雷达测距原理及实现方法

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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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。
雷达测距原理
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：
R cTR 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。
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目标
RT 发射天线Tx
RR 接收天线Rx
n1 t1 fr1
fr1
1
t1 tR
t2时, n2 n1 t2 fr2 t1 fr1
fr2 fr1
1 1
tt1Rtt21时 ,tn22 n1 0
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双脉冲重复频率信号工作时序图
T1
Np1 Td1
T1 T2
Np2 Td2
T2 T1
Np1 Td1
探测周期
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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
Antiship Missiles
Detection and
Fighter and Small Boat
Tracking at 37Km Detection and Tracking
at 74Km
Ship Detection and Tracking at 200Km
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探测周期
T1 T2
T2
Np2 Td2
T1≠T2，Np1≠Np2；但Td1=Np1T1=Td2=Np2T2
T1、T2：雷达系统探测脉冲的重复周期。Np1、Np2分别为周期取T1、 T2时所对应的积累脉冲数。
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多脉冲重复频率解模糊
采用多个高脉冲重复频率测距能给出更大的无模糊距离，同时也能兼
占空比(duty cycle) —— Tr
峰值功率Pt与平均功率Pav ——
Pav
Pt
Tr
， ，P 典型中程防空雷达参数： 1s ,T r 1 m ,P t s1 M则 W占 1 1空 0a 0 v1 比 0 KW
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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
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。
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地基/舰载雷达实现超视距探测的主要手段有： 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。 高频天波雷达High Frequency Skywave OTH Radar
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测距范围：包括最小可测距离和最大单值测距范围。
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
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。 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折射，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。
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雷达测距解模糊的方法
R12c(mTr tR) 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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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。
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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) ——
脉冲重复周期PRI (Pulse Repetition Interval) ——T r
脉冲重复频率PRF (Pulse Repetition Frequency) ——fr 1Tr
最小可测距离为：
Rmin12c( t0)
雷达的最大单值测距范围由其脉冲重复周期决定，即
Rmax12c(Tr )
Tr
Rmax
1 2cTr
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：
Tr
2 c Rmax
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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：
h↑—n↓—vp↑ dn/dh<0
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，将有两方面影响： 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
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：
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
R12c(mTr tR) 式中m为非负整数，t R 为接收的回波信号与最邻近发射脉冲间的延迟。
t0tRTr
如果雷达重复频率 fr 1Tr 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：
x
c2
(mod m 2 )
x c n (mod m n )
有且仅有解 x M 1 1 c 1 M 2 2 c 2 M n n c n(m M ) od
4 t2 3t1 T r
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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
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n1=n2=0, tr=t1=t2
双脉冲重复频率解模糊
t1<t2, n1=n2=1, tr=4t2-3t1
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t1 t2
n1 2 3 n2
fr
fr1 3
fr2 4
tr
t2 fr2 t1 fr1 1 f r2 fr1
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美国Raytheon公司高频地波雷达 SWR-503的接收天线阵
澳大利亚Jindaleee 高频天波雷达接收 天线阵
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现代级：136-139 中华现代：168-169 中华神盾：170-171
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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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电磁波沿海面的绕射传播
高频地波超视距雷达正是利用高频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。
TBMs Out to 700Km
Line-of-Sight Propagation
Horizon Surface wave Propagation
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
蓝虚线
黑虚线
红虚线
t1 tR
t2时, n2 t2 fr2
fr2
顾跳开发射脉冲遮蚀(Eclipse指采用单一脉冲重复频率工作时，目标因回
波时间延迟正好是脉冲重复周期的整数倍而无法测距)的灵活性。主要的方
法
——中国余数定理：
设n>=2，m1, m2, …, mn是两两互素的正整数，令M=m1m2…mn=m1M1
=m2M2=…=mnMn，则同余 式x 组c1 (mod m 1 )
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微波超视距雷达 利用海上大气波导(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。
dn/dh比正常值更负时， 电波更加向地面弯曲。
详细分析：见《电磁波传播特性》章节。
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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)
在均匀大气中电磁波等速直线传播。
➢沿海面绕射传播(超视距情形)
特殊条件下电磁波沿海面、大气波导曲线传播。
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地球大气层
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。
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 c105
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