雷达测距原理与脉冲法测距ppt课件.ppt

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1、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测时延（单基地、双基地）（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恒光速、直线传播直线传播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电磁波在大气层内的折射传播大气层内的折射传播电磁波沿电磁波沿海面的绕射传播海面的绕射传播电磁波异常传播途径的应用电磁波异常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幅、调频调频、调相调相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： 距离分辨力距离分辨力

2、、测距范围测距范围、距离模糊距离模糊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/多脉冲重复频率法多脉冲重复频率法、舍脉冲法舍脉冲法2022-7-26哈尔滨工业大学电子工程系2雷达测距机理雷达测距机理 测量电磁波往返雷达与目标之间的时间。测量电磁波往返雷达与目标之间的时间。 对对单基地雷达单基地雷达，设光速为，设光速为c，电磁波往返雷达与目标，电磁波往返雷达与目标的时间为的时间为TR，则目标相对雷达的距离，则目标相对雷达的距离R为：为：据上述公式可得据上述公式可得1微秒微秒(s)对应对应150米米(m)，式中数字，式中数字2表示收表示收发双程。发双程。2RcTR 2022-7-

3、26哈尔滨工业大学电子工程系32022-7-26哈尔滨工业大学电子工程系4对对双基地雷达双基地雷达，计算，计算RT+RR有两种方法：有两种方法：直接法直接法：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RTRR2022-7-26哈尔滨工业大学电子工程系5对对双基地雷达双基地雷达，具体计算，具体计算RT或或RR需要目标角度信息，如利用需要目标角度信息，如利用目标的接收视线角，则计算公式为：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

4、: Ch25 Bistatic Radar, 2nd edition, McGraw-Hill, 19902022-7-26哈尔滨工业大学电子工程系6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)在均匀大气中电磁波等速直线传播。在均匀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。2022-7-26哈尔滨工业大学电子工程系7地球表面的大

5、气层分布是不均匀的。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、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，引起系数和介电常数发生相应改变，引起电电波传播速度波传播速度c变化变化。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化所引起的传播速度变化为：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，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510cc2022-7-26哈尔滨工业大学电子工程系8分层大气分

6、层大气(层内均层内均匀，越高越稀薄匀，越高越稀薄)2、大气介质分布的不均匀将造成、大气介质分布的不均匀将造成电磁波非直线传播电磁波非直线传播(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，伊伏斯等编，现代雷达原理现代雷达原理，电子工业出版社，电子工业出版社，1991.32022-7-26哈尔滨工业大学电子工程系9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均匀大气层中传播时出现的大气折射，对雷达测量的电磁波在非均匀大气层中传播时出现的大气折

7、射，对雷达测量的影响影响：1)、改变雷达测量距离，产生测距误差。、改变雷达测量距离，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。折射的影响可采用折射的影响可采用等效地球半径法等效地球半径法近似说明。近似说明。现代雷达原理现代雷达原理P602022-7-26哈尔滨工业大学电子工程系10 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，另一方面也要吸收电波。电离层对电波的反射和吸收与方面反射电波，另一方面也要吸收电波。电离层对电波的反射和吸收与频率频率(波长波长)有关。利用短波的天波传播可实现远距离

8、通信及目标探测，具有关。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：有两个突出特点：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，随昼夜和季节的变化而变化。二是传播不稳定，随昼夜和季节的变化而变化。电磁波经电离层的反射传播电磁波经电离层的反射传播2022-7-26哈尔滨工业大学电子工程系11无线电波朝海面发射时，在海水表面会存在一种电磁波传播模式，称为无线电波朝海面发射时，在海水表面会存在一种电磁波传播模式，称为地波地波(Ground Wave)是一种表面波是一种表面波(Surface Wave)。垂直极化高频电磁。垂直极化高频

9、电磁波在海水表面的地波传播衰减很小，而且地波在一定程度上会沿着弯曲波在海水表面的地波传播衰减很小，而且地波在一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。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。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 Prop

