雷达测距原理与脉冲法测距资料优秀PPT.ppt
雷达测距原理与脉冲法测距雷达测距原理与脉冲法测距1、雷达测距机理、雷达测距机理测时延（单基地、双基地）测时延（单基地、双基地）2、雷达测距物理基础、雷达测距物理基础恒光速、直线传播恒光速、直线传播3、电磁波特殊传播特性及其应用、电磁波特殊传播特性及其应用电磁波在大气层内的折射传播电磁波在大气层内的折射传播电磁波沿海面的绕射传播电磁波沿海面的绕射传播电磁波异样传播途径的应用电磁波异样传播途径的应用超视距探测超视距探测4、雷达测距的实现方法、雷达测距的实现方法调幅、调频、调相调幅、调频、调相5、脉冲法测距优缺点、脉冲法测距优缺点6、雷达测距的几个基本概念：、雷达测距的几个基本概念：距离辨别力、测距范围、距离模糊距离辨别力、测距范围、距离模糊7、脉冲法测距的解模糊方法：、脉冲法测距的解模糊方法：双双/多脉冲重复频率法、舍脉冲法多脉冲重复频率法、舍脉冲法4/15/20231哈尔滨工业高校电子工程系雷达测距机理雷达测距机理 测量电磁波来回雷达与目标之间的时间。对单基地雷达，设光速为c，电磁波来回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。4/15/20232哈尔滨工业高校电子工程系4/15/20233哈尔滨工业高校电子工程系对双基地雷达，计算对双基地雷达，计算RT+RR有两种方法：有两种方法：干脆法：干脆法：间接法：间接法：单基地：单基地：R=cT/2发射天线发射天线Tx接收天线接收天线Rx目标目标RTRR4/15/20234哈尔滨工业高校电子工程系对双基地雷达，具体计算对双基地雷达，具体计算RT或或RR须要目标角度信息，如利用须要目标角度信息，如利用目标的接收视线角，则计算公式为：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：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,19904/15/20235哈尔滨工业高校电子工程系雷达测距的物理基础雷达测距的物理基础电磁波恒光速传播电磁波恒光速传播电磁波直线传播电磁波直线传播(直视距情形直视距情形)在匀整大气中电磁波等速直线传播。在匀整大气中电磁波等速直线传播。电磁波特殊传播电磁波特殊传播(超视距情形超视距情形)电磁波经电离层反射电磁波经电离层反射(高频段高频段)、沿海面绕射、沿海面绕射(高频段高频段)、在大气波导在大气波导(微波段微波段)中曲线传播。中曲线传播。4/15/20236哈尔滨工业高校电子工程系地球表面的大气层分布是不匀整的。地球表面的大气层分布是不匀整的。1、大气密度、温度、湿度等参数随时间、大气密度、温度、湿度等参数随时间、地点而变更，导致大气传播介质的导磁地点而变更，导致大气传播介质的导磁系数和介电常数发生相应变更，引起电系数和介电常数发生相应变更，引起电波传播速度波传播速度c变更。变更。昼夜间大气中温度、气压及湿度的起伏昼夜间大气中温度、气压及湿度的起伏变更所引起的传播速度变更为：变更所引起的传播速度变更为：丁鹭飞，雷达原理，西电出版社，丁鹭飞，雷达原理，西电出版社，1995电磁波在大气层内的折射传播电磁波在大气层内的折射传播4/15/20237哈尔滨工业高校电子工程系分层大气分层大气(层内匀层内匀整，越高越淡薄整，越高越淡薄)2、大气介质分布的不匀整将造成电磁波非直线传播、大气介质分布的不匀整将造成电磁波非直线传播(大气折射大气折射)。折射系数折射系数n=c/vp折射率折射率N=(n-1)x10hnvpdn/dh0 射线通过径向分层大气时的途径射线通过径向分层大气时的途径美美杰里杰里L.伊伏斯等编，现代雷达原理，电子工业出版社，伊伏斯等编，现代雷达原理，电子工业出版社，1991.34/15/20238哈尔滨工业高校电子工程系折射效应对目标位置的影响折射效应对目标位置的影响电磁波在非匀整大气层中传播时出现的大气折射，对雷达测量的影响：电磁波在非匀整大气层中传播时出现的大气折射，对雷达测量的影响：1)、变更雷达测量距离，产生测距误差。、变更雷达测量距离，产生测距误差。2)、引起俯仰角测量误差。、引起俯仰角测量误差。折射的影响可接受等效地球半径法近似说明。现代雷达原理折射的影响可接受等效地球半径法近似说明。现代雷达原理P604/15/20239哈尔滨工业高校电子工程系 利用天空的电离层折射和反射而传播的电波，也叫天波。电离层一利用天空的电离层折射和反射而传播的电波，也叫天波。电离层一方面反射电波，另一方面也要吸取电波。电离层对电波的反射和吸取与频方面反射电波，另一方面也要吸取电波。