雷達(dá)原理第6章.ppt

1、第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 6.1 脈沖法測(cè)距脈沖法測(cè)距 6.2 調(diào)頻法測(cè)距調(diào)頻法測(cè)距 6.3 距離跟蹤原理距離跟蹤原理 6.4 數(shù)字式自動(dòng)測(cè)距器數(shù)字式自動(dòng)測(cè)距器 雷達(dá)物位計(jì) http:/第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 測(cè)量目標(biāo)的距離是雷達(dá)的基本任務(wù)之一。 無(wú)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=3105 km/s)。圖6.1中, 雷達(dá)位于A點(diǎn), 而在B點(diǎn)有一目標(biāo), 則目標(biāo)至雷達(dá)站的距離(即斜距)R可以通過(guò)測(cè)量電波往返一次所需的時(shí)間tR得到，即 RRctRcRt212(6.0.1) 而時(shí)間tR也就是回波相對(duì)于發(fā)射信號(hào)的延遲,因此, 目標(biāo)

2、距離測(cè)量就是要精確測(cè)定延遲時(shí)間tR。根據(jù)雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的不同,測(cè)定延遲時(shí)間通?？梢圆捎妹}沖法, 頻率法和相位法。 第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 圖6.1 目標(biāo)距離的測(cè)量 RAB第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 6.1 脈脈 沖沖 法法 測(cè)測(cè) 距距 6.1.1 基本原理基本原理 在常用的脈沖雷達(dá)中, 回波信號(hào)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(biāo)回波出現(xiàn)的時(shí)刻滯后于主波, 滯后的時(shí)間就是tR, 測(cè)量距離就是要測(cè)出時(shí)間tR 。 回波信號(hào)的延遲時(shí)間tR通常是很短促的, 將光速c=3105 km/s的值代入式(6.0.1)后得到 R=0.15 tR (6.1.1) 第 6 章 目標(biāo)距離

3、的測(cè)量 其中tR的單位為s, 測(cè)得的距離其單位為km, 即測(cè)距的計(jì)時(shí)單位是微秒。測(cè)量這樣量級(jí)的時(shí)間需要采用快速計(jì)時(shí)的方法。早期雷達(dá)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(cè)讀延遲時(shí)間。 現(xiàn)代雷達(dá)常常采用電子設(shè)備自動(dòng)地測(cè)讀回波到達(dá)的遲延時(shí)間tR。 第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 圖6.2 具有機(jī)械距離刻度標(biāo)尺的顯示器熒光屏畫面 發(fā)射脈沖近區(qū)地物回波目標(biāo)回波機(jī)械距離刻度標(biāo)尺llp圖 6.2010 20 3040 5060 70km第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 有兩種定義回波到達(dá)時(shí)間tR的方法, 一種是以目標(biāo)回波脈沖的前沿作為它的到達(dá)時(shí)刻; 另一種是以回波脈沖的中心(或最大值)作為它

4、的到達(dá)時(shí)刻。 對(duì)于通常碰到的點(diǎn)目標(biāo)來(lái)講, 兩種定義所得的距離數(shù)據(jù)只相差一個(gè)固定值(約為/2), 可以通過(guò)距離校零予以消除。如果要測(cè)定目標(biāo)回波的前沿, 由于實(shí)際的回波信號(hào)不是矩形脈沖而近似為鐘形, 此時(shí)可將回波信號(hào)與一比較電平相比較, 把回波信號(hào)穿越比較電平的時(shí)刻作為其前沿。 用電壓比較器是不難實(shí)現(xiàn)上述要求的。用脈沖前沿作為到達(dá)時(shí)刻的缺點(diǎn)是容易受回波大小及噪聲的影響, 比較電平不穩(wěn)也會(huì)引起誤差。 第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 圖6.3 回波脈沖中心估計(jì) 匹 配濾波器包絡(luò)檢波微分(d / dt)門限過(guò)零點(diǎn)檢 測(cè)tt本振第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 6.1.2 影響測(cè)距精度的因素影響測(cè)距精度的因素 雷達(dá)

5、在測(cè)量目標(biāo)距離時(shí), 不可避免地會(huì)產(chǎn)生誤差, 它從數(shù)量上說(shuō)明了測(cè)距精度, 是雷達(dá)站的主要參數(shù)之一。 由測(cè)距公式可以看出影響測(cè)量精度的因素。對(duì)式(6.1.1)求全微分, 得到 RRRdtcdccRdttRdccRdR2用增量代替微分, 可得到測(cè)距誤差為 RtcccRR2(6.1.2) 式中, c為電波傳播速度平均值的誤差; tR為測(cè)量目標(biāo)回波延遲時(shí)間的誤差。 第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 由式(6.1.2)可看出, 測(cè)距誤差由電波傳播速度c的變化c以及測(cè)時(shí)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(jī)誤差兩類, 系統(tǒng)誤差是指在測(cè)距時(shí), 系統(tǒng)各部分對(duì)信號(hào)的固定延時(shí)所造成的誤差, 系統(tǒng)誤差以多次

6、測(cè)量的平均值與被測(cè)距離真實(shí)值之差來(lái)表示。從理論上講, 系統(tǒng)誤差在校準(zhǔn)雷達(dá)時(shí)可以補(bǔ)償?shù)? 實(shí)際工作中很難完善地補(bǔ)償 , 因此在雷達(dá)的技術(shù)參數(shù)中, 常給出允許的系統(tǒng)誤差范圍。 第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 隨機(jī)誤差系指因某種偶然因素引起的測(cè)距誤差, 所以又稱偶然誤差。凡屬設(shè)備本身工作不穩(wěn)定性造成的隨機(jī)誤差稱為設(shè)備誤差, 如接收時(shí)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(shí)產(chǎn)生折射以及目標(biāo)反射中心的隨機(jī)變化等。 隨機(jī)誤差一般不能補(bǔ)償?shù)? 因?yàn)樗诙啻螠y(cè)量中所得的距離值

7、不是固定的而是隨機(jī)的。因此, 隨機(jī)誤差是衡量測(cè)距精度的主要指標(biāo)。第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 1. 電波傳播速度變化產(chǎn)生的誤差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(shí)測(cè)距公式(6.0.1)中的c值可認(rèn)為是常數(shù)。 但實(shí)際上大氣層的分布是不均勻的且其參數(shù)隨時(shí)間、地點(diǎn)而變化。大氣密度、濕度、 溫度等參數(shù)的隨機(jī)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)也發(fā)生相應(yīng)的改變, 因而電波傳播速度c不是常量而是一個(gè)隨機(jī)變量。由式(6.1.2)可知, 由于電波傳播速度的隨機(jī)誤差而引起的相對(duì)測(cè)距誤差為 ccRR(6.1.3) 第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 隨著距離R的增

