第6章雷達目標距離的測量.ppt

第6章目標距離的測量 6 1脈沖法測距6 2調(diào)頻法測距6 3距離跟蹤原理6 4數(shù)字式自動測距器 測量目標的距離是雷達的基本任務之一 無線電波在均勻介質(zhì)中以固定的速度直線傳播 在自由空間傳播速度約等于光速c 3 105km s 圖6 1中 雷達位于A點 而在B點有一目標 則目標至雷達站的距離 即斜距 R可以通過測量電波往返一次所需的時間tR得到 即 6 0 1 而時間tR也就是回波相對于發(fā)射信號的延遲 因此 目標距離測量就是要精確測定延遲時間tR 根據(jù)雷達發(fā)射信號的不同 測定延遲時間通?？梢圆捎妹}沖法 頻率法和相位法 圖6 1目標距離的測量 6 1脈沖法測距 6 1 1基本原理 在常用的脈沖雷達中 回波信號是滯后于發(fā)射脈沖tR的回波脈沖 如圖6 2所示 在熒光屏上目標回波出現(xiàn)的時刻滯后于主波 滯后的時間就是tR 測量距離就是要測出時間tR 回波信號的延遲時間tR通常是很短促的 將光速c 3 105km s的值代入式 6 0 1 后得到 R 0 15tR 6 1 1 其中tR的單位為 s 測得的距離其單位為km 即測距的計時單位是微秒 測量這樣量級的時間需要采用快速計時的方法 早期雷達均用顯示器作為終端 在顯示器畫面上根據(jù)掃掠量程和回波位置直接測讀延遲時間 現(xiàn)代雷達常常采用電子設備自動地測讀回波到達的遲延時間tR 圖6 2具有機械距離刻度標尺的顯示器熒光屏畫面 有兩種定義回波到達時間tR的方法 一種是以目標回波脈沖的前沿作為它的到達時刻 另一種是以回波脈沖的中心 或最大值 作為它的到達時刻 對于通常碰到的點目標來講 兩種定義所得的距離數(shù)據(jù)只相差一個固定值 約為 2 可以通過距離校零予以消除 如果要測定目標回波的前沿 由于實際的回波信號不是矩形脈沖而近似為鐘形 此時可將回波信號與一比較電平相比較 把回波信號穿越比較電平的時刻作為其前沿 用電壓比較器是不難實現(xiàn)上述要求的 用脈沖前沿作為到達時刻的缺點是容易受回波大小及噪聲的影響 比較電平不穩(wěn)也會引起誤差 圖6 3回波脈沖中心估計 6 1 2影響測距精度的因素雷達在測量目標距離時 不可避免地會產(chǎn)生誤差 它從數(shù)量上說明了測距精度 是雷達站的主要參數(shù)之一 由測距公式可以看出影響測量精度的因素 對式 6 1 1 求全微分 得到 用增量代替微分 可得到測距誤差為 6 1 2 式中 c為電波傳播速度平均值的誤差 tR為測量目標回波延遲時間的誤差 由式 6 1 2 可看出 測距誤差由電波傳播速度c的變化 c以及測時誤差 tR兩部分組成 誤差按其性質(zhì)可分為系統(tǒng)誤差和隨機誤差兩類 系統(tǒng)誤差是指在測距時 系統(tǒng)各部分對信號的固定延時所造成的誤差 系統(tǒng)誤差以多次測量的平均值與被測距離真實值之差來表示 從理論上講 系統(tǒng)誤差在校準雷達時可以補償?shù)?實際工作中很難完善地補償 因此在雷達的技術(shù)參數(shù)中 常給出允許的系統(tǒng)誤差范圍 隨機誤差系指因某種偶然因素引起的測距誤差 所以又稱偶然誤差 凡屬設備本身工作不穩(wěn)定性造成的隨機誤差稱為設備誤差 如接收時間滯后的不穩(wěn)定性 各部分回路參數(shù)偶然變化 晶體振蕩器頻率不穩(wěn)定以及讀數(shù)誤差等 凡屬系統(tǒng)以外的各種偶然因素引起的誤差稱為外界誤差 如電波傳播速度的偶然變化 電波在大氣中傳播時產(chǎn)生折射以及目標反射中心的隨機變化等 隨機誤差一般不能補償?shù)?因為它在多次測量中所得的距離值不是固定的而是隨機的 因此 隨機誤差是衡量測距精度的主要指標 1 電波傳播速度變化產(chǎn)生的誤差如果大氣是均勻的 則電磁波在大氣中的傳播是等速直線 此時測距公式 6 0 1 中的c值可認為是常數(shù) 但實際上大氣層的分布是不均勻的且其參數(shù)隨時間 地點而變化 大氣密度 濕度 溫度等參數(shù)的隨機變化 導致大氣傳播介質(zhì)的導磁系數(shù)和介電常數(shù)也發(fā)生相應的改變 因而電波傳播速度c不是常量而是一個隨機變量 由式 6 1 2 可知 由于電波傳播速度的隨機誤差而引起的相對測距誤差為 6 1 3 表6 1在不同條件下電磁波傳播速度 2 因大氣折射引起的誤差當電波在大氣中傳播時 由于大氣介質(zhì)分布不均勻?qū)⒃斐呻姴ㄕ凵?