雷達測距方法

1、雷達測距原理 測量電磁波往返雷達與目標之間的時間。測量電磁波往返雷達與目標之間的時間。對對單基地雷達單基地雷達，設光速為，設光速為c，電磁波往返雷達與目標的時間，電磁波往返雷達與目標的時間為為TR，則目標相對雷達的距離，則目標相對雷達的距離R為：為：據上述公式可得據上述公式可得1微秒微秒(s)對應對應150米米(m)，式中數字，式中數字2表示收表示收發(fā)雙程。發(fā)雙程。2RcTR 2022-2-2哈爾濱工業(yè)大學電子工程系22022-2-2哈爾濱工業(yè)大學電子工程系3對對雙基地雷達雙基地雷達，計算，計算RT+RR有兩種方法：有兩種方法：直接法直接法：間接法間接法：單基地：R=cT/2發(fā)射天線Tx接收天

2、線Rx目標RTRR2022-2-2哈爾濱工業(yè)大學電子工程系4對對雙基地雷達雙基地雷達，具體計算，具體計算RT或或RR需要目標角度信息，如利用需要目標角度信息，如利用目標的接收視線角，則計算公式為：目標的接收視線角，則計算公式為：還有其他多種目標定位方法，具體可參考：還有其他多種目標定位方法，具體可參考：M.I. Skolnik, Radar Handbook: Ch25 Bistatic Radar, 2nd edition, McGraw-Hill, 19902022-2-2哈爾濱工業(yè)大學電子工程系5雷達測距的物理基礎電磁波恒光速傳播電磁波恒光速傳播電磁波直線傳播電磁波直線傳播(直視距情形直

3、視距情形)在均勻大氣中電磁波等速直線傳播。在均勻大氣中電磁波等速直線傳播。沿海面繞射傳播沿海面繞射傳播(超視距情形超視距情形)特殊條件下電磁波沿海面、大氣波導曲線傳播。特殊條件下電磁波沿海面、大氣波導曲線傳播。2022-2-2哈爾濱工業(yè)大學電子工程系6地球表面的大氣層分布是不均勻的。地球表面的大氣層分布是不均勻的。1、大氣密度、溫度、濕度等參數隨時間、大氣密度、溫度、濕度等參數隨時間、地點而變化，導致大氣傳播介質的導磁地點而變化，導致大氣傳播介質的導磁系數和介電常數發(fā)生相應改變，引起系數和介電常數發(fā)生相應改變，引起電電波傳播速度波傳播速度c變化變化。晝夜間大氣中溫度、氣壓及濕度的起伏晝夜間大氣

4、中溫度、氣壓及濕度的起伏變化所引起的傳播速度變化為：變化所引起的傳播速度變化為：丁鷺飛，雷達原理，西電出版社，丁鷺飛，雷達原理，西電出版社，1995地球大氣層510cc2022-2-2哈爾濱工業(yè)大學電子工程系7分層大氣(層內均勻，越高越稀薄)2、大氣介質分布的不均勻將造成、大氣介質分布的不均勻將造成電磁波非直線傳播電磁波非直線傳播(大氣折射大氣折射)。折射系數折射系數n=c/vp折射率折射率N=(n-1)x10hnvpdn/dh0 射線通過徑向分層大氣時的途徑射線通過徑向分層大氣時的途徑美美杰里杰里L. 伊伏斯等編，伊伏斯等編，現代雷達原理現代雷達原理，電子工業(yè)出版社，電子工業(yè)出版社，1991

