雷達(dá)測(cè)距原理及實(shí)現(xiàn)方法.ppt

雷達(dá)測(cè)距原理,測(cè)量電磁波往返雷達(dá)與目標(biāo)之間的時(shí)間。 對(duì)單基地雷達(dá)，設(shè)光速為c，電磁波往返雷達(dá)與目標(biāo)的時(shí)間 為TR，則目標(biāo)相對(duì)雷達(dá)的距離R為： 據(jù)上述公式可得1微秒(s)對(duì)應(yīng)150米(m)，式中數(shù)字2表示收發(fā)雙程。,2019/10/13,哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系,2,2019/10/13,哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系,3,對(duì)雙基地雷達(dá)，計(jì)算RT+RR有兩種方法： 直接法： 間接法：,單基地：R=cT/2,2019/10/13,哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系,4,對(duì)雙基地雷達(dá)，具體計(jì)算RT或RR需要目標(biāo)角度信息，如利用目標(biāo)的接收視線角，則計(jì)算公式為： 還有其他多種目標(biāo)定位方法，具體可參考： M.I. Skolnik, Radar Handbook: Ch25 Bistatic Radar, 2nd edition, McGraw-Hill, 1990,2019/10/13,哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系,5,雷達(dá)測(cè)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。,2019/10/13,哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系,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(shí)間、地點(diǎn)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(dá)原理，西電出版社，1995,地球大氣層,2019/10/13,哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系,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侵本€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(guò)徑向分層大氣時(shí)的途徑 美杰里L(fēng). 伊伏斯等編，現(xiàn)代雷達(dá)原理，電子工業(yè)出版社，1991.3,2019/10/13,哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系,8,折射效應(yīng)對(duì)目標(biāo)位置的影響 電磁波在非均勻大氣層中傳播時(shí)出現(xiàn)的大氣折射，將有兩方面影響： 1)、改變雷達(dá)測(cè)量距離，產(chǎn)生測(cè)距誤差。 2)、引起俯仰角測(cè)量誤差。 折射的影響可采用等效地球半徑法近似說(shuō)明?，F(xiàn)代雷達(dá)原理P60,2019/10/13,哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系,9,高頻地波超視距雷達(dá)正是利用高頻垂直極化電磁波沿海面繞射的特性探測(cè)超視距的海面艦船和低空飛機(jī)。,電磁波沿海面的繞射傳播,2019/10/13,哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系,10,地基/艦載雷達(dá)實(shí)現(xiàn)超視距探測(cè)的主要手段有： 高頻地波超視距雷達(dá)High Frequency Surface Wave OTH Radar 高頻地波超視距雷達(dá)正是利用高頻(330MHz)垂直極化電磁波沿海面繞射的特性探測(cè)超視距的海面艦船和低空飛機(jī)，沿海面繞射300400km。 高頻天波雷達(dá)High Frequency Skywave OTH Radar 高頻天波超視距雷達(dá)利用電離層對(duì)短波的反射效應(yīng)，其探測(cè)距離可達(dá)1000至4000km。 高頻天發(fā)地收超視距雷達(dá)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(dá)，將目前采用的高頻天波超視距雷達(dá)和高頻地波超視距雷達(dá)的傳播模式相結(jié)合，可發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)。基于天波發(fā)射的高頻電磁波信號(hào)，是利用電離層對(duì)高頻電磁波的折射，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的傳播。由于電離層對(duì)電磁波的衰減較小，這種傳播方式可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳播，通常情況下可達(dá)2000km-4000km，并且覆蓋區(qū)域非常大。,2019/10/13,哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系,11,2019/10/13,哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系,12,微波超視距雷達(dá) 利用海上大氣波導(dǎo)(大氣超折射和對(duì)流層非均勻散射)傳播效應(yīng)是此系統(tǒng)在微波段實(shí)現(xiàn)超視距探測(cè)的基礎(chǔ)，分別對(duì)應(yīng)主動(dòng)、被動(dòng)工作方式。 詳細(xì)分析：見(jiàn)電磁波傳播特性章節(jié)。,dn/dh比正常值更負(fù)時(shí)，電波更加向地面彎曲。