第二章 雷达目标参数的测量(一)

如果大气是均匀的, 则电磁波在大气中的传播是等速直线, 此时测距公式(2.0.1)中的c值可认为是常数。 但实际上大气层的 分布是不均匀的且其参数随时间、地点而变化。大气密度、湿 度、 温度等参数的随机变化, 导致大气传播介质的导磁系数 和介电常数也发生相应的改变, 因而电波传播速度c不是常量 而是一个随机变量。由式(2.1.2)可知, 由于电波传播速度的随机 误差而引起的相对测距误差为
2R tR = c R = 1 ct R 2
(2.0.1)
而时间tR也就是回波相对于发射信号的延迟,因此, 目标距离测 量就是要精确测定延迟时间tR。根据雷达发射信号的不同,测定 延迟时间通常可以采用脉冲法, 频率法和相位法。
2.1 脉 冲 法 测 距
2.1.1 原理 回波信号的延迟时间tR 通常是很短促的, 将光速c=3×105 km/s的值代入式(2.0.1)后得到
最小可测距离和最大单值测距范围
所谓最小可测距离, 是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τ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 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
用增量代替微分, 可得到测距误差为
式中, Δc为电波传播速度平均值的误差; ΔtR为测量目标回波延迟 时间的误差。
c R ∆R = ∆c + ∆tR c 2
(2.1.2)
由式(2.1.2)可看出, 测距误差由电波传播速度c的变化Δc以 及测时误差ΔtR两部分组成。
1. 电波传播速度变化产生的误差
R=0.15 tR（Km）
其中tR的单位为μs
(2.1.1)
lp l
发射 脉冲 0
近区地 物回波
目标回波
10 20 30 40 50 60 70 km 机械距离刻度标尺
图 6.2
图2.2 具有机械距离刻度标尺的显示器荧光屏画面
有两种定义回波到达时间tR的方法, • 一种是以目标回波脉冲的前沿作为它的到达时刻; • 另一种是以回波脉冲的中心(或最大值)作为它的到达时刻。 所得的距离数据只相差一个固定值(约为τ/2), 可以通过距 离校零予以消除。
Rmin
1 = c(τ + t0 ) 2
最小可测距离
• Rmin=Pulse width + switching time/6.66us
(km)
(2.1.6) 雷达的最大单值测距范围由其脉冲重复周期Tr （PRT）决定。 为保证单值测距, 通常应选取
2 Tr ≥ Rmax c
Rmxa为被测目标的最大作用距离。 有时雷达重复频率的选择不能满足单值测距的要求, 例如在脉冲 多普勒雷达或远程雷达, 这时目标回波对应的距离R为
3. 测读方法误差 测距所用具体方法不同, 其测距误差亦有差别。 早期的脉 冲雷达直接从显示器上测量目标距离, 这时显示器荧光屏亮点 的直径大小、所用机械或电刻度的精度、人工测读时的惯性等 都将引起测距误差。 当采用电子自动测距的方法时, 如果测读回波脉冲中心, 则 图2.3中回波中心的估计误差(正比于脉宽τ而反比于信噪比)以及 计数器的量化误差等均将造成测距误差。 自动测距时的测量误差与测距系统的结构、系统传递函数、 目标特性(包括其动态特性和回波起伏特性)、干扰(噪声)的强度 等因素均有关系, 详情可参考测距系统有关资料。
式中，tR 为测得的回波信号与发射脉冲间的时延。这时将产生 测距模糊, 为了得到目标的真实距离R, 必须判明式(2.1.7)中的模 糊值m。
c R = ( mTr + tR ) 2
m为正整数 (2.1.7)
最大不模糊距离
• 也称最大探测距离 • Rmax=PRT-PW/6.66us (km)
图5.9.1 距离折叠示意图
目标角度测量（方位角、仰角）
方位角测量
仰角测量
目标高度测量
原理：
考虑地球曲率时测高
考虑大气折射时
In practice, however, the propagation of electromagnetic waves is also subject to a refraction, this means, the transmitted beam of the radar unit isn't a straight side of this triangle but this side is also bent and it depends on: •the •the •the •the transmitted wavelength, barometric pressure, air temperature and atmospheric humidity.
∆R = R − R0
(2.1.4)
β
地面
图2.4 大气层中电波的折射
ΔR的大小和大气层对电波的折射率有直接关系。 如果知道了折射率和高度的关系, 就可以计算出不同高度和 距离的目标由于大气折射所产生的距离误差, 例如在一般大气条件下, 当目标距离为100 km, 仰角为0.1rad 时, 距离误差为16 m的量级。 上述两种误差（折射、传播速度）, 都是由雷达外部因素 造成的, 故称之为外界误差。无论采用什么测距方法都无法避 免这些误差, 只能根据具体情况, 作一些可能的校准。
PW: pulse width
距离模糊的实例
扩展最大不模糊距离办法
2.1.2 影响测距精度的因素 雷达在测量目标距离时, 不可避免地会产生误差, 它从数量 上说明了测距精度, 是雷达站的主要参数之一。 由测距公式可以看出影响测量精度的因素。对式(2.1.1)求 全微分, 得到
∂R ∂R R c dR = dc + dtR = dc + dtR ∂c ∂tR c 2
气象雷达原理与系统
电子工程学院 大气探测学院 何建新
简单雷达系统框图
• 天线
收发开关 功率放大器 波形产生器
低噪声 放大器
本振
混频器
中频 放大器
匹配 滤波器
第二 检波器
视频 放大器
显示器
雷达基本工作原理
电磁波的传播
•
第二章
• 雷达目标参数的测量（一） --目标距离参数的参量
距离测量示意图
B
τ
门限
Σ
本振 匹 配 滤波器 包络 检波 微分 (d / dt) 过零点 检 测
∆
t
t
图2.3 回波脉冲中心估计
2.1.3 距离分辨力和测距范围 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。在显示器上测距时, 分辨力主要取决于回波的 脉冲宽度τ, 同时也和光点直径d所代表的距离有关。如图2.5所 示的两个点目标回波的矩形脉冲之间间隔为τ+d/υn, 其中υn为扫 掠速度, 这是距离可分的临界情况, 这时定义距离分辨力Δrc 为
c d ∆rc = τ + 2 vn
式中, d为光点直径; υn为光点扫掠速度(cm/μs)。
光点直径 vd n
d τ ＋ vn
图2.5 距离分辨力
用电子方法测距或自动测距时, 距离分辨力由脉冲宽度τ或波 门宽度τe决定, 如图2.3Leabharlann Baidu示,
距离分辨率单元
•
距离分辨率单元
∆R
R
=
∆c
c
(2.1.3)
•
表2.1 在不同条件下电磁波传播速度
2. 因大气折射引起的误差 由图2.4可看出, 虽然目标的真实距离是R0, 但因电波传播不 是直线而是弯曲弧线, 故所测得的回波延迟时间tR=2R/c,这就产 生一个测距误差(同时还有测仰角的误差Δβ):
目标视在位置 目标真实位置 R ∆β R0 H
R
A
图2.1 目标距离的测量
测量目标的距离是雷达的基本任务之一。 无线电波在均 匀介质中以固定的速度直线传播(在自由空间传播速度约等于 光速c=3×105 km/s)。图2.1中, 雷达位于A点, 而在B点有一目标, 则目标至雷达站的距离(即斜距)R可以通过测量电波往返一次 所需的时间tR得到，即