雷達(dá)原理_第6章

1、第五章第五章 作業(yè)解題方法作業(yè)解題方法第五章第五章 作業(yè)解題方法作業(yè)解題方法第五章第五章 作業(yè)解題方法作業(yè)解題方法第五章第五章 作業(yè)解題方法作業(yè)解題方法第五章第五章 作業(yè)解題方法作業(yè)解題方法第五章第五章 作業(yè)解題方法作業(yè)解題方法第五章第五章 作業(yè)解題方法作業(yè)解題方法第五章第五章 作業(yè)解題方法作業(yè)解題方法第五章第五章 作業(yè)解題方法作業(yè)解題方法第五章第五章 作業(yè)解題方法作業(yè)解題方法第五章第五章 作業(yè)解題方法作業(yè)解題方法第五章第五章 作業(yè)解題方法作業(yè)解題方法第五章第五章 作業(yè)解題方法作業(yè)解題方法第五章第五章 作業(yè)解題方法作業(yè)解題方法第六章第六章 目標(biāo)距離的測(cè)量目標(biāo)距離的測(cè)量電話電話:15182388

2、504 V網(wǎng)網(wǎng): 66286 西南科技大學(xué)國(guó)防科技學(xué)院西南科技大學(xué)國(guó)防科技學(xué)院黃傳波黃傳波 6.1 脈沖法測(cè)距脈沖法測(cè)距 6.2 調(diào)頻法測(cè)距調(diào)頻法測(cè)距 6.3 距離跟蹤原理距離跟蹤原理 6.4 數(shù)字式自動(dòng)測(cè)距器數(shù)字式自動(dòng)測(cè)距器 目標(biāo)距離的測(cè)量目標(biāo)距離的測(cè)量q 目標(biāo)距離測(cè)量基本方法目標(biāo)距離測(cè)量基本方法 q 脈沖法測(cè)距、調(diào)頻法測(cè)距的基本原理脈沖法測(cè)距、調(diào)頻法測(cè)距的基本原理q 影響測(cè)距的主要時(shí)間誤差、距離分辨力的含義影響測(cè)距的主要時(shí)間誤差、距離分辨力的含義q 判距離模糊的基本方法、脈沖調(diào)頻測(cè)距基本計(jì)算公判距離模糊的基本方法、脈沖調(diào)頻測(cè)距基本計(jì)算公式式q 距離跟蹤基本原理、數(shù)字式測(cè)距基本原理距離跟蹤基

3、本原理、數(shù)字式測(cè)距基本原理q 脈沖法測(cè)距、調(diào)頻法測(cè)距原理脈沖法測(cè)距、調(diào)頻法測(cè)距原理q 判距離模糊方法判距離模糊方法q 距離跟蹤基本原理距離跟蹤基本原理 一、測(cè)距的物理基礎(chǔ)和基本原理電磁波在均勻介質(zhì)中以光速勻速直線傳播測(cè)量目標(biāo)回波滯后于發(fā)射信號(hào)的延遲時(shí)間二、 的測(cè)量脈沖雷達(dá)采用脈沖法連續(xù)波雷達(dá)采用頻率法和相位法 RtRt概述概述 測(cè)量目標(biāo)的距離是雷達(dá)的基本任務(wù)之一。 無(wú)線電波在均勻介質(zhì)中以固定的速度直線傳播(在自由空間傳播速度約等于光速c=3105 km/s)。圖6.1中, 雷達(dá)位于A點(diǎn), 而在B點(diǎn)有一目標(biāo), 則目標(biāo)至雷達(dá)站的距離(即斜距)R可以通過測(cè)量電波往返一次所需的時(shí)間tR得到，即 RRc

4、tRcRt212(6.0.1) 概述概述圖6.1 目標(biāo)距離的測(cè)量 RAB概述概述v 脈沖法脈沖法v 頻率法頻率法v 相位法相位法而時(shí)間tR也就是回波相對(duì)于發(fā)射信號(hào)的延遲,因此, 目標(biāo)距目標(biāo)距離測(cè)量就是要精確測(cè)定延遲時(shí)間離測(cè)量就是要精確測(cè)定延遲時(shí)間tR。根據(jù)雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的不同,測(cè)定延遲時(shí)間通?？梢圆捎茫焊攀龈攀?.1 脈沖法測(cè)距脈沖法測(cè)距 6.1.1 基本原理基本原理 在常用的脈沖雷達(dá)中, 回波信號(hào)是滯后于發(fā)射脈沖tR的回波脈沖。在熒光屏上目標(biāo)回波出現(xiàn)的時(shí)刻滯后于主波, 滯后的時(shí)間就是tR, 測(cè)量距離就是測(cè)量距離就是要測(cè)出時(shí)間要測(cè)出時(shí)間tR 。1.1.在顯示器上測(cè)距在顯示器上測(cè)距ptCR 21p

5、ntvl npvltR=0.15 tR (6.1.1) 回波信號(hào)的延遲時(shí)間tR通常是很短促的, 將光速c=3105 km/s的值代入式(6.0.1)后得到 其中tR的單位為s, 測(cè)得的距離其單位為km, 即測(cè)距的計(jì)時(shí)單位是微秒。測(cè)量這樣量級(jí)的時(shí)間需要采用快速計(jì)時(shí)快速計(jì)時(shí)的方法。早期雷達(dá)早期雷達(dá)均用顯示器作為終端, 在顯示器畫面上根據(jù)掃掠量程和回波位置直接測(cè)讀延遲時(shí)間。 現(xiàn)代雷達(dá)現(xiàn)代雷達(dá)常常采用電子設(shè)備自動(dòng)自動(dòng)地測(cè)讀回波到達(dá)的遲延時(shí)間tR。 6.1 脈沖法測(cè)距脈沖法測(cè)距 2、確定回波到達(dá)的位置、確定回波到達(dá)的位置有兩種定義回波到達(dá)時(shí)間兩種定義回波到達(dá)時(shí)間tR的方法的方法：v 一種是以目標(biāo)回波脈沖

6、的前沿前沿作為它的到達(dá)時(shí)刻; v 另一種是以回波脈沖的中心中心(或最大值或最大值)作為它的到達(dá)時(shí)刻。 對(duì)于通常碰到的點(diǎn)目標(biāo)來(lái)講, 兩種定義所得的距離數(shù)據(jù)只相差一個(gè)固定值(約為/2), 可以通過距離校零予以消除。如果要測(cè)定目標(biāo)回波的前沿, 由于實(shí)際的回波回波信號(hào)不是矩形脈沖而近似為不是矩形脈沖而近似為鐘形鐘形, 此時(shí)可將回波信號(hào)與一比較電平相比較與一比較電平相比較, 把回波信號(hào)穿越比較電平的時(shí)刻作為其前沿。 用電壓比較器是不難實(shí)現(xiàn)上述要求的。用脈沖前沿作為到達(dá)時(shí)刻的缺點(diǎn)缺點(diǎn)是容易受回波大小及噪聲的影響, 比較電平不穩(wěn)也會(huì)引起誤差。 6.1 脈沖法測(cè)距脈沖法測(cè)距 圖6.3 回波脈沖中心估計(jì) 匹 配

