雷達(dá)系統(tǒng)導(dǎo)論2

1、雷達(dá)系統(tǒng)導(dǎo)論2二、目標(biāo)距離的測(cè)量對(duì)單基地而言(發(fā)射機(jī)和接收機(jī)放在同一位置)，設(shè)電波在雷達(dá)與目標(biāo)間往返一次所需時(shí)間為(即回波相對(duì)發(fā)射信號(hào)的延遲)，則目標(biāo)至雷達(dá)的距離為：簡(jiǎn)單未調(diào)制的連續(xù)波雷達(dá)沒(méi)有測(cè)距能力，這與其發(fā)射波形的頻譜(帶寬)較窄有關(guān)。若必須測(cè)量距離，則在連續(xù)波載頻上必須加上某些定時(shí)的標(biāo)志，定時(shí)標(biāo)志可以識(shí)別發(fā)射的時(shí)間和回波時(shí)間。標(biāo)志越尖銳、鮮明，則傳輸時(shí)間的測(cè)量越準(zhǔn)確。由傅里葉變換性質(zhì)知：定時(shí)標(biāo)志越尖銳，則發(fā)射信號(hào)的頻譜越寬。因此為了測(cè)量傳輸時(shí)間或距離，則必須發(fā)射一定寬度的頻譜3p68。利用調(diào)幅、調(diào)頻或調(diào)相可展寬連續(xù)波發(fā)射信號(hào)的頻譜。根據(jù)雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的不同，測(cè)定延遲時(shí)間通?？刹捎妹}沖法、頻

2、率法和相位法。根據(jù)雷達(dá)信號(hào)的形式，雷達(dá)主要分為：脈沖雷達(dá)、連續(xù)波雷達(dá)、脈沖壓縮雷達(dá)。此外還有脈沖多普勒雷達(dá)、噪聲雷達(dá)、頻率捷變雷達(dá)等。1脈沖法1p174181 (脈沖雷達(dá))常規(guī)脈沖雷達(dá)是幅度調(diào)制的一個(gè)例子，其發(fā)射波形是矩形脈沖，按一定的或交錯(cuò)的重復(fù)周期工作。脈沖雷達(dá)的天線是收發(fā)共用的，這需要一個(gè)收發(fā)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)(簡(jiǎn)稱為收發(fā)開(kāi)關(guān)TR)和接收機(jī)保護(hù)器。在發(fā)射時(shí)，收發(fā)開(kāi)關(guān)使天線與發(fā)射機(jī)接通，并與接收機(jī)斷開(kāi)，以免高功率的發(fā)射信號(hào)進(jìn)入接收機(jī)把高放或混頻器燒毀。接收時(shí)，天線與接收機(jī)接通，并與發(fā)射機(jī)斷開(kāi)，以免因發(fā)射機(jī)旁路而使微弱的接收信號(hào)受損失1p5858。圖8 簡(jiǎn)單矩形脈沖波形距離分辨力是指同一方向上兩個(gè)大小

3、相等點(diǎn)目標(biāo)之間最小可區(qū)分距離，它主要取決于雷達(dá)信號(hào)波形。對(duì)于給定的雷達(dá)系統(tǒng)，可達(dá)到的距離分辨力為2p480：式中為光速，為發(fā)射波形帶寬當(dāng)采用簡(jiǎn)單未編碼的矩形脈沖(如圖8)時(shí)，其中為發(fā)射脈沖寬度，因此對(duì)于簡(jiǎn)單的脈沖雷達(dá)而言，即脈沖越窄，距離分辨力越好。測(cè)距范圍包括最小可測(cè)距離和最大單值測(cè)距范圍。最小可測(cè)距離是指雷達(dá)能測(cè)量的最近目標(biāo)的距離。脈沖雷達(dá)收發(fā)共用天線，在發(fā)射脈沖寬度時(shí)間內(nèi)，接收機(jī)和天線饋線系統(tǒng)間是斷開(kāi)的，不能正常接收目標(biāo)回波。發(fā)射脈沖過(guò)去后天線收發(fā)開(kāi)關(guān)恢復(fù)到接收狀態(tài)，也需要一段時(shí)間。在上述這段時(shí)間內(nèi)，由于不能正常接收回波信號(hào)，雷達(dá)是很難進(jìn)行測(cè)距的。因此，雷達(dá)的最小可測(cè)距離為：雷達(dá)的最大單

4、值測(cè)距范圍由其脈沖重復(fù)周期決定，即當(dāng)確定了雷達(dá)的最大作用距離后，為保證單值測(cè)距，通常選取雷達(dá)重復(fù)周期。如果雷達(dá)重復(fù)頻率選得過(guò)高(如在脈沖多普勒雷達(dá)中為了保證無(wú)測(cè)速模糊)，測(cè)距有可能出現(xiàn)多值性。當(dāng)回波延遲超過(guò)脈沖重復(fù)周期時(shí)，會(huì)把遠(yuǎn)目標(biāo)誤認(rèn)為近目標(biāo)，即目標(biāo)回波對(duì)應(yīng)的距離為：式中為非負(fù)整數(shù)，為接收的回波信號(hào)與發(fā)射脈沖間的延遲(實(shí)測(cè)得到)為了得到目標(biāo)的真實(shí)距離，必須判定測(cè)距模糊值。為了判別模糊，必須對(duì)周期發(fā)射的脈沖信號(hào)加上某些可識(shí)別的標(biāo)志，通常采用的解模糊方法有：A多種重復(fù)頻率法1p179先討論用雙脈沖重復(fù)頻率測(cè)距判模糊的原理：設(shè)重復(fù)頻率分別為和()，它們都不能滿足不模糊測(cè)距的要求。和具有公約頻率為，