因此電波傳播的路徑不是直線而是走過一個彎曲的軌跡 在正折射時電波傳播途徑為一向下彎曲的弧線 由圖6 4可看出 雖然目標的真實距離是R0 但因電波傳播不是直線而是彎曲弧線 故所測得的回波延遲時間tR 2R c 這就產(chǎn)生一個測距誤差 同時還有測仰角的誤差 6 1 4 R的大小和大氣層對電波的折射率有直接關(guān)系 如果知道了折射率和高度的關(guān)系 就可以計算出不同高度和距離的目標由于大氣折射所產(chǎn)生的距離誤差 從而給測量值以必要的修正 當目標距離越遠 高度越高時 由折射所引起的測距誤差 R也越大 例如在一般大氣條件下 當目標距離為100km 仰角為0 1rad時 距離誤差為16m的量級 上述兩種誤差 都是由雷達外部因素造成的 故稱之為外界誤差 無論采用什么測距方法都無法避免這些誤差 只能根據(jù)具體情況 作一些可能的校準 圖6 4大氣層中電波的折射 3 測讀方法誤差測距所用具體方法不同 其測距誤差亦有差別 早期的脈沖雷達直接從顯示器上測量目標距離 這時顯示器熒光屏亮點的直徑大小 所用機械或電刻度的精度 人工測讀時的慣性等都將引起測距誤差 當采用電子自動測距的方法時 如果測讀回波脈沖中心 則圖6 3中回波中心的估計誤差 正比于脈寬 而反比于信噪比 以及計數(shù)器的量化誤差等均將造成測距誤差 自動測距時的測量誤差與測距系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)傳遞函數(shù) 目標特性 包括其動態(tài)特性和回波起伏特性 干擾 噪聲 的強度等因素均有關(guān)系 詳情可參考測距系統(tǒng)有關(guān)資料 當混雜噪聲為限帶高斯白噪聲 輸入信號的復調(diào)制函數(shù)為u t 輸入x t u t n t 經(jīng)匹配濾波器輸出取包絡后 求信號最大出現(xiàn)的時間即為時延估值 理論分析證明 其估值方差 為 式中 E為信號能量 N0為噪聲功率譜密度 Be為信號u t 的均方根帶寬 若令 2 Be 則 上式表明 時延估值均方根誤差反比于信號噪聲比及信號的均方根誤差 例如 高斯脈沖的測時均方根差 B為脈沖頻譜半功率點寬度 線性調(diào)頻脈沖的 BL為其調(diào)制帶寬 6 1 3距離分辨力和測距范圍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 在顯示器上測距時 分辨力主要取決于回波的脈沖寬度 同時也和光點直徑d所代表的距離有關(guān) 如圖6 5所示的兩個點目標回波的矩形脈沖之間間隔為 d n 其中 n為掃掠速度 這是距離可分的臨界情況 這時定義距離分辨力 rc為 式中 d為光點直徑 n為光點掃掠速度 cm s 圖6 5距離分辨力 用電子方法測距或自動測距時 距離分辨力由脈沖寬度 或波門寬度 e決定 如圖6 3所示 脈沖越窄 距離分辨力越好 對于復雜的脈沖壓縮信號 決定距離分辨力的是雷達信號的有效帶寬B 有效帶寬越寬 距離分辨力越好 距離分辨力 rc可表示為 6 1 5 測距范圍包括最小可測距離和最大單值測距范圍 所謂最小可測距離 是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)開關(guān)恢復到接收狀態(tài) 也需要一段時間t0 在這段時間內(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 6 1 6 雷達的最大單值測距范圍由其脈沖重復周期Tr決定 為保證單值測距 通常應選取 Rmxa為被測目標的最大作用距離 有時雷達重復頻率的選擇不能滿足單值測距的要求 例如在脈沖多卜勒雷達或遠程雷達 這時目標回波對應的距離R為 m為正整數(shù) 6 1 7 式中 tR為測得的回波信號與發(fā)射脈沖間的時延 這時將產(chǎn)生測距模糊 為了得到目標的真實距離R 必須判明式 6 1 7 中的模糊值m 6 1 4判距離模糊的方法1 多種重復頻率判模糊設重復頻率分別為fr1和fr2 它們都不能滿足不模糊測距的要求 fr1和fr2具有公約頻率 其為fr N和a為正整數(shù) 常選a 1 使N和N a為互質(zhì)數(shù) fr的選擇應保證不模糊測距 雷達以fr1和fr2的重復頻率交替發(fā)射脈沖信號 通過記憶重合裝置 將不同的fr發(fā)射信號進行重合 重合后的輸出是重復頻率fr的脈沖串 同樣也可得到重合后的接收脈沖串 二者之間的時延代表目標的真實距離 如圖6 6 a 所示 圖6 6判距離模糊 a 用雙重高重復頻率測距 b 舍脈沖 法判模糊 圖6 6判距離模糊 a 用雙重高重復頻率測距 b 舍脈沖 法判模糊 以二重復頻率為例 n1 n2分別為用fr1和fr2測距時的模糊數(shù) 當a 1時 n1和n2的關(guān)系可能有兩種 即n1 n2或n1 n2 1 此時可算得 或 如果按前式算出tR為負值 則應用后式 如果采用多個高重復頻率測距 就能給出更大的不模糊距離 同時也可兼顧跳開發(fā)射脈沖遮蝕的靈活性 下面舉出采用三種高重復頻率的例子來說明 例如 取fr1 fr2 fr3 7 8 9 則不模糊距離是單獨采用fr2時的7 9 63倍 這時在測距系統(tǒng)中可以根據(jù)幾個模糊的測量值來解出其真實距離 辦法可以從我國的余數(shù)定理中找到 以三種重復頻率為例 真實距離Rc為 Rc C1A1 C2A2 C3A3 mod m1m2m3 6 1 8 其中A1 A2 A3分別為三種重復頻率測量時的模糊距離 m1m2m3為三個重復頻率的比值 常數(shù)C1 C2 C3分別為 C1 b1m2m3mod m1 1 6 1 9a C2 b2m1m3mod m2 1 6 1 9b C3 b3m1m2mod m3 1 6 1 9c 式中 b1為一個最小的整數(shù) 它被m2m3乘后再被m1除 