7、濾波器包絡(luò)檢波微分(d / dt)門限過零點(diǎn)檢 測(cè)tt本 振6.1 脈沖法測(cè)距脈沖法測(cè)距 前沿法：以目標(biāo)回波脈沖的前沿測(cè)量到達(dá)時(shí)間 特點(diǎn)：物理概念清楚（適用于人工測(cè)量） 前沿受回波大小及噪聲影響中心法：以回波脈沖的中心測(cè)量回波到達(dá)時(shí)間 特點(diǎn)：到達(dá)時(shí)間的測(cè)量不受波形的影響 適用于自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，采用專用電路；6.1 脈沖法測(cè)距脈沖法測(cè)距 6.1.2 影響測(cè)距精度的因素影響測(cè)距精度的因素 雷達(dá)在測(cè)量目標(biāo)距離時(shí), 不可避免地會(huì)產(chǎn)生誤差, 它從數(shù)量上說(shuō)明了測(cè)距精度, 是雷達(dá)站的主要參數(shù)之一。 由測(cè)距公式可以看出影響測(cè)量精度的因素。對(duì)式(6.1.1)求全微分, 得到 RRRdtcdccRdttRdccRd

8、R2用增量代替微分, 可得到測(cè)距誤差為 RtcccRR2(6.1.2) 式中, c為電波傳播速度平均值的誤差; tR為測(cè)量目標(biāo)回波延遲時(shí)間的誤差。 6.1 脈沖法測(cè)距脈沖法測(cè)距 由式(6.1.2)可看出, 測(cè)距誤差由電波傳播速度測(cè)距誤差由電波傳播速度c的變化的變化c以及測(cè)時(shí)誤差以及測(cè)時(shí)誤差tR兩部分組成兩部分組成。 誤差按其性質(zhì)可分為系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差兩類。誤差按其性質(zhì)可分為系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差兩類。 系統(tǒng)誤差系統(tǒng)誤差是指在測(cè)距時(shí), 系統(tǒng)各部分對(duì)信號(hào)的固定延時(shí)所造成的誤差, 系統(tǒng)誤差以多次測(cè)量的平均值與被測(cè)距離真實(shí)值之差來(lái)表示。從理論上講, 系統(tǒng)誤差在校準(zhǔn)雷達(dá)時(shí)可以補(bǔ)償可以補(bǔ)償?shù)? 實(shí)際工作中很

9、難完善地補(bǔ)償 , 因此在雷達(dá)的技術(shù)參數(shù)中, 常給出允許的系統(tǒng)誤差范圍。 RtcccRR2(6.1.2) 6.1 脈沖法測(cè)距脈沖法測(cè)距 隨機(jī)誤差隨機(jī)誤差系指因某種偶然因素引起的測(cè)距誤差, 所以又稱偶然誤差。v 凡屬設(shè)備本身工作不穩(wěn)定性造成的隨機(jī)誤差稱為設(shè)備誤差設(shè)備誤差, 如接收時(shí)間滯后的不穩(wěn)定性、各部分回路參數(shù)偶然變化、晶體振蕩器頻率不穩(wěn)定以及讀數(shù)誤差等。 v 凡屬系統(tǒng)以外的各種偶然因素引起的誤差稱為外界誤差外界誤差, 如電波傳播速度的偶然變化、電波在大氣中傳播時(shí)產(chǎn)生折射以及目標(biāo)反射中心的隨機(jī)變化等。 隨機(jī)誤差一般不能補(bǔ)償不能補(bǔ)償?shù)? 因?yàn)樗诙啻螠y(cè)量中所得的距離值不是固定的而是隨機(jī)的。因此,

10、隨機(jī)誤差是衡量測(cè)距精度的主要指標(biāo)。隨機(jī)誤差是衡量測(cè)距精度的主要指標(biāo)。6.1 脈沖法測(cè)距脈沖法測(cè)距 電波傳播速度變化產(chǎn)生的誤差電波傳播速度變化產(chǎn)生的誤差 如果大氣是均勻的, 則電磁波在大氣中的傳播是等速直線, 此時(shí)測(cè)距公式(6.0.1)中的c值可認(rèn)為是常數(shù)。 但實(shí)際上大氣層的分布是不均勻的且其參數(shù)隨時(shí)間、地點(diǎn)而變化。大氣密度、濕度、 溫度等參數(shù)的隨機(jī)變化, 導(dǎo)致大氣傳播介質(zhì)的導(dǎo)磁系數(shù)和介電常數(shù)也發(fā)生相應(yīng)的改變, 因而電波傳播速度c不是常量而是一個(gè)隨機(jī)變量。由式(6.1.2)可知, 由于電波傳播速度的隨機(jī)誤差而引起的相對(duì)測(cè)距誤差為 ccRR(6.1.3) 6.1 脈沖法測(cè)距脈沖法測(cè)距 隨著距離R的

11、增大, 由電波速度的隨機(jī)變化所引起的測(cè)距誤差R也增大。在晝夜間大氣中溫度、氣壓及濕度的起伏變化所引起的傳播速度變化為c/c10-5, 若用平均值c作為測(cè)距計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)常數(shù), 則所得測(cè)距精度亦為同樣量級(jí), 例如R=60 km時(shí), R=6010310-5=0.6m的數(shù)量級(jí),對(duì)常規(guī)雷達(dá)來(lái)講可以忽略。 電波在大氣中的平均傳播速度和光速亦稍有差別, 且隨工作波長(zhǎng)而異, 因而在測(cè)距公式(6.0.1)中的c值亦應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況校準(zhǔn)值亦應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況校準(zhǔn), 否則會(huì)引起系統(tǒng)誤差, 表6.1列出了幾組實(shí)測(cè)的電波傳播速度值。6.1 脈沖法測(cè)距脈沖法測(cè)距 表表6.1 在不同條件下電磁波傳播速度在不同條件下電磁波傳播速度

12、6.1 脈沖法測(cè)距脈沖法測(cè)距 因大氣折射引起的誤差因大氣折射引起的誤差 當(dāng)電波在大氣中傳播時(shí), 由于大氣介質(zhì)分布不均勻介質(zhì)分布不均勻?qū)⒃斐呻姴ㄕ凵? 因此電波傳播的路徑不是直線而是走過一個(gè)彎曲的軌跡不是直線而是走過一個(gè)彎曲的軌跡。在正折射時(shí)電波傳播途徑為一向下彎曲的弧線。 18/1116.1 脈沖法測(cè)距脈沖法測(cè)距 0RRR(6.1.4) 由圖6.4可看出, 雖然目標(biāo)的真實(shí)距離是R0, 但因電波傳播不是直線而是彎曲弧線, 故所測(cè)得的回波延遲時(shí)間tR=2R/c,這就產(chǎn)生一個(gè)測(cè)距誤差(同時(shí)還有測(cè)仰角的誤差): 圖6.4 大氣層中電波的折射 RR0H地面目標(biāo)視在位置目標(biāo)真實(shí)位置6.1 脈沖法測(cè)距脈沖法

13、測(cè)距 R的大小和大氣層對(duì)電波的折射率有直接關(guān)系的大小和大氣層對(duì)電波的折射率有直接關(guān)系。如果知道了折射率和高度的關(guān)系, 就可以計(jì)算出不同高度和距離的目標(biāo)由于大氣折射所產(chǎn)生的距離誤差, 從而給測(cè)量值以必要的修正。 當(dāng)目標(biāo)距離越遠(yuǎn)、高度越高時(shí), 由折射所引起的測(cè)距誤差R也越大。例如在一般大氣條件下, 當(dāng)目標(biāo)距離為100 km, 仰角為0.1rad時(shí), 距離誤差為16 m的量級(jí)。 上述兩種誤差, 都是由雷達(dá)外部因素造成的, 故稱之為外界誤差外界誤差。無(wú)論采用什么測(cè)距方法都無(wú)法避免這些誤差, 只能根據(jù)具體情況, 作一些可能的校準(zhǔn)。 6.1 脈沖法測(cè)距脈沖法測(cè)距 測(cè)讀方法誤差測(cè)讀方法誤差 測(cè)距所用具體方法