5、為正整數(shù)。常選使和為互質(zhì)數(shù)，且的選擇應(yīng)保證不模糊測(cè)距，即 。這樣 ，則目標(biāo)回波延遲為：式中由于的選擇已保證不模糊測(cè)距且，則在范圍內(nèi)，的關(guān)系只可能有兩種且分別對(duì)應(yīng)的為：、由于，則時(shí)必有且，這時(shí)若取這與的選擇已保證不模糊測(cè)距相矛盾。因此計(jì)算目標(biāo)延遲時(shí)應(yīng)先采用前式，當(dāng)前式算出的為負(fù)值時(shí)再利用后式。如果采用多個(gè)高脈沖重復(fù)頻率測(cè)距，就能給出更大的不模糊距離，同時(shí)也能兼顧跳開(kāi)發(fā)射脈沖遮蝕(Eclipse指采用單一脈沖重復(fù)頻率工作時(shí)，目標(biāo)因回波時(shí)間延遲正好是脈沖重復(fù)周期的整數(shù)倍而無(wú)法測(cè)距)的靈活性11。具體的辦法是利用中國(guó)余數(shù)定理12或其他算法13可根據(jù)幾個(gè)模糊的測(cè)量值算出目標(biāo)的真實(shí)距離。孫子定理(中國(guó)余數(shù)

6、定理)14p106107：設(shè)，是兩兩互素的正整數(shù)，令，則同余式組有且僅有解其中注：上述定理中可據(jù)事先求出，詳細(xì)參見(jiàn)文1例子。應(yīng)用到上述問(wèn)題時(shí)，相當(dāng)于所選個(gè)脈沖重復(fù)周期的比值，不妨設(shè)為顯然，即為的公約數(shù)。一般而言，在滿足距離分辨力的情況下，脈沖雷達(dá)盡可能采用大的脈寬，以提高平均功率獲得最大作用距離。在多脈沖重復(fù)頻率情況下，所能獲得的最大脈寬為11：設(shè)分別為采用脈沖重復(fù)頻率測(cè)量時(shí)的距離門數(shù)，即模糊時(shí)間延遲與的比值整數(shù)。這樣設(shè)目標(biāo)的真實(shí)時(shí)間延遲為，則：將上式兩邊同時(shí)除以，并令、即可得到前面的同余式組。這樣利用孫子定理解得后，目標(biāo)的真實(shí)距離應(yīng)為：B舍脈沖法1p181 (能否等效成兩種脈沖重復(fù)頻率情形？

7、)所謂舍脈沖法就是每發(fā)射個(gè)發(fā)射脈沖中舍棄一個(gè)，作為發(fā)射脈沖串的附加標(biāo)志。與發(fā)射脈沖相對(duì)應(yīng)，接收到的回波脈沖串同樣是每個(gè)回波脈沖中缺少一個(gè)。只要從舍棄的發(fā)射脈沖后逐個(gè)累計(jì)發(fā)射脈沖數(shù)，直到某一發(fā)射脈沖后沒(méi)有回波脈沖時(shí)停止計(jì)數(shù)，則累計(jì)的數(shù)值就是回波跨越的重復(fù)周期數(shù)。采用舍脈沖法判模糊時(shí)，每組脈沖數(shù)應(yīng)滿足以下關(guān)系：式中是雷達(dá)需測(cè)量的最遠(yuǎn)目標(biāo)所對(duì)應(yīng)的跨周期數(shù)，即應(yīng)保證全部距離上不模糊測(cè)距。C調(diào)頻脈沖串1p185186此方法實(shí)質(zhì)上是調(diào)頻法測(cè)距，脈沖調(diào)頻時(shí)的發(fā)射信號(hào)頻率通常分為三段A、B、C，分別采用正頻率調(diào)頻、負(fù)頻率調(diào)頻(正負(fù)斜率大小相等)和發(fā)射恒定頻率(如圖9)。由于調(diào)頻周期遠(yuǎn)大于雷達(dá)脈沖重復(fù)周期，故在

