雷達(dá)測距方法

1、雷達(dá)測距原理 測量電磁波往返雷達(dá)與目標(biāo)之間的時(shí)間。測量電磁波往返雷達(dá)與目標(biāo)之間的時(shí)間。對對單基地雷達(dá)單基地雷達(dá)，設(shè)光速為，設(shè)光速為c，電磁波往返雷達(dá)與目標(biāo)的時(shí)間，電磁波往返雷達(dá)與目標(biāo)的時(shí)間為為TR，則目標(biāo)相對雷達(dá)的距離，則目標(biāo)相對雷達(dá)的距離R為：為：據(jù)上述公式可得據(jù)上述公式可得1微秒微秒(s)對應(yīng)對應(yīng)150米米(m)，式中數(shù)字，式中數(shù)字2表示收表示收發(fā)雙程。發(fā)雙程。2RcTR 2022-2-2哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系22022-2-2哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系3對對雙基地雷達(dá)雙基地雷達(dá)，計(jì)算，計(jì)算RT+RR有兩種方法：有兩種方法：直接法直接法：間接法間接法：單基地：R=cT/2發(fā)射天線Tx接收天

2、線Rx目標(biāo)RTRR2022-2-2哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系4對對雙基地雷達(dá)雙基地雷達(dá)，具體計(jì)算，具體計(jì)算RT或或RR需要目標(biāo)角度信息，如利用需要目標(biāo)角度信息，如利用目標(biāo)的接收視線角，則計(jì)算公式為：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：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, 19902022-2-2哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系5雷達(dá)測距的物理基礎(chǔ)電磁波恒光速傳播電磁波恒光速傳播電磁波直線傳播電磁波直線傳播(直視距情形直

3、視距情形)在均勻大氣中電磁波等速直線傳播。在均勻大氣中電磁波等速直線傳播。沿海面繞射傳播沿海面繞射傳播(超視距情形超視距情形)特殊條件下電磁波沿海面、大氣波導(dǎo)曲線傳播。特殊條件下電磁波沿海面、大氣波導(dǎo)曲線傳播。2022-2-2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。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、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，引起系數(shù)和介電常數(shù)發(fā)生相應(yīng)改變，引起電電波傳播速度波傳播速度c變化變化。晝夜間大氣中溫度、氣壓及濕度的起伏晝夜間大氣

4、中溫度、氣壓及濕度的起伏變化所引起的傳播速度變化為：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，丁鷺飛，雷達(dá)原理，西電出版社，1995地球大氣層510cc2022-2-2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?、大氣介質(zhì)分布的不均勻?qū)⒃斐呻姶挪ǚ侵本€傳播電磁波非直線傳播(大氣折射大氣折射)。折射系數(shù)折射系數(shù)n=c/vp折射率折射率N=(n-1)x10hnvpdn/dh0 射線通過徑向分層大氣時(shí)的途徑射線通過徑向分層大氣時(shí)的途徑美美杰里杰里L(fēng). 伊伏斯等編，伊伏斯等編，現(xiàn)代雷達(dá)原理現(xiàn)代雷達(dá)原理，電子工業(yè)出版社，電子工業(yè)出版社，1991

5、.32022-2-2哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系8折射效應(yīng)對目標(biāo)位置的影響折射效應(yīng)對目標(biāo)位置的影響電磁波在非均勻大氣層中傳播時(shí)出現(xiàn)的大氣折射，將有電磁波在非均勻大氣層中傳播時(shí)出現(xiàn)的大氣折射，將有兩方面影響兩方面影響：1)、改變雷達(dá)測量距離，產(chǎn)生測距誤差。、改變雷達(dá)測量距離，產(chǎn)生測距誤差。2)、引起俯仰角測量誤差。、引起俯仰角測量誤差。折射的影響可采用折射的影響可采用等效地球半徑法等效地球半徑法近似說明。近似說明?，F(xiàn)代雷達(dá)原理現(xiàn)代雷達(dá)原理P602022-2-2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