14、不同, 其測(cè)距誤差亦有差別。早期的脈沖雷達(dá)早期的脈沖雷達(dá)直接從顯示器上測(cè)量目標(biāo)距離, 這時(shí)顯示器熒光屏亮點(diǎn)的直徑大小、所用機(jī)械或電刻度的精度、人工測(cè)讀時(shí)的慣性等都將引起測(cè)距誤差。當(dāng)采用電子自動(dòng)測(cè)距電子自動(dòng)測(cè)距的方法時(shí), 如果測(cè)讀回波脈沖中心, 則圖6.3中回波中心的估計(jì)誤差(正比于脈寬而反比于信噪比)以及計(jì)數(shù)器的量化誤差等均將造成測(cè)距誤差。 自動(dòng)測(cè)距時(shí)的測(cè)量誤差與測(cè)距系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)傳遞函數(shù)、目標(biāo)特性(包括其動(dòng)態(tài)特性和回波起伏特性)、干擾(噪聲)的強(qiáng)度等因素均有關(guān)系, 詳情可參考測(cè)距系統(tǒng)有關(guān)資料。 6.1 脈沖法測(cè)距脈沖法測(cè)距 22281eotBNEr 當(dāng)混雜噪聲為限帶高斯白噪聲限帶高斯白噪聲

15、，輸入信號(hào)的復(fù)調(diào)制函數(shù)為u(t), 輸入x(t)=u(t)+n(t)經(jīng)匹配濾波器經(jīng)匹配濾波器輸出取包絡(luò)后，求信號(hào)最大出現(xiàn)的時(shí)間即為時(shí)延估值。 理論分析證明，其估值方差 為 2rt式中，E為信號(hào)能量；N0為噪聲功率譜密度；Be為信號(hào)u(t)的均方根帶寬， dffUffdffUffBe2222| )(;)| )(|(6.1 脈沖法測(cè)距脈沖法測(cè)距 若令=2Be, 則 2222121ototNENErr上式表明，時(shí)延估值均方根誤差反比于信號(hào)噪聲比及信號(hào)的均方根誤差時(shí)延估值均方根誤差反比于信號(hào)噪聲比及信號(hào)的均方根誤差。例如，高斯脈沖的測(cè)時(shí)均方根差 6.1 脈沖法測(cè)距脈沖法測(cè)距 otNEBr218. 1B

16、為脈沖頻譜半功率點(diǎn)寬度。線性調(diào)頻脈沖的oLtNEBr23BL為其調(diào)制帶寬。 6.1 脈沖法測(cè)距脈沖法測(cè)距 6.1.3 距離分辨力和測(cè)距范圍距離分辨力和測(cè)距范圍 距離分辨力是指同一方向上兩個(gè)大小相等點(diǎn)目標(biāo)之間最小可區(qū)分距距離分辨力是指同一方向上兩個(gè)大小相等點(diǎn)目標(biāo)之間最小可區(qū)分距離。離。在顯示器上測(cè)距時(shí), 分辨力主要取決于回波的脈沖寬度, 同時(shí)也和光點(diǎn)直徑d所代表的距離有關(guān)。如圖6.5所示的兩個(gè)點(diǎn)目標(biāo)回波的矩形脈沖之間間隔為+d/n, 其中n為掃掠速度, 這是距離可分的臨界情況, 這時(shí)定義距離分辨力rc為 ncvdcr2式中, d為光點(diǎn)直徑; n為光點(diǎn)掃掠速度(cm/s)。 dvn光點(diǎn)直徑dvn圖

17、6.5 距離分辨力6.1 脈沖法測(cè)距脈沖法測(cè)距 用電子方法測(cè)距或自動(dòng)測(cè)距時(shí)用電子方法測(cè)距或自動(dòng)測(cè)距時(shí), 距離分辨力由脈沖寬度距離分辨力由脈沖寬度或波門寬度或波門寬度e決決定定, 如圖6.3所示, 脈沖越窄, 距離分辨力越好。 對(duì)于復(fù)雜的脈沖壓縮信號(hào), 決定距離分辨力的是雷達(dá)信號(hào)的有效帶寬有效帶寬B, 有效帶寬越寬, 距離分辨力越好。 距離分辨力rc可表示為 Bcrc12(6.1.5) 測(cè)距范圍測(cè)距范圍包括最小可測(cè)距離和最大單值測(cè)距范圍。所謂最小可測(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“斷開斷開”的, 不能正常接收目標(biāo)回

18、波, 發(fā)射脈沖過去后天線收發(fā)開關(guān)恢復(fù)到接收狀態(tài), 也需要一段時(shí)間t0, 在這段時(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 6.1 脈沖法測(cè)距脈沖法測(cè)距 )(210mintcR(6.1.6) 雷達(dá)的最大單值測(cè)距范圍由其脈沖重復(fù)周期Tr決定。為保證單值測(cè)距, 通常應(yīng)選取 max2RcTrRmxa為被測(cè)目標(biāo)的最大作用距離。 有時(shí)雷達(dá)重復(fù)頻率的選擇不能滿足單值測(cè)距的要求不能滿足單值測(cè)距的要求, 例如在脈沖多卜勒雷達(dá)或遠(yuǎn)程雷達(dá), 這時(shí)目標(biāo)回波對(duì)應(yīng)的距離R為 )(2RrtmTcRm為正整數(shù) (6.1.7) 式中，tR為測(cè)得的回波信號(hào)與發(fā)射脈沖間的時(shí)延。這時(shí)將

19、產(chǎn)生測(cè)距模糊測(cè)距模糊, 為了得到目標(biāo)的真實(shí)距離R, 必須判明式(6.1.7)中的模糊值m。 6.1 脈沖法測(cè)距脈沖法測(cè)距 最大單值可測(cè)距離最大單值可測(cè)距離顯示器能夠顯示的最大距離顯示器能夠顯示的最大距離RtRt實(shí)際實(shí)際測(cè)量值測(cè)量值理論值理論值6.1 脈沖法測(cè)距脈沖法測(cè)距 為了提高單值可測(cè)距離可采用:降低重復(fù)頻率多重頻率法舍脈沖法6.1 脈沖法測(cè)距脈沖法測(cè)距 6.1.4 判距離模糊的方法判距離模糊的方法 多種重復(fù)頻率判模糊多種重復(fù)頻率判模糊 設(shè)重復(fù)頻率分別為fr1和fr2, 它們都不能滿足不模糊測(cè)距的要求。fr1和fr2具有公約頻率，其為fr, aNfNffrrr21N和a為正整數(shù), 常選a=1

20、, 使N和N+a為互質(zhì)數(shù)。fr的選擇應(yīng)保證不模糊測(cè)距。6.1 脈沖法測(cè)距脈沖法測(cè)距 雷達(dá)以fr1和fr2的重復(fù)頻率交替發(fā)射脈沖信號(hào)。通過記憶重合裝置, 將不同的fr發(fā)射信號(hào)進(jìn)行重合, 重合后的輸出是重復(fù)頻率fr的脈沖串。同樣也可得到重合后的接收脈沖串重合后的接收脈沖串, 二者之間的時(shí)延代表目標(biāo)的真實(shí)距離二者之間的時(shí)延代表目標(biāo)的真實(shí)距離, 如圖6.6(a)所示。 6.1 脈沖法測(cè)距脈沖法測(cè)距 圖 6.6 判距離模糊 (a) 用雙重高重復(fù)頻率測(cè)距; (b) “舍脈沖”法判模糊 (a)發(fā) fr1收 fr1發(fā) fr2收 fr2tRt1t2tRTn0tR6.1 脈沖法測(cè)距脈沖法測(cè)距 以二重復(fù)頻率為例,