5、.32022-2-2哈爾濱工業(yè)大學電子工程系8折射效應對目標位置的影響折射效應對目標位置的影響電磁波在非均勻大氣層中傳播時出現的大氣折射，將有電磁波在非均勻大氣層中傳播時出現的大氣折射，將有兩方面影響兩方面影響：1)、改變雷達測量距離，產生測距誤差。、改變雷達測量距離，產生測距誤差。2)、引起俯仰角測量誤差。、引起俯仰角測量誤差。折射的影響可采用折射的影響可采用等效地球半徑法等效地球半徑法近似說明。近似說明?，F代雷達原理現代雷達原理P602022-2-2哈爾濱工業(yè)大學電子工程系9 高頻地波超視距雷達正是利用高頻垂直極化電磁波沿海面繞射的特高頻地波超視距雷達正是利用高頻垂直極化電磁波沿海面繞射的

6、特性探測超視距的海面艦船和低空飛機。性探測超視距的海面艦船和低空飛機。電磁波沿海面的繞射傳播電磁波沿海面的繞射傳播TBMs Out to 700KmHorizonSurface wave PropagationShip Detection andTracking at 200KmFighter and Small Boat Detection and Tracking at 74KmLine-of-Sight PropagationAntiship Missiles Detection and Tracking at 37Km2022-2-2哈爾濱工業(yè)大學電子工程系10地基地基/艦載雷達實現超

7、視距探測的主要手段有：艦載雷達實現超視距探測的主要手段有：高頻地波超視距雷達高頻地波超視距雷達High Frequency Surface Wave OTH Radar 高頻地波超視距雷達正是利用高頻高頻地波超視距雷達正是利用高頻(330MHz)垂直極化電磁波沿海面垂直極化電磁波沿海面繞射的特性探測超視距的海面艦船和低空飛機，沿海面繞射繞射的特性探測超視距的海面艦船和低空飛機，沿海面繞射300400km。高頻天波雷達高頻天波雷達High Frequency Skywave OTH Radar 高頻天波超視距雷達利用電離層對短波的反射效應，其探測距離可達高頻天波超視距雷達利用電離層對短波的反射效

8、應，其探測距離可達1000至至4000km。高頻天發(fā)地收超視距雷達高頻天發(fā)地收超視距雷達High Frequency Hybrid Sky-Surface Wave OTH Radar 基于天波發(fā)射地波接收的新體制雷達，將目前采用的高頻天波超視距基于天波發(fā)射地波接收的新體制雷達，將目前采用的高頻天波超視距雷達和高頻地波超視距雷達的傳播模式相結合，可發(fā)揮各自的優(yōu)勢。基于雷達和高頻地波超視距雷達的傳播模式相結合，可發(fā)揮各自的優(yōu)勢?；谔觳òl(fā)射的高頻電磁波信號，是利用電離層對高頻電磁波的折射，實現遠天波發(fā)射的高頻電磁波信號，是利用電離層對高頻電磁波的折射，實現遠距離的傳播。由于電離層對電磁波的衰減較

9、小，這種傳播方式可實現信號距離的傳播。由于電離層對電磁波的衰減較小，這種傳播方式可實現信號的遠距離傳播，通常情況下可達的遠距離傳播，通常情況下可達2000km-4000km，并且覆蓋區(qū)域非常大。，并且覆蓋區(qū)域非常大。 2022-2-2哈爾濱工業(yè)大學電子工程系112022-2-2哈爾濱工業(yè)大學電子工程系12微波超視距雷達微波超視距雷達 利用海上大氣波導利用海上大氣波導(大氣超折射和對流層非均勻散射大氣超折射和對流層非均勻散射)傳播效應是此系傳播效應是此系統(tǒng)在微波段實現超視距探測的基礎，分別對應主動、被動工作方式。統(tǒng)在微波段實現超視距探測的基礎，分別對應主動、被動工作方式。 詳細分析：見詳細分析：