8、大, 由電波速度的隨機(jī)變化所引起的測(cè)距誤差R也增大。在晝夜間大氣中溫度、 氣壓及濕度的起伏變化所引起的傳播速度變化為c/c10-5, 若用平均值c作為測(cè)距計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)常數(shù), 則所得測(cè)距精度亦為同樣量級(jí), 例如R=60 km時(shí), R=6010310-5=0.6m的數(shù)量級(jí),對(duì)常規(guī)雷達(dá)來(lái)講可以忽略。 電波在大氣中的平均傳播速度和光速亦稍有差別, 且隨工作波長(zhǎng)而異, 因而在測(cè)距公式(6.0.1)中的c值亦應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況校準(zhǔn), 否則會(huì)引起系統(tǒng)誤差, 表6.1列出了幾組實(shí)測(cè)的電波傳播速度值。第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 表表6.1 在不同條件下電磁波傳播速度在不同條件下電磁波傳播速度 第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)

9、量 2. 因大氣折射引起的誤差因大氣折射引起的誤差 當(dāng)電波在大氣中傳播時(shí), 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(guò)一個(gè)彎曲的軌跡。 在正折射時(shí)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(biāo)的真實(shí)距離是R0, 但因電波傳播不是直線而是彎曲弧線, 故所測(cè)得的回波延遲時(shí)間tR=2R/c,這就產(chǎn)生一個(gè)測(cè)距誤差(同時(shí)還有測(cè)仰角的誤差): 0RRR(6.1.4) 第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 R的大小和大氣層對(duì)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(jì)算出不同高度和距離的目標(biāo)由于大氣折射所產(chǎn)生的距離誤差, 從而給測(cè)量值以必要的修正。

10、當(dāng)目標(biāo)距離越遠(yuǎn)、高度越高時(shí), 由折射所引起的測(cè)距誤差R也越大。例如在一般大氣條件下, 當(dāng)目標(biāo)距離為100 km, 仰角為0.1rad時(shí), 距離誤差為16 m的量級(jí)。 上述兩種誤差, 都是由雷達(dá)外部因素造成的, 故稱之為外界誤差。無(wú)論采用什么測(cè)距方法都無(wú)法避免這些誤差, 只能根據(jù)具體情況, 作一些可能的校準(zhǔn)。 第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 圖6.4 大氣層中電波的折射 RR0H地面目標(biāo)視在位置目標(biāo)真實(shí)位置第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 3. 測(cè)讀方法誤差測(cè)讀方法誤差 測(cè)距所用具體方法不同, 其測(cè)距誤差亦有差別。 早期的脈沖雷達(dá)直接從顯示器上測(cè)量目標(biāo)距離, 這時(shí)顯示器熒光屏亮點(diǎn)的直徑大小、所用機(jī)械或電刻

11、度的精度、人工測(cè)讀時(shí)的慣性等都將引起測(cè)距誤差。當(dāng)采用電子自動(dòng)測(cè)距的方法時(shí), 如果測(cè)讀回波脈沖中心, 則圖6.3中回波中心的估計(jì)誤差(正比于脈寬而反比于信噪比)以及計(jì)數(shù)器的量化誤差等均將造成測(cè)距誤差。 自動(dòng)測(cè)距時(shí)的測(cè)量誤差與測(cè)距系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)傳遞函數(shù)、 目標(biāo)特性(包括其動(dòng)態(tài)特性和回波起伏特性)、干擾(噪聲)的強(qiáng)度等因素均有關(guān)系, 詳情可參考測(cè)距系統(tǒng)有關(guān)資料。 第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 22281eotBNEr 當(dāng)混雜噪聲為限帶高斯白噪聲，輸入信號(hào)的復(fù)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(luò)后，求信號(hào)最大出現(xiàn)的時(shí)間即為時(shí)延估值。 理論分析證明，其估值方差 為

12、 2rt式中，E為信號(hào)能量；N0為噪聲功率譜密度；Be為信號(hào)u(t)的均方根帶寬， dffUffdffUffBe2222| )(;)| )(|(第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 若令=2Be, 則 2222121ototNENErr上式表明，時(shí)延估值均方根誤差反比于信號(hào)噪聲比及信號(hào)的均方根誤差。例如，高斯脈沖的測(cè)時(shí)均方根差 第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 otNEBr218. 1B為脈沖頻譜半功率點(diǎn)寬度。線性調(diào)頻脈沖的oLtNEBr23BL為其調(diào)制帶寬。 第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 6.1.3 距離分辨力和測(cè)距范圍距離分辨力和測(cè)距范圍 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。在顯示

13、器上測(cè)距時(shí), 分辨力主要取決于回波的脈沖寬度, 同時(shí)也和光點(diǎn)直徑d所代表的距離有關(guān)。如圖6.5所示的兩個(gè)點(diǎn)目標(biāo)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(shí)定義距離分辨力rc為 ncvdcr2式中, d為光點(diǎn)直徑; n為光點(diǎn)掃掠速度(cm/s)。 第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 圖6.5 距離分辨力 dvn光點(diǎn)直徑dvn第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 用電子方法測(cè)距或自動(dòng)測(cè)距時(shí), 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(duì)于復(fù)雜的脈沖壓縮信號(hào), 決定距離分辨力的是雷達(dá)信號(hào)的有效帶寬B, 有效帶寬越寬, 距離分辨力越

14、好。 距離分辨力rc可表示為 Bcrc12(6.1.5) 測(cè)距范圍包括最小可測(cè)距離和最大單值測(cè)距范圍。所謂最小可測(cè)距離, 是指雷達(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”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)開關(guān)恢復(fù)到接收狀態(tài), 也需要一段時(shí)間t0, 在這段時(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 第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 )(210mintcR(6.1.6) 雷達(dá)的最大單值測(cè)距范圍由其脈沖重復(fù)周期Tr決定。為保證單值測(cè)距, 通常應(yīng)選取 max2RcTrRmxa為被

15、測(cè)目標(biāo)的最大作用距離。 有時(shí)雷達(dá)重復(fù)頻率的選擇不能滿足單值測(cè)距的要求, 例如在脈沖多卜勒雷達(dá)或遠(yuǎn)程雷達(dá), 這時(shí)目標(biāo)回波對(duì)應(yīng)的距離R為 )(2RrtmTcRm為正整數(shù) (6.1.7) 式中，tR為測(cè)得的回波信號(hào)與發(fā)射脈沖間的時(shí)延。這時(shí)將產(chǎn)生測(cè)距模糊, 為了得到目標(biāo)的真實(shí)距離R, 必須判明式(6.1.7)中的模糊值m。 第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 6.1.4 判距離模糊的方法判距離模糊的方法 1. 多種重復(fù)頻率判模糊多種重復(fù)頻率判模糊 設(shè)重復(fù)頻率分別為fr1和fr2, 它們都不能滿足不模糊測(cè)距的要求。fr1和fr2具有公約頻率，其為fr, aNfNffrrr21N和a為正整數(shù), 常選a=1, 使N