8、每一個(gè)調(diào)頻段中均包含多個(gè)脈沖。回波信號(hào)相對(duì)于發(fā)射信號(hào)有一個(gè)固定延遲，即將發(fā)射信號(hào)的調(diào)頻曲線向右平移即可，若回波信號(hào)還存在多普勒頻移，則前面的回波頻率還應(yīng)向上(對(duì)應(yīng)正多普勒頻率)或向下平移。接收機(jī)混頻器中加上連續(xù)振蕩的發(fā)射信號(hào)和回波脈沖串，則可得到收發(fā)信號(hào)的差頻信號(hào)。設(shè)發(fā)射信號(hào)的調(diào)頻斜率為，則A、B、C三段收發(fā)信號(hào)間的差頻分為：圖9 分段線性調(diào)頻由上式解得利用脈沖調(diào)頻法時(shí)，可以選取較大的調(diào)頻周期以保證測(cè)距的單值性。更一般地，可以通過(guò)脈沖到脈沖改變幅度、寬度、頻率、相位或極化形式等辦法來(lái)識(shí)別距離折疊回波。實(shí)際上這些方法都不太有效，主要原因是鄰近目標(biāo)的重疊問(wèn)題，如鄰近的地物雜波很強(qiáng)，可能掩蓋很弱的距

9、離折疊回波。此外解距離模糊也要求有更多的數(shù)據(jù)處理時(shí)間3p46。2調(diào)頻法1p181184 (調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)FMCW: Frequency Modulation Continuous Wave)調(diào)頻法測(cè)距可用在連續(xù)波雷達(dá)中，也可用于脈沖雷達(dá)。在高脈沖重復(fù)頻率的脈沖雷達(dá)中，發(fā)射機(jī)脈沖頻率有規(guī)律的調(diào)制就提供了解模糊距離的可能性。前面提到的調(diào)頻脈沖串用于測(cè)距判模糊原理本質(zhì)上與連續(xù)波調(diào)頻測(cè)距是雷同的，下面重點(diǎn)分析連續(xù)波工作條件下調(diào)頻法測(cè)距的原理。連續(xù)波工作時(shí)，為了得到發(fā)射和接收間高的隔離度，通常采用分開(kāi)的發(fā)射天線和接收天線(空間隔離即雙基地)3p61、或者直接對(duì)消泄漏信號(hào)3p61、或者采用時(shí)分技術(shù)、或者利

10、用正弦波調(diào)制提取高階貝塞爾分量3p74。對(duì)載頻進(jìn)行頻率調(diào)制是用得很廣的展寬連續(xù)波雷達(dá)頻譜的一種技術(shù)，定時(shí)標(biāo)志就是變化著的頻率。傳輸時(shí)間正比于回波信號(hào)和發(fā)射信號(hào)的頻率差。在給定的時(shí)間范圍內(nèi)發(fā)射的頻率偏移越大，測(cè)量傳輸時(shí)間的精度就越高，發(fā)射頻譜也越寬。調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)雷達(dá)的發(fā)射頻率按已知的時(shí)間函數(shù)變化，它利用在時(shí)間上改變發(fā)射信號(hào)的頻率并測(cè)量接收信號(hào)頻率的方法來(lái)測(cè)定目標(biāo)距離。在任何給定瞬間，發(fā)射頻率與接收頻率的相關(guān)不僅是測(cè)量目標(biāo)距離的尺度，而且還是測(cè)量目標(biāo)徑向速度的尺度。由于任何實(shí)際的連續(xù)波雷達(dá)頻率不可能向一個(gè)方向連續(xù)變化，所以必須采用周期性的調(diào)制。調(diào)制波形通常有三角形、鋸齒形、正弦形或其他一

11、些形狀。A三角波調(diào)制3p6970、2p419421三角波調(diào)制是指發(fā)射頻率按周期性三角波的規(guī)律變化(如圖10)，設(shè)最大頻偏為，周期為，則調(diào)頻斜率大小為，距離處目標(biāo)回波延遲。圖10 三角波調(diào)頻當(dāng)目標(biāo)固定不動(dòng)時(shí)，回波信號(hào)與發(fā)射信號(hào)的差頻除了在調(diào)制頻率換方向變化的區(qū)域外，其余時(shí)間段均是常數(shù)：式中為目標(biāo)距離引起的差頻，因此測(cè)量差頻即可決定目標(biāo)距離(實(shí)際中差頻常用計(jì)數(shù)頻率計(jì)來(lái)計(jì)量)。當(dāng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)時(shí)，差頻上將附加目標(biāo)的多普勒頻移。多普勒頻移使回波信號(hào)的頻率時(shí)間曲線升高或降低，這樣在調(diào)頻周期的一部分差頻上增加了一個(gè)多普勒頻移，而在另一部分則減小一個(gè)多普勒頻偏，具體分析為：(1) 時(shí)頻率可用測(cè)量平均差頻的辦法得出

12、，即，而目標(biāo)多普勒頻率則可由上述兩個(gè)頻率差值的一半獲得。(2) 時(shí)(3) 時(shí)可見(jiàn)時(shí)，平均頻率及差值頻率測(cè)量所決定的頻率正和前面的結(jié)果相反。平均計(jì)數(shù)表上測(cè)出的是多普勒速度，差值頻率計(jì)數(shù)表上指示的是距離。如果不知道由于改變與之間的不等式符號(hào)而引起的差值計(jì)數(shù)表及平均計(jì)數(shù)表的作用顛倒，就可能對(duì)測(cè)量結(jié)果作出錯(cuò)誤的理解。某些調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)系統(tǒng)還采用了與前面調(diào)頻脈沖串所用的與線性調(diào)頻方法相類似的調(diào)頻方法(如圖9)2p420。這種調(diào)制方式在曲線未調(diào)制部分可對(duì)速度進(jìn)行單獨(dú)的測(cè)量，而其余部分與三角波調(diào)頻完全相同。由于已從曲線的未調(diào)制部分確定了，所以只需要一個(gè)頻率差或來(lái)確定距離，另一個(gè)可用作檢查的計(jì)算值。B正弦調(diào)制

