雷达技术 目标距离的测量

kAcos(2 f0 (t tr ) (t tr )2 )
回波时延
tr

2 R0 vt
C
接收频率
fr

f0 (1
2v ) (t
C

2 R0 vt )
C

f0

2v

(t
2R0 ) C
f0

fd
(t
2R0 ) C
31
最小可测距离：雷达能测量的最近目标的距离。 收发共用天线，发射脉冲宽度时间内，无法接收回波；
收发切换时间t0内，无法接收回波。
最小可测距离：
Rmin

c
2
t0

19
6.1 脉冲法测距
最大单值可测距离：雷达可探测的最大无模糊距离
思考：最大无模糊距离由什么决定？ 脉冲重复周期Tr
Rmax

c Tr
5
雷达测距的实现方法
连续波雷达
测距物理解释： 一般来说，单载频的连续波雷达没有测距能
力，这与其无法适用基于脉冲回波时延的测距手 段，且发射信号带宽较窄有关。
若必须测量距离，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。
由傅里叶变换知：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延或距离 ，必须扩展单载频连续波的频谱。
tr为接收回波信号与最邻近的发射脉冲之间的延迟。
21
6.1 脉冲法测距
6.1.5 判距离模糊的方法 （1） 多种重复频率判模糊
设重复频率分别为 fr1 和 fr2 , 它们都不能满足不模糊测距的要求。
Rmax

c Tr 2

c 2 fr
fr Tr Rmax
fr1和fr2具有公约频率fr 。
目标视在位置
目标真实位置 R
R0
H

地面
测距误差
R R R0
视角误差
图6.4 大气层中电波的折射 14
6.1 脉冲法测距
（4）测读方法误差
直接从显示器上测量目标距离： 显示器荧光亮点直径，刻度精度，人工测读时的惯性等。 自动测距时的测量误差： 测距系统的结构，系统传递函数，噪声干扰等。
距离跟踪的方法：
产生一个时间位置可调的时标（波门），通过调整移动 时标的位置，使之与回波信号在时域上重合，由此时的 时标的时间位置换算成实时的目标距离数据。
人工距离跟踪
半自动、自动距离跟踪
6.3 距离跟踪原理
6.3.1 人工距离跟踪
• 峰值功率与平均功率可比拟。 • 收发间难以完全隔离。 调频连续波雷达的优点是: • 最小可测距离小，且有较高的测量精度。 • 雷达线路简单，体积小、重量轻、适用广。
普遍应用于飞机高度表及微波引信等场合。
34
6.2 调频法测距
调频连续波雷达的主要缺点是: (1) 难于同时测量多个目标。如欲测量多个目标, 必 须采用大量滤波器和频率计数器等, 使装置复杂，从 而限制其应用范围。
回波中心
7
6.1 脉冲法测距 检测 发现、虚警

门限
和支路 Σ
本振 差支路
匹配
ຫໍສະໝຸດ Baidu
包络
微分
过零点
滤波器
检波
(d / dt)
检测

t
t
图6.3 回波脉冲中心估计
8
6.1 脉冲法测距
9
6.1 脉冲法测距
6.1.2 影响测距精度的因素
误差种类： （1）系统误差
由于测量工具本身固有误差、测量原理本身 理论的缺陷、实验操作及实验人员本身心理生 理条件的制约而带来的测量误差．
tR

2R c
A
R

1 2
ctR
3
雷达测距的实现方法
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
4
雷达测距的实现方法
连续波雷达
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按一定重复周期工作的矩 形脉冲。发射的每个脉冲都相当于对电磁波打上 了标记，以测量回波时间，从而完成测距。
25
6.1 脉冲法测距
?
用多重复频率测距
办法可以从我国的余数定理中找到
魔术师背对观众坐在一张椅子上，让某位观众心中 随意想定一个不超过500的数， 然后用7去除这个数并报出余数； 然后再用8去除原来想定的数并报出余数； 然后再用9去除并报出余数； 这样魔术师就知道到底这个观众心里想的数是多少。 -如余数分别为1，5，8，答案是多少？ 197 -如余数分别为3，5，7，答案是多少？ 493
图6.8 调频连续波雷达方框图 28
6.2 调频法测距
线性调频连续波信号——三角波
用处 ？
测距
6.2 调频法测距
目标运动
时
f
ft
fr
f
2R0 c
0 f fb
fb＋ 0
ft Tm 2 t1 t2
fb－
fbar
ft0
t
有测距 模糊吗？
t
调频雷达工作原理示意图
发射频率
ft

f0

df dt
t

f0

R tR
dtR

tR 2
dc

c 2
dtR
R

R c
c

c 2
tR

R c
dc

c 2
dtR
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。
11
6.1 脉冲法测距
（1）电波传播速度变化产生的误差
估算传播速度变化引起的误差
R