16、和N+a為互質(zhì)數(shù)。fr的選擇應(yīng)保證不模糊測(cè)距。 雷達(dá)以fr1和fr2的重復(fù)頻率交替發(fā)射脈沖信號(hào)。通過(guò)記憶重合裝置, 將不同的fr發(fā)射信號(hào)進(jìn)行重合, 重合后的輸出是重復(fù)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(shí)延代表目標(biāo)的真實(shí)距離, 如圖6.6(a)所示。 第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 圖 6.6 判距離模糊(a) 用雙重高重復(fù)頻率測(cè)距; (b) “舍脈沖”法判模糊 (a)發(fā) fr1收 fr1發(fā) fr2收 fr2tRt1t2tRTn0tR第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 圖 6.6 判距離模糊(a) 用雙重高重復(fù)頻率測(cè)距; (b) “舍脈沖”法判模糊 發(fā)射脈沖回波信號(hào)(b)AMA1

17、A2A3A4AM3A1A2A3A4AM1AM2AMAM3AM1AM2AMttNTrNTrtRB1B2B3B4BMB1B2B3BMBM3BM1BM2第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 以二重復(fù)頻率為例, 222111rrRfntfnttn1, n2分別為用fr1和fr2測(cè)距時(shí)的模糊數(shù)。當(dāng)a=1時(shí), n1和n2的關(guān)系可能有兩種, 即n1=n2或n1=n2+1, 此時(shí)可算得 212211rrrrRffftftt或 2122111rrrrRffftftt如果按前式算出tR為負(fù)值, 則應(yīng)用后式。 第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 如果采用多個(gè)高重復(fù)頻率測(cè)距, 就能給出更大的不模糊距離, 同時(shí)也可兼顧跳開發(fā)射脈沖遮蝕的

18、靈活性。下面舉出采用三種高重復(fù)頻率的例子來(lái)說(shuō)明。 例如, 取fr1 fr2 fr3=7 8 9, 則不模糊距離是單獨(dú)采用fr2時(shí)的79=63倍。 這時(shí)在測(cè)距系統(tǒng)中可以根據(jù)幾個(gè)模糊的測(cè)量值來(lái)解出其真實(shí)距離。辦法可以從我國(guó)的余數(shù)定理中找到。 以三種重復(fù)頻率為例, 真實(shí)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(fù)頻率測(cè)量時(shí)的模糊距離; m1m2m3為三個(gè)重復(fù)頻率的比值。常數(shù)C1, C2, C3分別為 第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 C1=b1m2m3mod(m1)1 (6.1.9a)C2=b2m1m3mod(m2)1 (

19、6.1.9b)C3=b3m1m2mod(m3)1 (6.1.9c) 式中, b1為一個(gè)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(dāng)m1, m2, m3選定后, 便可確定C值, 并利用探測(cè)到的模糊距離直接計(jì)算真實(shí)距離Rc。 第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 例如: 設(shè)m1=7, m2=8, m3=9; A1=3, A2=5, A3=7，則 m1m2m3=504 b3=5 578=280 mod91， C3=280b2=7 779=441 mod81， C2=441b1=4 489=288 mod71， C1=288 按式(6.1.8)，有

20、C1A1+C2A2+C3A3=5029 Rc5 029 mod504=493 第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 即目標(biāo)真實(shí)距離(或稱不模糊距離)的單元數(shù)為Rc=493, 不模糊距離R為 ccRRc24932式中，為距離分辨單元所對(duì)應(yīng)的時(shí)寬。 當(dāng)脈沖重復(fù)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(shí)際測(cè)距時(shí)分別測(cè)到A1、 A2、A3的值, 就可按式(6.1.8)算出目標(biāo)真實(shí)距離。 第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 2. “舍脈沖舍脈沖”法判模糊法判模糊 當(dāng)發(fā)射高重復(fù)頻率的脈沖信號(hào)而產(chǎn)生測(cè)距模糊時(shí), 可采用“舍脈沖”法來(lái)判斷m值。所謂“舍脈沖”,

21、 就是每在發(fā)射M個(gè)脈沖中舍棄一個(gè), 作為發(fā)射脈沖串的附加標(biāo)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(duì)應(yīng), 接收到的回波脈沖串同樣是每M個(gè)回波脈沖中缺少一個(gè)。只要從A2以后, 逐個(gè)累計(jì)發(fā)射脈沖數(shù), 直到某一發(fā)射脈沖(在圖中是AM-2)后沒(méi)有回波脈沖(如圖中缺B2)時(shí)停止計(jì)數(shù), 則累計(jì)的數(shù)值就是回波跨越的重復(fù)周期數(shù)m。 第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 采用“舍脈沖”法判模糊時(shí), 每組脈沖數(shù)M應(yīng)滿足以下關(guān)系: maxRrrtTmMT(6.1.10) 式中，mmax是雷達(dá)需測(cè)量的最遠(yuǎn)目標(biāo)所對(duì)應(yīng)的跨周期數(shù)；tR 的值在0Tr之間。這就是說(shuō), MTr之值應(yīng)保證全部距離上

22、不模糊測(cè)距。而M和mmax之間的關(guān)系則為 Mmmax+1 (6.1.11) 第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 6.2 調(diào)調(diào) 頻頻 法法 測(cè)測(cè) 距距 6.2.1 調(diào)頻連續(xù)波測(cè)距調(diào)頻連續(xù)波測(cè)距 調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)的組成方框圖如圖6.7所示。發(fā)射機(jī)產(chǎn)生連續(xù)高頻等幅波, 其頻率在時(shí)間上按三角形規(guī)律或按正弦規(guī)律變化, 目標(biāo)回波和發(fā)射機(jī)直接耦合過(guò)來(lái)的信號(hào)加到接收機(jī)混頻器內(nèi)。在無(wú)線電波傳播到目標(biāo)并返回天線的這段時(shí)間內(nèi), 發(fā)射機(jī)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(jì)上。由于差頻電壓的頻率與目標(biāo)距離有關(guān), 因而頻率計(jì)上的刻度可以直接采用距離長(zhǎng)度作為單位。 第 6

23、章 目標(biāo)距離的測(cè)量 圖6.7 調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)方框圖 頻率計(jì)放 大 器和限幅器混頻器調(diào) 頻發(fā)射機(jī)直接耦合信號(hào)發(fā)射天線接收天線目標(biāo)r接收機(jī)第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 1. 三角形波調(diào)制三角形波調(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(jī)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。f r為從目標(biāo)反射回來(lái)的回波頻率, 它和發(fā)射頻率的變化規(guī)律相同, 但在時(shí)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(hào)間的差拍頻率, 差頻的平均值用fbav表示。 第 6 章 目

