用的，這需要一個收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)。在發(fā)射時，收發(fā)開關(guān)使天線與發(fā)射機(jī)接通，并與接收機(jī)斷開，以免高功率的發(fā)射信號進(jìn)入接收機(jī)把高放或混頻器燒毀。接收時，天線與接收機(jī)接通，并與發(fā)射機(jī)斷開，以免因發(fā)射機(jī)旁路而使微弱的接收信號受損失。,2024/3/16,哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系,20,雷達(dá)測距的幾個基本概念,下面以脈沖雷達(dá)信號為例介紹幾個測距的基本概念：脈沖寬度(pulse width) ——脈沖重

14、復(fù)周期PRI (Pulse Repetition Interval) —— 脈沖重復(fù)頻率PRF (Pulse Repetition Frequency) —— 占空比(duty cycle) —— 峰值功率Pt與平均功率Pav —— 典型中程防空雷達(dá)參數(shù)：,2024/3/16,哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系,21,距離分辨力：距離分辨力是指同一方向上兩個大小相等點(diǎn)目標(biāo)之間最小可區(qū)分距離，它取決于雷達(dá)信號波形。,2024/3/16,哈

15、爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系,22,,2024/3/16,哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系,23,對簡單脈沖雷達(dá)而言，脈沖越窄，距離分辨力越好。而從信號檢測角度講，希望發(fā)射脈沖寬度越寬越好，這樣輻射出去的能量越大，目標(biāo)回波信號越強(qiáng)，越有利于信號檢測。顯然這是一對不可調(diào)和的矛盾，可以采用脈沖壓縮信號加以解決。,,,2024/3/16,哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系,24,測距范圍：包括最小可測距離和最大單值測距范圍。最小可測距離——指雷達(dá)能測量的最近目標(biāo)

16、的距離。脈沖雷達(dá)收發(fā)共用天線，在發(fā)射脈沖寬度τ時間內(nèi)，接收機(jī)和天線饋線系統(tǒng)間是斷開的，不能正常接收目標(biāo)回波。發(fā)射脈沖過去后天線收發(fā)開關(guān)恢復(fù)到接收狀態(tài)，也需要一段時間t0。在上述這段時間內(nèi)，由于不能正常接收回波信號，雷達(dá)是很難進(jìn)行測距的。因此，雷達(dá)的最小可測距離為： 雷達(dá)的最大單值測距范圍由其脈沖重復(fù)周期決定，即 當(dāng)確定了雷達(dá)的最大作用距離 后，為保證單值測距，通常選取雷達(dá)脈沖重復(fù)周期滿足下列條件：,,,,,,

17、2024/3/16,哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系,25,測距模糊：當(dāng)回波延遲超過脈沖重復(fù)周期時，會把遠(yuǎn)目標(biāo)誤認(rèn)為近目標(biāo)，即目標(biāo)回波對應(yīng)的距離為： 式中 為非負(fù)整數(shù)， 為接收的回波信號與最鄰近發(fā)射脈沖間的延遲。 如果雷達(dá)重復(fù)頻率 選得過高(如在脈沖多普勒雷達(dá)中為了保證無測速模糊)，測距有可能出現(xiàn)多值性。此時無模糊測距、無模糊測速又成為一對矛盾(MTI 、PD雷達(dá)各有側(cè)重點(diǎn))。

18、測距模糊解釋及示意圖如下：,,,,,,2024/3/16,哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系,26,,,,,,,2024/3/16,哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系,27,雷達(dá)測距解模糊的方法,為了得到目標(biāo)的真實(shí)距離R，必須判定測距模糊值m。為了判別模糊，必須對周期發(fā)射的脈沖信號再加上某些可識別的標(biāo)志，通常采用的解模糊方法有： 多種脈沖重復(fù)頻率法舍脈沖法,2024/3/16,哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系,28,,,,雙脈沖重復(fù)頻率解模糊,,,,t1<