电离层对电波的反射和吸取与频率率(波长波长)有关。利用短波的天波传播可实现远距离通信及目标探测，具有有关。利用短波的天波传播可实现远距离通信及目标探测，具有两个突出特点：两个突出特点：一是传播距离远，同时产生中间静区地带，一是传播距离远，同时产生中间静区地带，二是传播不稳定，随昼夜和季节的变更而变更。二是传播不稳定，随昼夜和季节的变更而变更。电磁波经电离层的反射传播电磁波经电离层的反射传播4/15/202310哈尔滨工业高校电子工程系无线电波朝海面放射时，在海水表面会存在一种电磁波传播模式，称为地无线电波朝海面放射时，在海水表面会存在一种电磁波传播模式，称为地波波(Ground Wave)是一种表面波是一种表面波(Surface Wave)。垂直极化高频电磁波在。垂直极化高频电磁波在海水表面的地波传播衰减很小，而且地波在确定程度上会沿着弯曲的地球海水表面的地波传播衰减很小，而且地波在确定程度上会沿着弯曲的地球表面传播，到达地平线以下很远的地方，即实现超视距传播。表面传播，到达地平线以下很远的地方，即实现超视距传播。电磁波沿海面的地波传播电磁波沿海面的地波传播TBMs Out to 700KmHorizonSurface wave PropagationShip Detection andTracking at 200KmFighter and Small Boat Detection and Tracking at 74KmLine-of-Sight PropagationAntiship Missiles Detection and Tracking at 37Km4/15/202311哈尔滨工业高校电子工程系 利用电磁波的特殊传播途径可实现地基利用电磁波的特殊传播途径可实现地基/舰载雷达的超视距探测：舰载雷达的超视距探测：1、高频地波超视距雷达、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。电磁波特殊传播途径的应用电磁波特殊传播途径的应用美国美国Raytheon公司高频地波雷达公司高频地波雷达SWR-503的接收天线阵的接收天线阵4/15/202312哈尔滨工业高校电子工程系2、高频天波雷达、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至至4000km。澳大利亚澳大利亚Jindalee高频天波雷达接收天线阵高频天波雷达接收天线阵4/15/202313哈尔滨工业高校电子工程系3、高频天发地收超视距雷达、高频天发地收超视距雷达High Frequency Hybrid Sky-Surface Wave OTH Radar 基于天波放射地波接收的新体制雷达，将目前接受的高频天波超视距雷基于天波放射地波接收的新体制雷达，将目前接受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。基于天波放射的高频电磁波信号，是利用电离层对高频电磁波的散射，实现远距离的放射的高频电磁波信号，是利用电离层对高频电磁波的散射，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。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，通常状况下可达传播，通常状况下可达2000km-4000km，并且覆盖区域特别大。，并且覆盖区域特别大。4/15/202314哈尔滨工业高校电子工程系4、微波超视距雷达、微波超视距雷达 利用海面蒸发形成的大气波导利用海面蒸发形成的大气波导(大气超折射和对流层非匀整散射大气超折射和对流层非匀整散射)传播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。方式。具体分析：见电磁波传播特性章节。具体分析：见电磁波传播特性章节。dn/dh比正常值更负时，比正常值更负时，电波更加向地面弯曲。电波更加向地面弯曲。4/15/202315哈尔滨工业高校电子工程系现代级：现代级：136-139中华现代：中华现代：168-169中华神盾：中华神盾：170-171俄制俄制MINERAL-ME目标指示目标指示/射控雷达射控雷达(Bandstand音乐台音乐台)利用大气波导利用大气波导4/15/202316哈尔滨工业高校电子工程系雷达测距的实现方法雷达测距的实现方法物理说明：物理说明：一般地说单载频的连续波雷达没有测距实力，这与其放一般地说单载频的连续波雷达没有测距实力，这与其放射信号带宽太窄有关。若必需测量距离，则须要在连续波放射信号带宽太窄有关。若必需测量距离，则须要在连续波放射信号上加上某些定时标记以识别放射的时间和回波时间。