10、見電磁波傳播特性電磁波傳播特性章節(jié)。章節(jié)。dn/dh比正常值更負時，比正常值更負時，電波更加向地面彎曲。電波更加向地面彎曲。2022-2-2哈爾濱工業(yè)大學電子工程系13美國Raytheon公司高頻地波雷達SWR-503的接收天線陣澳大利亞Jindaleee高頻天波雷達接收天線陣2022-2-2哈爾濱工業(yè)大學電子工程系14現代級：136-139中華現代：168-169中華神盾：170-171俄制MINERAL-ME目標指示/射控雷達(Bandstand音樂臺)利用大氣波導2022-2-2哈爾濱工業(yè)大學電子工程系15雷達測距的實現方法物理解釋：物理解釋： 一般地說單載頻的連續(xù)波雷達沒有測距能力，這

11、與其發(fā)射信號帶寬一般地說單載頻的連續(xù)波雷達沒有測距能力，這與其發(fā)射信號帶寬太窄有關。若必須測量距離，則需要在連續(xù)波發(fā)射信號上加上某些定時太窄有關。若必須測量距離，則需要在連續(xù)波發(fā)射信號上加上某些定時標志以識別發(fā)射的時間和回波時間。標志越尖銳、鮮明，則傳輸時間的標志以識別發(fā)射的時間和回波時間。標志越尖銳、鮮明，則傳輸時間的測量越準確。由傅立葉變換知：定時標志越尖銳，則發(fā)射信號的頻譜越測量越準確。由傅立葉變換知：定時標志越尖銳，則發(fā)射信號的頻譜越寬。因此為了測量傳輸時間或距離，則必須寬。因此為了測量傳輸時間或距離，則必須擴展單載頻連續(xù)波的頻譜擴展單載頻連續(xù)波的頻譜。實現方法：實現方法： 調幅調幅脈

12、沖法測距脈沖法測距 調頻調頻頻率法測距頻率法測距 調相調相相位法測距相位法測距2022-2-2哈爾濱工業(yè)大學電子工程系16D.K. Barton et al, Radar Technology Encyclopedia, Artech House, Inc., 19982022-2-2哈爾濱工業(yè)大學電子工程系17脈沖法測距的優(yōu)缺點2022-2-2哈爾濱工業(yè)大學電子工程系18脈沖雷達常規(guī)脈沖雷達是幅度調制的一個例子，其發(fā)射波形是單載頻的矩形脈沖常規(guī)脈沖雷達是幅度調制的一個例子，其發(fā)射波形是單載頻的矩形脈沖，按一定的，按一定的(單重復周期單重復周期)或交錯的重復周期或交錯的重復周期(參差重復周期參

13、差重復周期)工作，工作，發(fā)射一發(fā)射一個短脈沖相當于對電磁波打上標記個短脈沖相當于對電磁波打上標記以測往返時間以測往返時間。B.R. Mahafza et al, Matlab simulations for radar systems design, Chapman & Hall/CRC, 2004單載頻信號2022-2-2哈爾濱工業(yè)大學電子工程系19脈沖雷達的天線是收發(fā)共用的，這需要一個收發(fā)轉換開關。在發(fā)射時，收脈沖雷達的天線是收發(fā)共用的，這需要一個收發(fā)轉換開關。在發(fā)射時，收發(fā)開關使天線與發(fā)射機接通，并與接收機斷開，以免高功率的發(fā)射信號進發(fā)開關使天線與發(fā)射機接通，并與接收機斷開，以免

14、高功率的發(fā)射信號進入接收機把高放或混頻器燒毀。接收時，天線與接收機接通，并與發(fā)射機入接收機把高放或混頻器燒毀。接收時，天線與接收機接通，并與發(fā)射機斷開，以免因發(fā)射機旁路而使微弱的接收信號受損失。斷開，以免因發(fā)射機旁路而使微弱的接收信號受損失。2022-2-2哈爾濱工業(yè)大學電子工程系20雷達測距的幾個基本概念下面以脈沖雷達信號為例介紹幾個測距的基本概念：下面以脈沖雷達信號為例介紹幾個測距的基本概念：脈沖寬度脈沖寬度(pulse width) 脈沖重復周期脈沖重復周期PRI (Pulse Repetition Interval) 脈沖重復頻率脈沖重復頻率PRF (Pulse Repetition