所得余數(shù)為1 b2 b3與此類似 mod表示 模 當m1 m2 m3選定后 便可確定C值 并利用探測到的模糊距離直接計算真實距離Rc 例如 設m1 7 m2 8 m3 9 A1 3 A2 5 A3 7 則 m1m2m3 504 b3 55 7 8 280mod9 1 C3 280 b2 77 7 9 441mod8 1 C2 441 b1 44 8 9 288mod7 1 C1 288 按式 6 1 8 有 C1A1 C2A2 C3A3 5029 Rc 5029mod504 493 即目標真實距離 或稱不模糊距離 的單元數(shù)為Rc 493 不模糊距離R為 式中 為距離分辨單元所對應的時寬 當脈沖重復頻率選定 即m1m2m3值已定 即可按式 6 1 9a 6 1 9c 求得C1 C2 C3的數(shù)值 只要實際測距時分別測到A1 A2 A3的值 就可按式 6 1 8 算出目標真實距離 2 舍脈沖 法判模糊 當發(fā)射高重復頻率的脈沖信號而產(chǎn)生測距模糊時 可采用 舍脈沖 法來判斷m值 所謂 舍脈沖 就是每在發(fā)射M個脈沖中舍棄一個 作為發(fā)射脈沖串的附加標志 如圖6 6 b 所示 發(fā)射脈沖從A1到AM 其中A2不發(fā)射 與發(fā)射脈沖相對應 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A2以后 逐個累計發(fā)射脈沖數(shù) 直到某一發(fā)射脈沖 在圖中是AM 2 后沒有回波脈沖 如圖中缺B2 時停止計數(shù) 則累計的數(shù)值就是回波跨越的重復周期數(shù)m 采用 舍脈沖 法判模糊時 每組脈沖數(shù)M應滿足以下關(guān)系 6 1 10 式中 mmax是雷達需測量的最遠目標所對應的跨周期數(shù) tR 的值在0 Tr之間 這就是說 MTr之值應保證全部距離上不模糊測距 而M和mmax之間的關(guān)系則為 M mmax 1 6 1 11 6 2調(diào)頻法測距 6 2 1調(diào)頻連續(xù)波測距調(diào)頻連續(xù)波雷達的組成方框圖如圖6 7所示 發(fā)射機產(chǎn)生連續(xù)高頻等幅波 其頻率在時間上按三角形規(guī)律或按正弦規(guī)律變化 目標回波和發(fā)射機直接耦合過來的信號加到接收機混頻器內(nèi) 在無線電波傳播到目標并返回天線的這段時間內(nèi) 發(fā)射機頻率較之回波頻率已有了變化 因此在混頻器輸出端便出現(xiàn)了差頻電壓 后者經(jīng)放大 限幅后加到頻率計上 由于差頻電壓的頻率與目標距離有關(guān) 因而頻率計上的刻度可以直接采用距離長度作為單位 圖6 7調(diào)頻連續(xù)波雷達方框圖 1 三角形波調(diào)制 發(fā)射頻率按周期性三角形波的規(guī)律變化 如圖6 8所示 圖中ft是發(fā)射機的高頻發(fā)射頻率 它的平均頻率是ft0 ft0變化的周期為Tm 通常ft0為數(shù)百到數(shù)千兆赫 而Tm為數(shù)百分之一秒 fr為從目標反射回來的回波頻率 它和發(fā)射頻率的變化規(guī)律相同 但在時間上滯后tR tR 2R c 發(fā)射頻率調(diào)制的最大頻偏為 f fb為發(fā)射和接收信號間的差拍頻率 差頻的平均值用fbav表示 圖6 8調(diào)頻雷達工作原理示意圖 如圖6 8所示 發(fā)射頻率ft和回波的頻率fr可寫成如下表達式 差頻fb為 6 2 1 在調(diào)頻的下降段 df dt為負值 fr高于ft 但二者的差頻仍如式 6 2 1 所示 對于一定距離R的目標回波 除去在t軸上很小一部分2R c以外 這里差拍頻率急劇地下降至零 其它時間差頻是不變的 若用頻率計測量一個周期內(nèi)的平均差頻值fbav 可得到 實際工作中 應保證單值測距且滿足 因此 由此可得出目標距離R為 6 2 2 式中 fm 1 Tm 為調(diào)制頻率 當反射回波來自運動目標 其距離為R而徑向速度為v時 其回波頻率fr為 fd為多卜勒頻率 正負號分別表示調(diào)制前后半周正負斜率的情況 當fd fbav時 得出的差頻為 前半周正向調(diào)頻范圍 后半周負向調(diào)頻范圍 可求出目標距離為 如能分別測出fb 和fb 就可求得目標運動的徑向速度v v 4 fb fb 運動目標回波信號的差頻曲線如圖6 8 b 中虛線所示 由于頻率計數(shù)只能讀出整數(shù)值而不能讀出分數(shù) 因此這種方法會產(chǎn)生固定誤差 R 由式 6 2 2 求出 R的表示式為 6 2 3 而 fbav fm表示在一個調(diào)制周期1 fm內(nèi)平均差頻fbav的誤差 當頻率測讀量化誤差為1次 亦即 fbav fm 1時 可得以下結(jié)果 6 2 4 可見 固定誤差 R與頻偏量 f成反比 而與距離R0及工作頻率f0無關(guān) 為減小這項誤差 往往使 f加大到數(shù)十兆赫以上 而通常的工作頻率則選為數(shù)百到數(shù)千兆赫 2 正弦波調(diào)頻用正弦波對連續(xù)載頻進行調(diào)頻時 