24、標(biāo)距離的測(cè)量 圖6.8 調(diào)頻雷達(dá)工作原理示意圖 ftTm2fft2R0c0ffb0fbfbfbart1t2frfft0tt第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 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(dá)式: cRtTffftTfftdtdfffmrmt244/000差頻fb為 cTfRfffmrtb8(6.2.1) 在調(diào)頻的下降段, df/dt為負(fù)值, fr高于ft, 但二者的差頻仍如式(6.2.1)所示。 第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 對(duì)于一定距離R的目標(biāo)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(shí)間差頻是不變的。 若用頻率計(jì)測(cè)量一個(gè)周期內(nèi)的平均差

25、頻值fbav, 可得到 mmmbavTcRTcTfRf28實(shí)際工作中, 應(yīng)保證單值測(cè)距且滿足 cRTm2因此 bmbavfRcTff8第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 由此可得出目標(biāo)距離R為 mbavfffcR8(6.2.2) 式中，fm=1/Tm，為調(diào)制頻率。 當(dāng)反射回波來(lái)自運(yùn)動(dòng)目標(biāo), 其距離為R而徑向速度為v時(shí), 其回波頻率fr為 cRtTffffmdr240第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 fd為多卜勒頻率, 正負(fù)號(hào)分別表示調(diào)制前后半周正負(fù)斜率的情況。 當(dāng)fdfbav時(shí), 得出的差頻為 dmttbdmrtbfRcTfffffRcTffff88(前半周正向調(diào)頻范圍) (后半周負(fù)向調(diào)頻范圍) 可求出目標(biāo)

26、距離為 mbbffffcR28如能分別測(cè)出fb+和f b-, 就可求得目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的徑向速度v。v=/4(fb+-fb-)。運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波信號(hào)的差頻曲線如圖6.8(b)中虛線所示。 第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 由于頻率計(jì)數(shù)只能讀出整數(shù)值而不能讀出分?jǐn)?shù), 因此這種方法會(huì)產(chǎn)生固定誤差R。由式(6.2.2)求出R的表示式為 mbavfffcR8(6.2.3) 而fbav/fm表示在一個(gè)調(diào)制周期1/fm內(nèi)平均差頻fbav的誤差, 當(dāng)頻率測(cè)讀量化誤差為1次, 亦即fbav/fm=1時(shí), 可得以下結(jié)果: fcR8(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(wú)關(guān)。為減小這項(xiàng)誤差

27、, 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。 第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 2. 正弦波調(diào)頻正弦波調(diào)頻用正弦波對(duì)連續(xù)載頻進(jìn)行調(diào)頻時(shí), 發(fā)射信號(hào)可表示為 tffftfUummtt2sin22sin0(6.2.5) 發(fā)射頻率ft為 tfffdtdfmtt2cos2210(6.2.6) 由目標(biāo)反射回來(lái)的回波電壓ur滯后一段時(shí)間T(T=2R/c), 可表示為 )(2sin2)(2sin0TtfffTtfUummrr(6.2.7) 第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 圖6.9 調(diào)頻雷達(dá)發(fā)射波按正弦規(guī)律調(diào)頻 fft0fb0fbfbarfrf / 2f0TmcRTm42RcRctt第 6

28、章 目標(biāo)距離的測(cè)量 接收信號(hào)與發(fā)射信號(hào)在混頻器中外差后, 取其差頻電壓為 TfTtfTfffUkUummmrtb0222cossinsin(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(biāo)距離R成比例且隨時(shí)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(shí)相同, 用fbav測(cè)距的原理和方法也一樣。 第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 在調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)測(cè)距時(shí), 還可以提供附加的收發(fā)隔離, 這個(gè)特性是很重要的, 下面將予以分析。以正弦調(diào)頻來(lái)說(shuō), 其差頻信號(hào)如式(6.2.8)所示。對(duì)接收的差頻信號(hào)進(jìn)行傅里葉分析后, 得到以下頻率分量:

29、 ub=UbJ0(D)cos(2fdt-0)+2J1(D)sin(2fdt-0)cos(2fmt-m)-2J2(D)cos(2fdt-0)cos2(2fmt-m)-2J3(D)sin(2fdt- 0)cos3(2fmt-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 cRfffDmm02sin(6.2.9) 第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 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; cRfffDmm02sinR0為目標(biāo)在t=0時(shí)的距離, R=R0-vrt; fd為目標(biāo)回波的多卜勒頻移, cRfcRfcfvfm

30、rd000000242第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 圖6.10 正弦調(diào)頻差頻信號(hào)的頻譜 0fdfdfm2fm3fm4fm頻率相對(duì)振幅第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 貝塞爾函數(shù)的自變量D中包含了目標(biāo)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(hào)的任一頻譜分量加以利用, 但實(shí)際上它們的性能有很大差別。以J0(D).cos(2fdt-0)項(xiàng)為例, 由于J0(D)在D=0時(shí)取最大值, 表明對(duì)R0=0的回波響應(yīng)最強(qiáng), 而這個(gè)距離正是發(fā)射信號(hào)及其噪聲泄漏的位置；當(dāng)目標(biāo)回波距離增加時(shí), J0(D)將下降，從而減小其幅度, 這就是說(shuō)， J0(D)項(xiàng)增強(qiáng)

31、泄漏而減弱遠(yuǎn)區(qū)目標(biāo)回波, 這是不好的特性。 第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 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(hào)可為零。當(dāng)D值很小時(shí)Jn(D)正比于Dn, 說(shuō)明高階貝塞爾函數(shù)可進(jìn)一步減小零距離(發(fā)射機(jī)泄漏)響應(yīng), 但同時(shí)也減小了目標(biāo)響應(yīng)區(qū), 故n應(yīng)適當(dāng)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(gè)響應(yīng)由幾段鏡像曲線組成, 曲線上的零點(diǎn)說(shuō)明某些距離上回波將被抑制。 當(dāng)只探測(cè)一個(gè)目標(biāo)時(shí)(如高度計(jì)), 可以調(diào)節(jié)偏頻f值, 使在該目 標(biāo) 距 離 R0上 的 D 值 正 對(duì) 應(yīng) 所 選 貝 塞 爾 函 數(shù) 最 大

32、 值是: , 此時(shí)依據(jù)測(cè)定的f值, 即可得到目標(biāo)的距離R。 cRfffDDmmm02sin第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 3. 調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)的特點(diǎn)調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)的特點(diǎn) 調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)是: (1) 能測(cè)量很近的距離, 一般可測(cè)到數(shù)米, 而且有較高的測(cè)量精度。 (2) 雷達(dá)線路簡(jiǎn)單, 且可做到體積小、 重量輕, 普遍應(yīng)用于飛機(jī)高度表及微波引信等場(chǎng)合。第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 3. 調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)的特點(diǎn)調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)的特點(diǎn) 調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)是: (1) 能測(cè)量很近的距離, 一般可測(cè)到數(shù)米, 而且有較高的測(cè)量精度。 (2) 雷達(dá)線路簡(jiǎn)單, 且可做到體積小、重量輕, 普遍應(yīng)用于飛機(jī)高度表及微波