6、特性探測超視距的海面艦船和低空飛機(jī)。性探測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電磁波沿海面的繞射傳播TBMs Out to 700KmHorizonSurface wave PropagationShip Detection andTracking at 200KmFighter and Small Boat Detection and Tracking at 74KmLine-of-Sight PropagationAntiship Missiles Detection and Tracking at 37Km2022-2-2哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系10地基地基/艦載雷達(dá)實(shí)現(xiàn)超

7、視距探測的主要手段有：艦載雷達(dá)實(shí)現(xiàn)超視距探測的主要手段有：高頻地波超視距雷達(dá)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(jī)，沿海面繞射繞射的特性探測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)高頻天波雷達(dá)High Frequency Skywave OTH Radar 高頻天波超視距雷達(dá)利用電離層對短波的反射效應(yīng)，其探測距離可達(dá)高頻天波超視距雷達(dá)利用電離層對短波的反射效

8、應(yīng)，其探測距離可達(dá)1000至至4000km。高頻天發(fā)地收超視距雷達(dá)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?；诶走_(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?；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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)天波發(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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的傳播。由于電離層對電磁波的衰減較

9、小，這種傳播方式可實(shí)現(xiàn)信號距離的傳播。由于電離層對電磁波的衰減較小，這種傳播方式可實(shí)現(xiàn)信號的遠(yuǎn)距離傳播，通常情況下可達(dá)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。，并且覆蓋區(qū)域非常大。 2022-2-2哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系112022-2-2哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系12微波超視距雷達(dá)微波超視距雷達(dá) 利用海上大氣波導(dǎo)利用海上大氣波導(dǎo)(大氣超折射和對流層非均勻散射大氣超折射和對流層非均勻散射)傳播效應(yīng)是此系傳播效應(yīng)是此系統(tǒng)在微波段實(shí)現(xiàn)超視距探測的基礎(chǔ)，分別對應(yīng)主動、被動工作方式。統(tǒng)在微波段實(shí)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(xì)分析：見詳細(xì)分析：

10、見電磁波傳播特性電磁波傳播特性章節(jié)。章節(jié)。dn/dh比正常值更負(fù)時(shí)，比正常值更負(fù)時(shí)，電波更加向地面彎曲。電波更加向地面彎曲。2022-2-2哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系13美國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2022-2-2哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系14現(xiàn)代級：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音樂臺)利用大氣波導(dǎo)2022-2-2哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系15雷達(dá)測距的實(shí)現(xiàn)方法物理解釋：物理解釋： 一般地說單載頻的連續(xù)波雷達(dá)沒有測距能力，這

11、與其發(fā)射信號帶寬一般地說單載頻的連續(xù)波雷達(dá)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(shí)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(shí)標(biāo)志以識別發(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)間的標(biāo)志以識別發(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)射信號的頻譜越測量越準(zhǔn)確。由傅立葉變換知：定時(shí)標(biāo)志越尖銳，則發(fā)射信號的頻譜越寬。因此為了測量傳輸時(shí)間或距離，則必須寬。因此為了測量傳輸時(shí)間或距離，則必須擴(kuò)展單載頻連續(xù)波的頻譜擴(kuò)展單載頻連續(xù)波的頻譜。實(shí)現(xiàn)方法：實(shí)現(xiàn)方法： 調(diào)幅調(diào)幅脈

12、沖法測距脈沖法測距 調(diào)頻調(diào)頻頻率法測距頻率法測距 調(diào)相調(diào)相相位法測距相位法測距2022-2-2哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系16D.K. Barton et al, Radar Technology Encyclopedia, Artech House, Inc., 19982022-2-2哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系17脈沖法測距的優(yōu)缺點(diǎn)2022-2-2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，按一定的(單重復(fù)周期單重復(fù)周期)或交錯(cuò)的重復(fù)周期或交錯(cuò)的重復(fù)周期(參差重復(fù)周期參