21、222111rrRfntfnttn1, n2分別為用fr1和fr2測(cè)距時(shí)的模糊數(shù)。當(dāng)a=1時(shí), n1和n2的關(guān)系可能有兩種, 即n1=n2或n1=n2+1, 此時(shí)可算得 212211rrrrRffftftt或 2122111rrrrRffftftt如果按前式算出tR為負(fù)值, 則應(yīng)用后式。 6.1 脈沖法測(cè)距脈沖法測(cè)距 如果采用多個(gè)高重復(fù)頻率測(cè)距, 就能給出更大的不模糊距離, 同時(shí)也可兼顧跳開發(fā)射脈沖遮蝕的靈活性。下面舉出采用三種高重復(fù)頻率采用三種高重復(fù)頻率的例子來(lái)說(shuō)明。 例如, 取fr1 fr2 fr3=7 8 9, 則不模糊距離是單獨(dú)采用fr2時(shí)的79=63倍。 這時(shí)在測(cè)距系統(tǒng)中可以根據(jù)幾個(gè)

22、模糊的測(cè)量值來(lái)解出其真實(shí)距離。辦法可以從我國(guó)的余數(shù)定理中找到。 以三種重復(fù)頻率為例, 真實(shí)距離Rc為 Rc(C1A1+C2A2+C3A3) mod(m1m2m3) (6.1.8) 其中A1, A2, A3分別為三種重復(fù)頻率測(cè)量時(shí)的模糊距離; m1m2m3為三個(gè)重復(fù)頻率的比值。常數(shù)C1, C2, C3分別為 6.1 脈沖法測(cè)距脈沖法測(cè)距 C1=b1m2m3mod(m1)1 (6.1.9a)C2=b2m1m3mod(m2)1 (6.1.9b)C3=b3m1m2mod(m3)1 (6.1.9c) 式中, b1為一個(gè)最小的整數(shù), 它被m2m3乘后再被m1除, 所得余數(shù)為1(b2, b3與此類似), m

23、od表示“?！?。 當(dāng)m1, m2, m3選定后, 便可確定C值, 并利用探測(cè)到的模糊距離直接計(jì)算真實(shí)距離Rc。 6.1 脈沖法測(cè)距脈沖法測(cè)距 例如: 設(shè)m1=7, m2=8, m3=9; A1=3, A2=5, A3=7，則 m1m2m3=504 b3=5 578=280 mod91， C3=280b2=7 779=441 mod81， C2=441b1=4 489=288 mod71， C1=288 按式(6.1.8)，有 C1A1+C2A2+C3A3=5029 Rc5 029 mod504=493 6.1 脈沖法測(cè)距脈沖法測(cè)距 即目標(biāo)真實(shí)距離(或稱不模糊距離)的單元數(shù)為Rc=493, 不模

24、糊距離R為 ccRRc24932式中，為距離分辨單元所對(duì)應(yīng)的時(shí)寬。 當(dāng)脈沖重復(fù)頻率選定(即m1m2m3值已定), 即可按式(6.1.9a)(6.1.9c)求得C1、C2、C3的數(shù)值。只要實(shí)際測(cè)距時(shí)分別測(cè)到A1、 A2、A3的值, 就可按式(6.1.8)算出目標(biāo)真實(shí)距離。 6.1 脈沖法測(cè)距脈沖法測(cè)距 “舍脈沖舍脈沖”法判模糊法判模糊 當(dāng)發(fā)射高重復(fù)頻率的脈沖信號(hào)而產(chǎn)生測(cè)距模糊時(shí), 可采用“舍脈沖”法來(lái)判斷m值。所謂所謂“舍脈沖舍脈沖”, 就是在每發(fā)射就是在每發(fā)射M個(gè)脈沖中舍棄一個(gè)個(gè)脈沖中舍棄一個(gè), 作為作為發(fā)射脈沖串的附加標(biāo)志。發(fā)射脈沖串的附加標(biāo)志。如圖6.6(b)所示, 發(fā)射脈沖從A1到AM,

25、 其中A2不發(fā)射。與發(fā)射脈沖相對(duì)應(yīng), 接收到的回波脈沖串同樣是每M個(gè)回波脈沖中缺少一個(gè)。只要從A2以后, 逐個(gè)累計(jì)發(fā)射脈沖數(shù), 直到某一發(fā)射脈沖(在圖中是AM-2)后沒有回波脈沖(如圖中缺B2)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)m。 6.1 脈沖法測(cè)距脈沖法測(cè)距 發(fā)射脈沖回波信號(hào)(b)AMA1A2A3A4AM 3A1A2A3A4AM 1AM 2AMAM 3AM 1AM 2AMttNTrNTrtRB1B2B3B4BMB1B2B3BMBM 3BM 1BM 2圖 6.6 判距離模糊 (b) “舍脈沖”法判模糊 6.1 脈沖法測(cè)距脈沖法測(cè)距 舍棄脈沖無(wú)回波脈沖采用“舍脈沖”法判模糊時(shí),

26、 每組脈沖數(shù)M應(yīng)滿足以下關(guān)系: maxRrrtTmMT(6.1.10) 式中，mmax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)；tR 的值在0Tr之間。這就是說(shuō), MTr之值應(yīng)保證全部距離上不模糊測(cè)距。而M和mmax之間的關(guān)系則為 Mmmax+1 (6.1.11) 6.1 脈沖法測(cè)距脈沖法測(cè)距 缺點(diǎn)缺點(diǎn)：此法對(duì)：此法對(duì)tR=kTr+tR的目標(biāo)無(wú)法區(qū)分，此時(shí)由于不存在舍脈沖的空的目標(biāo)無(wú)法區(qū)分，此時(shí)由于不存在舍脈沖的空隙，舍脈沖法無(wú)法使用。隙，舍脈沖法無(wú)法使用。舍棄脈沖無(wú)回波脈沖tR2=(N+1)Tr+tR目標(biāo)回波tR1=NTr+tR 目標(biāo)回波調(diào)頻法測(cè)距原理 對(duì)載頻進(jìn)行頻率調(diào)制是用得很廣的展寬連續(xù)波

27、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定時(shí)標(biāo)志就是變化著的頻率。線性調(diào)頻：線性調(diào)頻：目標(biāo)回波延遲時(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)量延遲時(shí)間的精度就越高，發(fā)射頻譜也越寬。6.2 調(diào)調(diào) 頻頻 法法 測(cè)測(cè) 距距 調(diào)頻連續(xù)波(FMCW: Frequency Modulation Continuous Wave)雷達(dá)的發(fā)射頻率按已知的時(shí)間函數(shù)變化發(fā)射頻率按已知的時(shí)間函數(shù)變化，它利用它利用在時(shí)間上改變發(fā)射信號(hào)的頻在時(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。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

28、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)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：調(diào)制波形通常有：鋸齒波、三角波、正弦波、步進(jìn)頻率鋸齒波、三角波、正弦波、步進(jìn)頻率頻率調(diào)制波形頻率調(diào)制波形6.2 調(diào)調(diào) 頻頻 法法 測(cè)測(cè) 距距 6.2 調(diào)調(diào) 頻頻 法法 測(cè)測(cè) 距距 6.2.1 調(diào)頻連續(xù)波測(cè)距調(diào)頻連續(xù)波測(cè)距 如圖6.7。發(fā)射機(jī)產(chǎn)生連續(xù)高頻等幅波, 其頻率在時(shí)間上按三角形規(guī)律或按正弦規(guī)律變化, 目標(biāo)回波和發(fā)射機(jī)直接耦合過來(lái)的信號(hào)加到接收機(jī)混頻器內(nèi)。頻率計(jì)放 大 器和限幅