射信号上加上某些定时标记以识别放射的时间和回波时间。标记越尖锐、显明，则传输时间的测量越精确。由傅立叶变标记越尖锐、显明，则传输时间的测量越精确。由傅立叶变换知：定时标记越尖锐，则放射信号的频谱越宽。因此为了换知：定时标记越尖锐，则放射信号的频谱越宽。因此为了测量传输时间或距离，则必需扩展单载频连续波的频谱。测量传输时间或距离，则必需扩展单载频连续波的频谱。实现方法：实现方法：调幅调幅脉冲法测距脉冲法测距 调频调频频率法测距频率法测距 调相调相相位法测距相位法测距4/15/202317哈尔滨工业高校电子工程系D.K.Barton et al,Radar Technology Encyclopedia,Artech House,Inc.,19984/15/202318哈尔滨工业高校电子工程系脉冲法测距的优缺点脉冲法测距的优缺点4/15/202319哈尔滨工业高校电子工程系脉冲雷达脉冲雷达常规脉冲雷达是幅度调制的一个例子，其放射波形是单载频的矩形脉冲常规脉冲雷达是幅度调制的一个例子，其放射波形是单载频的矩形脉冲，按确定的，按确定的(单重复周期单重复周期)或交织的重复周期或交织的重复周期(参差重复周期参差重复周期)工作，放射工作，放射一个短脉冲相当于对电磁波打上标记以测来回时间。一个短脉冲相当于对电磁波打上标记以测来回时间。B.R.Mahafza et al,Matlab simulations for radar systems design,Chapman&Hall/CRC,2004单载频信号单载频信号4/15/202320哈尔滨工业高校电子工程系脉冲雷达的天线是收发共用的，这须要一个收发转换开关。在放射时，收脉冲雷达的天线是收发共用的，这须要一个收发转换开关。在放射时，收发开关使天线与放射机接通，并与接收机断开，以免高功率的放射信号进发开关使天线与放射机接通，并与接收机断开，以免高功率的放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，并与放射机入接收机把高放或混频器烧毁。接收时，天线与接收机接通，并与放射机断开，以免因放射机旁路而使微弱的接收信号受损失。断开，以免因放射机旁路而使微弱的接收信号受损失。4/15/202321哈尔滨工业高校电子工程系雷达测距的几个基本概念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：下面以脉冲雷达信号为例介绍几个测距的基本概念：脉冲宽度脉冲宽度(pulse width)脉冲重复周期脉冲重复周期PRI(Pulse Repetition Interval)脉冲重复频率脉冲重复频率PRF(Pulse Repetition Frequency)占空比占空比(duty cycle)峰值功率峰值功率Pt与平均功率与平均功率Pav 典型中程防空雷达参数：典型中程防空雷达参数：简单矩形脉冲波形简单矩形脉冲波形4/15/202322哈尔滨工业高校电子工程系1、距离辨别力：距离辨别力是指同一方向上两个大小相等点目标之间最小可区分、距离辨别力：距离辨别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。距离，它取决于雷达信号波形。4/15/202323哈尔滨工业高校电子工程系4/15/202324哈尔滨工业高校电子工程系对简洁脉冲雷达而言，脉冲越窄，距离辨别力越好。而从信号检测角度讲，希望对简洁脉冲雷达而言，脉冲越窄，距离辨别力越好。而从信号检测角度讲，希望放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，越有利放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。明显这是一对不行调和的冲突，可以接受脉冲压缩信号加以解决。于信号检测。明显这是一对不行调和的冲突，可以接受脉冲压缩信号加以解决。4/15/202325哈尔滨工业高校电子工程系2、测距范围：包括最小可测距离和最大单值测距范围。、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，在放射脉冲宽度线，在放射脉冲宽度时间内，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。放射脉冲过去后天线收发开关复原到接收状态，也须正常接收目标回波。放射脉冲过去后天线收发开关复原到接收状态，也须要一段时间要一段时间t0。在上述这段时间内，由于不能正常接收回波信号，雷达是。