13、差重復(fù)周期)工作，工作，發(fā)射一發(fā)射一個(gè)短脈沖相當(dāng)于對電磁波打上標(biāo)記個(gè)短脈沖相當(dāng)于對電磁波打上標(biāo)記以測往返時(shí)間以測往返時(shí)間。B.R. Mahafza et al, Matlab simulations for radar systems design, Chapman & Hall/CRC, 2004單載頻信號2022-2-2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)換開關(guān)。在發(fā)射時(shí)，收脈沖雷達(dá)的天線是收發(fā)共用的，這需要一個(gè)收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)。在發(fā)射時(shí)，收發(fā)開關(guān)使天線與發(fā)射機(jī)接通，并與接收機(jī)斷開，以免高功率的發(fā)射信號進(jìn)發(fā)開關(guān)使天線與發(fā)射機(jī)接通，并與接收機(jī)斷開，以免

14、高功率的發(fā)射信號進(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)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，以免因發(fā)射機(jī)旁路而使微弱的接收信號受損失。斷開，以免因發(fā)射機(jī)旁路而使微弱的接收信號受損失。2022-2-2哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系20雷達(dá)測距的幾個(gè)基本概念下面以脈沖雷達(dá)信號為例介紹幾個(gè)測距的基本概念：下面以脈沖雷達(dá)信號為例介紹幾個(gè)測距的基本概念：脈沖寬度脈沖寬度(pulse width) 脈沖重復(fù)周期脈沖重復(fù)周期PRI (Pulse Repetition Interval) 脈沖重復(fù)頻率脈沖重復(fù)頻率PRF (Pulse Repetition

15、Frequency) 占空比占空比(duty cycle) 峰值功率峰值功率Pt與平均功率與平均功率Pav 典型中程防空雷達(dá)參數(shù)：典型中程防空雷達(dá)參數(shù)：rTrTrtavTPPrrTf1KW，PMW，PmsTsavtr1100011 ,1 ,1則占空比為rT簡單矩形脈沖波形2022-2-2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：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)信號波形。離，它取決于雷達(dá)信號波形。 )0( ),2(21rr)2( ),(21rr0tt2022-2-2哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程

16、系22)0( ),(21rr2022-2-2哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系23對簡單脈沖雷達(dá)而言，脈沖越窄，距離分辨力越好。而從信號檢測角度講，希望對簡單脈沖雷達(dá)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)射脈沖寬度越寬越好，這樣輻射出去的能量越大，目標(biāo)回波信號越強(qiáng)，越有利發(fā)射脈沖寬度越寬越好，這樣輻射出去的能量越大，目標(biāo)回波信號越強(qiáng)，越有利于信號檢測。顯然于信號檢測。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。 2022-2-2哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系24測距范圍：測距范圍：包括最小可測距離和最大單值測距范圍。包括最小

17、可測距離和最大單值測距范圍。最小可測距離最小可測距離指雷達(dá)能測量的最近目標(biāo)的距離。脈沖雷達(dá)收發(fā)共用天線，在指雷達(dá)能測量的最近目標(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(shí)間t0。在上述這。在上述這段時(shí)間內(nèi)，由于不能正常接收回波信號，雷達(dá)是很難進(jìn)行測距的。因此，雷達(dá)的段時(shí)間內(nèi)，由于不能正常接收回波信號，雷達(dá)是很難進(jìn)行測距的。因此，雷達(dá)的最小可測距離為：

18、最小可測距離為： 雷達(dá)的雷達(dá)的最大單值測距范圍最大單值測距范圍由其脈沖重復(fù)周期決定，即由其脈沖重復(fù)周期決定，即 當(dāng)確定了雷達(dá)的最大作用距離當(dāng)確定了雷達(dá)的最大作用距離 后，為保證單值測距，通常選取雷達(dá)脈沖重復(fù)后，為保證單值測距，通常選取雷達(dá)脈沖重復(fù)周期滿足下列條件：周期滿足下列條件： )(210mintcRrcTR21maxmaxRmax2RcTr)(21maxrTcRrT2022-2-2哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系25測距模糊：測距模糊：當(dāng)回波延遲超過脈沖重復(fù)周期時(shí)，會把遠(yuǎn)目標(biāo)誤認(rèn)為近目標(biāo)，當(dāng)回波延遲超過脈沖重復(fù)周期時(shí)，會把遠(yuǎn)目標(biāo)誤認(rèn)為近目標(biāo)，即目標(biāo)回波對應(yīng)的距離為：即目標(biāo)回波對應(yīng)的距離為： 式中

