相位法测距原理

u1(t) cos(0t 0 )
u2
u1(t
)
cos(0t
0Leabharlann Baidu
2R c
0 )
式中 0 是发射信号的初始相位，发射信号与
目标回波的相位差：
1
2
0
2R c
相位计 相位法测距雷达方框图
R c 4f0 4
R
c
4f0
4
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2
单频连续波相位法测距
只有在 不超过2 时相位差的测量才是不模糊的，由此可得最大无模
单频连续波的相位法测距
前面讲过简单的连续波雷达不能测距，但在一些情况下测量回波信号与 发射信号间的相对相位进行测距也是可能的，下面具体分析：
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单频连续波相位法测距
发射机 A
接收机
设单基地雷达位于A点，目标位于B点，两者 距离R，若发射、接收信号分别为：
目标B
糊距离为 2。对雷达频率而言，此无模糊距离太小，没有实际意义。
实际中目标回波信号中还存在一个由于目标反射引起的相位变化量，此 量是未知的，故简单连续波雷达不能直接用来测距。
D.K. Barton et al, Radar Technology Encyclopedia, Artech House, Inc., 1998
二进制相位(双相)码：可简单地用正号+、负号-表示，正子脉冲标志表示没有相 移，而负脉冲标志表示载波有π弧度的相移，即反相。
多相位码：在子脉冲基础上的相移为 i
2
M
i
式中M为码的阶数，如Frank码
i 0,1, , M 1
由于两种类型编码技术确定距离的原理相同，这里主要研究较简单的双相码。常 用的二进制相位编码有：
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双载频连续波相位法测距
采用发射多频信号可增大最大无模糊距离。下面分析两个频率相差很小的连续波
信号情形——假设发射波形包含两个频率为f1、f2，两频率差∆f的连续正弦波 ：
u1T cos(2f1t 1 ) u2T cos(2f 2t 2 )
u1R
cos2 (
用测量两个分开频率间的相位差方法进行测距，类似于干涉仪天线那样利用间隔 很远的两部天线，通过测量相位差来测量角度。干涉仪天线测角精度高，但有角 度模糊，可利用安置在较近的附近天线解决模糊问题。在干涉仪天线系统中各个 天线间的空间配置相应于多频测距技术中频率间的间隔。
连续波多频雷达已广泛应用于大地测量和导弹制导中进行精确测距。命名为微波
频差不能太大，故∆f的选择必须在测距精度、最大不模糊距离间取折衷(一对矛
盾)——采用多频方案加以解决。
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多频连续波相位法测距
利用发射三个或更多的频率代替两个频率可同时获得高精度和大的不模糊距离测 量。例如发射三个频率f1、f2、f3的关系为：
f3-f1=k(f2-f1)
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Barker Codes
B.R. Mahafza et al, Matlab simulations for radar systems design, Chapman & Hall/CRC,
2202000/64/29
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无相位编码时 的自相关函数
Barker码B13 的自相关函
数
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引自：林茂庸，柯有安编著，雷达信号理论，国防工业出版社，1984. 11，P163
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Combined Barker Codes
{00010,00010,11101,00010}
巴克(Barker)码、组合式巴克码和伪随机码
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(a) 双相码
(b) 未调制的连续波波形 (c) 调制后的连续波波形
相位调制的连续波波形示意图
文献中常用双相码相移的不同表示方式：
同相(无附加相移)
反相(π弧度的相移)
+
-
+1
-1
0
1
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率成分为：
u1D
cos2fd t
4f 1 R0
c
u2D
cos2fd t
4f 2 R0
c
相位差
4 ( f2 f1)R0 4fR0
c
c
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4
R0
c
4f
最大无模糊距离
Rmax
c 2f
结论：双频连续波雷达最大无模糊距离为差频的半波长。
定性解释：
R
c
4f
在零距离上两个载频同相位，当它们由雷达向外发射时，由于各自频率不
式中k一般为10-20数量级的因子
这样，一对频率f3、f1给出模糊但精确的距离计量，同时另一对频率f2、f1选的很 接近以解决在f3、f1测量时的模糊。如果还需进一步提高精度，可发射第四个频 率f4，从三个频率f1、f2、f3得到低精度但不模糊的测量用以解模糊。当用更多的 频率时其频谱和目标鉴别力将接近于用脉冲或连续波调频波形所得到的值。
f1
f d1 )t
4f 1 R0
c
1
u2R
cos2 ( f2
f d 2 )t
4f 2 R0
c
2
式中1,2 是各发射信号的初始相位，目标初始距离为R0、径向速度为vr，多普
勒频率fd1=2vr/λ1，fd2=2vr/λ2。由于f2=f1+∆f，∆f<<f1，则fd1≈fd2=fd。接收机将两个 回波信号分选出来，并分别与各自对应的发射波形进行差拍，取出两个多普勒频
测距仪的一种便携式电子勘测设备就是根据这个原理工作的。
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相位调制连续波雷达
调相连续波雷达系统采用每经τ秒便将离散相移加至发射的连续波信号的方法来 形成相位编码波形，以测量目标的距离。
下面讨论宽度为T的雷达发射脉冲的编码，将宽度分成N个子脉冲，每个宽 度为τ =T/N，然后用载波的相位对这些子脉冲进行编码。通常有两种类型的相位 编码技术：
同，故两信号间相对相位差增加。此相位差可用作所经过的时间的量度。当两信
号在相位上相差又同相时，则相位的测量及距离的测量都将存在模糊。
缺点：
1、由于在同时只能测量一个相位差，故连续波双频雷达基本上是单目标雷达。
2、双频连续波雷达理论测距精度由距离的均方根值误差表示为：
R
c
4f (2E
N0 )1 2
上式表明两射频信号频率差∆f越大则均方根值误差越小，但由于无模糊测量要求