雷達測距原理與脈沖法測距課件

雷達測距原理與脈沖法測距1、雷達測距機理——測時延（單基地、雙基地）2、雷達測距物理基礎(chǔ)——恒光速、直線傳播3、電磁波特殊傳播特性及其應(yīng)用電磁波在大氣層內(nèi)的折射傳播電磁波沿海面的繞射傳播電磁波異常傳播途徑的應(yīng)用——超視距探測4、雷達測距的實現(xiàn)方法——調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相5、脈沖法測距優(yōu)缺點6、雷達測距的幾個基本概念：

距離分辨力、測距范圍、距離模糊7、脈沖法測距的解模糊方法：

雙/多脈沖重復(fù)頻率法、舍脈沖法8/21/20231哈爾濱工業(yè)大學電子工程系雷達測距原理與脈沖法測距1、雷達測距機理——測時延（單基地、雷達測距機理

測量電磁波往返雷達與目標之間的時間。對單基地雷達，設(shè)光速為c，電磁波往返雷達與目標的時間為TR，則目標相對雷達的距離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。8/21/20232哈爾濱工業(yè)大學電子工程系雷達測距機理測量電磁波往返雷達與目標之間的時間。88/21/20233哈爾濱工業(yè)大學電子工程系8/5/20233哈爾濱工業(yè)大學電子工程系對雙基地雷達，計算RT+RR有兩種方法：直接法：間接法：單基地：R=cT/2發(fā)射天線Tx接收天線Rx目標RTRR8/21/20234哈爾濱工業(yè)大學電子工程系對雙基地雷達，計算RT+RR有兩種方法：單基地：R=cT/2對雙基地雷達，具體計算RT或RR需要目標角度信息，如利用目標的接收視線角，則計算公式為：還有其他多種目標定位方法，具體可參考：M.I.Skolnik,RadarHandbook:Ch25BistaticRadar,2ndedition,McGraw-Hill,19908/21/20235哈爾濱工業(yè)大學電子工程系對雙基地雷達，具體計算RT或RR需要目標角度信息，如利用目標雷達測距的物理基礎(chǔ)電磁波恒光速傳播電磁波直線傳播(直視距情形)在均勻大氣中電磁波等速直線傳播。電磁波特殊傳播(超視距情形)電磁波經(jīng)電離層反射(高頻段)、沿海面繞射(高頻段)、在大氣波導(微波段)中曲線傳播。8/21/20236哈爾濱工業(yè)大學電子工程系雷達測距的物理基礎(chǔ)電磁波恒光速傳播8/5/20236哈爾濱工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、地點而變化，導致大氣傳播介質(zhì)的導磁系數(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，雷達原理，西電出版社，1995電磁波在大氣層內(nèi)的折射傳播8/21/20237哈爾濱工業(yè)大學電子工程系地球表面的大氣層分布是不均勻的。電磁波在大氣層內(nèi)的折射傳播8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.伊伏斯等編，現(xiàn)代雷達原理，電子工業(yè)出版社，1991.38/21/20238哈爾濱工業(yè)大學電子工程系分層大氣(層內(nèi)均勻，越高越稀薄)2、大氣介質(zhì)分布的不均勻?qū)⒃煺凵湫?yīng)對目標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，對雷達測量的影響：1)、改變雷達測量距離，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)代雷達原理》P608/21/20239哈爾濱工業(yè)大學電子工程系折射效應(yīng)對目標位置的影響8/5/20239哈爾濱工業(yè)大學電子利用天空的電離層折射和反射而傳播的電波，也叫天波。電離層一方面反射電波，另一方面也要吸收電波。電離層對電波的反射和吸收與頻率(波長)有關(guān)。利用短波的天波傳播可實現(xiàn)遠距離通信及目標探測，具有兩個突出特點：一是傳播距離遠，同時產(chǎn)生中間靜區(qū)地帶，二是傳播不穩(wěn)定，隨晝夜和季節(jié)的變化而變化。電磁波經(jīng)電離層的反射傳播8/21/202310哈爾濱工業(yè)大學電子工程系利用天空的電離層折射和反射而傳播的電波，也叫無線電波朝海面發(fā)射時，在海水表面會存在一種電磁波傳播模式，稱為地波(GroundWave)是一種表面波(SurfaceWave)。垂直極化高頻電磁波在海水表面的地波傳播衰減很小，而且地波在一定程度上會沿著彎曲的地球表面?zhèn)鞑?，到達地平線以下很遠的地方，即實現(xiàn)超視距傳播。電磁波沿海面的地波傳播TBMsOutto700KmHorizonSurfacewavePropagationShipDetectionandTrackingat200KmFighterandSmallBoatDetectionandTrackingat74KmLine-of-SightPropagationAntishipMissilesDetectionandTrackingat37Km8/21/202311哈爾濱工業(yè)大學電子工程系無線電波朝海面發(fā)射時，在海水表面會存在一種電磁波傳播模式，稱利用電磁波的特殊傳播途徑可實現(xiàn)地基/艦載雷達的超視距探測：1、高頻地波超視距雷達HighFrequencySurfaceWaveOTHRadar高頻地波超視距雷達正是利用高頻(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，沿海面繞射300~400km。電磁波特殊傳播途徑的應(yīng)用美國Raytheon公司高頻地波雷達SWR-503的接收天線陣8/21/202312哈爾濱工業(yè)大學電子工程系利用電磁波的特殊傳播途徑可實現(xiàn)地基/艦載雷達的2、高頻天波雷達HighFrequencySkywaveOTHRadar高頻天波超視距雷達利用電離層對短波的反射效應(yīng)，其探測距離可達1000至4000km。澳大利亞Jindalee高頻天波雷達接收天線陣8/21/202313哈爾濱工業(yè)大學電子工程系2、高頻天波雷達HighFrequencySkywave3、高頻天發(fā)地收超視距雷達HighFrequencyHybridSky-SurfaceWaveOTHRadar基于天波發(fā)射地波接收的新體制雷達，將目前采用的高頻天波超視距雷達和高頻地波超視距雷達的傳播模式相結(jié)合，可發(fā)揮各自的優(yōu)勢。基于天波發(fā)射的高頻電磁波信號，是利用電離層對高頻電磁波的散射，實現(xiàn)遠距離的傳播。由于電離層對電磁波的衰減較小，這種傳播方式可實現(xiàn)信號的遠距離傳播，通常情況下可達2000km-4000km，并且覆蓋區(qū)域非常大。8/21/202314哈爾濱工業(yè)大學電子工程系3、高頻天發(fā)地收超視距雷達HighFrequencyHy4、微波超視距雷達利用海面蒸發(fā)形成的大氣波導(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。