13、3p7476、2p421424目標(biāo)運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生多普勒頻移，當(dāng)調(diào)頻波形是非線性的或盡管調(diào)頻波形是線性的但混頻器沒(méi)有工作在線性區(qū)，則區(qū)分目標(biāo)和測(cè)量每個(gè)目標(biāo)距離的問(wèn)題就變得復(fù)雜3p70。當(dāng)調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)只用于對(duì)付單個(gè)目標(biāo)(如用于無(wú)線電高度計(jì)中時(shí))，就沒(méi)有必要采用線性調(diào)制波形，因?yàn)橛脤?shí)際設(shè)備實(shí)現(xiàn)正弦或近似正弦的調(diào)頻比實(shí)現(xiàn)線性調(diào)頻更容易。用正弦波對(duì)連續(xù)波的載波進(jìn)行調(diào)頻，即發(fā)射信號(hào)為：式中為載頻，為調(diào)制頻率，為頻率偏移(頻率調(diào)制的范圍)，其時(shí)變頻率為：回波信號(hào)與發(fā)射信號(hào)進(jìn)行差頻所得的信號(hào)具體形式與目標(biāo)運(yùn)動(dòng)與否有關(guān)：(1) 固定目標(biāo)2p422來(lái)自固定目標(biāo)的回波信號(hào)為：，它與發(fā)射信號(hào)在接收機(jī)中混頻和濾波后，低邊

14、帶濾波器的輸出為：上述差頻信號(hào)的時(shí)變頻率為：當(dāng)時(shí)，則上邊的差頻信號(hào)頻率在半個(gè)調(diào)制周期內(nèi)的平均值為：即這與三角波調(diào)頻對(duì)固定目標(biāo)獲得的結(jié)果相同。(2) 運(yùn)動(dòng)目標(biāo)3p7475將多普勒頻移為的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波的差頻信號(hào)展開(kāi)成三角級(jí)數(shù)，級(jí)數(shù)中各項(xiàng)就是調(diào)制頻率的諧波1516：式中、等分別為0階、1階、2階等階次的第一類貝塞爾函數(shù)，為在時(shí)間時(shí)目標(biāo)的距離，為光速，為目標(biāo)多普勒頻移，為目標(biāo)對(duì)雷達(dá)的相對(duì)速度，為距離滯后角，上式表明差頻信號(hào)由幅度為的多普勒頻率分量及一系列頻率為、等的余弦波組成。幅度比例于的多普勒頻率分量調(diào)制了每一個(gè)的諧波。多普勒頻率因子與第次諧波因子的乘積等效于抑制載頻的雙邊帶調(diào)制。原則上講，調(diào)頻連續(xù)

15、波雷達(dá)中任何差頻信號(hào)的成分都可以提取出來(lái)。首先考慮第一項(xiàng)，它是幅度比例于、頻率為目標(biāo)多普勒頻率的余弦波。由于貝塞爾函數(shù)的宗量正比于距離，故在提取零多普勒頻率成分的雷達(dá)中，幅度對(duì)于零距離的信號(hào)將有最大響應(yīng)。這一距離正是發(fā)射泄露信號(hào)及其噪聲成分存在的距離。在目標(biāo)可能在較遠(yuǎn)距離上出現(xiàn)時(shí)，貝塞爾函數(shù)的作用是使回波信號(hào)的幅度比零距離時(shí)的回波減小(除了正常的隨距離而衰減的因素外)。因此若利用項(xiàng)，它將使泄露信號(hào)增強(qiáng)并使目標(biāo)信號(hào)降低，這正好與期望情況相反。如果取出一個(gè)調(diào)制函數(shù)的諧波(如一次、二次或三次諧波)，零距離泄漏信號(hào)的幅度在理論上等于零，這是由貝塞爾函數(shù)的性質(zhì)所決定的：雖然高階貝塞爾函數(shù)可減小零距離響應(yīng)