33、引信等場(chǎng)合。第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 它的主要缺點(diǎn)是: (1) 難于同時(shí)測(cè)量多個(gè)目標(biāo)。如欲測(cè)量多個(gè)目標(biāo), 必須采用大量濾波器和頻率計(jì)數(shù)器等, 使裝置復(fù)雜，從而限制其應(yīng)用范圍。 (2) 收發(fā)間的完善隔離是所有連續(xù)波雷達(dá)的難題。發(fā)射機(jī)泄漏功率將阻塞接收機(jī), 因而限制了發(fā)射功率的大小。發(fā)射機(jī)噪聲的泄漏會(huì)直接影響接收機(jī)的靈敏度。 第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 圖6.11 正弦調(diào)頻信號(hào)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 距離振幅 0.10 0.2 0.3 0.91.0J0(D)J1(D)J2(D)J3(D)

34、24681012 D(a)(b)Jn(D)第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 6.2.2 脈沖調(diào)頻測(cè)距脈沖調(diào)頻測(cè)距 脈沖法測(cè)距時(shí)由于重復(fù)頻率高會(huì)產(chǎn)生測(cè)距模糊, 為了判別模糊, 必須對(duì)周期發(fā)射的脈沖信號(hào)加上某些可識(shí)別的“標(biāo)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(cè)距的原理框圖。 第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 脈沖調(diào)頻時(shí)的發(fā)射信號(hào)頻率如圖6.12(b)中細(xì)實(shí)線所示, 共分為A、B、C三段, 分別采用正斜率調(diào)頻、負(fù)斜率調(diào)頻和發(fā)射恒定頻率。由于調(diào)頻周期T遠(yuǎn)大于雷達(dá)重復(fù)周期Tr, 故在每一個(gè)調(diào)頻段中均包含多個(gè)脈沖, 如圖6.12(c)所示?；夭ㄐ盘?hào)頻率變化的規(guī)律也在同一圖上標(biāo)出以作比較。

35、虛線所示為回波信號(hào)無(wú)多卜勒頻移時(shí)的頻率變化, 它相對(duì)于發(fā)射信號(hào)有一個(gè)固定延遲td, 即將發(fā)射信號(hào)的調(diào)頻曲線向右平移td即可。當(dāng)回波信號(hào)還有多卜勒頻移時(shí), 其回波頻率如圖中粗實(shí)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。 第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 接收機(jī)混頻器中加上連續(xù)振蕩的發(fā)射信號(hào)和回波脈沖串, 故在混頻器輸出端可得到收發(fā)信號(hào)的差頻信號(hào)。設(shè)發(fā)射信號(hào)的調(diào)頻斜率為, 如圖6.12(b)所示。 TF第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 圖6.12 脈沖調(diào)頻測(cè)距原理(a) 原理性方框圖組成; 調(diào)制信號(hào)產(chǎn) 生 器調(diào) 頻振蕩器脈沖功率放 大 器脈 沖調(diào)制器混頻器收發(fā)開關(guān)umTr(a)Tf 第

36、 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 圖6.12 脈沖調(diào)頻測(cè)距原理 (b) 信號(hào)頻率調(diào)制規(guī)律; (b)FftdtoTATBTCFCFAfdFB第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 圖6.12 脈沖調(diào)頻測(cè)距原理(c) 各主要點(diǎn)波形或頻率 f(調(diào)頻振蕩器)otttooFAFBumABCTrFCf 混 頻 器輸出差頻(c)第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 而A、B、C各段收發(fā)信號(hào)間的差頻分別為 rdCrddErddAvfFcRvtfFcRvtfF22222由上面三式可得 cRFFAB4第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 即 24FcvcFFRrAB(6.2.10) (6.2.11) 當(dāng)發(fā)射信號(hào)的頻率變化了A、B、C三段的全過(guò)程后, 每

37、一個(gè)目標(biāo)的回波亦將是三串不同中心頻率的脈沖。 經(jīng)過(guò)接收機(jī)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(biāo)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(dòng)目標(biāo)顯示”的有關(guān)原理。 第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 在用脈沖調(diào)頻法時(shí), 可以選取較大的調(diào)頻周期T, 以保證測(cè)距的單值性。 這種測(cè)距方法的缺點(diǎn)是測(cè)量精度較差, 因?yàn)榘l(fā)射信號(hào)的調(diào)頻線性不易做得好, 而頻率測(cè)量亦不易做準(zhǔn)確。 脈沖調(diào)頻法測(cè)距和連續(xù)波調(diào)頻測(cè)距的方法在本質(zhì)上是相同的。 第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 6.3 距離跟蹤原理距離跟蹤原理 6.3.1 人工距離跟蹤人工距離跟蹤 早期雷

38、達(dá)多數(shù)只有人工距離跟蹤。 為了減小測(cè)量誤差, 采用移動(dòng)的電刻度作為時(shí)間基準(zhǔn)。操縱員按照顯示器上的畫面, 將電刻度對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)回波(見圖6.13)。從控制器度盤或計(jì)數(shù)器上讀出移動(dòng)電刻度的準(zhǔn)確時(shí)延, 就可以代表目標(biāo)的距離。 因此關(guān)鍵是要產(chǎn)生移動(dòng)的電刻度(電指標(biāo)), 且其延遲時(shí)間可準(zhǔn)確讀出。 常用的產(chǎn)生電移動(dòng)刻度的方法有鋸齒電壓波法和相位法。 第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 圖6.13 電刻度及其在掃掠線上的位置 發(fā)射脈沖目標(biāo)回波目標(biāo)回波“階梯”“井”目標(biāo)回波目標(biāo)回波“光點(diǎn)”“柱”第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 1. 鋸齒電壓波法鋸齒電壓波法 圖6.14是鋸齒電壓波法產(chǎn)生電移動(dòng)指標(biāo)的方框圖和波形圖。 來(lái)自定時(shí)器

39、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(dāng)鋸齒波上升到Et= Ep時(shí), 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(gè)窄脈沖即可控制一級(jí)移動(dòng)指標(biāo)形成電路, 形成一個(gè)所需形式的電移動(dòng)指標(biāo)。 在最簡(jiǎn)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(dòng)指標(biāo)了(例如光點(diǎn)式移動(dòng)指標(biāo))。 當(dāng)鋸齒電壓波的上升斜率確定后, 移動(dòng)指標(biāo)產(chǎn)生時(shí)間就由比較電壓Ep決定。要精確地讀出移動(dòng)指標(biāo)產(chǎn)生的時(shí)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)。 第 6 章 目標(biāo)距離的