29、器混頻器調(diào) 頻發(fā)射機(jī)直接耦合信號(hào)發(fā)射天線接收天線目標(biāo)r接收機(jī)圖圖6.7 調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)方框圖調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)方框圖 6.2 調(diào)調(diào) 頻頻 法法 測(cè)測(cè) 距距 在無(wú)線電波傳播到目標(biāo)并返回天線的這段時(shí)間內(nèi), 發(fā)射機(jī)頻率較之回波頻率已有了變化, 因此在混頻器輸出端便出現(xiàn)了差頻電壓差頻電壓。 后者經(jīng)放大、限幅后加到頻率計(jì)上。由于差頻電壓的頻率與目標(biāo)差頻電壓的頻率與目標(biāo)距離有關(guān)距離有關(guān)，因而頻率計(jì)上的刻度可以直接采用距離長(zhǎng)度作為單位。單頻連續(xù)波形及其頻譜單頻連續(xù)波形及其頻譜B.R. Mahafza et al, Matlab simulations for radar systems design, Chap

30、man & Hall/CRC, 2004頻譜就是頻率的分布曲線，復(fù)雜振蕩分解為振幅不同和頻率不同的諧振蕩，這些諧振蕩的幅值按頻率排列的的圖形叫做頻譜頻譜6.2 調(diào)調(diào) 頻頻 法法 測(cè)測(cè) 距距 單載頻脈沖波形及其頻譜單載頻脈沖波形及其頻譜其中單個(gè)脈沖時(shí)域波形及其頻譜：?jiǎn)蝹€(gè)脈沖時(shí)域波形及其頻譜：f1(t)f2(t)的時(shí)域、頻譜圖的時(shí)域、頻譜圖6.2 調(diào)調(diào) 頻頻 法法 測(cè)測(cè) 距距 無(wú)限長(zhǎng)單載頻相參脈沖串波形及其頻譜無(wú)限長(zhǎng)單載頻相參脈沖串波形及其頻譜無(wú)限多脈沖串時(shí)域波無(wú)限多脈沖串時(shí)域波形及其頻譜：形及其頻譜：其中其中Tf1(t)f3(t)的時(shí)域、的時(shí)域、頻譜圖頻譜圖6.2 調(diào)調(diào) 頻頻 法法 測(cè)測(cè)

31、 距距 有限長(zhǎng)單載頻相參脈沖串波形及其頻譜有限長(zhǎng)單載頻相參脈沖串波形及其頻譜)(Rect)(34tfNTttf f1(t)f4(t)的時(shí)域、頻譜圖的時(shí)域、頻譜圖6.2 調(diào)調(diào) 頻頻 法法 測(cè)測(cè) 距距 鋸齒波調(diào)頻鋸齒波調(diào)頻鋸齒波調(diào)頻信號(hào)頻率變化圖鋸齒波調(diào)頻信號(hào)頻率變化圖TTftf鋸齒波調(diào)頻是指發(fā)射信號(hào)頻率按鋸齒波形狀周期變化。在一個(gè)周期內(nèi)發(fā)射信號(hào)頻率線性變化，稱為線性調(diào)頻線性調(diào)頻LFM (Linear Frequency Modulation)，又稱Chirp信號(hào)信號(hào)。6.2 調(diào)調(diào) 頻頻 法法 測(cè)測(cè) 距距 線性調(diào)頻脈沖波形線性調(diào)頻脈沖波形瞬時(shí)頻率及相位：瞬時(shí)頻率及相位：B調(diào)頻斜率式中 :6.2 調(diào)

32、調(diào) 頻頻 法法 測(cè)測(cè) 距距 對(duì)于與雷達(dá)無(wú)徑向運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)對(duì)于與雷達(dá)無(wú)徑向運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)(fd=0)而言而言，其回波信號(hào)與發(fā)射信號(hào)的頻率差(通過差拍/去斜率處理獲得)就決定于其回波延遲，因此測(cè)頻差就可確定目標(biāo)回波時(shí)延，即測(cè)距(目標(biāo)存在徑向運(yùn)動(dòng)時(shí)可進(jìn)行補(bǔ)償以精確測(cè)距)。LFMCW測(cè)距的圖示說(shuō)明測(cè)距的圖示說(shuō)明發(fā)射信號(hào)頻率與發(fā)射信號(hào)頻率與接收信號(hào)頻率接收信號(hào)頻率TTBtf回波時(shí)延回波時(shí)延頻差頻差fR下面以下面以LFMCW信號(hào)為例簡(jiǎn)單說(shuō)明其測(cè)距原理：信號(hào)為例簡(jiǎn)單說(shuō)明其測(cè)距原理：6.2 調(diào)調(diào) 頻頻 法法 測(cè)測(cè) 距距 LFMCW測(cè)距的公式推導(dǎo)測(cè)距的公式推導(dǎo)LFMCW (Linear Frequency Modul

33、ation Continuous Wave)線性調(diào)頻連續(xù)波線性調(diào)頻連續(xù)波LFMICW (Linear Frequency Modulation Interrupted Continuous Wave)線性調(diào)頻截?cái)噙B續(xù)波線性調(diào)頻截?cái)噙B續(xù)波時(shí)域截?cái)嗟谋匾裕簳r(shí)域截?cái)嗟谋匾裕?單基地調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的隔離是很個(gè)重要的問題，解決這個(gè)問題的方法很多，其中“時(shí)間分割時(shí)間分割”的工作方式就是一個(gè)比較有效的方法雷達(dá)的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)交替地工作，并且收發(fā)可共用一個(gè)天線，類似于脈沖雷達(dá)，但但兩者脈沖的占空比相差懸殊兩者脈沖的占空比相差懸殊(脈沖雷達(dá)占空比通常很小，而時(shí)間開關(guān)占空比可達(dá)1/2)。這種

34、“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)行對(duì)線性調(diào)頻信號(hào)的幅度進(jìn)行一次脈沖調(diào)制一次脈沖調(diào)制。通常采用的開關(guān)信號(hào)形式有兩種：偽隨機(jī)碼序列偽隨機(jī)碼序列、矩形脈沖序列矩形脈沖序列。只要保證時(shí)域截?cái)嗖灰痤l譜混疊，其對(duì)信號(hào)處理無(wú)實(shí)質(zhì)性影響，下面僅討論只要保證時(shí)域截?cái)嗖灰痤l譜混疊，其對(duì)信號(hào)處理無(wú)實(shí)質(zhì)性影響，下面僅討論LFMCW的測(cè)距實(shí)現(xiàn)。的測(cè)距實(shí)現(xiàn)。6.2 調(diào)調(diào) 頻頻 法法 測(cè)測(cè) 距距 設(shè)發(fā)射LFMCW信號(hào)形式為：式中為T調(diào)頻周期，K為調(diào)頻斜率， 表示重復(fù)周期，t的取值范圍是 ，f0為載頻。 初始距離為R0(對(duì)應(yīng)時(shí)刻t=0)，徑向速度為vr的理想目標(biāo)的回波延時(shí)為=2(R0-v

35、rt)/c。不考慮傳播衰減，則回波信號(hào)為：20)(22cos)(nTtKtftST, 1 , 0 ,nTntnT) 1( 20)(2)(2cos)()(nTtKtftStSTR6.2 調(diào)調(diào) 頻頻 法法 測(cè)測(cè) 距距 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： )(2 2)(22 2)(222)22(22 )(2)()(22)()()(20020002020nTtffnTfKnTtffnTfcRfKnTtcRKctvRfnTtKfnTtKtfnTtKtftttdRddRdrstb6.2 調(diào)調(diào) 頻頻 法法 測(cè)測(cè) 距距 式中2f0R0/c為常數(shù)，目標(biāo)