16、，但若目標(biāo)正好在貝塞爾函數(shù)的零點(diǎn)或其附近的距離，也將同時(shí)降低了所需目標(biāo)距離處的響應(yīng)。所以，當(dāng)只有單個(gè)目標(biāo)時(shí)，可調(diào)整頻率偏移以使的值變化到正好使貝塞爾函數(shù)值在目標(biāo)距離處最大。從接收信號(hào)中提取次諧波的調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)方框圖如圖112p424。當(dāng)目標(biāo)是固定的(對(duì)應(yīng)零多普勒頻率)，調(diào)制頻率諧波的幅度正比于或，其中。因此，該幅度由用射頻波長(zhǎng)表示的目標(biāo)距離來(lái)決定。由于目標(biāo)距離改變一個(gè)射頻波長(zhǎng)時(shí)，其正弦和余弦項(xiàng)將取和間的任何值(包括零)，因此當(dāng)目標(biāo)固定時(shí)，如用作高度計(jì)時(shí)，提取高階調(diào)制頻率是不實(shí)際的。由于包含在差頻信號(hào)中的總能量是分布在所有諧波上，僅取出其中一個(gè)成分，其它諧波的信號(hào)能量均浪費(fèi)掉，這樣與理想的連續(xù)

17、波雷達(dá)相比其信號(hào)能量就有損失。然而，由于發(fā)射機(jī)泄露噪聲受階貝塞爾函數(shù)的抑制，設(shè)計(jì)在次諧波的調(diào)頻雷達(dá)的信噪比一般要優(yōu)于實(shí)際的連續(xù)波雷達(dá)，此技術(shù)已在多普勒導(dǎo)航雷達(dá)中得到應(yīng)用。在連續(xù)波調(diào)頻高度計(jì)中，為了利用貝塞爾函數(shù)的特性實(shí)現(xiàn)隔離，當(dāng)多普勒頻移本來(lái)是零時(shí)，可以將基準(zhǔn)頻率變換到另外的一個(gè)值上而人為地引入多普勒頻移。圖11 提取次諧波的正弦調(diào)制連續(xù)波雷達(dá)方框圖發(fā)射機(jī)混頻器次諧波濾波器低通濾波器頻率調(diào)制倍頻器混頻器C鋸齒波調(diào)制 (LFICW：Linear Frequency Modulation Interrupted Continuous Wave)調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的隔離是很重要的問(wèn)題，

18、解決這個(gè)問(wèn)題的方法很多，其中“時(shí)間分割”的工作方式就是一個(gè)比較有效的方法18。采用這種工作方式，雷達(dá)的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)交替地工作，這有效地解決了收發(fā)隔離的問(wèn)題，并且收發(fā)可共用一個(gè)天線，這一點(diǎn)很象脈沖雷達(dá)，但兩者脈沖的占空比相差懸殊。脈沖雷達(dá)占空比一般為千分之一，而采用這種工作方式的連續(xù)波雷達(dá)的占空比一般為二分之一。正因?yàn)槿绱?，在同樣的峰值功率條件下，它的平均功率要比脈沖雷達(dá)的平均功率大得多，而只比在同樣條件下連續(xù)波雷達(dá)的平均功率低。這種“時(shí)間分割”工作方式表現(xiàn)在信號(hào)形式上就等效于對(duì)線性調(diào)頻信號(hào)的幅度進(jìn)行一次脈沖調(diào)制。通常采用的開(kāi)關(guān)信號(hào)形式有兩種：偽隨機(jī)碼序列、矩形脈沖序列。岸基高頻地波超視距雷達(dá)

19、(HFOTHR: High Frequency Over-the-Horizon Radar, HFSWR: High Frequency Surface Wave Radar, HFGWR: High Frequency Ground Wave Radar)發(fā)射信號(hào)通常采用周期性線性調(diào)頻截?cái)噙B續(xù)波FMICW，其中幅度截?cái)嗍菫榻鉀Q收發(fā)同址而附加的幅度調(diào)制，為限制發(fā)射帶寬的泄露，對(duì)波形進(jìn)行整形(一般采用余弦、海明、半余弦加權(quán))，其不影響對(duì)信號(hào)處理的討論，故簡(jiǎn)化的信號(hào)模型為(如圖12)17p8：圖12 鋸齒波調(diào)頻式中為調(diào)頻周期，為調(diào)頻斜率，表示重復(fù)周期，的取值范圍是，為載頻。初始距離為(對(duì)應(yīng)時(shí)刻)

20、，徑向速度為的理想目標(biāo)的回波延時(shí)為，其中為光速。不考慮傳播衰減，則回波信號(hào)為：將發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)直接差頻到零中頻(實(shí)際系統(tǒng)中并非如此，但并不影響下面分析)，則差頻相位為：式中為常數(shù)，目標(biāo)多普勒頻率，是目標(biāo)距離所對(duì)應(yīng)的頻率，對(duì)應(yīng)頻率，則零中頻信號(hào)形式可簡(jiǎn)寫成：信號(hào)處理的首要任務(wù)是要從上述回波中將目標(biāo)的距離和速度信息提取出來(lái)，然后再進(jìn)行其它處理。由于接收機(jī)中進(jìn)行正交雙通道處理，所以可以得到上式的復(fù)信號(hào)形式為：其中在一個(gè)掃頻周期中是個(gè)常量，它代表目標(biāo)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的第個(gè)掃頻周期的回波初相，對(duì)應(yīng)當(dāng)前目標(biāo)位置所產(chǎn)生的頻率。這樣先對(duì)一個(gè)掃頻周期內(nèi)的采樣點(diǎn)序列進(jìn)行第一維FFT處理，測(cè)得可近似得到目標(biāo)的近似距離

