雷达测距原理及实现方法.ppt

雷达测距原理,测量电磁波往返雷达与目标之间的时间。 对单基地雷达，设光速为c，电磁波往返雷达与目标的时间 为TR，则目标相对雷达的距离R为： 据上述公式可得1微秒(s)对应150米(m)，式中数字2表示收发双程。,2019/10/13,哈尔滨工业大学电子工程系,2,2019/10/13,哈尔滨工业大学电子工程系,3,对双基地雷达，计算RT+RR有两种方法： 直接法： 间接法：,单基地：R=cT/2,2019/10/13,哈尔滨工业大学电子工程系,4,对双基地雷达，具体计算RT或RR需要目标角度信息，如利用目标的接收视线角，则计算公式为： 还有其他多种目标定位方法，具体可参考： M.I. Skolnik, Radar Handbook: Ch25 Bistatic Radar, 2nd edition, McGraw-Hill, 1990,2019/10/13,哈尔滨工业大学电子工程系,5,雷达测距的物理基础,电磁波恒光速传播 电磁波直线传播(直视距情形) 在均匀大气中电磁波等速直线传播。 沿海面绕射传播(超视距情形) 特殊条件下电磁波沿海面、大气波导曲线传播。,2019/10/13,哈尔滨工业大学电子工程系,6,地球表面的大气层分布是不均匀的。 1、大气密度、温度、湿度等参数随时间、地点而变化，导致大气传播介质的导磁系数和介电常数发生相应改变，引起电波传播速度c变化。 昼夜间大气中温度、气压及湿度的起伏变化所引起的传播速度变化为： 丁鹭飞，雷达原理，西电出版社，1995,地球大气层,2019/10/13,哈尔滨工业大学电子工程系,7,分层大气(层内均匀，越高越稀薄),2、大气介质分布的不均匀将造成电磁波非直线传播(大气折射)。 折射系数n=c/vp 折射率N=(n-1)x10 hnvp dn/dh0 射线通过径向分层大气时的途径 美杰里L. 伊伏斯等编，现代雷达原理，电子工业出版社，1991.3,2019/10/13,哈尔滨工业大学电子工程系,8,折射效应对目标位置的影响 电磁波在非均匀大气层中传播时出现的大气折射，将有两方面影响： 1)、改变雷达测量距离，产生测距误差。 2)、引起俯仰角测量误差。 折射的影响可采用等效地球半径法近似说明。现代雷达原理P60,2019/10/13,哈尔滨工业大学电子工程系,9,高频地波超视距雷达正是利用高频垂直极化电磁波沿海面绕射的特性探测超视距的海面舰船和低空飞机。,电磁波沿海面的绕射传播,2019/10/13,哈尔滨工业大学电子工程系,10,地基/舰载雷达实现超视距探测的主要手段有： 高频地波超视距雷达High Frequency Surface Wave OTH Radar 高频地波超视距雷达正是利用高频(330MHz)垂直极化电磁波沿海面绕射的特性探测超视距的海面舰船和低空飞机，沿海面绕射300400km。 高频天波雷达High Frequency Skywave OTH Radar 高频天波超视距雷达利用电离层对短波的反射效应，其探测距离可达1000至4000km。 高频天发地收超视距雷达High Frequency Hybrid Sky-Surface Wave OTH Radar 基于天波发射地波接收的新体制雷达，将目前采用的高频天波超视距雷达和高频地波超视距雷达的传播模式相结合，可发挥各自的优势。基于天波发射的高频电磁波信号，是利用电离层对高频电磁波的折射，实现远距离的传播。由于电离层对电磁波的衰减较小，这种传播方式可实现信号的远距离传播，通常情况下可达2000km-4000km，并且覆盖区域非常大。,2019/10/13,哈尔滨工业大学电子工程系,11,2019/10/13,哈尔滨工业大学电子工程系,12,微波超视距雷达 利用海上大气波导(大气超折射和对流层非均匀散射)传播效应是此系统在微波段实现超视距探测的基础，分别对应主动、被动工作方式。 详细分析：见电磁波传播特性章节。,dn/dh比正常值更负时，电波更加向地面弯曲。