36、多普勒頻率fd=2vrf0/c，fR=2KR/c=K是目標(biāo)距離所對(duì)應(yīng)的頻率，R=R0-vrt，K2/2對(duì)應(yīng)的頻率f0，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)是信號(hào)處理的首要任務(wù)是將回波信號(hào)進(jìn)行距離、速度及方位分選將回波信號(hào)進(jìn)行距離、速度及方位分選(網(wǎng)格化網(wǎng)格化)，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：)(2cos)(0nTtffnTftSdRdIF)(2)(0)(nTtffjnjIFdRdeetS6.2 調(diào)調(diào) 頻頻 法法 測(cè)測(cè) 距距 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)而目標(biāo)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的第一個(gè)掃頻周期的回波初相，產(chǎn)生的第一個(gè)掃頻周

37、期的回波初相，fR對(duì)應(yīng)當(dāng)前目標(biāo)位置所產(chǎn)生的頻率對(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，可近似得到目標(biāo)的近似距離(一般fd的影響可在對(duì)速度精確測(cè)量后補(bǔ)償?shù)?。時(shí)域開關(guān)信號(hào)的影響分析時(shí)域開關(guān)信號(hào)的影響分析：籠統(tǒng)地講，開關(guān)信號(hào)對(duì)差頻信號(hào)的影響主要在頻域上。時(shí)域相乘，對(duì)應(yīng)頻域卷積時(shí)域相乘，對(duì)應(yīng)頻域卷積，而開關(guān)碼為周期重復(fù)序列，其頻譜為離散譜，譜線間隔為開關(guān)碼重復(fù)頻率，若出現(xiàn)頻譜混疊則需要采取方法解采取方法解模糊。模糊。nTfndd2)(6.2 調(diào)調(diào) 頻頻 法法 測(cè)測(cè) 距距 1. 三角形波調(diào)制三角形波調(diào)制 如圖6.8。 圖中ft是發(fā)射機(jī)的高頻發(fā)射頻率, 它的

38、平均頻率是ft0, ft0變化的周期為Tm 。ftTm2fft2R0c0ffb0fbfbfbart1t2frfft0tt圖圖6.8 調(diào)頻雷達(dá)工作原理示意圖調(diào)頻雷達(dá)工作原理示意圖 6.2 調(diào)調(diào) 頻頻 法法 測(cè)測(cè) 距距 相對(duì)靜相對(duì)靜止目標(biāo)止目標(biāo)回波回波相對(duì)運(yùn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)動(dòng)目標(biāo)回波回波6.2 調(diào)調(diào) 頻頻 法法 測(cè)測(cè) 距距 通常ft0為數(shù)百到數(shù)千兆赫, 而Tm為數(shù)百分之一秒。f r為從目標(biāo)反射回來(lái)的回波頻率, 它和發(fā)射頻率的變化規(guī)律相同, 但在時(shí)間上滯后tR, tR=2R/c。發(fā)射頻率調(diào)制的最大頻偏為f, fb為發(fā)射和接收信號(hào)間的差拍頻率, 差頻的平均值用fbav表示。發(fā)射頻率ft和回波的頻率fr可寫

39、成如下表達(dá)式: cRtTffftTfftdtdfffmrmt244/000差頻fb為 cTfRfffmrtb8(6.2.1) 在調(diào)頻的下降段, df/dt為負(fù)值, fr高于ft, 但二者的差頻仍如式(6.2.1)所示。 6.2 調(diào)調(diào) 頻頻 法法 測(cè)測(cè) 距距 對(duì)于一定距離R的目標(biāo)回波, 除去在t軸上很小一部分2R/c以外(這里差拍頻率急劇地下降至零), 其它時(shí)間差頻是不變的。 若用頻率計(jì)測(cè)量一個(gè)周期內(nèi)的平均差頻值fbav, 可得到 mmmbavTcRTcTfRf28實(shí)際工作中, 應(yīng)保證單值測(cè)距且滿足 cRTm2因此 bmbavfRcTff86.2 調(diào)調(diào) 頻頻 法法 測(cè)測(cè) 距距 由此可得出目標(biāo)距離

40、R為 mbavfffcR8(6.2.2) 式中，fm=1/Tm，為調(diào)制頻率。 當(dāng)反射回波來(lái)自運(yùn)動(dòng)目標(biāo)當(dāng)反射回波來(lái)自運(yùn)動(dòng)目標(biāo), 其距離為R而徑向速度為v時(shí), 其回波頻率fr為 cRtTffffmdr2406.2 調(diào)調(diào) 頻頻 法法 測(cè)測(cè) 距距 fd為多卜勒頻率, 正負(fù)號(hào)分別表示調(diào)制前后半周正負(fù)斜率的情況。 當(dāng)fdfbav時(shí), 得出的差頻為 dmtrbdmrtbfRcTfffffRcTffff88(前半周正向調(diào)頻范圍) (后半周負(fù)向調(diào)頻范圍) 可求出目標(biāo)距離為 mbbffffcR28如能分別測(cè)出fb+和f b-, 就可求得目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的徑向速度v。v=/4(fb+-fb-)。運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波信號(hào)的差頻曲線如

41、圖6.8(b)中虛線所示。 6.2 調(diào)調(diào) 頻頻 法法 測(cè)測(cè) 距距 由于頻率計(jì)數(shù)只能讀出整數(shù)值而不能讀出分?jǐn)?shù)由于頻率計(jì)數(shù)只能讀出整數(shù)值而不能讀出分?jǐn)?shù), 因此這種方法會(huì)產(chǎn)會(huì)產(chǎn)生固定誤差生固定誤差R。由式(6.2.2)求出R的表示式為 mbavfffcR8(6.2.3) 6.2 調(diào)調(diào) 頻頻 法法 測(cè)測(cè) 距距 而fbav/fm表示在一個(gè)調(diào)制周期1/fm內(nèi)平均差頻fbav的誤差, 當(dāng)頻率測(cè)讀量化誤差為1次, 亦即fbav/fm=1時(shí), 可得以下結(jié)果: fcR8(6.2.4) 可見, 固定誤差R與頻偏量f成反比, 而與距離R0及工作頻率f0無(wú)關(guān)。為減小這項(xiàng)誤差, 往往使f加大到數(shù)十兆赫以上, 而通常的工作

42、頻率則選為數(shù)百到數(shù)千兆赫。 6.2 調(diào)調(diào) 頻頻 法法 測(cè)測(cè) 距距 2. 正弦波調(diào)頻正弦波調(diào)頻用正弦波對(duì)連續(xù)載頻進(jìn)行調(diào)頻時(shí), 發(fā)射信號(hào)可表示為 tffftfUummtt2sin22sin0(6.2.5) 發(fā)射頻率ft為 tfffdtdfmtt2cos2210(6.2.6) 由目標(biāo)反射回來(lái)的回波電壓ur滯后一段時(shí)間T(T=2R/c), 可表示為 )(2sin2)(2sin0TtfffTtfUummrr(6.2.7) 6.2 調(diào)調(diào) 頻頻 法法 測(cè)測(cè) 距距 圖圖6.9 調(diào)頻雷達(dá)發(fā)射波按正弦規(guī)律調(diào)頻調(diào)頻雷達(dá)發(fā)射波按正弦規(guī)律調(diào)頻 fft0fb0fbfbarfrf / 2f0TmcRTm42RcRctt6.

43、2 調(diào)調(diào) 頻頻 法法 測(cè)測(cè) 距距 接收信號(hào)與發(fā)射信號(hào)在混頻器中外差后, 取其差頻電壓為 TfTtfTfffUkUummmrtb0222cossinsin(6.2.8) 一般情況下均滿足T 1/fm, 則 sin fmT fmT 于是差頻差頻fb值和目標(biāo)距離值和目標(biāo)距離R成比例且隨時(shí)間作余弦變化成比例且隨時(shí)間作余弦變化。在周期Tm內(nèi)差頻的平均值fbav與距離R之間的關(guān)系和三角波調(diào)頻時(shí)相同, 用fbav測(cè)距的原理和方法也一樣。 6.2 調(diào)調(diào) 頻頻 法法 測(cè)測(cè) 距距 在調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)測(cè)距時(shí), 還可以提供附加的收發(fā)隔離, 這個(gè)特性是很重要的, 下面將予以分析。以正弦調(diào)頻來(lái)說(shuō), 其差頻信號(hào)如式(6.2.