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：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确定，即雷达的最大单值测距范围由其脉冲重复周期确定，即 当确定了雷达的最大作用距离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：脉冲重复周期满足下列条件：4/15/202326哈尔滨工业高校电子工程系3、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、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：标，即目标回波对应的距离为：式中式中 为非负整数，为非负整数，为接收的回波信号与最邻近放射脉冲间的延迟。为接收的回波信号与最邻近放射脉冲间的延迟。假如雷达重复频率假如雷达重复频率 选得过高选得过高(如在脉冲多普勒雷达中为了保证无如在脉冲多普勒雷达中为了保证无测速模糊测速模糊)，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，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冲突一对冲突(MTI、PD雷达各有侧重点雷达各有侧重点)。测距模糊说明及示意图如下：测距模糊说明及示意图如下：4/15/202327哈尔滨工业高校电子工程系4/15/202328哈尔滨工业高校电子工程系脉冲法测距的解模糊方法脉冲法测距的解模糊方法为了得到目标的真实距离为了得到目标的真实距离R，必需判定测距模糊值，必需判定测距模糊值m。为了判。为了判别模糊，必需对周期放射的脉冲信号再加上某些可识别的标别模糊，必需对周期放射的脉冲信号再加上某些可识别的标记，通常接受的解模糊方法有：记，通常接受的解模糊方法有：多种脉冲重复频率法多种脉冲重复频率法舍脉冲法舍脉冲法4/15/202329哈尔滨工业高校电子工程系双脉冲重复频率解模糊双脉冲重复频率解模糊t1fr1)，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+frtR=t1+n1/fr1=t2+n2/fr2则在0tR=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多脉冲重复频率解模糊多脉冲重复频率解模糊4/15/202333哈尔滨工业高校电子工程系 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 在多脉冲重复频率状况下，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)4/15/202334哈尔滨工业高校电子工程系设设n1,n2,nn分别为接受脉冲重复频率分别为接受脉冲重复频率Tr1,Tr2,Trn测量时的模糊周测量时的模糊周期数，对应的模糊时间延迟为期数，对应的模糊时间延迟为tn。这样若目标的真实时间延迟为。这样若目标的真实时间延迟为tR，则有，则有将左式两边同时除以脉宽，并令将左式两边同时除以脉宽，并令 ，即可得到前面的，即可得到前面的同余式组，利用孙子定理解得同余式组，利用孙子定理解得x后，目标的真实距离应为：后，目标的真实距离应为：4/15/202335哈尔滨工业高校电子工程系舍脉冲法解模糊舍脉冲法解模糊 所谓舍脉冲法就是每放射M个放射脉冲中舍弃一个，作为放射脉冲串的附加标记(放射134M)。与放射脉冲相对应，接收到的回波脉冲串同样是每M个回波脉冲中缺少一个。只要从舍弃的放射脉冲A2后逐个累计放射脉冲数，直到某一放射脉冲AM-2后没有回波脉冲(缺B2)时停止计数，则累计的数值就是回波跨越的重复周期数m=M-4。舍弃脉冲舍弃脉冲无回波脉冲无回波脉冲4/15/202336哈尔滨工业高校电子工程系接受舍脉冲法判模糊时，每组脉冲数接受舍脉冲法判模糊时，每组脉冲数M应满足如下关系：应满足如下关系：式中式中mmax是雷达需测量的最远目标所对应的跨周期数。是雷达需测量的最远目标所对应的跨周期数。缺点：此法对满足缺点：此法对满足tR=kTr+tR的两个目标无法区分，此时由的两个目标无法区分，此时由于不存在舍脉冲的空隙，舍脉冲法无法运用。于不存在舍脉冲的空隙，舍脉冲法无法运用。4/15/202337哈尔滨工业高校电子工程系舍弃脉冲舍弃脉冲无回波脉冲无回波脉冲tR2=(N+1)Tr+tR目标回波目标回波tR1=NTr+tR 目标回波目标回波4/15/202338哈尔滨工业高校电子工程系