10、agationAntiship Missiles Detection and Tracking at 37Km2022-7-26哈尔滨工业大学电子工程系12 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，沿海面绕射绕射的特性探测超视距的海面舰船和低空飞机，

11、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2022-7-26哈尔滨工业大学电子工程系132、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2022-7-26哈尔滨工业大学电子工程系143、高频天发地收超视

12、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散射，实现远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距离的传播。由于电离层对电磁波的

13、衰减较小，这种传播方式可实现信号的远距离传播，通常情况下可达的远距离传播，通常情况下可达2000km-4000km，并且覆盖区域非常大。，并且覆盖区域非常大。2022-7-26哈尔滨工业大学电子工程系154、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均匀散射大气超折射和对流层非均匀散射)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。 详细分析：见详细分析：见电磁波传播特性电磁波传播特性章节。章节。dn/dh比正常值更负时，比正常值

14、更负时，电波更加向地面弯曲。电波更加向地面弯曲。2022-7-26哈尔滨工业大学电子工程系16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2022-7-26哈尔滨工业大学电子工程系17雷达测距的实现方法雷达测距的实现方法物理解释：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太窄有

15、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2022-7-26哈尔滨工业大学电子工程系18D.K. Bart

16、on et al, Radar Technology Encyclopedia, Artech House, Inc., 19982022-7-26哈尔滨工业大学电子工程系19脉冲法测距的优缺点脉冲法测距的优缺点2022-7-26哈尔滨工业大学电子工程系20脉冲雷达脉冲雷达常规脉冲雷达是幅度调制的一个例子，其发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，其发射波形是单载频的矩形脉冲，按一定的，按一定的(单重复周期单重复周期)或交错的重复周期或交错的重复周期(参差重复周期参差重复周期)工作，工作，发射一发射一个短脉冲相当于对电磁波打上标记个短脉冲相当于对电磁波打上标记以测往返时间以

17、测往返时间。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2022-7-26哈尔滨工业大学电子工程系21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，并与发射机入接收机把高放或混频器烧

18、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。断开，以免因发射机旁路而使微弱的接收信号受损失。2022-7-26哈尔滨工业大学电子工程系22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

19、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：rTrTrtavTPPrrTf1KW，PMW，PmsTsavtr1100011 ,1 ,1则占空比为rT简单矩形脉冲波形简单矩形脉冲波形2022-7-26哈尔滨工业大学电子工程系231、距离分辨力：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。距离，它取决于雷达信号波形。)0( ),2(21rr)2( ),(21rr0tt2022-7-26哈尔滨工业大学电子工程系24)0( ),(21rr2022-7-26哈尔滨工业大学

20、电子工程系25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。 2022-7-26哈尔滨工业大学电子工程系262、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。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

21、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。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：最小可测距离为： 雷达的雷达的最大单值测距范围最大单

22、值测距范围由其脉冲重复周期决定，即由其脉冲重复周期决定，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，通常选取雷达脉冲重复后，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：周期满足下列条件： ctcR21 )(210minrcTR21maxmaxRmax2RcTr)(21maxrTcRrT2022-7-26哈尔滨工业大学电子工程系273、测距模糊：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

23、的回波信号与最邻近发射脉冲间的延迟。为接收的回波信号与最邻近发射脉冲间的延迟。 如果雷达重复频率如果雷达重复频率 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，测距有可能出现多值性。此时无模糊测距、无模糊测速又成无模糊测距、无模糊测速又成为一对矛盾为一对矛盾(MTI 、PD雷达各有侧重点雷达各有侧重点)。 测距模糊解释及示意图如下：测距模糊解释及示意图如下：rrTf1)(21RrtmTcRmRtrRTtt02022-7-26哈尔滨工业大学电子工程系282022-7-26哈尔滨工业大学电子工程系29脉冲法测距的解模糊

24、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，必须判定测距模糊值，必须判定测距模糊值m。为了判。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：志，通常采用的解模糊方法有： 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)(21RrtmTcR2022-7-26哈尔滨工业大学电子工程系30双脉冲重复频率解模糊双脉冲重复频率解模糊rrrrrrrrrTttffftfttfffnntt1212112221212134 14332t1fr1)，它们都不满足无模，它们都不满足无模糊测