15、Frequency) 占空比占空比(duty cycle) 峰值功率峰值功率Pt與平均功率與平均功率Pav 典型中程防空雷達參數：典型中程防空雷達參數：rTrTrtavTPPrrTf1KW，PMW，PmsTsavtr1100011 ,1 ,1則占空比為rT簡單矩形脈沖波形2022-2-2哈爾濱工業(yè)大學電子工程系21距離分辨力：距離分辨力：距離分辨力是指同一方向上兩個大小相等點目標之間最小可區(qū)分距距離分辨力是指同一方向上兩個大小相等點目標之間最小可區(qū)分距離，它取決于雷達信號波形。離，它取決于雷達信號波形。 )0( ),2(21rr)2( ),(21rr0tt2022-2-2哈爾濱工業(yè)大學電子工程

16、系22)0( ),(21rr2022-2-2哈爾濱工業(yè)大學電子工程系23對簡單脈沖雷達而言，脈沖越窄，距離分辨力越好。而從信號檢測角度講，希望對簡單脈沖雷達而言，脈沖越窄，距離分辨力越好。而從信號檢測角度講，希望發(fā)射脈沖寬度越寬越好，這樣輻射出去的能量越大，目標回波信號越強，越有利發(fā)射脈沖寬度越寬越好，這樣輻射出去的能量越大，目標回波信號越強，越有利于信號檢測。顯然于信號檢測。顯然這是一對不可調和的矛盾，可以采用脈沖壓縮信號加以解決這是一對不可調和的矛盾，可以采用脈沖壓縮信號加以解決。 2022-2-2哈爾濱工業(yè)大學電子工程系24測距范圍：測距范圍：包括最小可測距離和最大單值測距范圍。包括最小

17、可測距離和最大單值測距范圍。最小可測距離最小可測距離指雷達能測量的最近目標的距離。脈沖雷達收發(fā)共用天線，在指雷達能測量的最近目標的距離。脈沖雷達收發(fā)共用天線，在發(fā)射脈沖寬度發(fā)射脈沖寬度時間內，接收機和天線饋線系統(tǒng)間是斷開的，不能正常接收目標回時間內，接收機和天線饋線系統(tǒng)間是斷開的，不能正常接收目標回波。發(fā)射脈沖過去后天線收發(fā)開關恢復到接收狀態(tài)，也需要一段時間波。發(fā)射脈沖過去后天線收發(fā)開關恢復到接收狀態(tài)，也需要一段時間t0。在上述這。在上述這段時間內，由于不能正常接收回波信號，雷達是很難進行測距的。因此，雷達的段時間內，由于不能正常接收回波信號，雷達是很難進行測距的。因此，雷達的最小可測距離為：

18、最小可測距離為： 雷達的雷達的最大單值測距范圍最大單值測距范圍由其脈沖重復周期決定，即由其脈沖重復周期決定，即 當確定了雷達的最大作用距離當確定了雷達的最大作用距離 后，為保證單值測距，通常選取雷達脈沖重復后，為保證單值測距，通常選取雷達脈沖重復周期滿足下列條件：周期滿足下列條件： )(210mintcRrcTR21maxmaxRmax2RcTr)(21maxrTcRrT2022-2-2哈爾濱工業(yè)大學電子工程系25測距模糊：測距模糊：當回波延遲超過脈沖重復周期時，會把遠目標誤認為近目標，當回波延遲超過脈沖重復周期時，會把遠目標誤認為近目標，即目標回波對應的距離為：即目標回波對應的距離為： 式中