19、式中 為非負(fù)整數(shù)，為非負(fù)整數(shù)， 為接收的回波信號與最鄰近發(fā)射脈沖間的延遲。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(dá)重復(fù)頻率如果雷達(dá)重復(fù)頻率 選得過高選得過高(如在脈沖多普勒雷達(dá)中為了保證無如在脈沖多普勒雷達(dá)中為了保證無測速模糊測速模糊)，測距有可能出現(xiàn)多值性。此時(shí)，測距有可能出現(xiàn)多值性。此時(shí)無模糊測距、無模糊測速又成無模糊測距、無模糊測速又成為一對矛盾為一對矛盾(MTI 、PD雷達(dá)各有側(cè)重點(diǎn)雷達(dá)各有側(cè)重點(diǎn))。 測距模糊解釋及示意圖如下：測距模糊解釋及示意圖如下：rrTf1)(21RrtmTcRmRtrRTtt02022-2-2哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系262022-2-2哈爾濱工業(yè)大

20、學(xué)電子工程系27雷達(dá)測距解模糊的方法為了得到目標(biāo)的真實(shí)距離為了得到目標(biāo)的真實(shí)距離R，必須判定測距模糊值，必須判定測距模糊值m。為了判。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)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：志，通常采用的解模糊方法有： 多種脈沖重復(fù)頻率法多種脈沖重復(fù)頻率法舍脈沖法舍脈沖法)(21RrtmTcR2022-2-2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rrrrrrrrrTttffftfttfffnntt1212112221212134 14332t1fr1)，它們都不滿足無模，它們都不滿足無模糊測距的要求，糊

21、測距的要求，fr1和和fr2具有公約頻率為具有公約頻率為fr=fr1/N=fr2/(N+a)，其中，其中N, a為正整數(shù)。為正整數(shù)。 常選常選a=1使使N和和N+a為互質(zhì)數(shù)，且為互質(zhì)數(shù)，且fr的選擇應(yīng)保證無模糊測的選擇應(yīng)保證無模糊測距，即距，即0tRTr=N*Tr1=(N+1)*Tr2。這樣有。這樣有fr2=(N+1)fr=fr1+frtR=t1+n1/fr1=t2+n2/fr2則在則在0tR=2，m1, m2, , mn是兩兩互素的正整數(shù)，令是兩兩互素的正整數(shù)，令M=m1m2mn=m1M1=m2M2=mnMn，則同余式組，則同余式組有且僅有解有且僅有解 的最小整數(shù)是滿足式中nkmMkkkk,

22、 2 , 1 ), (mod 12022-2-2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)mod( )mod( )mod( 2211nn mcx mcx mcx) (mod 222111McMcMcMxnnn2022-2-2哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系32 將中國余數(shù)定理應(yīng)用到解測距模糊問題時(shí)，將中國余數(shù)定理應(yīng)用到解測距模糊問題時(shí)，m1, m2, , mn相當(dāng)于所選相當(dāng)于所選n個(gè)脈沖重復(fù)周期的比值，即個(gè)脈沖重復(fù)周期的比值，即或者或者即即fr為為fr1, fr2, , frn的公約數(shù)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.

23、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)rnnrnrrfmmmmTmTmT2122111nrnrrrMfMfMff2211rnfmmm2112022-2-2哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系33設(shè)設(shè)n1, n2, , nn分別為采用脈沖重復(fù)頻率分別為采用脈沖重復(fù)頻率fr1, fr2, , frn測量時(shí)的距離門數(shù)，即測量時(shí)的距離門數(shù)，即模糊時(shí)間延遲模糊時(shí)間延遲tn與脈寬與脈寬 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，則)mod( )mod( )mod( 2222211111rnnRnrnnRrRrRrR