,2019/10/13,哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系,13,美國(guó)Raytheon公司高頻地波雷達(dá)SWR-503的接收天線陣,澳大利亞Jindaleee高頻天波雷達(dá)接收天線陣,2019/10/13,哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系,14,現(xiàn)代級(jí)：136-139 中華現(xiàn)代：168-169 中華神盾：170-171,俄制MINERAL-ME目標(biāo)指示/射控雷達(dá)(Bandstand音樂(lè)臺(tái)) 利用大氣波導(dǎo),2019/10/13,哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系,15,雷達(dá)測(cè)距的實(shí)現(xiàn)方法,物理解釋： 一般地說(shuō)單載頻的連續(xù)波雷達(dá)沒(méi)有測(cè)距能力，這與其發(fā)射信號(hào)帶寬太窄有關(guān)。若必須測(cè)量距離，則需要在連續(xù)波發(fā)射信號(hào)上加上某些定時(shí)標(biāo)志以識(shí)別發(fā)射的時(shí)間和回波時(shí)間。標(biāo)志越尖銳、鮮明，則傳輸時(shí)間的測(cè)量越準(zhǔn)確。由傅立葉變換知：定時(shí)標(biāo)志越尖銳，則發(fā)射信號(hào)的頻譜越寬。因此為了測(cè)量傳輸時(shí)間或距離，則必須擴(kuò)展單載頻連續(xù)波的頻譜。 實(shí)現(xiàn)方法： 調(diào)幅脈沖法測(cè)距 調(diào)頻頻率法測(cè)距 調(diào)相相位法測(cè)距,2019/10/13,哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系,16,D.K. Barton et al, Radar Technology Encyclopedia, Artech House, Inc., 1998,2019/10/13,哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系,17,脈沖法測(cè)距的優(yōu)缺點(diǎn),2019/10/13,哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系,18,脈沖雷達(dá),常規(guī)脈沖雷達(dá)是幅度調(diào)制的一個(gè)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(cuò)的重復(fù)周期(參差重復(fù)周期)工作，發(fā)射一個(gè)短脈沖相當(dāng)于對(duì)電磁波打上標(biāo)記以測(cè)往返時(shí)間。,B.R. Mahafza et al, Matlab simulations for radar systems design, Chapman & Hall/CRC, 2004,2019/10/13,哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系,19,脈沖雷達(dá)的天線是收發(fā)共用的，這需要一個(gè)收發(fā)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)。在發(fā)射時(shí)，收發(fā)開(kāi)關(guān)使天線與發(fā)射機(jī)接通，并與接收機(jī)斷開(kāi)，以免高功率的發(fā)射信號(hào)進(jìn)入接收機(jī)把高放或混頻器燒毀。接收時(shí)，天線與接收機(jī)接通，并與發(fā)射機(jī)斷開(kāi)，以免因發(fā)射機(jī)旁路而使微弱的接收信號(hào)受損失。,2019/10/13,哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系,20,雷達(dá)測(cè)距的幾個(gè)基本概念,下面以脈沖雷達(dá)信號(hào)為例介紹幾個(gè)測(cè)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 典型中程防空雷達(dá)參數(shù)：,2019/10/13,哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系,21,距離分辨力：距離分辨力是指同一方向上兩個(gè)大小相等點(diǎn)目標(biāo)之間最小可區(qū)分距離，它取決于雷達(dá)信號(hào)波形。,2019/10/13,哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系,22,2019/10/13,哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系,23,對(duì)簡(jiǎn)單脈沖雷達(dá)而言，脈沖越窄，距離分辨力越好。而從信號(hào)檢測(cè)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(biāo)回波信號(hào)越強(qiáng)，越有利于信號(hào)檢測(cè)。顯然這是一對(duì)不可調(diào)和的矛盾，可以采用脈沖壓縮信號(hào)加以解決。,2019/10/13,哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系,24,測(cè)距范圍：包括最小可測(cè)距離和最大單值測(cè)距范圍。 最小可測(cè)距離指雷達(dá)能測(cè)量的最近目標(biāo)的距離。脈沖雷達(dá)收發(fā)共用天線，在發(fā)射脈沖寬度時(shí)間內(nèi)，接收機(jī)和天線饋線系統(tǒng)間是斷開(kāi)的，不能正常接收目標(biāo)回波。發(fā)射脈沖過(guò)去后天線收發(fā)開(kāi)關(guān)恢復(fù)到接收狀態(tài)，也需要一段時(shí)間t0。在上述這段時(shí)間內(nèi)，由于不能正常接收回波信號(hào)，雷達(dá)是很難進(jìn)行測(cè)距的。