40、測(cè)量 圖6.14 鋸齒電壓波法產(chǎn)生移動(dòng)指標(biāo)(a) 方框圖; (b) 波形圖 鋸齒電壓產(chǎn) 生 器比較電路脈 沖產(chǎn)生器觸發(fā)脈沖比較電壓Ep延遲脈沖(a)tEptttrtpE0第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 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(dòng)指標(biāo)對(duì)準(zhǔn)的那個(gè)回波所代表的目標(biāo)距離了。 鋸齒電壓波法產(chǎn)生移動(dòng)指標(biāo)的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備比較簡(jiǎn)單, 移動(dòng)指標(biāo)活動(dòng)范圍大且不受頻率限制, 其缺點(diǎn)是測(cè)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(dòng)指標(biāo)。 第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 2. 相位調(diào)制法相位調(diào)制法 圖6.15 相位調(diào)制法產(chǎn)生移動(dòng)指標(biāo) 正 弦振蕩器脈 沖產(chǎn)生器移相電路脈

41、 沖產(chǎn)生器延遲脈沖tz機(jī)械信號(hào)移相正弦波基準(zhǔn)脈沖基準(zhǔn)正弦波第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 正弦波經(jīng)過(guò)放大、限幅、微分后, 在其相位為0和的位置上分別得到正、負(fù)脈沖, 若再經(jīng)單向削波就可以得到一串正脈沖。 相應(yīng)于基準(zhǔn)正弦的零相位, 常稱為基準(zhǔn)脈沖。將正弦電壓加到一級(jí)移相電路, 移相電路使正弦波的相位在02范圍內(nèi)連續(xù)變化, 因此, 經(jīng)過(guò)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(dòng), 這個(gè)脈沖稱作遲延脈沖, 就是所需要的移動(dòng)指標(biāo)。正弦波的相移可以通過(guò)外界某種機(jī)械信號(hào)進(jìn)行控制, 使機(jī)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(guò)改變機(jī)械轉(zhuǎn)角而使遲延脈沖在0T范圍內(nèi)任意移動(dòng)。 第 6

42、 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 常用的移相電路由專門制作的移相電容或移相電感來(lái)實(shí)現(xiàn)。 這些元件能使正弦波在02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(dòng)指標(biāo)時(shí), 因?yàn)檗D(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(zhǔn)確性; 其缺點(diǎn)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(shí)間的準(zhǔn)確性也愈差。這是因?yàn)閠z=/, tz=/, 其中是移相器的結(jié)構(gòu)誤差, tz是延遲時(shí)間誤差。 所以, 一般說(shuō)來(lái), 正弦波的頻率不應(yīng)低于15kHz, 也就是說(shuō), 相位調(diào)制法產(chǎn)生的移動(dòng)指標(biāo), 其移動(dòng)范圍在10km以內(nèi)。這顯然不能滿足雷達(dá)工作

43、的需要。為了既保證延遲時(shí)間的準(zhǔn)確性又有足夠大的延遲范圍, 可以采用復(fù)合法產(chǎn)生移動(dòng)指標(biāo)。 第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 所謂復(fù)合法產(chǎn)生移動(dòng)指標(biāo)，是指利用鋸齒電壓法產(chǎn)生一組粗測(cè)移動(dòng)波門, 而用相位調(diào)制法產(chǎn)生精測(cè)移動(dòng)指標(biāo)。 粗測(cè)移動(dòng)波門可以在雷達(dá)所需的整個(gè)距離量程內(nèi)移動(dòng), 而精測(cè)移動(dòng)指標(biāo)則只在粗測(cè)移動(dòng)波門所相當(dāng)?shù)木嚯x范圍內(nèi)移動(dòng)。 這樣, 粗測(cè)波門擴(kuò)大了移動(dòng)指標(biāo)的延遲范圍, 精測(cè)移動(dòng)指標(biāo)則保證了延遲時(shí)間的精確性, 也就是提高了雷達(dá)的測(cè)距精度。 第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 6.3.2 自動(dòng)距離跟蹤自動(dòng)距離跟蹤 這個(gè)系統(tǒng)應(yīng)保證電移動(dòng)指標(biāo)自動(dòng)地跟蹤目標(biāo)回波并連續(xù)地給出目標(biāo)距離數(shù)據(jù)。整個(gè)自動(dòng)測(cè)距系統(tǒng)應(yīng)包括對(duì)目標(biāo)

44、的搜索, 捕獲和自動(dòng)跟蹤三個(gè)互相聯(lián)系的部分。 圖6.16是距離自動(dòng)跟蹤的簡(jiǎn)化方框圖。目標(biāo)距離自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)主要包括時(shí)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(dòng)測(cè)距系統(tǒng)中僅僅起監(jiān)視目標(biāo)作用。 第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 圖6.16 自動(dòng)距離跟蹤簡(jiǎn)化方框圖 時(shí) 間鑒別器來(lái)自接收機(jī)的回波脈沖ttue=k1(t t )控制器跟蹤脈沖產(chǎn) 生 器u=f (ue)第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 畫面上套住回波的二缺口表示電移動(dòng)指標(biāo), 又叫電瞄標(biāo)志。 假設(shè)空間一目標(biāo)已被雷達(dá)捕獲, 目標(biāo)回波經(jīng)接收機(jī)處理后成為具有一定幅度的視頻脈沖加到時(shí)間鑒別器上, 同時(shí)加到時(shí)間鑒別器上的還有來(lái)自跟蹤脈沖產(chǎn)生器的跟蹤脈沖。

45、自動(dòng)距離跟蹤時(shí)所用的跟蹤脈沖和人工測(cè)距時(shí)的電移動(dòng)指標(biāo)本質(zhì)一樣, 都是要求它們的延遲時(shí)間在測(cè)距范圍內(nèi)均勻可變, 且其延遲時(shí)間能精確地讀出。 在自動(dòng)距離跟蹤時(shí), 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(cè)和監(jiān)視, 其畫面如圖6.13所示。時(shí)間鑒別器的作用是將跟蹤脈沖與回波脈沖在時(shí)間上加以比較, 鑒別出它們之間的差t。設(shè)回波脈沖相對(duì)于基準(zhǔn)發(fā)射脈沖的延遲時(shí)間為t, 跟蹤脈沖的延遲時(shí)間為t, 則時(shí)間鑒別器輸出誤差電壓u為tKttKu11) (6.3.1) 第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 當(dāng)跟蹤脈沖與回波脈沖在時(shí)間上重合, 即t=t時(shí), 輸出誤差電壓為零。兩者不重合時(shí)將輸出誤差電壓u, 其大小正比

46、于時(shí)間的差值, 而其正負(fù)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(guò)適當(dāng)?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(hào), 其結(jié)果是使跟蹤脈沖的延遲時(shí)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(dòng)距離跟蹤系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)隨動(dòng)系統(tǒng), 輸入量是回波信號(hào)的延遲時(shí)間t, 輸出量則是跟蹤脈沖延遲時(shí)間t, 而t隨著t的改變而自動(dòng)地變化。 第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 1. 時(shí)間鑒別器時(shí)間鑒別器 時(shí)間鑒別器用來(lái)比較回波信號(hào)與跟蹤脈沖之間的延遲時(shí)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(shí)間鑒別器的方框圖和波