,2019/10/13,哈尔滨工业大学电子工程系,13,美国Raytheon公司高频地波雷达SWR-503的接收天线阵,澳大利亚Jindaleee高频天波雷达接收天线阵,2019/10/13,哈尔滨工业大学电子工程系,14,现代级：136-139 中华现代：168-169 中华神盾：170-171,俄制MINERAL-ME目标指示/射控雷达(Bandstand音乐台) 利用大气波导,2019/10/13,哈尔滨工业大学电子工程系,15,雷达测距的实现方法,物理解释： 一般地说单载频的连续波雷达没有测距能力，这与其发射信号带宽太窄有关。若必须测量距离，则需要在连续波发射信号上加上某些定时标志以识别发射的时间和回波时间。标志越尖锐、鲜明，则传输时间的测量越准确。由傅立叶变换知：定时标志越尖锐，则发射信号的频谱越宽。因此为了测量传输时间或距离，则必须扩展单载频连续波的频谱。 实现方法： 调幅脉冲法测距 调频频率法测距 调相相位法测距,2019/10/13,哈尔滨工业大学电子工程系,16,D.K. Barton et al, Radar Technology Encyclopedia, Artech House, Inc., 1998,2019/10/13,哈尔滨工业大学电子工程系,17,脉冲法测距的优缺点,2019/10/13,哈尔滨工业大学电子工程系,18,脉冲雷达,常规脉冲雷达是幅度调制的一个例子，其发射波形是单载频的矩形脉冲 ，按一定的(单重复周期)或交错的重复周期(参差重复周期)工作，发射一个短脉冲相当于对电磁波打上标记以测往返时间。,B.R. Mahafza et al, Matlab simulations for radar systems design, Chapman & Hall/CRC, 2004,2019/10/13,哈尔滨工业大学电子工程系,19,脉冲雷达的天线是收发共用的，这需要一个收发转换开关。在发射时，收发开关使天线与发射机接通，并与接收机断开，以免高功率的发射信号进入接收机把高放或混频器烧毁。接收时，天线与接收机接通，并与发射机断开，以免因发射机旁路而使微弱的接收信号受损失。,2019/10/13,哈尔滨工业大学电子工程系,20,雷达测距的几个基本概念,下面以脉冲雷达信号为例介绍几个测距的基本概念： 脉冲宽度(pulse width) 脉冲重复周期PRI (Pulse Repetition Interval) 脉冲重复频率PRF (Pulse Repetition Frequency) 占空比(duty cycle) 峰值功率Pt与平均功率Pav 典型中程防空雷达参数：,2019/10/13,哈尔滨工业大学电子工程系,21,距离分辨力：距离分辨力是指同一方向上两个大小相等点目标之间最小可区分距离，它取决于雷达信号波形。,2019/10/13,哈尔滨工业大学电子工程系,22,2019/10/13,哈尔滨工业大学电子工程系,23,对简单脉冲雷达而言，脉冲越窄，距离分辨力越好。而从信号检测角度讲，希望发射脉冲宽度越宽越好，这样辐射出去的能量越大，目标回波信号越强，越有利于信号检测。显然这是一对不可调和的矛盾，可以采用脉冲压缩信号加以解决。,2019/10/13,哈尔滨工业大学电子工程系,24,测距范围：包括最小可测距离和最大单值测距范围。 最小可测距离指雷达能测量的最近目标的距离。脉冲雷达收发共用天线，在发射脉冲宽度时间内，接收机和天线馈线系统间是断开的，不能正常接收目标回波。发射脉冲过去后天线收发开关恢复到接收状态，也需要一段时间t0。在上述这段时间内，由于不能正常接收回波信号，雷达是很难进行测距的。因此，雷达的最小可测距离为： 雷达的最大单值测距范围由其脉冲重复周期决定，即 当确定了雷达的最大作用距离 后，为保证单值测距，通常选取雷达脉冲重复周期满足下列条件：,2019/10/13,哈尔滨工业大学电子工程系,25,测距模糊：当回波延迟超过脉冲重复周期时，会把远目标误认为近目标，即目标回波对应的距离为： 式中 为非负整数， 为接收的回波信号与最邻近发射脉冲间的延迟。 