發(fā)射信號可表示為 6 2 5 發(fā)射頻率ft為 6 2 6 由目標反射回來的回波電壓ur滯后一段時間T T 2R c 可表示為 6 2 7 圖6 9調(diào)頻雷達發(fā)射波按正弦規(guī)律調(diào)頻 接收信號與發(fā)射信號在混頻器中外差后 取其差頻電壓為 6 2 8 一般情況下均滿足T 1 fm 則 sin fmT fmT 于是差頻fb值和目標距離R成比例且隨時間作余弦變化 在周期Tm內(nèi)差頻的平均值fbav與距離R之間的關(guān)系和三角波調(diào)頻時相同 用fbav測距的原理和方法也一樣 在調(diào)頻連續(xù)波雷達測距時 還可以提供附加的收發(fā)隔離 這個特性是很重要的 下面將予以分析 以正弦調(diào)頻來說 其差頻信號如式 6 2 8 所示 對接收的差頻信號進行傅里葉分析后 得到以下頻率分量 ub Ub J0 D cos 2 fdt 0 2J1 D sin 2 fdt 0 cos 2 fmt m 2J2 D cos 2 fdt 0 cos2 2 fmt m 2J3 D sin 2 fdt 0 cos3 2 fmt m 2J4 D 式中 J0 J1 J2等為第一類貝塞爾函數(shù) 其階數(shù)分別為0 1 2等 6 2 9 式中 J0 J1 J2等為第一類貝塞爾函數(shù) 其階數(shù)分別為0 1 2等 R0為目標在t 0時的距離 R R0 vrt fd為目標回波的多卜勒頻移 圖6 10正弦調(diào)頻差頻信號的頻譜 貝塞爾函數(shù)的自變量D中包含了目標距離R0的信息 不同階數(shù)貝塞爾函數(shù)值與自變量D的關(guān)系曲線如圖6 11 a 所示 原則上 可以提取差頻信號的任一頻譜分量加以利用 但實際上它們的性能有很大差別 以J0 D cos 2 fdt 0 項為例 由于J0 D 在D 0時取最大值 表明對R0 0的回波響應最強 而這個距離正是發(fā)射信號及其噪聲泄漏的位置 當目標回波距離增加時 J0 D 將下降 從而減小其幅度 這就是說 J0 D 項增強泄漏而減弱遠區(qū)目標回波 這是不好的特性 如果選用任一fm的諧波分量 n 1 2 3 則理論上在零距離的泄漏信號可為零 當D值很小時Jn D 正比于Dn 說明高階貝塞爾函數(shù)可進一步減小零距離 發(fā)射機泄漏 響應 但同時也減小了目標響應區(qū) 故n應適當選擇 如選n 3 則J3 D 作為距離的函數(shù)如圖6 11 b 所示 由于D是R的周期函數(shù) 整個響應由幾段鏡像曲線組成 曲線上的零點說明某些距離上回波將被抑制 當只探測一個目標時 如高度計 可以調(diào)節(jié)偏頻 f值 使在該目標距離R0上的D值正對應所選貝塞爾函數(shù)最大值是 此時依據(jù)測定的 f值 即可得到目標的距離R 3 調(diào)頻連續(xù)波雷達的特點調(diào)頻連續(xù)波雷達的優(yōu)點是 1 能測量很近的距離 一般可測到數(shù)米 而且有較高的測量精度 2 雷達線路簡單 且可做到體積小 重量輕 普遍應用于飛機高度表及微波引信等場合 3 調(diào)頻連續(xù)波雷達的特點 調(diào)頻連續(xù)波雷達的優(yōu)點是 1 能測量很近的距離 一般可測到數(shù)米 而且有較高的測量精度 2 雷達線路簡單 且可做到體積小 重量輕 普遍應用于飛機高度表及微波引信等場合 它的主要缺點是 1 難于同時測量多個目標 如欲測量多個目標 必須采用大量濾波器和頻率計數(shù)器等 使裝置復雜 從而限制其應用范圍 2 收發(fā)間的完善隔離是所有連續(xù)波雷達的難題 發(fā)射機泄漏功率將阻塞接收機 因而限制了發(fā)射功率的大小 發(fā)射機噪聲的泄漏會直接影響接收機的靈敏度 圖6 11正弦調(diào)頻信號各諧波的特性 a 各階貝塞爾函數(shù)與D的關(guān)系 b J3 D 與距離的關(guān)系 6 2 2脈沖調(diào)頻測距 脈沖法測距時由于重復頻率高會產(chǎn)生測距模糊 為了判別模糊 必須對周期發(fā)射的脈沖信號加上某些可識別的 標志 調(diào)頻脈沖串也是可用的一種方法 圖6 12 a 就是脈沖調(diào)頻測距的原理框圖 脈沖調(diào)頻時的發(fā)射信號頻率如圖6 12 b 中細實線所示 共分為A B C三段 分別采用正斜率調(diào)頻 負斜率調(diào)頻和發(fā)射恒定頻率 由于調(diào)頻周期T遠大于雷達重復周期Tr 故在每一個調(diào)頻段中均包含多個脈沖 如圖6 12 c 所示 回波信號頻率變化的規(guī)律也在同一圖上標出以作比較 虛線所示為回波信號無多卜勒頻移時的頻率變化 它相對于發(fā)射信號有一個固定延遲td 即將發(fā)射信號的調(diào)頻曲線向右平移td即可 當回波信號還有多卜勒頻移時 其回波頻率如圖中粗實線所示 圖中是多卜勒頻移fd為正值 即將虛線向上平移fd得到 接收機混頻器中加上連續(xù)振蕩的發(fā)射信號和回波脈沖串 故在混頻器輸出端可得到收發(fā)信號的差頻信號 設發(fā)射信號的調(diào)頻斜率為 如圖6 12 