R c
c

c 2
tR
R c
Rc
表6.1 电波传播速度
12
6.1 脉冲法测距
（2）时间差测量误差
R

R c
c

c 2
tR
tR R
R c tR R c tR
若时间差测量误差为1us，测距误差为150m; 若时间差测量误差为1ps，测距误差为0.15m;
13
6.1 脉冲法测距
（3）因大气折射引起的误差
公式错误
16
6.1 脉冲法测距
6.1.4 距离分辨力和测距范围
区分两个概念：
距离分辨率/分辨力： 同一方向上两个大小相等点目标之间最小可区分距离。
测距精度： 同一个点目标的测量值和真实值之间的最小偏差。
17
6.1 脉冲法测距
（1）距离分辨力：
rc

c 2



d vn

光点直径
d vn
为脉冲宽度（s）；
d 为光点直径（m）；
υn为光点扫掠速度 (cm/μs)。
τ
＋
d vn
图6.6 距离分辨力
S(t) Acos(2 f0t t2 )
脉压雷达距离分辨率 -4dB
rc

c 2

1 B
B为线性调频信号的带宽
18
6.1 脉冲法测距
（2）测距精度：
包括最小可测距离、最大单值测距范围
6.2 调频法测距
当反射回波来自运动目标, 其距离为 R0而径向
速度为 v 时, 其回波频率 fr 为
fr

f0

fd

4f Tm

t

2R0 c


fb

ft

fr

8f Tmc
R0

fd

fb

fr

ft
8f Tmc
R0
fd
(前半周正向调频范围) 正程
(后半周负向调频范围) 逆程
6
6.1 脉冲法测距
6.1.1 基本原理
lp l
发射 脉冲
近区地 物回波
目标回波
0 10 20 30 40 50 60 70 km
机械距离刻度标 尺
图6.2 显示器荧光屏画面
图 6.2
R=CtR /2
R=0.15tR ，R（km） tR （us）
思考问题：
用脉冲的哪里来作为 回波到达时刻? 有何区别？ 回波前沿
f t, Tm / 4
调频率
接收频率
fr

f0

4f Tm

t

2R0 c

回波时延 30
6.2 调频法测距
正程发射频率 ft f0 t,
f
Tm / 4
积分求得发射信号 St (t) Acos(2 f0t t2 )
接收信号 Sr (t) kSt (t tr )
36
6.2 调频法测距
f
fd
FA
F
FB
F T
FA

fd
td

2vr


2R0 c
FB

fd
td

2vr


2R0 c
FC

fd

2vr

FC
td T
T
T
A
B
C
o
脉冲调频测距(b) 原理 (b) 信号频率调制规律;
t 37
6.3 距离跟踪原理
什么叫距离跟踪？
在观测时间段内，连续获得目标的实时的变化的距离。
2

T r Rmax

c Tr 2
Tr

2 c
Rmax
越大越好？ Tr
Rmax
脉冲积累会改善检测性能 M 0.5 fr 0.5 1

Tr
20
6.1 脉冲法测距
存在m次距离模糊时，距离R如何计算？
如何判断？
R c mTr tr
2
m为正整数
回波时延 t0 tr Tr
40ms（正负各半），中心频率为300MHz，调频斜率为
2MHz/ms，目标距离50km，求：
（1）频率计的输出频率 fbav； （2）测距精度δR；
f
R0

cTm 8f
-25~+25Hz
fbav

c 2u
fbav
（3）分辨率∆R 。
∆f =50Hz
33
6.2 调频法测距
连续波雷达的特点：
• 发射频谱窄（减少了无线电干扰，使得相应滤 波和波形处理简化）。
fr