如果雷达重复频率 选得过高(如在脉冲多普勒雷达中为了保证无测速模糊)，测距有可能出现多值性。此时无模糊测距、无模糊测速又成为一对矛盾(MTI 、PD雷达各有侧重点)。 测距模糊解释及示意图如下：,2019/10/13,哈尔滨工业大学电子工程系,26,2019/10/13,哈尔滨工业大学电子工程系,27,雷达测距解模糊的方法,为了得到目标的真实距离R，必须判定测距模糊值m。为了判别模糊，必须对周期发射的脉冲信号再加上某些可识别的标志，通常采用的解模糊方法有： 多种脉冲重复频率法 舍脉冲法,2019/10/13,哈尔滨工业大学电子工程系,28,双脉冲重复频率解模糊,t1t2, n1=n2=1, tr=4t2-3t1,n1=n2=0, tr=t1=t2,2019/10/13,哈尔滨工业大学电子工程系,29,设脉冲重复频率分别为fr1和fr2 (fr2fr1)，它们都不满足无模糊测距的要求，fr1和fr2具有公约频率为fr=fr1/N=fr2/(N+a)，其中N, a为正整数。 常选a=1使N和N+a为互质数，且fr的选择应保证无模糊测距，即0tRTr=N*Tr1=(N+1)*Tr2。这样有 fr2=(N+1)fr=fr1+fr tR=t1+n1/fr1=t2+n2/fr2 则在0tRTr范围内，n1和n2关系只可能有两种可能： n2=n1、n2=n1+1 根据获得的t1, t2值大小，可据下式计算tR及目标距离R=c*tR/2,蓝虚线 黑虚线 红虚线,2019/10/13,哈尔滨工业大学电子工程系,30,T1,T1T2，Np1Np2；但Td1=Np1T1=Td2=Np2T2,T1,T2,T2,Np1,Np2,Td1,探测周期,T1、T2：雷达系统探测脉冲的重复周期。Np1、Np2分别为周期取T1、T2时所对应的积累脉冲数。,Td2,T1,T1,T2,Np1,Td1,T2,探测周期,Np2,Td2,双脉冲重复频率信号工作时序图,采用多个高脉冲重复频率测距能给出更大的无模糊距离，同时也能兼顾跳开发射脉冲遮蚀(Eclipse指采用单一脉冲重复频率工作时，目标因回波时间延迟正好是脉冲重复周期的整数倍而无法测距)的灵活性。主要的方法 中国余数定理： 设n=2，m1, m2, , mn是两两互素的正整数，令M=m1m2mn=m1M1 =m2M2=mnMn，则同余式组 有且仅有解,2019/10/13,哈尔滨工业大学电子工程系,31,多脉冲重复频率解模糊,2019/10/13,哈尔滨工业大学电子工程系,32,将中国余数定理应用到解测距模糊问题时，m1, m2, , mn相当于所选n个脉冲重复周期的比值，即 或者 即fr为fr1, fr2, , frn的公约数 在多脉冲重复频率情况下，所能获得的最大脉宽为 参见：W.A. Skillman and D.H. Mooney, Multiple High-PRF Ranging, IRE 5th National Convention on Military Electronics, 1961, pp3740 (收入书中：D.K. Barton, Radars, Volume 7: CW and Doppler Radar, Artech House, Inc., 1978, pp205213),2019/10/13,哈尔滨工业大学电子工程系,33,设n1, n2, , nn分别为采用脉冲重复频率fr1, fr2, , frn测量时的距离门数，即模糊时间延迟tn与脉宽 比值的整数。这样设目标的真实时间延迟为tR，则,将左式两边同时除以脉宽，并令 ，即可得到前面的同余式组，利用孙子定理解得x后，目标的真实距离应为：,2019/10/13,哈尔滨工业大学电子工程系,34,舍脉冲法解模糊,所谓舍脉冲法就是每发射M个发射脉冲中舍弃一个，作为发射脉冲串的附加标志(发射134M)。与发射脉冲相对应，接收到的回波脉冲串同样是每M个回波脉冲