b 所示 圖6 12脈沖調(diào)頻測距原理 a 原理性方框圖組成 圖6 12脈沖調(diào)頻測距原理 b 信號頻率調(diào)制規(guī)律 圖6 12脈沖調(diào)頻測距原理 c 各主要點波形或頻率 而A B C各段收發(fā)信號間的差頻分別為 由上面三式可得 即 6 2 10 6 2 11 當發(fā)射信號的頻率變化了A B C三段的全過程后 每一個目標的回波亦將是三串不同中心頻率的脈沖 經(jīng)過接收機混頻后可分別得到差頻FA FB和FC 然后按式 6 2 10 和 6 2 11 即可求得目標的距離R和徑向速度vr 關(guān)于從脈沖串中取出差頻F的方法 可參考 動目標顯示 的有關(guān)原理 在用脈沖調(diào)頻法時 可以選取較大的調(diào)頻周期T 以保證測距的單值性 這種測距方法的缺點是測量精度較差 因為發(fā)射信號的調(diào)頻線性不易做得好 而頻率測量亦不易做準確 脈沖調(diào)頻法測距和連續(xù)波調(diào)頻測距的方法在本質(zhì)上是相同的 6 3距離跟蹤原理 6 3 1人工距離跟蹤早期雷達多數(shù)只有人工距離跟蹤 為了減小測量誤差 采用移動的電刻度作為時間基準 操縱員按照顯示器上的畫面 將電刻度對準目標回波 見圖6 13 從控制器度盤或計數(shù)器上讀出移動電刻度的準確時延 就可以代表目標的距離 因此關(guān)鍵是要產(chǎn)生移動的電刻度 電指標 且其延遲時間可準確讀出 常用的產(chǎn)生電移動刻度的方法有鋸齒電壓波法和相位法 圖6 13電刻度及其在掃掠線上的位置 1 鋸齒電壓波法圖6 14是鋸齒電壓波法產(chǎn)生電移動指標的方框圖和波形圖 來自定時器的觸發(fā)脈沖使鋸齒電壓產(chǎn)生器產(chǎn)生的鋸齒電壓Et與比較電壓Ep一同加到比較電路上 當鋸齒波上升到Et Ep時 比較電路就有輸出送到脈沖產(chǎn)生器 使之產(chǎn)生一窄脈沖 這個窄脈沖即可控制一級移動指標形成電路 形成一個所需形式的電移動指標 在最簡單的情況下 脈沖產(chǎn)生器產(chǎn)生的窄脈沖本身也就可以作為移動指標了 例如光點式移動指標 當鋸齒電壓波的上升斜率確定后 移動指標產(chǎn)生時間就由比較電壓Ep決定 要精確地讀出移動指標產(chǎn)生的時間tr 可以從線性電位器上取出比較電壓Ep 即Ep與線性電位器旋臂的角度位置 成線性關(guān)系 Ep K 比例常數(shù)K與線性電位器的結(jié)構(gòu)及所加電壓有關(guān) 圖6 14鋸齒電壓波法產(chǎn)生移動指標 a 方框圖 b 波形圖 因此 如果在線性電位器旋臂的轉(zhuǎn)角度盤上按距離分度 則可以直接從度盤上讀出移動指標對準的那個回波所代表的目標距離了 鋸齒電壓波法產(chǎn)生移動指標的優(yōu)點是設備比較簡單 移動指標活動范圍大且不受頻率限制 其缺點是測距精度仍嫌不足 精度較高的方法是用相位調(diào)制法產(chǎn)生移動指標 2 相位調(diào)制法 圖6 15相位調(diào)制法產(chǎn)生移動指標 正弦波經(jīng)過放大 限幅 微分后 在其相位為0和 的位置上分別得到正 負脈沖 若再經(jīng)單向削波就可以得到一串正脈沖 相應于基準正弦的零相位 常稱為基準脈沖 將正弦電壓加到一級移相電路 移相電路使正弦波的相位在0 2 范圍內(nèi)連續(xù)變化 因此 經(jīng)過移相的正弦波產(chǎn)生的脈沖也將在正弦波周期內(nèi)連續(xù)移動 這個脈沖稱作遲延脈沖 就是所需要的移動指標 正弦波的相移可以通過外界某種機械信號進行控制 使機械軸的轉(zhuǎn)角 與正弦波的相移角之間具有良好的線性關(guān)系 這樣就可以通過改變機械轉(zhuǎn)角 而使遲延脈沖在0 T范圍內(nèi)任意移動 常用的移相電路由專門制作的移相電容或移相電感來實現(xiàn) 這些元件能使正弦波在0 2 范圍內(nèi)連續(xù)移相且移相角與轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)角成線性關(guān)系 其輸出的相移正弦波振幅為常數(shù) 利用相位調(diào)制法產(chǎn)生移動指標時 因為轉(zhuǎn)角 與輸出電壓的相角有良好的線性關(guān)系而提高了延遲脈沖的準確性 其缺點是輸出幅度受正弦波頻率的限制 正弦波頻率 愈低 移相器的輸出幅度愈小 延遲時間的準確性也愈差 這是因為tz tz 其中 是移相器的結(jié)構(gòu)誤差 tz是延遲時間誤差 所以 一般說來 正弦波的頻率不應低于15kHz 也就是說 相位調(diào)制法產(chǎn)生的移動指標 其移動范圍在10km以內(nèi) 這顯然不能滿足雷達工作的需要 為了既保證延遲時間的準確性又有足夠大的延遲范圍 可以采用復合法產(chǎn)生移動指標 所謂復合法產(chǎn)生移動指標 是指利用鋸齒電壓法產(chǎn)生一組粗測移動波門 而用相位調(diào)制法產(chǎn)生精測移動指標 粗測移動波門可以在雷達所需的整個距離量程內(nèi)移動 