47、形圖。在波形圖中幾個(gè)符號(hào)的意義是: tx為前波門觸發(fā)脈沖相對(duì)于發(fā)射脈沖的延遲時(shí)間;t為前波門后沿(后波門前沿)相對(duì)于發(fā)射脈沖的延遲時(shí)間; 為回波脈沖寬度, c為波門寬度, 通常=c。 第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 圖6.17 時(shí)間鑒別器(a) 組成方框圖; (b) 各點(diǎn)波形 跟蹤脈沖前 波 門形成電路延遲電路后 波 門形成電路后選通放大器積分電路比較電路積分電路回波脈沖處理電路回波前選通放大器uuuuuuuuuuutzttttttttttt(b)(a)tcc第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 前波門觸發(fā)脈沖實(shí)際上就是跟蹤脈沖, 其重復(fù)頻率就是雷達(dá)的重復(fù)頻率。加到顯示器上的電移動(dòng)指標(biāo)亦由跟蹤脈沖觸發(fā)產(chǎn)生。

48、為了使移動(dòng)指標(biāo)在畫面上與被跟蹤目標(biāo)回波重合, 可以產(chǎn)生間隔為的一對(duì)電指標(biāo), 且在時(shí)間上有補(bǔ)償?shù)难舆t。 第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 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(shí)經(jīng)過(guò)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(lái)自接收機(jī)的目標(biāo)回波信號(hào)經(jīng)過(guò)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(shí)處于截止?fàn)顟B(tài), 只有當(dāng)它的兩個(gè)輸入(波門和回波)在時(shí)間上相重合時(shí)才有輸出。前后波門將回波信號(hào)分割為兩部分, 分別由前后選通放大器輸出。經(jīng)過(guò)積分電路平滑送到比較電路以鑒別其大小。如果回波

49、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tt, 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(shí)間差t=t-t。它可以表示時(shí)間鑒別器輸出誤差電壓u=K1(t-t)=K1t。第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 圖6.18畫出當(dāng)c=時(shí)的特性曲線圖。 圖6.18 時(shí)間鑒別器特性曲線(a) 特性曲線形成說(shuō)明; (b) 特性曲線 (b)(a)t前波門c后波門c回波=ct =tu =0tttt tt tt =c2t tt =1.5ct1.5c0.5c01.5c0.5cut第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 2. 控制器控制器 控制器

50、的作用是把誤差信號(hào)u進(jìn)行加工變換后, 將其輸出去控制跟蹤波門移動(dòng), 即改變時(shí)延t, 使其朝減小u的方向運(yùn)動(dòng), 也就是使t趨向于t。下面具體討論控制器應(yīng)完成什么形式的加工變換。 設(shè)控制器的輸出是電壓信號(hào)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(jiǎn)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) 第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 控制器的輸出E是用來(lái)改變跟蹤脈沖的延遲時(shí)間t的, 從前面討論已知, 當(dāng)用鋸齒電壓波法產(chǎn)生移動(dòng)指標(biāo)時(shí), 比較電壓Ep和移動(dòng)指標(biāo)延遲時(shí)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(shí), 下式成立: E

51、Kt3(6.3.3) 將式(6.3.2)代入后得 t=K1K2K3(t-t) (6.3.4) 第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 由上式知, 當(dāng)K1K2K3為常數(shù)時(shí), 不可能做到t=t, 因?yàn)檫@時(shí)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(shuō), 跟蹤脈沖絕不可能無(wú)誤差地對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)回波, 式(6.3.4)表示的性能是自動(dòng)距離跟蹤系統(tǒng)的位置誤差, 目標(biāo)的距離越遠(yuǎn)(t較大), 跟蹤系統(tǒng)的誤差t=t-t越大。這種閉環(huán)隨動(dòng)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(shí)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, dtuTE1(6.3.5) 綜合式(6.3.1)、(

52、6.3.3)和(6.3.5)三個(gè)關(guān)系式, 即可寫出代表由時(shí)間鑒別器、控制器和跟蹤脈沖產(chǎn)生器三個(gè)部分組成的閉環(huán)系統(tǒng)性能為 第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 dtttTKKt) (31(6.3.6) 如果將目標(biāo)距離R和跟蹤脈沖所對(duì)應(yīng)的距離R代入上式, 則得 dtRRTKKR) (31即 RTKKRRTKKdtdR3131) (6.3.7) 第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 從式(6.3.7)可以看出, 對(duì)于固定目標(biāo)或移動(dòng)極慢的目標(biāo),dR/dt=0, 這時(shí)跟蹤脈沖可以對(duì)準(zhǔn)回波脈沖R=R, 保持跟蹤狀態(tài)而沒(méi)有位置誤差。 這是因?yàn)榉e分器具有積累作用。當(dāng)時(shí)間鑒別器輸出端產(chǎn)生誤差信號(hào)后, 積分器就能將這一信號(hào)保存并積累

53、起來(lái), 并使跟蹤脈沖的位置與目標(biāo)回波位置相一致, 這時(shí)時(shí)間鑒別器輸出誤差信號(hào)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(biāo)反射面起伏或其它偶然因素而發(fā)生回波信號(hào)短時(shí)間消失時(shí), 雖然這時(shí)時(shí)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(biāo)回波消失時(shí)所處的位置, 這種作用稱為“位置記憶”。 當(dāng)目標(biāo)以恒速v運(yùn)動(dòng)時(shí), 跟蹤脈沖也以同樣速度移動(dòng), 此時(shí) 第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 vdtdR代入式(6.3.7)后得 vKKTR31這時(shí)跟蹤脈沖與回波信號(hào)之間在位置上保持一個(gè)差值R, 由于R值的大小與速度v成正比, 故稱為速度誤差。 第

54、6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 用一次積分環(huán)節(jié)做控制器時(shí)的閉環(huán)隨動(dòng)系統(tǒng)為一階無(wú)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(gè)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(shí)只有加速度以上的高階誤差。 在需要對(duì)高速度、 高機(jī)動(dòng)性能的目標(biāo)進(jìn)行精密跟蹤時(shí), 常采用具有二次積分環(huán)節(jié)的控制器來(lái)改善整個(gè)系統(tǒng)的跟蹤性能。這種設(shè)備, 在數(shù)字式自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)中容易實(shí)現(xiàn), 而在機(jī)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(dòng)機(jī)就是一個(gè)理想的積分元件。 第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 3. 跟蹤脈沖產(chǎn)生器跟蹤脈沖產(chǎn)生器 跟蹤脈沖產(chǎn)生器根據(jù)控制