詳細分析：見《電磁波傳播特性》章節(jié)。dn/dh比正常值更負時，電波更加向地面彎曲。8/21/202315哈爾濱工業(yè)大學電子工程系4、微波超視距雷達dn/dh比正常值更負時，電波更加向地面彎現(xiàn)代級：136-139中華現(xiàn)代：168-169中華神盾：170-171俄制MINERAL-ME目標指示/射控雷達(Bandstand音樂臺)——利用大氣波導8/21/202316哈爾濱工業(yè)大學電子工程系現(xiàn)代級：136-139俄制MINERAL-ME目標指示/射控雷達測距的實現(xiàn)方法物理解釋：一般地說單載頻的連續(xù)波雷達沒有測距能力，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志以識別發(fā)射的時間和回波時間。標志越尖銳、鮮明，則傳輸時間的測量越準確。由傅立葉變換知：定時標志越尖銳，則發(fā)射信號的頻譜越寬。因此為了測量傳輸時間或距離，則必須擴展單載頻連續(xù)波的頻譜。實現(xiàn)方法：調(diào)幅——脈沖法測距調(diào)頻——頻率法測距調(diào)相——相位法測距8/21/202317哈爾濱工業(yè)大學電子工程系雷達測距的實現(xiàn)方法物理解釋：8/5/202317哈爾濱工業(yè)大D.K.Bartonetal,RadarTechnologyEncyclopedia,ArtechHouse,Inc.,19988/21/202318哈爾濱工業(yè)大學電子工程系D.K.Bartonetal,RadarTechn脈沖法測距的優(yōu)缺點8/21/202319哈爾濱工業(yè)大學電子工程系脈沖法測距的優(yōu)缺點8/5/202319哈爾濱工業(yè)大學電子工程脈沖雷達常規(guī)脈沖雷達是幅度調(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)射一個短脈沖相當于對電磁波打上標記以測往返時間。B.R.Mahafzaetal,Matlabsimulationsforradarsystemsdesign,Chapman&Hall/CRC,2004單載頻信號8/21/202320哈爾濱工業(yè)大學電子工程系脈沖雷達常規(guī)脈沖雷達是幅度調(diào)制的一個例子，其發(fā)射波形是單載頻脈沖雷達的天線是收發(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)射機接通，并與接收機斷開，以免高功率的發(fā)射信號進入接收機把高放或混頻器燒毀。接收時，天線與接收機接通，并與發(fā)射機斷開，以免因發(fā)射機旁路而使微弱的接收信號受損失。8/21/202321哈爾濱工業(yè)大學電子工程系脈沖雷達的天線是收發(fā)共用的，這需要一個收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)。在發(fā)射時雷達測距的幾個基本概念下面以脈沖雷達信號為例介紹幾個測距的基本概念：脈沖寬度(pulsewidth)——脈沖重復(fù)周期PRI(PulseRepetitionInterval)——脈沖重復(fù)頻率PRF(PulseRepetitionFrequency)——占空比(dutycycle)——峰值功率Pt與平均功率Pav——典型中程防空雷達參數(shù)：簡單矩形脈沖波形8/21/202322哈爾濱工業(yè)大學電子工程系雷達測距的幾個基本概念下面以脈沖雷達信號為例介紹幾個測距的基1、距離分辨力：距離分辨力是指同一方向上兩個大小相等點目標之間最小可區(qū)分距離，它取決于雷達信號波形。8/21/202323哈爾濱工業(yè)大學電子工程系1、距離分辨力：距離分辨力是指同一方向上兩個大小相等點目標之8/21/202324哈爾濱工業(yè)大學電子工程系8/5/202324哈爾濱工業(yè)大學電子工程系對簡單脈沖雷達而言，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，目標回波信號越強，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。8/21/202325哈爾濱工業(yè)大學電子工程系對簡單脈沖雷達而言，脈沖越窄，距離分辨力越好。而從信號檢測角2、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——指雷達能測量的最近目標的距離。脈沖雷達收發(fā)共用天線，在發(fā)射脈沖寬度τ時間內(nèi)，接收機和天線饋線系統(tǒng)間是斷開的，不能正常接收目標回波。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，雷達是很難進行測距的。因此，雷達的最小可測距離為：雷達的最大單值測距范圍由其脈沖重復(fù)周期決定，即當確定了雷達的最大作用距離后，為保證單值測距，通常選取雷達脈沖重復(fù)周期滿足下列條件：8/21/202326哈爾濱工業(yè)大學電子工程系2、測距范圍：包括最小可測距離和最大單值測距范圍。8/5/23、測距模糊：當回波延遲超過脈沖重復(fù)周期時，會把遠目標誤認為近目標，即目標回波對應(yīng)的距離為：