而精測移動指標則只在粗測移動波門所相當?shù)木嚯x范圍內(nèi)移動 這樣 粗測波門擴大了移動指標的延遲范圍 精測移動指標則保證了延遲時間的精確性 也就是提高了雷達的測距精度 6 3 2自動距離跟蹤這個系統(tǒng)應保證電移動指標自動地跟蹤目標回波并連續(xù)地給出目標距離數(shù)據(jù) 整個自動測距系統(tǒng)應包括對目標的搜索 捕獲和自動跟蹤三個互相聯(lián)系的部分 圖6 16是距離自動跟蹤的簡化方框圖 目標距離自動跟蹤系統(tǒng)主要包括時間鑒別器 控制器和跟蹤脈沖產(chǎn)生器三部分 顯示器在自動測距系統(tǒng)中僅僅起監(jiān)視目標作用 圖6 16自動距離跟蹤簡化方框圖 畫面上套住回波的二缺口表示電移動指標 又叫電瞄標志 假設空間一目標已被雷達捕獲 目標回波經(jīng)接收機處理后成為具有一定幅度的視頻脈沖加到時間鑒別器上 同時加到時間鑒別器上的還有來自跟蹤脈沖產(chǎn)生器的跟蹤脈沖 自動距離跟蹤時所用的跟蹤脈沖和人工測距時的電移動指標本質(zhì)一樣 都是要求它們的延遲時間在測距范圍內(nèi)均勻可變 且其延遲時間能精確地讀出 在自動距離跟蹤時 跟蹤脈沖的另一路和回波脈沖一起加到顯示器上 以便觀測和監(jiān)視 其畫面如圖6 13所示 時間鑒別器的作用是將跟蹤脈沖與回波脈沖在時間上加以比較 鑒別出它們之間的差 t 設回波脈沖相對于基準發(fā)射脈沖的延遲時間為t 跟蹤脈沖的延遲時間為t 則時間鑒別器輸出誤差電壓u 為 6 3 1 當跟蹤脈沖與回波脈沖在時間上重合 即t t時 輸出誤差電壓為零 兩者不重合時將輸出誤差電壓u 其大小正比于時間的差值 而其正負值就看跟蹤脈沖是超前還是滯后于回波脈沖而定 控制器的作用是將誤差電壓u 經(jīng)過適當?shù)淖儞Q 將其輸出作為控制跟蹤脈沖產(chǎn)生器工作的信號 其結(jié)果是使跟蹤脈沖的延遲時間t 朝著減小 t的方向變化 直到 t 0或其它穩(wěn)定的工作狀態(tài) 上述自動距離跟蹤系統(tǒng)是一個閉環(huán)隨動系統(tǒng) 輸入量是回波信號的延遲時間t 輸出量則是跟蹤脈沖延遲時間t 而t 隨著t的改變而自動地變化 1 時間鑒別器時間鑒別器用來比較回波信號與跟蹤脈沖之間的延遲時間差 t t t t 并將 t轉(zhuǎn)換為與它成比例的誤差電壓u 或誤差電流 圖6 17畫出時間鑒別器的方框圖和波形圖 在波形圖中幾個符號的意義是 tx為前波門觸發(fā)脈沖相對于發(fā)射脈沖的延遲時間 t 為前波門后沿 后波門前沿 相對于發(fā)射脈沖的延遲時間 為回波脈沖寬度 c為波門寬度 通常 c 圖6 17時間鑒別器 a 組成方框圖 b 各點波形 前波門觸發(fā)脈沖實際上就是跟蹤脈沖 其重復頻率就是雷達的重復頻率 加到顯示器上的電移動指標亦由跟蹤脈沖觸發(fā)產(chǎn)生 為了使移動指標在畫面上與被跟蹤目標回波重合 可以產(chǎn)生間隔為 的一對電指標 且在時間上有補償?shù)难舆t 跟蹤脈沖觸發(fā)前波門形成電路 使其產(chǎn)生寬度為 c的前波門并送到前選通放大器 同時經(jīng)過延遲線延遲 c后 送到后波門形成電路 產(chǎn)生寬度 c的后波門 后波門亦送到后選通放大器作為開關(guān)用 來自接收機的目標回波信號經(jīng)過回波處理后變成一定幅度的方整脈沖 分別加至前 后選通放大器 選通放大器平時處于截止狀態(tài) 只有當它的兩個輸入 波門和回波 在時間上相重合時才有輸出 前后波門將回波信號分割為兩部分 分別由前后選通放大器輸出 經(jīng)過積分電路平滑送到比較電路以鑒別其大小 如果回波中心延遲t和波門延遲t 相等 則前后波門與回波重疊部分相等 比較器輸出誤差電壓u 0 如果t t 則根據(jù)回波超前或滯后波門產(chǎn)生不同極性的誤差電壓 在一定范圍內(nèi) 誤差電壓的數(shù)值正比于時間差 t t t 它可以表示時間鑒別器輸出誤差電壓u K1 t t K1 t 圖6 18畫出當 c 時的特性曲線圖 圖6 18時間鑒別器特性曲線 a 特性曲線形成說明 b 特性曲線 2 控制器控制器的作用是把誤差信號u 進行加工變換后 將其輸出去控制跟蹤波門移動 即改變時延t 使其朝減小u 的方向運動 也就是使t 趨向于t 下面具體討論控制器應完成什么形式的加工變換 設控制器的輸出是電壓信號E 則其輸入和輸出之間可用下述一般函數(shù)關(guān)系表示 E f u 最簡單的情況是 輸入和輸出間呈線性關(guān)系 即 E K2u K1K2 t t 6 3 2 控制器的輸出E是用來改變跟蹤脈沖的延遲時間t 的 從前面討論已知 當用鋸齒電壓波法產(chǎn)生移動指標時 比較電壓Ep和移動指標延遲時間tp之間具有線性關(guān)系 即用E去做鋸齒電壓波法的比較電壓時 下式成立 6 3 3 將式 6 3 2 代入后得 t K1K2K3 t t 6 3 4 由上式知 當K1K2K3為常數(shù)時 不可能做到t t 因為這時代表距離的比較電壓E是由誤差電壓u 放大得到的 這就是說 跟蹤脈沖絕不可能無誤差地對準目標回波 式 6 3 4 表示的性能是自動距離跟蹤系統(tǒng)的位置誤差 