雷達測距方法PPT課件

1、2021-11-201第1頁/共36頁2021-11-202對雙基地雷達，計算RT+RR有兩種方法：直接法：間接法：單基地：R=cT/2發(fā)射天線Tx接收天線Rx目標(biāo)RTRR第2頁/共36頁2021-11-203對雙基地雷達，具體計算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第3頁/共36頁2021-11-204雷達測距的物理基礎(chǔ)電磁波恒光速傳播電磁波直線傳播(直視距情形)在

2、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。第4頁/共36頁2021-11-205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)隨時間、地點而變化，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，雷達原理，西電出版社，1995地球大氣層510cc第5頁/共36頁2021-11-206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)x10hnvpd

3、n/dh0 射線通過徑向分層大氣時的途徑美杰里L(fēng). 伊伏斯等編，現(xiàn)代雷達原理，電子工業(yè)出版社，1991.3第6頁/共36頁2021-11-207折射效應(yīng)對目標(biāo)位置的影響電磁波在非均勻大氣層中傳播時出現(xiàn)的大氣折射，將有兩方面影響：1)、改變雷達測量距離，產(chǎn)生測距誤差。2)、引起俯仰角測量誤差。折射的影響可采用等效地球半徑法近似說明?，F(xiàn)代雷達原理P60第7頁/共36頁2021-11-208 高頻地波超視距雷達正是利用高頻垂直極化電磁波沿海面繞射的特性探測超視距的海面艦船和低空飛機。電磁波沿海面的繞射傳播TBMs Out to 700KmHorizonSurface wave Propagation

4、Ship Detection andTracking at 200KmFighter and Small Boat Detection and Tracking at 74KmLine-of-Sight PropagationAntiship Missiles Detection and Tracking at 37Km第8頁/共36頁2021-11-209地基/艦載雷達實現(xiàn)超視距探測的主要手段有：高頻地波超視距雷達High Frequency Surface Wave OTH Radar 高頻地波超視距雷達正是利用高頻(330MHz)垂直極化電磁波沿海面繞射的特性探測超視距的海面艦船和低空飛

5、機，沿海面繞射300400km。高頻天波雷達High Frequency Skywave OTH Radar 高頻天波超視距雷達利用電離層對短波的反射效應(yīng)，其探測距離可達1000至4000km。高頻天發(fā)地收超視距雷達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，將目前采用的高頻天波超視距雷達和高頻地波超視距雷達的傳播模式相結(jié)合，可發(fā)揮各自的優(yōu)勢?；谔觳òl(fā)射的高頻電磁波信號，是利用電離層對高頻電磁波的折射，實現(xiàn)遠距離的傳播。由于電離層對電磁波的衰減較小，這種傳播方式可實現(xiàn)信號的遠距離傳播，通常情況下可達200

6、0km-4000km，并且覆蓋區(qū)域非常大。 第9頁/共36頁2021-11-2010第10頁/共36頁2021-11-2011微波超視距雷達 利用海上大氣波導(dǎo)(大氣超折射和對流層非均勻散射)傳播效應(yīng)是此系統(tǒng)在微波段實現(xiàn)超視距探測的基礎(chǔ)，分別對應(yīng)主動、被動工作方式。 詳細分析：見電磁波傳播特性章節(jié)。dn/dh比正常值更負時，比正常值更負時，電波更加向地面彎曲。電波更加向地面彎曲。第11頁/共36頁2021-11-2012美國Raytheon公司高頻地波雷達SWR-503的接收天線陣澳大利亞Jindaleee高頻天波雷達接收天線陣第12頁/共36頁2021-11-2013現(xiàn)代級：136-139中華

7、現(xiàn)代：168-169中華神盾：170-171俄制MINERAL-ME目標(biāo)指示/射控雷達(Bandstand音樂臺)利用大氣波導(dǎo)第13頁/共36頁2021-11-2014雷達測距的實現(xiàn)方法物理解釋： 一般地說單載頻的連續(xù)波雷達沒有測距能力，這與其發(fā)射信號帶寬太窄有關(guān)。若必須測量距離，則需要在連續(xù)波發(fā)射信號上加上某些定時標(biāo)志以識別發(fā)射的時間和回波時間。標(biāo)志越尖銳、鮮明，則傳輸時間的測量越準(zhǔn)確。由傅立葉變換知：定時標(biāo)志越尖銳，則發(fā)射信號的頻譜越寬。因此為了測量傳輸時間或距離，則必須擴展單載頻連續(xù)波的頻譜。實現(xiàn)方法： 調(diào)幅脈沖法測距 調(diào)頻頻率法測距 調(diào)相相位法測距第14頁/共36頁2021-11-20

8、15D.K. Barton et al, Radar Technology Encyclopedia, Artech House, Inc., 1998第15頁/共36頁2021-11-2016脈沖法測距的優(yōu)缺點第16頁/共36頁2021-11-2017脈沖雷達常規(guī)脈沖雷達是幅度調(diào)制的一個例子，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)或交錯的重復(fù)周期(參差重復(fù)周期)工作，發(fā)射一個短脈沖相當(dāng)于對電磁波打上標(biāo)記以測往返時間。B.R. Mahafza et al, Matlab simulations for radar systems design, Chapman & Hal

9、l/CRC, 2004單載頻信號第17頁/共36頁2021-11-2018脈沖雷達的天線是收發(fā)共用的，這需要一個收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)。在發(fā)射時，收發(fā)開關(guān)使天線與發(fā)射機接通，并與接收機斷開，以免高功率的發(fā)射信號進入接收機把高放或混頻器燒毀。接收時，天線與接收機接通，并與發(fā)射機斷開，以免因發(fā)射機旁路而使微弱的接收信號受損失。第18頁/共36頁2021-11-2019雷達測距的幾個基本概念下面以脈沖雷達信號為例介紹幾個測距的基本概念：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 Freq