21、(一般且的影響可在對(duì)速度精確測(cè)量后補(bǔ)償?shù)?。?shí)際系統(tǒng)是在一個(gè)調(diào)頻周期內(nèi)采樣256點(diǎn)，這樣進(jìn)行FFT處理后獲得的256頻譜點(diǎn)對(duì)應(yīng)于一個(gè)距離單元的時(shí)域信號(hào)采樣)，然后再對(duì)同一距離單元信號(hào)的若干掃頻周期采樣序列(一般相干積累周期為256或512等)進(jìn)行第二維FFT處理可得到目標(biāo)的徑向多普勒頻率，從而提取目標(biāo)的徑向速度。實(shí)際處理時(shí)為了抑制旁瓣，進(jìn)行FFT時(shí)通常進(jìn)行加權(quán)(如漢寧窗)，這樣引起主瓣展寬，一個(gè)目標(biāo)通常占據(jù)兩個(gè)或三個(gè)距離、速度單元，可以通過(guò)插值來(lái)提高目標(biāo)的距離、速度的估值精度。為解決收發(fā)共址問(wèn)題所提出的“時(shí)分”方案一般有M序列、均勻脈沖序列兩種方式截?cái)啵瑢?duì)應(yīng)的后續(xù)信號(hào)處理方法也又所不同，其中后者

22、還可采用脈沖法測(cè)距。另外為解決實(shí)際系統(tǒng)的全天候工作問(wèn)題，目前已有博士生在進(jìn)行將整個(gè)大帶寬分布在若干不相鄰的小帶寬內(nèi)的信號(hào)形式研究。調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)系統(tǒng)獲得的距離分辨力將取決于測(cè)量頻率差的分辨力，而取決于調(diào)頻帶寬以及調(diào)頻波形能保持的精度。例如，對(duì)于線性調(diào)頻，(以及)將取決于帶寬和調(diào)制的線性。調(diào)制的非線性由給出，此處是離開(kāi)線性調(diào)制的偏差。調(diào)制的非線性比時(shí)間帶寬積的倒數(shù)小得多，也就是波形的不能嚴(yán)重地影響可獲得的最大距離分辨力。理想線性調(diào)制時(shí)，由于、，則，而、(可結(jié)合HFSWR的LFMCW信號(hào)形式加以說(shuō)明)，則時(shí)距離分辨力：式中確定最大的無(wú)模糊距離。這樣對(duì)于給定的和，對(duì)線性度的限制由非線性度確定。文25

23、分析了掃頻非線性對(duì)線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)測(cè)距精度和距離分辨力的影響。3相位法A多頻連續(xù)波雷達(dá)3p7982、2p424426 (單目標(biāo)雷達(dá))前面講過(guò)簡(jiǎn)單的連續(xù)波雷達(dá)不能測(cè)距，但在一些情況下測(cè)量回波信號(hào)與發(fā)射信號(hào)間的相對(duì)相位進(jìn)行測(cè)距也是可能的。采用相位測(cè)量確定目標(biāo)距離的方法主要用于導(dǎo)航和地形測(cè)量等方面3p79。圖15為相位法測(cè)距的方框圖。設(shè)雷達(dá)位于A點(diǎn)，目標(biāo)位于B點(diǎn)，兩者距離R，若發(fā)射機(jī)發(fā)射信號(hào)為：式中是發(fā)射信號(hào)的初始相位則目標(biāo)回波信號(hào)為：發(fā)射信號(hào)與目標(biāo)回波的相位差：由上式可見(jiàn)，直達(dá)波與目標(biāo)回波的相位差與目標(biāo)的距離有關(guān)，可將相位差作為距離的量度：但只有在不超過(guò)時(shí)相位差的測(cè)量才是不模糊的。代入到上式可得

24、最大的不模糊距離為。對(duì)雷達(dá)頻率而言，此不模糊距離太小，沒(méi)有實(shí)際意義。實(shí)際中目標(biāo)回波信號(hào)中還存在一個(gè)由于目標(biāo)反射引起的相位變化量，此量是未知的，故簡(jiǎn)單連續(xù)波雷達(dá)不能直接用來(lái)測(cè)距。采用發(fā)射多頻信號(hào)可增大最大無(wú)模糊距離。下面分析兩個(gè)頻率相差很小的連續(xù)波信號(hào)情形，此時(shí)不模糊距離相應(yīng)于差頻的半波長(zhǎng)3p7981。假設(shè)發(fā)射波形包含兩個(gè)頻率為、兩頻率差的連續(xù)正弦波，即兩分量為：式中分為各發(fā)射信號(hào)的初始相位(常量)。初始距離為、徑向速度為的目標(biāo)回波信號(hào)分為(考慮多普勒效應(yīng))：式中分別為目標(biāo)相對(duì)于頻率的多普勒頻移發(fā)射機(jī)A接收機(jī)相位計(jì)目標(biāo)B圖15 相位測(cè)距雷達(dá)方框圖由于兩個(gè)射頻近似相同即，則。接收機(jī)將兩個(gè)回波信號(hào)分

