雷達測距方法幻燈片

1、雷達測距原理,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(s)對應(yīng)150米(m)，式中數(shù)字2表示收發(fā)雙程。,1,哈,2,2,哈,2,2,哈,3,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/2,2,哈,4,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, Radar Handbook: Ch25 Bistatic Radar, 2nd edition

2、, McGraw-Hill, 1990,2,哈,5,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。 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。,2,哈,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，雷達原理，西電出版社，1995,地球大氣層,2,哈,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?/p>

3、直線傳播(大氣折射)。 折射系數(shù)n=c/vp 折射率N=(n-1)x10 hnvp dn/dh0 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)代雷達原理，電子工業(yè)出版社，1991.3,2,哈,8,折射效應(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，將有兩方面影響： 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。現(xiàn)代雷達原理P60,2,哈,9,高頻地波超視距雷達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。,電磁波沿海面的繞射傳播,2,哈,10,地基/艦載雷達實現(xiàn)超視距探測的主

4、要手段有： 高頻地波超視距雷達High Frequency Surface Wave OTH Radar 高頻地波超視距雷達正是利用高頻(330MHz)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300400km。 高頻天波雷達High Frequency Skywave OTH Radar 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。 高頻天發(fā)地收超視距雷達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，將目前采用的高頻天波超視距雷達和高頻地

5、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折射，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。,2,哈,11,2,哈,12,微波超視距雷達 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。,2,哈,13,美國Raytheon公司高頻地波雷達SWR-503的接收天線陣,澳大利亞Jin

6、daleee高頻天波雷達接收天線陣,2,哈,14,現(xiàn)代級：136-139 中華現(xiàn)代：168-169 中華神盾：170-171,俄制MINERAL-ME目標指示/射控雷達(Bandstand音樂臺) 利用大氣波導(dǎo),2,哈,15,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

7、率法測距 調(diào)相相位法測距,2,哈,16,D.K. Barton et al, Radar Technology Encyclopedia, Artech House, Inc., 1998,2,哈,17,脈沖法測距的優(yōu)缺點,2,哈,18,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. Mahafza et al, Matlab simulations for radar systems design, Chapman & Hall/CRC, 20

8、04,2,哈,19,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。,2,哈,20,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(pulse width) 脈沖重復(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

9、典型中程防空雷達參數(shù)：,2,哈,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目標之間最小可區(qū)分距離，它取決于雷達信號波形。,2,哈,22,2,哈,23,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。,2,哈,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)

10、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：,2,哈,25,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

11、點)。 測距模糊解釋及示意圖如下：,2,哈,26,2,哈,27,雷達測距解模糊的方法,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,2,哈,28,雙脈沖重復(fù)頻率解模糊,t1fr1)，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0tRTr=N*Tr1=(N+1)*Tr2。這樣有 fr2=(N+1)fr=fr1+fr tR=t1+n1/fr1

12、=t2+n2/fr2 則在0tR=2，m1, m2, , mn是兩兩互素的正整數(shù)，令M=m1m2mn=m1M1 =m2M2=mnMn，則同余式組 有且僅有解,2,哈,31,多脈沖重復(fù)頻率解模糊,2,哈,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. Skillman and D.H. Mooney, Multiple High-PRF Ranging, IRE 5th National Convention on Mili

13、tary Electronics, 1961, pp3740 (收入書中：D.K. Barton, Radars, Volume 7: CW and Doppler Radar, Artech House, Inc., 1978, pp205213),2,哈,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)目標的真實時間延遲為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，目標的真實距離應(yīng)為：,2,哈,34,舍脈沖法解模糊,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)射脈沖串的附加標志(發(fā)射134M)。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