55、器輸出的控制信號(hào)(轉(zhuǎn)角或控制電壓E), 產(chǎn)生所需延遲時(shí)間t的跟蹤脈沖。 跟蹤脈沖就是人工測(cè)距時(shí)的電移動(dòng)指標(biāo), 只是有時(shí)為了在顯示器上獲得所希望的電瞄形式(如缺口式電瞄標(biāo)志), 而把跟蹤脈沖的波形加以適當(dāng)變換而已。 因此, 把6.3.1節(jié)中討論的復(fù)合式電移動(dòng)指標(biāo)拿來(lái)作跟蹤脈沖產(chǎn)生器是完全可行的。這時(shí)只需把控制器中的伺服電動(dòng)機(jī)和延時(shí)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(lái), 就構(gòu)成一個(gè)完整的機(jī)電模擬式距離自動(dòng)跟蹤系統(tǒng), 如圖6.19所示。 第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 圖6.19 機(jī)電模擬式距離自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)方框圖 時(shí) 間鑒別器回波脈沖tcc放大、校正變換驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器讀數(shù)裝置傳動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)間調(diào)制

56、器線 性電位器移 相電容器跟蹤脈沖產(chǎn) 生 器轉(zhuǎn)速比 nt第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 以上的討論, 是在目標(biāo)已被“捕獲”后的跟蹤狀態(tài)時(shí)的情況。 在系統(tǒng)“捕獲”目標(biāo)以前或因某種原因目標(biāo)脫離了跟蹤脈沖, 這時(shí)由于時(shí)間鑒別器不再有誤差信號(hào)輸出, 跟蹤脈沖將失去跟蹤作用。 因此一個(gè)完備的距離跟蹤系統(tǒng)還應(yīng)具有搜索和捕獲目標(biāo)的能力。 第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 搜索或捕獲目標(biāo)可以是自動(dòng)地也可以是人工手動(dòng)的。 在機(jī)電模擬式系統(tǒng)中常采用手動(dòng)的方法。當(dāng)雷達(dá)天線波束照射到目標(biāo)方向時(shí), 在距離顯示器上將出現(xiàn)目標(biāo)回波。操縱員搖動(dòng)距離跟蹤手輪, 該手輪通過(guò)齒輪交鏈帶動(dòng)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

57、時(shí)間t, 根據(jù)顯示器畫面上電瞄準(zhǔn)標(biāo)志套住目標(biāo)回波(如圖6.16所示)的時(shí)刻, 就是距離跟蹤脈沖和回波相一致的時(shí)候, 表明已“捕獲”目標(biāo), 可轉(zhuǎn)入跟蹤狀態(tài), 這時(shí)由時(shí)間鑒別器的輸出來(lái)控制整個(gè)系統(tǒng)的工作。 第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 在電子模擬式和數(shù)字式自動(dòng)距離跟蹤系統(tǒng)中, 常采用自動(dòng)搜索和自動(dòng)捕獲目標(biāo)并轉(zhuǎn)入跟蹤, 這一部分的工作原理, 留待數(shù)字式自動(dòng)測(cè)距器一節(jié)討論。 機(jī)電模擬式自動(dòng)距離跟蹤設(shè)備(自動(dòng)測(cè)距器)是早期使用的一種系統(tǒng), 在中等作用距離時(shí)可以提供良好的距離跟蹤性能。它的缺點(diǎn)是, 在遠(yuǎn)距離跟蹤時(shí)難以產(chǎn)生線性度良好的鋸齒電壓; 機(jī)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(dòng)跟蹤

58、波門到某一給定目標(biāo)位置的速度), 因而很難適應(yīng)高速、高機(jī)動(dòng)目標(biāo)的跟蹤; 同時(shí)自動(dòng)搜索和自動(dòng)捕獲較困難, 需要采用某種手動(dòng)而快速捕獲目標(biāo)的技巧。 第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 6.4 數(shù)字式自動(dòng)測(cè)距器數(shù)字式自動(dòng)測(cè)距器 6.4.1 數(shù)字式測(cè)距的基本原理數(shù)字式測(cè)距的基本原理 測(cè)距就是測(cè)量回波信號(hào)相對(duì)于發(fā)射脈沖的遲延時(shí)間, 因此數(shù)字式測(cè)距首先要將時(shí)間量用離散的二進(jìn)制數(shù)碼表示出來(lái)。 可以采用通常的計(jì)數(shù)方法來(lái)達(dá)到上述要求, 其原理方框圖和相應(yīng)的波形圖如圖6.20所示。距離計(jì)數(shù)器在雷達(dá)發(fā)射高頻脈沖的同時(shí)開始對(duì)計(jì)數(shù)脈沖計(jì)數(shù), 一直到回波脈沖到來(lái)后停止計(jì)數(shù)。只要記錄了在此期間計(jì)數(shù)脈沖的數(shù)目n, 根據(jù)計(jì)數(shù)脈沖的重復(fù)

59、周期T(T=1/f), 就可以計(jì)算出回波脈沖相對(duì)于發(fā)射脈沖的延遲時(shí)間tR: tR=nT 第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 T為已知值, 測(cè)量tR實(shí)際上變成讀出距離計(jì)數(shù)器的數(shù)碼值n。為了減小測(cè)讀誤差, 通常計(jì)數(shù)脈沖產(chǎn)生器和雷達(dá)定時(shí)器觸發(fā)脈沖在時(shí)間上是同步的。 距離計(jì)數(shù)器測(cè)讀目標(biāo)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(guò)討論, 這里不再重復(fù)。 目標(biāo)距離R與計(jì)數(shù)器讀數(shù)n之間的關(guān)系為 nfcRfcRftnR22(6.4.1) 第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 式中，f為計(jì)數(shù)脈沖重復(fù)頻率。 如果需要讀出多個(gè)目標(biāo)的距離, 則控制觸發(fā)器置“0”的脈沖應(yīng)在相應(yīng)的最大作用距離以后產(chǎn)生,各個(gè)目標(biāo)距離數(shù)據(jù)的讀出

60、依靠回波不同的延遲時(shí)間去控制讀出門, 讀出的距離數(shù)據(jù)分別送到相應(yīng)的距離寄存器中。 第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 圖6.20 數(shù)字式測(cè)距(a) 原理框圖; (b) 波形圖 計(jì)數(shù)脈沖產(chǎn) 生 器讀數(shù)控制（受回波控制）回波脈沖發(fā)射脈沖觸發(fā)器與門&距 離計(jì)數(shù)器&0 1Q ST(a)第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 圖6.20 數(shù)字式測(cè)距(a) 原理框圖; (b) 波形圖 (b)回波脈沖發(fā)射脈沖tRtttt第 6 章 目標(biāo)距離的測(cè)量 可見, 數(shù)字式測(cè)距中, 對(duì)目標(biāo)距離R的測(cè)定轉(zhuǎn)換為測(cè)量脈沖數(shù)n, 從而把時(shí)間tR這個(gè)連續(xù)量變成了離散的脈沖數(shù)。從提高測(cè)距精度, 減小量化誤差的觀點(diǎn)來(lái)看, 計(jì)數(shù)脈沖頻率f越高越好, 這時(shí)