25、選出來(lái)，并分別與各自對(duì)應(yīng)的發(fā)射波形進(jìn)行差拍，取出兩個(gè)多普勒頻率成分為：兩者相位差為：，即上述兩個(gè)頻率既可同時(shí)發(fā)射，也可以利用快速轉(zhuǎn)接單個(gè)射頻源的方法進(jìn)行順序發(fā)射。兩個(gè)發(fā)射頻率差大時(shí)可改善距離測(cè)量精度，這是由于大的意味著對(duì)給定的距離，的變化也按比例放大，但的值存在一個(gè)限制。如距離要保持不模糊，就不能大于，即最大不模糊距離為：因此必須小于。上面分析中未考慮目標(biāo)反射引起的相位改變量的影響，詳細(xì)分析見(jiàn)1p187188雙頻雷達(dá)測(cè)距原理的定性解釋：在零距離上兩個(gè)載頻同相位，當(dāng)它們由雷達(dá)向外發(fā)射時(shí)，由于各自頻率不同，故兩信號(hào)間相對(duì)相位差增加。此相位差可用作所經(jīng)過(guò)的時(shí)間的量度。當(dāng)兩信號(hào)在相位上相差又同相時(shí)，則

26、相位的測(cè)量及距離的測(cè)量都將存在模糊。由于在同時(shí)只能測(cè)量一個(gè)相位差，故連續(xù)波雙頻雷達(dá)基本上是單目標(biāo)雷達(dá)。當(dāng)多目標(biāo)出現(xiàn)時(shí)，回波信號(hào)就很復(fù)雜，而且此時(shí)的相位測(cè)量的意義也是含糊的。雙頻連續(xù)波雷達(dá)理論測(cè)距精度由距離的均方根值誤差表示為：上式表明兩射頻信號(hào)頻率差越大則均方根值誤差越小，但由于不模糊測(cè)量要求頻差不能太大，故的選擇必須在測(cè)距精度、最大不模糊距離間取折衷。利用發(fā)射三個(gè)或更多的頻率代替兩個(gè)頻率可同時(shí)獲得高精度和大的不模糊距離測(cè)量。例設(shè)三個(gè)頻率的關(guān)系為：式中一般為10或20量級(jí)的因子。這樣，一對(duì)頻率給出模糊但精確的距離計(jì)量，同時(shí)另一對(duì)頻率選的很接近以解決在測(cè)量時(shí)的模糊。如果還需進(jìn)一步提高精度，可發(fā)射

27、第四個(gè)頻率，從三個(gè)頻率得到低精度但不模糊的測(cè)量用以解模糊。當(dāng)用更多的頻率時(shí)其頻譜和目標(biāo)鑒別力將接近于用脈沖或連續(xù)波調(diào)頻波形所得到的值。用測(cè)量?jī)蓚€(gè)分開(kāi)頻率間的相位差方法進(jìn)行測(cè)距，類似于干涉儀天線那樣利用間隔很遠(yuǎn)的兩部天線，通過(guò)測(cè)量相位差來(lái)測(cè)量角度。干涉儀天線測(cè)角精度高，但有角度模糊，可利用安置在較近的附近天線解決模糊問(wèn)題。在干涉儀天線系統(tǒng)中各個(gè)天線間的空間配置相應(yīng)于多頻測(cè)距技術(shù)中頻率間的間隔。小型跟蹤(Minitrack)系統(tǒng)就是干涉儀的一個(gè)例子，其中角模糊就是以類似所述方法解決的3p81。連續(xù)波多頻雷達(dá)已廣泛應(yīng)用于大地測(cè)量和導(dǎo)彈制導(dǎo)中進(jìn)行精確測(cè)距。命名為微波測(cè)距儀的一種便攜式電子勘測(cè)設(shè)備就是根

28、據(jù)這個(gè)原理工作的。B相位調(diào)制連續(xù)波雷達(dá)前面講述了調(diào)幅、調(diào)頻測(cè)距方法，另一種將定時(shí)標(biāo)志加至連續(xù)波載波以提供目標(biāo)距離的方法是相位調(diào)制(PM)。調(diào)相連續(xù)波雷達(dá)系統(tǒng)采用每經(jīng)秒便將離散相移加至發(fā)射的連續(xù)波信號(hào)的方法來(lái)形成相位編碼波形，以測(cè)量目標(biāo)的距離2p426430。下面討論寬度為的雷達(dá)發(fā)射脈沖的編碼，將寬度分成個(gè)子脈沖，每個(gè)寬度為，然后用載波的相位對(duì)這些子脈沖進(jìn)行編碼。通常有兩種類型的相位編碼技術(shù)：二進(jìn)制相位(雙相)碼、多相位碼。前者可簡(jiǎn)單地用正號(hào)、負(fù)號(hào)表示，正子脈沖標(biāo)志表示沒(méi)有相移而負(fù)脈沖標(biāo)志表示載波有弧度的相移，即相移(反相)。后者較復(fù)雜，它允許在子脈沖基礎(chǔ)上可以有任何的相移，即可能的相位是2p4