式中為非負整數(shù)，為接收的回波信號與最鄰近發(fā)射脈沖間的延遲。

如果雷達重復(fù)頻率選得過高(如在脈沖多普勒雷達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雷達各有側(cè)重點)。測距模糊解釋及示意圖如下：8/21/202327哈爾濱工業(yè)大學電子工程系3、測距模糊：當回波延遲超過脈沖重復(fù)周期時，會把遠目標誤認為8/21/202328哈爾濱工業(yè)大學電子工程系8/5/202328哈爾濱工業(yè)大學電子工程系脈沖法測距的解模糊方法為了得到目標的真實距離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8/21/202329哈爾濱工業(yè)大學電子工程系脈沖法測距的解模糊方法為了得到目標的真實距離R，必須判定測距雙脈沖重復(fù)頻率解模糊t1<t2,n1=n2=1,tr=4t2-3t1n1=n2=0,tr=t1=t28/21/202330哈爾濱工業(yè)大學電子工程系雙脈沖重復(fù)頻率解模糊t1<t2,n1=n2=1,tr=4

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*Tr1=(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)下式計算tR及目標距離R=c*tR/2：藍虛線黑虛線紅虛線8/21/202331哈爾濱工業(yè)大學電子工程系設(shè)脈沖重復(fù)頻率分別為fr1和fr2(fr2>T1T1≠T2，Np1≠Np2；但Td1=Np1T1=Td2=Np2T2T1T2T2Np1Np2Td1探測周期T1、T2：雷達系統(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)。Td2T1T1T2Np1Td1T2探測周期Np2Td2雙脈沖重復(fù)頻率信號工作時序圖8/21/202332哈爾濱工業(yè)大學電子工程系T1T1≠T2，Np1≠Np2；但Td1=Np1T1=Td2

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多脈沖重復(fù)頻率解模糊8/21/202333哈爾濱工業(yè)大學電子工程系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

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.SkillmanandD.H.Mooney,MultipleHigh-PRFRanging,IRE5thNationalConventiononMilitaryElectronics,1961,pp37~40(收入書中：D.K.Barton,Radars,Volume7:CWandDopplerRadar,ArtechHouse,Inc.,1978,pp205~213)8/21/202334哈爾濱工業(yè)大學電子工程系將