目標的距離越遠 t 較大 跟蹤系統(tǒng)的誤差 t t t 越大 這種閉環(huán)隨動系統(tǒng)為一階有差系統(tǒng) 如果控制器采用積分元件 則可以消除位置誤差 這時候的工作情況為 輸出E與輸入u 之間的關(guān)系可以用積分表示 6 3 5 綜合式 6 3 1 6 3 3 和 6 3 5 三個關(guān)系式 即可寫出代表由時間鑒別器 控制器和跟蹤脈沖產(chǎn)生器三個部分組成的閉環(huán)系統(tǒng)性能為 6 3 6 如果將目標距離R和跟蹤脈沖所對應的距離R 代入上式 則得 即 6 3 7 從式 6 3 7 可以看出 對于固定目標或移動極慢的目標 dR dt 0 這時跟蹤脈沖可以對準回波脈沖R R 保持跟蹤狀態(tài)而沒有位置誤差 這是因為積分器具有積累作用 當時間鑒別器輸出端產(chǎn)生誤差信號后 積分器就能將這一信號保存并積累起來 并使跟蹤脈沖的位置與目標回波位置相一致 這時時間鑒別器輸出誤差信號雖然等于零 但由于控制器的積分作用 仍保持其輸出E為一定的數(shù)值 此外 由于目標反射面起伏或其它偶然因素而發(fā)生回波信號短時間消失時 雖然這時時間鑒別器輸出的誤差電壓u 0 但系統(tǒng)卻仍然保持R R 也就是跟蹤脈沖保持在目標回波消失時所處的位置 這種作用稱為 位置記憶 當目標以恒速v運動時 跟蹤脈沖也以同樣速度移動 此時 代入式 6 3 7 后得 這時跟蹤脈沖與回波信號之間在位置上保持一個差值 R 由于 R值的大小與速度v成正比 故稱為速度誤差 用一次積分環(huán)節(jié)做控制器時的閉環(huán)隨動系統(tǒng)為一階無差系統(tǒng) 可以消除位置誤差 且具有 位置記憶 特性 但仍有速度誤差 可以證明 一個二次積分環(huán)節(jié)的控制器能夠消除位置誤差和速度誤差 并兼有位置記憶和速度記憶能力 這時只有加速度以上的高階誤差 在需要對高速度 高機動性能的目標進行精密跟蹤時 常采用具有二次積分環(huán)節(jié)的控制器來改善整個系統(tǒng)的跟蹤性能 這種設備 在數(shù)字式自動跟蹤系統(tǒng)中容易實現(xiàn) 而在機電式模擬系統(tǒng)中常采用一次積分環(huán)節(jié)控制器 系統(tǒng)中的電動機就是一個理想的積分元件 3 跟蹤脈沖產(chǎn)生器跟蹤脈沖產(chǎn)生器根據(jù)控制器輸出的控制信號 轉(zhuǎn)角 或控制電壓E 產(chǎn)生所需延遲時間t 的跟蹤脈沖 跟蹤脈沖就是人工測距時的電移動指標 只是有時為了在顯示器上獲得所希望的電瞄形式 如缺口式電瞄標志 而把跟蹤脈沖的波形加以適當變換而已 因此 把6 3 1節(jié)中討論的復合式電移動指標拿來作跟蹤脈沖產(chǎn)生器是完全可行的 這時只需把控制器中的伺服電動機和延時電位器及移相電容器的轉(zhuǎn)軸按所規(guī)定的轉(zhuǎn)速比交鏈起來 就構(gòu)成一個完整的機電模擬式距離自動跟蹤系統(tǒng) 如圖6 19所示 圖6 19機電模擬式距離自動跟蹤系統(tǒng)方框圖 以上的討論 是在目標已被 捕獲 后的跟蹤狀態(tài)時的情況 在系統(tǒng) 捕獲 目標以前或因某種原因目標脫離了跟蹤脈沖 這時由于時間鑒別器不再有誤差信號輸出 跟蹤脈沖將失去跟蹤作用 因此一個完備的距離跟蹤系統(tǒng)還應具有搜索和捕獲目標的能力 搜索或捕獲目標可以是自動地也可以是人工手動的 在機電模擬式系統(tǒng)中常采用手動的方法 當雷達天線波束照射到目標方向時 在距離顯示器上將出現(xiàn)目標回波 操縱員搖動距離跟蹤手輪 該手輪通過齒輪交鏈帶動線性電位器和移相電容器的轉(zhuǎn)軸 從而控制跟蹤脈沖的延遲時間t 根據(jù)顯示器畫面上電瞄準標志套住目標回波 如圖6 16所示 的時刻 就是距離跟蹤脈沖和回波相一致的時候 表明已 捕獲 目標 可轉(zhuǎn)入跟蹤狀態(tài) 這時由時間鑒別器的輸出來控制整個系統(tǒng)的工作 在電子模擬式和數(shù)字式自動距離跟蹤系統(tǒng)中 常采用自動搜索和自動捕獲目標并轉(zhuǎn)入跟蹤 這一部分的工作原理 留待數(shù)字式自動測距器一節(jié)討論 機電模擬式自動距離跟蹤設備 自動測距器 是早期使用的一種系統(tǒng) 在中等作用距離時可以提供良好的距離跟蹤性能 它的缺點是 在遠距離跟蹤時難以產(chǎn)生線性度良好的鋸齒電壓 機電系統(tǒng)的慣性較大 限制了跟蹤系統(tǒng)的帶寬和轉(zhuǎn)換速度 即驅(qū)動跟蹤波門到某一給定目標位置的速度 因而很難適應高速 高機動目標的跟蹤 同時自動搜索和自動捕獲較困難 需要采用某種手動而快速捕獲目標的技巧 6 4數(shù)字式自動測距器 6 4 1數(shù)字式測距的基本原理 測距就是測量回波信號相對于發(fā)射脈沖的遲延時間 因此數(shù)字式測距首先要將時間量用離散的二進制數(shù)碼表示出來 可以采用通常的計數(shù)方法來達到上述要求 其原理方框圖和相應的波形圖如圖6 20所示 距離計數(shù)器在雷達發(fā)射高頻脈沖的同時開始對計數(shù)脈沖計數(shù) 