因此，雷達(dá)的最小可測(cè)距離為： 雷達(dá)的最大單值測(cè)距范圍由其脈沖重復(fù)周期決定，即 當(dāng)確定了雷達(dá)的最大作用距離 后，為保證單值測(cè)距，通常選取雷達(dá)脈沖重復(fù)周期滿足下列條件：,2019/10/13,哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系,25,測(cè)距模糊：當(dāng)回波延遲超過(guò)脈沖重復(fù)周期時(shí)，會(huì)把遠(yuǎn)目標(biāo)誤認(rèn)為近目標(biāo)，即目標(biāo)回波對(duì)應(yīng)的距離為： 式中 為非負(fù)整數(shù)， 為接收的回波信號(hào)與最鄰近發(fā)射脈沖間的延遲。 如果雷達(dá)重復(fù)頻率 選得過(guò)高(如在脈沖多普勒雷達(dá)中為了保證無(wú)測(cè)速模糊)，測(cè)距有可能出現(xiàn)多值性。此時(shí)無(wú)模糊測(cè)距、無(wú)模糊測(cè)速又成為一對(duì)矛盾(MTI 、PD雷達(dá)各有側(cè)重點(diǎn))。 測(cè)距模糊解釋及示意圖如下：,2019/10/13,哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系,26,2019/10/13,哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系,27,雷達(dá)測(cè)距解模糊的方法,為了得到目標(biāo)的真實(shí)距離R，必須判定測(cè)距模糊值m。為了判別模糊，必須對(duì)周期發(fā)射的脈沖信號(hào)再加上某些可識(shí)別的標(biāo)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,2019/10/13,哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系,28,雙脈沖重復(fù)頻率解模糊,t1t2, n1=n2=1, tr=4t2-3t1,n1=n2=0, tr=t1=t2,2019/10/13,哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系,29,設(shè)脈沖重復(fù)頻率分別為fr1和fr2 (fr2fr1)，它們都不滿足無(wú)模糊測(cè)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(wú)模糊測(cè)距，即0tRTr=N*Tr1=(N+1)*Tr2。這樣有 fr2=(N+1)fr=fr1+fr tR=t1+n1/fr1=t2+n2/fr2 則在0tRTr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(jì)算tR及目標(biāo)距離R=c*tR/2,藍(lán)虛線 黑虛線 紅虛線,2019/10/13,哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系,30,T1,T1T2，Np1Np2；但Td1=Np1T1=Td2=Np2T2,T1,T2,T2,Np1,Np2,Td1,探測(cè)周期,T1、T2：雷達(dá)系統(tǒng)探測(cè)脈沖的重復(fù)周期。Np1、Np2分別為周期取T1、T2時(shí)所對(duì)應(yīng)的積累脈沖數(shù)。,Td2,T1,T1,T2,Np1,Td1,T2,探測(cè)周期,Np2,Td2,雙脈沖重復(fù)頻率信號(hào)工作時(shí)序圖,采用多個(gè)高脈沖重復(fù)頻率測(cè)距能給出更大的無(wú)模糊距離，同時(shí)也能兼顧跳開(kāi)發(fā)射脈沖遮蝕(Eclipse指采用單一脈沖重復(fù)頻率工作時(shí)，目標(biāo)因回波時(shí)間延遲正好是脈沖重復(fù)周期的整數(shù)倍而無(wú)法測(cè)距)的靈活性。主要的方法 中國(guó)余數(shù)定理： 設(shè)n=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,2019/10/13,哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系,31,多脈沖重復(fù)頻率解模糊,2019/10/13,哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系,32,將中國(guó)余數(shù)定理應(yīng)用到解測(cè)距模糊問(wèn)題時(shí)，m1, m2, , mn相當(dāng)于所選n個(gè)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(jiàn)：W.A. Skillman and D.H. Mooney, Multiple High-PRF Ranging, IRE 5th National Convention on Military Electronics, 1961, pp3740 (收入書(shū)中：D.K. Barton, Radars, Volume 7: CW and Doppler Radar, Artech House, Inc., 1978, pp205213),2019/10/13,哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系,33,設(shè)n1, n2, , nn分別為采用脈沖重復(fù)頻率fr1, fr2, , frn測(cè)量時(shí)的距離門數(shù)，即模糊時(shí)間延遲tn與脈寬 比值的整數(shù)。這樣設(shè)目標(biāo)的真實(shí)時(shí)間延遲為tR，則,將左式兩邊同時(shí)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(biāo)的真實(shí)距離應(yīng)為：,2019/10/13,哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系,34,舍脈沖法解模糊,所謂舍脈沖法就是每發(fā)射M個(gè)發(fā)射脈沖中舍棄一個(gè)，作為發(fā)射脈沖串的附加標(biāo)志(發(fā)射134M)。與發(fā)射脈沖相對(duì)應(yīng)，接收到的回波脈沖串同樣是每M個(gè)回波脈沖