10、uency) 占空比(duty cycle) 峰值功率Pt與平均功率Pav 典型中程防空雷達參數(shù)：rTrTrtavTPPrrTf1KW，PMW，PmsTsavtr1100011 ,1 ,1則占空比為rT簡單矩形脈沖波形第19頁/共36頁2021-11-2020距離分辨力：距離分辨力是指同一方向上兩個大小相等點目標(biāo)之間最小可區(qū)分距離，它取決于雷達信號波形。 )0( ),2(21rr)2( ),(21rr0tt第20頁/共36頁2021-11-2021)0( ),(21rr第21頁/共36頁2021-11-2022對簡單脈沖雷達而言，脈沖越窄，距離分辨力越好。而從信號檢測角度講，希望發(fā)射脈沖寬度越

11、寬越好，這樣輻射出去的能量越大，目標(biāo)回波信號越強，越有利于信號檢測。顯然這是一對不可調(diào)和的矛盾，可以采用脈沖壓縮信號加以解決。 第22頁/共36頁2021-11-2023測距范圍：包括最小可測距離和最大單值測距范圍。最小可測距離指雷達能測量的最近目標(biāo)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(biāo)回波。發(fā)射脈沖過去后天線收發(fā)開關(guān)恢復(fù)到接收狀態(tài)，也需要一段時間t0。在上述這段時間內(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： 雷達的最大單值測距范圍由其脈沖重復(fù)周期決定，即 當(dāng)確定了雷達的最大作用距離 后，為保證

12、單值測距，通常選取雷達脈沖重復(fù)周期滿足下列條件： )(210mintcRrcTR21maxmaxRmax2RcTr)(21maxrTcRrT第23頁/共36頁2021-11-2024測距模糊：當(dāng)回波延遲超過脈沖重復(fù)周期時，會把遠目標(biāo)誤認為近目標(biāo)，即目標(biāo)回波對應(yīng)的距離為： 式中 為非負整數(shù)， 為接收的回波信號與最鄰近發(fā)射脈沖間的延遲。 如果雷達重復(fù)頻率 選得過高(如在脈沖多普勒雷達中為了保證無測速模糊)，測距有可能出現(xiàn)多值性。此時無模糊測距、無模糊測速又成為一對矛盾(MTI 、PD雷達各有側(cè)重點)。 測距模糊解釋及示意圖如下：rrTf1)(21RrtmTcRmRtrRTtt0第24頁/共36頁2

13、021-11-2025第25頁/共36頁2021-11-2026雷達測距解模糊的方法為了得到目標(biāo)的真實距離R，必須判定測距模糊值m。為了判別模糊，必須對周期發(fā)射的脈沖信號再加上某些可識別的標(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)(21RrtmTcR第26頁/共36頁2021-11-2027雙脈沖重復(fù)頻率解模糊rrrrrrrrrTttffftfttfffnntt1212112221212134 14332t1fr1)，它們都不滿足無模糊測距的要求，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

14、選擇應(yīng)保證無模糊測距，即0tRTr=N*Tr1=(N+1)*Tr2。這樣有fr2=(N+1)fr=fr1+frtR=t1+n1/fr1=t2+n2/fr2則在0tR=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 的最小整數(shù)是滿足式中nkmMkkkk, 2 , 1 ), (mod 12021-11-2030多脈沖重復(fù)頻率解模糊)mod( )mod( )mod( 2211nn mcx mcx mcx) (mod 222111McMcMcMxnnn第30頁/共36頁2021-11-2031 將中國余數(shù)定理應(yīng)用到解測距模糊問題時

15、，m1, m2, , mn相當(dāng)于所選n個脈沖重復(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：W.A. Skillman and D.H. Mooney, Multiple High-PRF Ranging, IRE 5th National Convention on Military Electronics, 1961, pp3740 (收入書中：D.K. Barton, Radars, Volume 7: CW and Doppler Radar, Artech House, Inc., 1978, pp205213

16、)rnnrnrrfmmmmTmTmT2122111nrnrrrMfMfMff2211rnfmmm211第31頁/共36頁2021-11-2032設(shè)n1, n2, , nn分別為采用脈沖重復(fù)頻率fr1, fr2, , frn測量時的距離門數(shù)，即模糊時間延遲tn與脈寬 比值的整數(shù)。這樣設(shè)目標(biāo)的真實時間延遲為tR，則)mod( )mod( )mod( 2222211111rnnRnrnnRrRrRrRrR TtttTnt TtttTnt TtttTnt將左式兩邊同時除以脈寬，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)的真實距離應(yīng)為：iiRtctx ,22cxctRR)mod( )mod( )mod( 2211nn mcx mcx mcx第32頁/共36頁2021-11-2033舍脈沖法解模糊 所謂舍脈沖法就是每發(fā)射M個發(fā)射脈沖中舍棄一個，作為發(fā)射脈沖串的附加標(biāo)志(發(fā)射134M)。與發(fā)射脈沖相對應(yīng)，接收到的回波脈沖串同樣是每M個回波脈沖中缺少一個。只要從舍棄的發(fā)射脈沖A2后逐個累計發(fā)射脈沖數(shù)，直到某一發(fā)射脈沖AM-2后沒有回波脈沖(缺B2)時停止計數(shù)，則累計的數(shù)值就是回波跨越的重復(fù)周期數(shù)m