25、距的要求，糊测距的要求，fr1和和fr2具有公约频率为具有公约频率为fr=fr1/N=fr2/(N+a)，其中，其中N, a为正整数。为正整数。 常选常选a=1使使N和和N+a为互质数，且为互质数，且fr的选择应保证无模糊测的选择应保证无模糊测距，即距，即0tRTr=N*Tr1=(N+1)*Tr2。这样有。这样有fr2=(N+1)fr=fr1+frtR=t1+n1/fr1=t2+n2/fr2则在则在0tR=2，m1, m2, , mn是两两互素的正整数，令是两两互素的正整数，令M=m1m2mn=m1M1=m2M2=mnMn，则同余式组，则同余式组有且仅有解有且仅有解多脉冲重复频率解模糊多脉冲重

26、复频率解模糊)mod( )mod( )mod( 2211nn mcx mcx mcx) (mod 222111McMcMcMxnnn的最小整数是满足式中nkmMkkkk, 2 , 1 ), (mod 12022-7-26哈尔滨工业大学电子工程系34 将中国余数定理应用到解测距模糊问题时，将中国余数定理应用到解测距模糊问题时，m1, m2, , mn相当于所选相当于所选n个脉冲重复周期的比值，即个脉冲重复周期的比值，即或者或者即即fr为为fr1, fr2, , frn的公约数的公约数 在多脉冲重复频率情况下，所能获得的最大脉宽为在多脉冲重复频率情况下，所能获得的最大脉宽为 参见：参见：W.A.

27、Skillman and D.H. Mooney, Multiple High-PRF Ranging, IRE 5th National Convention on Military Electronics, 1961, pp3740 (收入书中：收入书中：D.K. Barton, Radars, Volume 7: CW and Doppler Radar, Artech House, Inc., 1978, pp205213)rnnrnrrfmmmmTmTmT2122111nrnrrrMfMfMff2211rnfmmm2112022-7-26哈尔滨工业大学电子工程系35设设n1, n2,

28、 , nn分别为采用脉冲重复频率分别为采用脉冲重复频率Tr1, Tr2, , Trn测量时的模糊周期数，测量时的模糊周期数，对应的模糊时间延迟为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)mod( )mod( )mod( 2222211111rnnRnrnnRrRrRrRrR TtttTnt TtttTnt TtttTnt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：iiRtctx ,22cxct

29、RR)mod( )mod( )mod( 2211nn mcx mcx mcx2022-7-26哈尔滨工业大学电子工程系36舍脉冲法解模糊舍脉冲法解模糊 所谓舍脉冲法就是每发射所谓舍脉冲法就是每发射M个发射脉冲中舍弃一个，作为发射脉冲串个发射脉冲中舍弃一个，作为发射脉冲串的附加标志的附加标志(发射发射134M)。与发射脉冲相对应，接收到的回波脉冲串同样。与发射脉冲相对应，接收到的回波脉冲串同样是每是每M个回波脉冲中缺少一个。只要从舍弃的发射脉冲个回波脉冲中缺少一个。只要从舍弃的发射脉冲A2后逐个累计发射后逐个累计发射脉冲数，直到某一发射脉冲脉冲数，直到某一发射脉冲AM-2后没有回波脉冲后没有回波

30、脉冲(缺缺B2)时停止计数，则累计时停止计数，则累计的数值就是回波跨越的重复周期数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2022-7-26哈尔滨工业大学电子工程系37采用舍脉冲法判模糊时，每组脉冲数采用舍脉冲法判模糊时，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。缺点缺点：此法对满足：此法对满足tR=kTr+tR的两个目标无法区分，此时由于的两个目标无法区分，此时由于不存在舍脉冲的空隙，舍脉冲法无法使用。不存在舍脉冲的空隙，舍脉冲法无法使用。1 maxmaxmMtTmMTRrr2022-7-26哈尔滨工业大学电子工程系38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