19、式中 為非負整數，為非負整數， 為接收的回波信號與最鄰近發(fā)射脈沖間的延遲。為接收的回波信號與最鄰近發(fā)射脈沖間的延遲。 如果雷達重復頻率如果雷達重復頻率 選得過高選得過高(如在脈沖多普勒雷達中為了保證無如在脈沖多普勒雷達中為了保證無測速模糊測速模糊)，測距有可能出現多值性。此時，測距有可能出現多值性。此時無模糊測距、無模糊測速又成無模糊測距、無模糊測速又成為一對矛盾為一對矛盾(MTI 、PD雷達各有側重點雷達各有側重點)。 測距模糊解釋及示意圖如下：測距模糊解釋及示意圖如下：rrTf1)(21RrtmTcRmRtrRTtt02022-2-2哈爾濱工業(yè)大學電子工程系262022-2-2哈爾濱工業(yè)大

20、學電子工程系27雷達測距解模糊的方法為了得到目標的真實距離為了得到目標的真實距離R，必須判定測距模糊值，必須判定測距模糊值m。為了判。為了判別模糊，必須對周期發(fā)射的脈沖信號再加上某些可識別的標別模糊，必須對周期發(fā)射的脈沖信號再加上某些可識別的標志，通常采用的解模糊方法有：志，通常采用的解模糊方法有： 多種脈沖重復頻率法多種脈沖重復頻率法舍脈沖法舍脈沖法)(21RrtmTcR2022-2-2哈爾濱工業(yè)大學電子工程系28雙脈沖重復頻率解模糊rrrrrrrrrTttffftfttfffnntt1212112221212134 14332t1fr1)，它們都不滿足無模，它們都不滿足無模糊測距的要求，糊

21、測距的要求，fr1和和fr2具有公約頻率為具有公約頻率為fr=fr1/N=fr2/(N+a)，其中，其中N, a為正整數。為正整數。 常選常選a=1使使N和和N+a為互質數，且為互質數，且fr的選擇應保證無模糊測的選擇應保證無模糊測距，即距，即0tRTr=N*Tr1=(N+1)*Tr2。這樣有。這樣有fr2=(N+1)fr=fr1+frtR=t1+n1/fr1=t2+n2/fr2則在則在0tR=2，m1, m2, , mn是兩兩互素的正整數，令是兩兩互素的正整數，令M=m1m2mn=m1M1=m2M2=mnMn，則同余式組，則同余式組有且僅有解有且僅有解 的最小整數是滿足式中nkmMkkkk,

22、 2 , 1 ), (mod 12022-2-2哈爾濱工業(yè)大學電子工程系31多脈沖重復頻率解模糊)mod( )mod( )mod( 2211nn mcx mcx mcx) (mod 222111McMcMcMxnnn2022-2-2哈爾濱工業(yè)大學電子工程系32 將中國余數定理應用到解測距模糊問題時，將中國余數定理應用到解測距模糊問題時，m1, m2, , mn相當于所選相當于所選n個脈沖重復周期的比值，即個脈沖重復周期的比值，即或者或者即即fr為為fr1, fr2, , frn的公約數的公約數 在多脈沖重復頻率情況下，所能獲得的最大脈寬為在多脈沖重復頻率情況下，所能獲得的最大脈寬為 參見：W.

23、A. Skillman and D.H. Mooney, Multiple High-PRF Ranging, IRE 5th National Convention on Military Electronics, 1961, pp3740 (收入書中：D.K. Barton, Radars, Volume 7: CW and Doppler Radar, Artech House, Inc., 1978, pp205213)rnnrnrrfmmmmTmTmT2122111nrnrrrMfMfMff2211rnfmmm2112022-2-2哈爾濱工業(yè)大學電子工程系33設設n1, n2, , nn分別為采用脈沖重復頻率分別為采用脈沖重復頻率fr1, fr2, , frn測量時的距離門數，即測量時的距離門數，即模糊時間延遲模糊時間延遲tn與脈寬與脈寬 比值的整數。這樣設目標的真實時間延遲為比值的整數。這樣設目標的真實時間延遲為tR，則，則)mod( )mod( )mod( 2222211111rnnRnrnnRrRrRrR