一直到回波脈沖到來后停止計數(shù) 只要記錄了在此期間計數(shù)脈沖的數(shù)目n 根據(jù)計數(shù)脈沖的重復周期T T 1 f 就可以計算出回波脈沖相對于發(fā)射脈沖的延遲時間tR tR nT T為已知值 測量tR實際上變成讀出距離計數(shù)器的數(shù)碼值n 為了減小測讀誤差 通常計數(shù)脈沖產(chǎn)生器和雷達定時器觸發(fā)脈沖在時間上是同步的 距離計數(shù)器測讀目標距離的基本原理已在第四章4 5 2節(jié)距離編碼器的內(nèi)容中作過討論 這里不再重復 目標距離R與計數(shù)器讀數(shù)n之間的關(guān)系為 6 4 1 式中 f為計數(shù)脈沖重復頻率 如果需要讀出多個目標的距離 則控制觸發(fā)器置 0 的脈沖應在相應的最大作用距離以后產(chǎn)生 各個目標距離數(shù)據(jù)的讀出依靠回波不同的延遲時間去控制讀出門 讀出的距離數(shù)據(jù)分別送到相應的距離寄存器中 圖6 20數(shù)字式測距 a 原理框圖 b 波形圖 圖6 20數(shù)字式測距 a 原理框圖 b 波形圖 可見 數(shù)字式測距中 對目標距離R的測定轉(zhuǎn)換為測量脈沖數(shù)n 從而把時間tR這個連續(xù)量變成了離散的脈沖數(shù) 從提高測距精度 減小量化誤差的觀點來看 計數(shù)脈沖頻率f越高越好 這時對器件速度的要求提高 計數(shù)器的級數(shù)應相應增加 有時也可以采用游標計數(shù)法 插值延遲線法等減小量化誤差的方法 6 4 2數(shù)字式自動跟蹤 1 時間鑒別器 距離比較器 它的作用和模擬系統(tǒng)中的時間鑒別器完全相同 也是通過一定的符合比較電路 鑒別出回波信號與跟蹤波門之間的遲延時間差 t 不同之處是數(shù)字式時間鑒別器的輸出是正比于時間差 t的二進制數(shù)碼 而不是模擬電壓u 圖6 21畫出了數(shù)字式時間鑒別器的一個例子 從圖中可以看出 通過重合電路 積分 恒流放電電路和相減器 將時間差 t轉(zhuǎn)換為脈沖寬度 然后利用一個高穩(wěn)定度的時鐘脈沖對它進行計數(shù) 這樣就將模擬量 變換為數(shù)字量 完成了A D變換 將計數(shù)結(jié)果 R儲存在誤差寄存器中 另一方面 相減器還輸出一個符號脈沖 控制計數(shù)器和寄存器的符號位 以標明距離誤差 R的極性 圖6 21數(shù)字式時間鑒別器 2 跟蹤波門產(chǎn)生器在數(shù)字式距離跟蹤系統(tǒng)中 跟蹤波門的產(chǎn)生與模擬法中的鋸齒電壓波法完全可以比擬 這里由時鐘驅(qū)動的高速數(shù)字計數(shù)器 距離波門計數(shù)器 上的數(shù)字碼n隨時間t增長 n ft 它代替了模擬式中電壓隨時間線性上升的鋸齒波 相應地 與目標距離成正比的比較電壓Ep也由距離寄存器中的距離數(shù)碼所取代 與鋸齒電壓波法產(chǎn)生移動指標的道理相同 由雷達發(fā)射機定時脈沖啟動計數(shù)器 即計數(shù)器起始計數(shù)的時間和發(fā)射脈沖同步 當計數(shù)器的數(shù)碼計到與距離寄存器的數(shù)碼相同時 作為重合電路的符合門就送出一個觸發(fā)脈沖作為移動指標的基準脈沖 由它去驅(qū)動波門產(chǎn)生器產(chǎn)生雷達工作所需的主波門與前后波門 各種波門之間的固定時差可在產(chǎn)生器和距離寄存器內(nèi)予以修正 圖6 22畫出數(shù)字式距離跟蹤系統(tǒng)的方框圖和跟蹤波門產(chǎn)生器的波形圖 圖6 22數(shù)字式距離跟蹤系統(tǒng) a 方框圖 b 跟蹤波門產(chǎn)生器波形示意圖 3 距離產(chǎn)生器 控制器 距離產(chǎn)生器的作用是對時間鑒別器輸出的距離誤差進行加工 用它的輸出去控制跟蹤波門的移動 在跟蹤波門產(chǎn)生器中已看到 距離寄存器的數(shù)碼決定跟蹤波門的遲延時間 因此距離產(chǎn)生器的輸出應該用來修正距離寄存器的數(shù)碼 在一階無差的數(shù)字式距離跟蹤系統(tǒng)里 控制器 距離產(chǎn)生器 由一個誤差寄存器 一個距離寄存器和一個 串行 累加器組成 如圖6 23所示 工作時 時間鑒別器輸出的距離誤差數(shù)碼送入誤差寄存器 在累加器里 由移位脈沖把誤差寄存器和距離寄存器的數(shù)碼逐位移入并相加 再把新的結(jié)果送回到距離寄存器 形成距離數(shù)碼 如果距離誤差是負值 則誤差寄存器的符號位為 1 則將距離誤差數(shù)碼取補碼后送入加法器 完成相減作用 圖6 23距離產(chǎn)生器的組成 圖6 24二階數(shù)字式自動距離跟蹤系統(tǒng)組成 6 4 3自動搜索和截獲 距離跟蹤系統(tǒng)在進入跟蹤工作狀態(tài)前 必須具有搜索和捕獲目標并轉(zhuǎn)入跟蹤的能力 系統(tǒng)在搜索工作狀態(tài)時 跟蹤脈沖必須能夠在目標可能出現(xiàn)的距離范圍 最小作用距離Rmin到最大作用距離Rmax 尋找 目標回波 這就必須產(chǎn)生一個跟蹤波門 其延遲時間在