44、8)所示。對(duì)接收的差頻信號(hào)進(jìn)行傅里葉分析后, 得到以下頻率分量: ub=UbJ0(D)cos(2fdt-0)+2J1(D)sin(2fdt-0)cos(2fmt-m)-2J2(D)cos(2fdt-0)cos2(2fmt-m)-2J3(D)sin(2fdt- 0)cos3(2fmt-m)+2J4(D) (6.2.9) 6.2 調(diào)調(diào) 頻頻 法法 測(cè)測(cè) 距距 式中，J0, J1, J2等為第一類貝塞爾函數(shù), 其階數(shù)分別為0, 1, 2等; cRfffDmm02sinR0為目標(biāo)在t=0時(shí)的距離, R=R0-vrt; fd為目標(biāo)回波的多普勒頻移, cRfcRfcfvfmrd0000002426.2 調(diào)

45、調(diào) 頻頻 法法 測(cè)測(cè) 距距 圖圖6.10 正弦調(diào)頻差頻信號(hào)的頻譜正弦調(diào)頻差頻信號(hào)的頻譜 0fdfdfm2fm3fm4fm頻率相對(duì)振幅6.2 調(diào)調(diào) 頻頻 法法 測(cè)測(cè) 距距 貝塞爾函數(shù)的自變量D中包含了目標(biāo)距離R0的信息, 不同階數(shù)貝塞爾函數(shù)值與自變量D的關(guān)系曲線如圖6.11(a)所示。 距離振幅 0.10 0.2 0.3 0.40.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0J0(D)J1(D)J2(D)J3(D)24681012D(a)(b)Jn(D)圖6.11 正弦調(diào)頻信號(hào)各諧波的特性各階貝塞爾函數(shù)與D的關(guān)系; (a) (b) J3(D)與距離的關(guān)系 6.2 調(diào)調(diào) 頻頻 法法 測(cè)

46、測(cè) 距距 原則上原則上, 可以提取差頻信號(hào)的任一頻譜分量加以利用可以提取差頻信號(hào)的任一頻譜分量加以利用, 但實(shí)際上它們的但實(shí)際上它們的性能有很大差別性能有很大差別。以J0(D).cos(2fdt-0)項(xiàng)為例, 由于J0(D)在D=0時(shí)取最大值, 表明對(duì)R0=0的回波響應(yīng)最強(qiáng), 而這個(gè)距離正是發(fā)射信號(hào)及其噪聲泄漏的位置；當(dāng)目標(biāo)回波距離增加時(shí), J0(D)將下降，從而減小其幅度, 這就是說(shuō)， J0(D)項(xiàng)增強(qiáng)泄漏而減弱遠(yuǎn)區(qū)目標(biāo)回波, 這是不好的特性。6.2 調(diào)調(diào) 頻頻 法法 測(cè)測(cè) 距距 如果選用任一fm的諧波分量(n=1, 2, 3,), 則理論上在零距離的泄理論上在零距離的泄漏信號(hào)可為零漏信號(hào)可

47、為零。當(dāng)當(dāng)D值很小時(shí)值很小時(shí)Jn(D)正比于正比于Dn, 說(shuō)明高階貝塞爾函數(shù)可進(jìn)一步減小零距離(發(fā)射機(jī)泄漏)響應(yīng), 但同時(shí)也減小了目標(biāo)響應(yīng)區(qū), 故n應(yīng)適當(dāng)選擇。如選n=3, 則J3(D)作為距離的函數(shù)如圖6.11(b)所示。由于由于D是是R的周期函數(shù)的周期函數(shù), 整個(gè)響應(yīng)由幾段鏡像曲線組整個(gè)響應(yīng)由幾段鏡像曲線組成成, 曲線上的零點(diǎn)說(shuō)明某些距離上回波將被抑制曲線上的零點(diǎn)說(shuō)明某些距離上回波將被抑制。 6.2 調(diào)調(diào) 頻頻 法法 測(cè)測(cè) 距距 距離振幅 0.10 0.2 0.3 0.40.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0J0(D)J1(D)J2(D)J3(D)24681012D(

48、a)(b)Jn(D)6.2 調(diào)調(diào) 頻頻 法法 測(cè)測(cè) 距距 當(dāng)只探測(cè)一個(gè)目標(biāo)時(shí)(如高度計(jì)), 可以調(diào)節(jié)偏頻f值, 使在該目標(biāo)距離R0上的D值正對(duì)應(yīng)所選貝塞爾函數(shù)最大值是: , 此時(shí)依據(jù)測(cè)定的f值, 即可得到目標(biāo)的距離R。 cRfffDDmmm02sin6.2 調(diào)調(diào) 頻頻 法法 測(cè)測(cè) 距距 3. 調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)的特點(diǎn)調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)的特點(diǎn) 調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)是: (1) 能測(cè)量很近的距離, 一般可測(cè)到數(shù)米, 而且有較高的測(cè)量精度。 (2) 雷達(dá)線路簡(jiǎn)單, 且可做到體積小、 重量輕, 普遍應(yīng)用于飛機(jī)高度表及微波引信等場(chǎng)合。 它的主要缺點(diǎn)缺點(diǎn)是: (1) 難于同時(shí)測(cè)量多個(gè)目標(biāo)。如欲測(cè)量多個(gè)目標(biāo),

49、必須采用大量濾波器和頻率計(jì)數(shù)器等, 使裝置復(fù)雜，從而限制其應(yīng)用范圍。 (2) 收發(fā)間的完善隔離是所有連續(xù)波雷達(dá)的難題。發(fā)射機(jī)泄漏功率將阻塞接收機(jī), 因而限制了發(fā)射功率的大小。發(fā)射機(jī)噪聲的泄漏會(huì)直接影響接收機(jī)的靈敏度。 6.2 調(diào)調(diào) 頻頻 法法 測(cè)測(cè) 距距 調(diào)制信號(hào)產(chǎn) 生 器調(diào) 頻振蕩器脈沖功率放 大 器脈 沖調(diào)制器混頻器收發(fā)開關(guān)umTr(a)Tf 6.2.2 脈沖調(diào)頻測(cè)距脈沖調(diào)頻測(cè)距 脈沖法測(cè)距時(shí)由于重復(fù)頻率高會(huì)產(chǎn)生測(cè)距模糊, 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)別的發(fā)射的脈沖信號(hào)加上某些可識(shí)別的“標(biāo)志標(biāo)志”, 調(diào)頻脈沖串調(diào)頻脈沖串也是可用的一種方法。圖6.12(a)就是脈沖調(diào)

50、頻測(cè)距的原理框圖。 圖6.12 脈沖調(diào)頻測(cè)距原理(a) 原理性方框圖組成; 6.2 調(diào)調(diào) 頻頻 法法 測(cè)測(cè) 距距 圖圖6.12 脈沖調(diào)頻測(cè)距原理脈沖調(diào)頻測(cè)距原理 (b) 信號(hào)頻率調(diào)制規(guī)律信號(hào)頻率調(diào)制規(guī)律; (b)FftdtoTATBTCFCFAfdFB 脈沖調(diào)頻時(shí)的發(fā)射信號(hào)頻率如圖6.12(b)中細(xì)實(shí)線所示, 共分為A、B、C三段, 分別采用正斜率調(diào)頻、負(fù)斜率調(diào)頻和發(fā)射恒定頻率。有多普勒頻移無(wú)多普勒頻移發(fā)射信號(hào)頻率6.2 調(diào)調(diào) 頻頻 法法 測(cè)測(cè) 距距 由于調(diào)頻周期調(diào)頻周期T遠(yuǎn)大于雷達(dá)重復(fù)周期遠(yuǎn)大于雷達(dá)重復(fù)周期Tr, 故在每一個(gè)調(diào)頻段中均包含多個(gè)脈沖, 如圖6.12(c)所示?；夭ㄐ盘?hào)頻率變化的