29、93495：式中稱為碼的階數(shù)由于兩種類型編碼技術(shù)確定距離的原理相同，這里只研究較簡(jiǎn)單的雙相碼。常用的二進(jìn)制相位編碼有：巴克(Barker)碼、組合式巴克碼和偽隨機(jī)碼(詳細(xì)介紹見(jiàn)文2)。最大長(zhǎng)度的偽隨機(jī)碼(又稱M序列)因容易產(chǎn)生、具有良好的旁瓣特性而得到廣泛應(yīng)用。利用級(jí)移位寄存器得到的M序列的長(zhǎng)度為。相位調(diào)制連續(xù)波雷達(dá)測(cè)定目標(biāo)距離的方法有兩種：(1)將接收波形與存儲(chǔ)的發(fā)射碼進(jìn)行相關(guān); (2)將接收波形與發(fā)射碼的延遲信號(hào)相關(guān)聯(lián)。兩者實(shí)際是一致的，都是利用發(fā)射信號(hào)的自相關(guān)。采用方法(1)時(shí)，接收波形與存儲(chǔ)波形間出現(xiàn)最大相關(guān)時(shí)的時(shí)間對(duì)應(yīng)目標(biāo)距離信息; 而方法(2)中當(dāng)延遲等于發(fā)射信號(hào)的傳輸時(shí)間時(shí)，自相

30、關(guān)函數(shù)便為最大值，否則為最小值，因此使自相關(guān)函數(shù)達(dá)最大值時(shí)的發(fā)射編碼波形的延時(shí)即對(duì)應(yīng)目標(biāo)距離(采用這種方法的雷達(dá)方框圖如圖16)。對(duì)于高距離分辨力，發(fā)射信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)必須具有窄的峰值和低的旁瓣。圖17 周期性M序列的自相關(guān)函數(shù)發(fā)射機(jī)調(diào)制器碼產(chǎn)生器延遲相關(guān)器混頻器圖16 偽隨機(jī)相位調(diào)制連續(xù)波雷達(dá)偽隨機(jī)碼的自相關(guān)函數(shù)具有上述的良好距離分辨力特性。由于碼是周期性的，其自相關(guān)函數(shù)在處及的整數(shù)倍處有峰值，而在其它各處均為(如圖17)?？紤]如圖18所示的三級(jí)線性反饋移位寄存器，初始狀態(tài)設(shè)為111，則輸出M序列為1110010，長(zhǎng)度為。以此作為雙相碼及其形成的連續(xù)波調(diào)制波形見(jiàn)圖19，這種碼在連續(xù)波雷達(dá)系統(tǒng)

31、中具有周期性，即可重復(fù)出現(xiàn)。(a) 雙相碼(b) 未調(diào)制的連續(xù)波波形(c) 調(diào)制后的連續(xù)波波形圖19 相位調(diào)制的連續(xù)波波形1級(jí)2級(jí)3級(jí)輸出圖18 三級(jí)線性反饋移位寄存器雷達(dá)發(fā)射編碼波形為：1110010，1110010，、，依此重復(fù)出現(xiàn)。設(shè)對(duì)應(yīng)于發(fā)射前面一組個(gè)子碼波形的最后一個(gè)的時(shí)刻，令表示信號(hào)在雷達(dá)和目標(biāo)之間的往返時(shí)間。回波信號(hào)被解碼后相應(yīng)發(fā)射碼循環(huán)移位個(gè)，因此必須調(diào)整發(fā)射碼的延遲時(shí)間，使之等于，此時(shí)回波碼與延遲的發(fā)射碼才能達(dá)到最大值(如圖20)。計(jì)算中兩個(gè)同樣符號(hào)的積為1，兩個(gè)不同符號(hào)的積為-1。在用移位寄存器來(lái)產(chǎn)生編碼的雷達(dá)系統(tǒng)中，很容易實(shí)現(xiàn)這種延遲。第級(jí)移位寄存器的輸出已將級(jí)的輸出延遲

32、一個(gè)時(shí)鐘周期，因此，用附加級(jí)聯(lián)的方法便可獲得任何要求的延遲?；夭ㄐ盘?hào)對(duì)應(yīng)的編碼為(回波延遲3個(gè)碼元寬度)：1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 0 1 0發(fā)射信號(hào)的不同延遲為： 計(jì)算結(jié)果：a. 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 0 1 0 -1b. 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 0 1 -1c. 1 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 0 -1d. 0 1 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 7e.

33、 0 0 1 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 -1f. 1 0 0 1 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 -1g. 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 0 1 0 1 -1重復(fù)1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 0 1 0圖20 回波碼與延遲的發(fā)射碼的相關(guān)計(jì)算結(jié)果在相位調(diào)制連續(xù)波雷達(dá)中，為消除距離模糊，發(fā)射波形必須在秒以內(nèi)或更短的時(shí)間內(nèi)返回雷達(dá)。因此，相位調(diào)制連續(xù)波雷達(dá)的最大無(wú)模糊距離為：對(duì)應(yīng)的距離分辨力為：參考文獻(xiàn)1 丁鷺飛主編，雷達(dá)原理，西北電訊工程

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