19、;t2, n1=n2=1, tr=4t2-3t1,,,,n1=n2=0, tr=t1=t2,2024/3/16,哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系,29,設(shè)脈沖重復(fù)頻率分別為fr1和fr2 (fr2>fr1)，它們都不滿足無模糊測距的要求，fr1和fr2具有公約頻率為fr=fr1/N=fr2/(N+a)，其中N, a為正整數(shù)。 常選a=1使N和N+a為互質(zhì)數(shù)，且fr的選擇應(yīng)保證無模糊測距，即0<tR<Tr=N*T

20、r1=(N+1)*Tr2。這樣有fr2=(N+1)fr=fr1+frtR=t1+n1/fr1=t2+n2/fr2則在0<tR<Tr范圍內(nèi)，n1和n2關(guān)系只可能有兩種可能：n2=n1、n2=n1+1根據(jù)獲得的t1, t2值大小，可據(jù)下式計(jì)算tR及目標(biāo)距離R=c*tR/2,,藍(lán)虛線 黑虛線 紅

21、虛線,2024/3/16,哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系,30,T1,T1≠T2，Np1≠Np2；但Td1=Np1T1=Td2=Np2T2,T1,,,,,,,,,,T2,,,T2,,,,,,,Np1,Np2,,,,Td1,,,探測周期,T1、T2：雷達(dá)系統(tǒng)探測脈沖的重復(fù)周期。Np1、Np2分別為周期取T1、T2時所對應(yīng)的積累脈沖數(shù)。,Td2,,T1,T1,,,,,,,,,,T2,,,,,,Np1,,,Td1,,,T2,,探測周期,,Np2,,

22、Td2,雙脈沖重復(fù)頻率信號工作時序圖,采用多個高脈沖重復(fù)頻率測距能給出更大的無模糊距離，同時也能兼顧跳開發(fā)射脈沖遮蝕(Eclipse指采用單一脈沖重復(fù)頻率工作時，目標(biāo)因回波時間延遲正好是脈沖重復(fù)周期的整數(shù)倍而無法測距)的靈活性。主要的方法——中國余數(shù)定理： 設(shè)n>=2，m1, m2, …, mn是兩兩互素的正整數(shù)，令M=m1m2…mn=m1M1=m2M2=…=mnMn，則同余式組有且僅有解,2024/3

23、/16,哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系,31,,,,,多脈沖重復(fù)頻率解模糊,,,,2024/3/16,哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系,32,將中國余數(shù)定理應(yīng)用到解測距模糊問題時，m1, m2, …, mn相當(dāng)于所選n個脈沖重復(fù)周期的比值，即或者即fr為fr1, fr2, …, frn的公約數(shù) 在多脈沖重復(fù)頻率情況下，所能獲得的最大脈寬為 參見：W.A. Skil

24、lman and D.H. Mooney, Multiple High-PRF Ranging, IRE 5th National Convention on Military Electronics, 1961, pp37~40 (收入書中：D.K. Barton, Radars, Volume 7: CW and Doppler Radar, Artech House, Inc., 1978, pp205~213),,,2024/

25、3/16,哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系,33,設(shè)n1, n2, …, nn分別為采用脈沖重復(fù)頻率fr1, fr2, …, frn測量時的距離門數(shù)，即模糊時間延遲tn與脈寬 比值的整數(shù)。這樣設(shè)目標(biāo)的真實(shí)時間延遲為tR，則,,將左式兩邊同時除以脈寬，并令 ，即可得到前面的同余式組，利用孫子定理解得x后，目標(biāo)的真實(shí)距離應(yīng)為：,,2024/3/16,哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系,34,舍脈

26、沖法解模糊,所謂舍脈沖法就是每發(fā)射M個發(fā)射脈沖中舍棄一個，作為發(fā)射脈沖串的附加標(biāo)志(發(fā)射134…M)。與發(fā)射脈沖相對應(yīng)，接收到的回波脈沖串同樣是每M個回波脈沖中缺少一個。只要從舍棄的發(fā)射脈沖A2后逐個累計(jì)發(fā)射脈沖數(shù)，直到某一發(fā)射脈沖AM-2后沒有回波脈沖(缺B2)時停止計(jì)數(shù)，則累計(jì)的數(shù)值就是回波跨越的重復(fù)周期數(shù)m=M-4。,,,,舍棄脈沖,,,無回波脈沖,,,2024/3/16,哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系,35,采用舍脈沖法判模糊時，每組