f r1 N

fr2 N a
Tr NTr1 N aTr2
N和a为正整数, 常选a=1, 使N和N+a为互质数。
fr的选择应保证不模糊测距。 22
6.1 脉冲法测距
发 fr1
收 fr1
t1
tR
发 fr2
收 fr2 t2 公约频率
目标回波
tR Tn0
tR
(a)
图6.7 （a）用双重复频率测距
26
6.1 脉冲法测距
（2） “舍脉冲”法判模糊
AM－ 2
AM－ 2
发射AM A1 A2 A3 A4 … AM－ 3AM－ 1 AM A1 A2 A3 A4 … AM－ 3AM－ 1 AM
脉冲
回波 信号
…
…
BM－ 2
t
BM B1 B2 B3 B4 … BM－ 3 BM－ 1 BM B1 B2 B3
fr1频率大 5：4
fr2频率小
23
6.1 脉冲法测距
tR
t1
n1 f r1
t2
n2 fr2
n1, n2分别为用 fr1和 fr2 测距时的模糊数。
选a=1, fr1 N fr2 N 1
当 n1=n2 时，
tR

t1 fr1 f r1
t2 fr2 fr2
当
n1=n2+1时，
第 6 章 目标距离的测量
6.1 脉冲法测距 6.2 调频法测距 6.3 距离跟踪原理 6.4 数字式自动测距器
1
第 6 章 目标距离的测量
主要内容及基本要求 理解脉冲测距的基本原理； 理解调频法测距的基本原理； 了解距离跟踪原理；
2
雷达如何测距？
（1） 脉冲雷达 （2） 连续波雷达
B
R
目标距离的测量
15
6.1 脉冲法测距
6.1.3 测距精度的理论极限
——真值和理论值的差别
信号最大值出现的时延估值的方差为
2 tr

8 2
1 E No
Be2
式中，E 为信号能量； N0 为噪声功率谱密度； Be为信号u(t)的均方根带宽，
时延估值均方根误差反比于信号噪声比及信号的均方根带宽。
推导见P225-226
(2) 收发间的完全隔离是所有连续波雷达的难题。发 射机泄漏功率将阻塞接收机, 因而限制了发射功率的 大小。发射机噪声的泄漏会直接影响接收机的灵敏度。
35
6.2 调频法测距
6.2.2 调频脉冲测距
调制信号 T 产生器
调频 振荡器
脉冲功率 放大器
τ
um
Tr
脉冲
调制器
收发开关 混频器
f
脉冲调频测距(a原) 理 (a) 原理性方框图组成;
平均 频率差
fbav
fb 2
fb
8f Tmc
R0
求得
R0

cTm 8f
fb fb 2
32
6.2 调频法测距
R0

cTm 8f
fb fb cTm 2 8f
fbav
测频的精度决定了测距的精度， 测频的分辨率决定了测距的分辨率。
例 ： 若 频 率 计 的 测 量 精 度 是 50Hz ， 三 角 波 调 制 周 期 为
…
NTr
tR′
NTr
t
目标距离最大
图6.7 (b) “舍(脉b)冲”法判模糊
模糊数
添加标记，无模糊距离变为M倍 MTr mmaxTr tR' 27
6.2 调频法测距
6.2.1 调频连续波测距
收发分置
测得
距离
频率计
调频 发射机
发射天线
放大器 和限幅器
直接耦合信号 混频器
r
目标
接收天线
频率差
接收机
特征：可知性、可补偿 （2）随机 误差
即使在完全消除系统误差这种理想情况下， 多次重复测量，仍会由于各种偶然的、无法预 测的不确定因素干扰而产生测量误差．
特征：随机性、难补偿 10
6.1 脉冲法测距
怎么考虑测距中的误差？ 全微分
tR

2R c
R

1 2
ctR
dR

R c
dc
tR

t1 fr1 t2 fr1
fr2 1 fr2
24
6.1 脉冲法测距
双重频最大无模糊距离
Rmax

c 2
Tr1, Tr 2
的最小公倍数
例： Tr1 为3ms，Tr2 为4ms， 则此时双重频的最大无模糊距离对应12ms。 相当于增大了无模糊距离，并没有消除模糊距离。
天干地支，十二生肖，六十一甲子。