3_雷达测距原理与脉冲法测距

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电磁波经电离层的反射传播
利用天空的电离层折射和反射而传播的电波,也叫天波。电离层一 方面反射电波,另一方面也要吸收电波。电离层对电波的反射和吸收与 频率(波长)有关。利用短波的天波传播可实现远距离通信及目标探测,具 有两个突出特点: 一是传播距离远,同时产生中间静区地带, 二是传播不稳定,随昼夜和季节的变化而变化。
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目标 RR 接收天线Rx
RT 发射天线Tx
对双基地雷达,计算RT+RR有两种方法:
直接法:
间接法:
单基地:R=cT/2
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对双基地雷达,具体计算RT或RR需要目标角度信息,如利用 目标的接收视线角,则计算公式为:
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对简单脉冲雷达而言,脉冲越窄,距离分辨力越好。而从信号检测角度讲,希望 发射脉冲宽度越宽越好,这样辐射出去的能量越大,目标回波信号越强,越有利 于信号检测。显然这是一对不可调和的矛盾,可以采用脉冲压缩信号加以解决。
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2、测距范围:包括最小可测距离和最大单值测距范围。
雷达测距原理与脉冲法测距
1、雷达测距机理——测时延(单基地、双基地) 2、雷达测距物理基础——恒光速、直线传播 3、电磁波特殊传播特性及其应用
电磁波在大气层内的折射传播 电磁波沿海面的绕射传播 电磁波异常传播途径的应用——超视距探测
4、雷达测距的实现方法——调幅、调频、调相 5、脉冲法测距优缺点
分层大气(层内均 匀,越高越稀薄)
射线通过径向分层大气时的途径 [美]杰里L. 伊伏斯等编,现代雷达原理,电子工业出版社,1991.3
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折射效应对目标位置的影响 电磁波在非均匀大气层中传播时出现的大气折射,对雷达测量的影响: 1)、改变雷达测量距离,产生测距误差。 2)、引起俯仰角测量误差。 折射的影响可采用等效地球半径法近似说明。《现代雷达原理》P60
最小可测距离——指雷达能测量的最近目标的距离。脉冲雷达收发共用天线,在 发射脉冲宽度时间内,接收机和天线馈线系统间是断开的,不能正常接收目标 回波。发射脉冲过去后天线收发开关恢复到接收状态,也需要一段时间t0。在上述 这段时间内,由于不能正常接收回波信号,雷达是很难进行测距的。因此,雷达 的最小可测距离为:
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3、高频天发地收超视距雷达High Frequency Hybrid Sky-Surface Wave OTH Radar
基于天波发射地波接收的新体制雷达,将目前采用的高频天波超视距 雷达和高频地波超视距雷达的传播模式相结合,可发挥各自的优势。基于 天波发射的高频电磁波信号,是利用电离层对高频电磁波的散射,实现远 距离的传播。由于电离层对电磁波的衰减较小,这种传播方式可实现信号 的远距离传播,通常情况下可达2000km-4000km,并且覆盖区域非常大。
在均匀大气中电磁波等速直线传播。
电磁波特殊传播(超视距情形)
电磁波经电离层反射(高频段) 、沿海面绕射(高频段)、在大气波导 (微波段)中曲线传播。
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电磁波在大气层内的折射传播
地球表面的大气层分布是不均匀的。
1、大气密度、温度、湿度等参数随时间、 地点而变化,导致大气传播介质的导磁 系数和介电常数发生相应改变,引起电 波传播速度c变化。
脉冲重复频率PRF (Pulse Repetition Frequency) —— f r 1 Tr
Tr
Pa v
峰值功率Pt与平均功率Pav ——
Pt Tr
典型中程防空雷达参数: 1s, Tr 1ms, Pt 1MW, 则占空比为1 1000,P av 1KW
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昼夜间大气中温度、气压及湿度的起伏 变化所引起的传播速度变化为:
c c 105
丁鹭飞,雷达原理,西电出版社,1995
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2、大气介质分布的不均匀将造成电磁波非直线传播(大气折射)。 折射系数n=c/vp
折射率N=(n-1)x10
h↑—n↓—vp↑ dn/dh<0
还有其他多种目标定位方法,具体可参考:
M.I. Skolnik, Radar Handbook: Ch25 Bistatic Radar, 2nd edition, McGraw-Hill, 1990
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雷达测距的物理基础
电磁波恒光速传播 电磁波直线传播(直视距情形)
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电磁波沿海面的地波传播
无线电波朝海面发射时,在海水表面会存在一种电磁波传播模式,称为 地波(Ground Wave)是一种表面波(Surface Wave)。垂直极化高频电磁 波在海水表面的地波传播衰减很小,而且地波在一定程度上会沿着弯曲 的地球表面传播,到达地平线以下很பைடு நூலகம்的地方,即实现超视距传播。
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脉冲雷达的天线是收发共用的,这需要一个收发转换开关。在发射时,收 发开关使天线与发射机接通,并与接收机断开,以免高功率的发射信号进 入接收机把高放或混频器烧毁。接收时,天线与接收机接通,并与发射机 断开,以免因发射机旁路而使微弱的接收信号受损失。
美国Raytheon公司高频地波雷达 SWR-503的接收天线阵
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2、高频天波雷达High Frequency Skywave OTH Radar 高频天波超视距雷达利用电离层对短波的反射效应,其探测距离可达 1000至4000km。
澳大利亚Jindalee高频天波雷达接收天线阵
双脉冲重复频率解模糊
t1<t2, n1=n2=1, tr=4t2-3t1
t1 t 2 n1 2 3 n2 f r1 f r 2 fr 3 4 t 2 f r 2 t1 f r1 1 tr f r 2 f r1
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4t 2 3t1 Tr
6、雷达测距的几个基本概念:
距离分辨力、测距范围、距离模糊 7、脉冲法测距的解模糊方法:
双/多脉冲重复频率法、舍脉冲法
雷达测距机理
测量电磁波往返雷达与目标之间的时间。 对单基地雷达,设光速为c,电磁波往返雷达与目标 的时间为TR,则目标相对雷达的距离R为:
cTR R 2
据上述公式可得1微秒(μs)对应150米(m),式中数字2表示收 发双程。
Rmin
1 1 c( t 0 ) c 2 2
雷达的最大单值测距范围由其脉冲重复周期决定,即
1 Tr 1 Rmax c(Tr ) Rmax cTr 2 2 当确定了雷达的最大作用距离 Rmax 后,为保证单值测距,通常选取雷达脉冲重复
周期满足下列条件:
2 Tr Rmax c
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现代级:136-139 中华现代:168-169 中华神盾:170-171
俄制MINERAL-ME 目标指示/射控雷达 (Bandstand音乐台)
——利用大气波导
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雷达测距的实现方法
物理解释:
一般地说单载频的连续波雷达没有测距能力,这与其发射信号带宽 太窄有关。若必须测量距离,则需要在连续波发射信号上加上某些定时 标志以识别发射的时间和回波时间。标志越尖锐、鲜明,则传输时间的 测量越准确。由傅立叶变换知:定时标志越尖锐,则发射信号的频谱越 宽。因此为了测量传输时间或距离,则必须扩展单载频连续波的频谱。
TBMs Out to 700Km
Horizon
Line-of-Sight Propagation
Surface wave Propagation
Antiship Missiles Fighter and Small Detection and Boat Detection and Tracking at 37Km Tracking at 74Km Ship Detection and Tracking at 200Km
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3、测距模糊:当回波延迟超过脉冲重复周期时,会把远目标误认为近目 标,即目标回波对应的距离为:
1 R c(mTr t R ) 2
式中 m 为非负整数, R 为接收的回波信号与最邻近发射脉冲间的延迟。 t
t0 t R Tr
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脉冲法测距的优缺点
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脉冲雷达
常规脉冲雷达是幅度调制的一个例子,其发射波形是单载频的矩形脉冲 ,按一定的(单重复周期)或交错的重复周期(参差重复周期)工作,发射一 个短脉冲相当于对电磁波打上标记以测往返时间。
单载频信号
B.R. Mahafza et al, Matlab simulations for radar systems design, Chapman & Hall/CRC, 2004
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脉冲法测距的解模糊方法
R 1 c(mTr t R ) 2
为了得到目标的真实距离R,必须判定测距模糊值m。为了判 别模糊,必须对周期发射的脉冲信号再加上某些可识别的标 志,通常采用的解模糊方法有: 多种脉冲重复频率法
舍脉冲法
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n1=n2=0, tr=t1=t2
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4、微波超视距雷达
利用海面蒸发形成的大气波导(大气超折射和对流层非均匀散射)传播 效应是此系统在微波段实现超视距探测的基础,分别对应主动、被动工作 方式。 详细分析:见《电磁波传播特性》章节。
dn/dh比正常值更负时, 电波更加向地面弯曲。
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雷达测距的几个基本概念
下面以脉冲雷达信号为例介绍几个测距的基本概念:

Tr
简单矩形脉冲波形
脉冲宽度(pulse width) ——

r
脉冲重复周期PRI (Pulse Repetition Interval) —— T 占空比(duty cycle) ——
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电磁波特殊传播途径的应用
利用电磁波的特殊传播途径可实现地基/舰载雷达的超视距探测: 1、高频地波超视距雷达High Frequency Surface Wave OTH Radar 高频地波超视距雷达正是利用高频(3~30MHz)垂直极化电磁波沿海面 绕射的特性探测超视距的海面舰船和低空飞机,沿海面绕射300~400km。
1、距离分辨力:距离分辨力是指同一方向上两个大小相等点目标之间最小可区分 距离,它取决于雷达信号波形。
t
t 0
r1 ( 2), r2 (0)
r1 ( ), r2 ( 2)
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r1 ( ), r2 (0)
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实现方法: 调幅——脉冲法测距
调频——频率法测距
调相——相位法测距
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D.K. Barton et al, Radar Technology Encyclopedia, Artech House, Inc., 1998
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设脉冲重复频率分别为fr1和fr2 (fr2>fr1),它们都不满足无模 糊测距的要求,fr1和fr2具有公约频率为fr=fr1/N=fr2/(N+a),其中 N, a为正整数。 常选a=1使N和N+a为互质数,且fr的选择应保证无模糊测 距,即0<tR<Tr=N*Tr1=(N+1)*Tr2。这样有 fr2=(N+1)fr=fr1+fr tR=t1+n1/fr1=t2+n2/fr2 则在0<tR<Tr范围内,n1和n2关系只可能有两种可能: n2=n1、n2=n1+1 根据获得的t1, t2值大小,可据下式计算tR及目标距离R=c*tR/2:
如果雷达重复频率 f r 1 Tr 选得过高(如在脉冲多普勒雷达中为了保证无 测速模糊),测距有可能出现多值性。此时无模糊测距、无模糊测速又成 为一对矛盾(MTI 、PD雷达各有侧重点)。 测距模糊解释及示意图如下:
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