51、規(guī)律也在同一圖上標(biāo)出以作比較。 虛線所示為回波信號(hào)無(wú)多卜勒頻移時(shí)的頻率變化, 它相對(duì)于發(fā)射信號(hào)有一個(gè)固定延遲td, 即將發(fā)射信號(hào)的調(diào)頻曲線向右平移td即可。當(dāng)回波信號(hào)還有多卜勒頻移時(shí), 其回波頻率如圖中6.12 (b)粗實(shí)線所示(圖中是多卜勒頻移fd為正值), 即將虛線向上平移fd得到。6.2 調(diào)調(diào) 頻頻 法法 測(cè)測(cè) 距距 f(調(diào)頻振蕩器)otttooFAFBumABCTrFCf 混 頻 器輸出差頻(c)圖圖6.12 脈沖調(diào)頻測(cè)距原理脈沖調(diào)頻測(cè)距原理 (c) 各主要點(diǎn)波形或頻率各主要點(diǎn)波形或頻率 由于調(diào)頻周期T遠(yuǎn)大于雷達(dá)重復(fù)周期Tr，所以在每一個(gè)調(diào)頻段中均包含多個(gè)脈沖。6.2 調(diào)調(diào) 頻頻 法法

52、 測(cè)測(cè) 距距 而A、B、C各段收發(fā)信號(hào)間的差頻分別為 22222rAddrBddrCdvRFftcvRFftcvFf由上面三式可得： cRFFAB4 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, 故在混頻混頻器輸出端可得到收發(fā)信號(hào)的差頻信號(hào)器輸出端可得到收發(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, TF6.2 調(diào)調(diào) 頻頻 法法 測(cè)測(cè) 距距 即 24FcvcFFRrAB(6.2.10) (6.2.11) 當(dāng)發(fā)射信號(hào)的頻率變化了A、B、C三段的全過程后, 每一個(gè)目標(biāo)的回波亦將是三串不同中心頻率的脈沖。 經(jīng)過接收機(jī)混頻后可分別得到差頻FA、FB和FC, 然后按式按式(6.2.10)和和(6.2

53、.11)即可求得目標(biāo)的距離即可求得目標(biāo)的距離R和徑和徑向速度向速度vr。關(guān)于從脈沖串中取出差頻F的方法, 可參考“動(dòng)目標(biāo)顯示”的有關(guān)原理。 在用脈沖調(diào)頻法時(shí), 可以選取較大的調(diào)頻周期較大的調(diào)頻周期T, 以保證測(cè)距的單值以保證測(cè)距的單值性性。 這種測(cè)距方法的缺點(diǎn)是測(cè)量精度較差, 因?yàn)榘l(fā)射信號(hào)的調(diào)頻線性不易做得好, 而頻率測(cè)量亦不易做準(zhǔn)確。 脈沖調(diào)頻法測(cè)距和連續(xù)波調(diào)頻測(cè)距的方法在本質(zhì)上是相同的。脈沖調(diào)頻法測(cè)距和連續(xù)波調(diào)頻測(cè)距的方法在本質(zhì)上是相同的。 6.2 調(diào)調(diào) 頻頻 法法 測(cè)測(cè) 距距 距離跟蹤距離跟蹤 對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的距離連續(xù)測(cè)量的過程。距離跟蹤的實(shí)現(xiàn)方式距離跟蹤的實(shí)現(xiàn)方式1 1、人工距離跟蹤（手動(dòng)

54、距離跟蹤）、人工距離跟蹤（手動(dòng)距離跟蹤）操縱員通過搖動(dòng)跟蹤手輪，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)距離的連續(xù)測(cè)量。6.3 距離跟蹤原理距離跟蹤原理 2 2、半自動(dòng)距離跟蹤、半自動(dòng)距離跟蹤操縱員給距離跟蹤手輪裝訂一個(gè)速度，使距標(biāo)自動(dòng)跟蹤勻速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。3 3、自動(dòng)距離跟蹤、自動(dòng)距離跟蹤無(wú)須人工干預(yù)，距標(biāo)自動(dòng)跟蹤目標(biāo)運(yùn)動(dòng)，并連續(xù)給出目標(biāo)的距離數(shù)據(jù)。6.3 距離跟蹤原理距離跟蹤原理 距離跟蹤標(biāo)志的主要樣式距離跟蹤標(biāo)志的主要樣式目標(biāo)回波發(fā)射脈沖“階梯”“井”目標(biāo)回波目標(biāo)回波目標(biāo)回波“光點(diǎn)”“柱”6.3 距離跟蹤原理距離跟蹤原理 6.3 距離跟蹤原理距離跟蹤原理 早期雷達(dá)多數(shù)只有人工距離跟蹤。 為了減小測(cè)量誤差, 采用移動(dòng)的電刻

55、度作為時(shí)間基準(zhǔn)。操縱員按照顯示器上的畫面, 將電刻度對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)回波。從控制器度盤或計(jì)數(shù)器上讀出移動(dòng)電刻度的準(zhǔn)確時(shí)延, 就可以代表目標(biāo)的距離。 6.3.1 人工距離跟蹤人工距離跟蹤 因此關(guān)鍵是要產(chǎn)生移動(dòng)的電刻度關(guān)鍵是要產(chǎn)生移動(dòng)的電刻度(電指標(biāo)電指標(biāo)), 且其延遲時(shí)間可準(zhǔn)確讀且其延遲時(shí)間可準(zhǔn)確讀出出。 常用的產(chǎn)生電移動(dòng)刻度的方法：鋸齒電壓波法、相位法、鋸齒電壓波法、相位法、復(fù)合法。復(fù)合法。（1 1）鋸齒電壓法）鋸齒電壓法基本組成基本組成工作過程工作過程改變改變比較電壓比較電壓E EP P比較電路輸出比較電路輸出脈沖時(shí)間脈沖時(shí)間t tr r改變改變延遲脈沖延遲脈沖時(shí)間改變時(shí)間改變6.3 距離跟蹤原理距

56、離跟蹤原理 來(lái)自定時(shí)器的觸發(fā)脈沖使鋸齒電壓產(chǎn)生器產(chǎn)生的鋸齒電壓Et與比較電壓Ep一同加到比較電路上, 當(dāng)鋸齒波上升到Et=Ep時(shí), 比較電比較電路路就有輸出送到脈沖產(chǎn)生器, 使之產(chǎn)生一窄脈沖。6.3 距離跟蹤原理距離跟蹤原理 這個(gè)窄脈沖即可控制一級(jí)移動(dòng)指標(biāo)形成電路這個(gè)窄脈沖即可控制一級(jí)移動(dòng)指標(biāo)形成電路, 形成一個(gè)所需形式的電移動(dòng)指標(biāo)。在最簡(jiǎn)單的情況下, 脈沖產(chǎn)生器產(chǎn)生的窄脈沖本身也就可以作為移動(dòng)指標(biāo)了(例如光點(diǎn)式移動(dòng)指標(biāo))。 當(dāng)鋸齒電壓波的上升斜率確定后, 移動(dòng)指標(biāo)產(chǎn)生時(shí)間就由比較電壓Ep決定。要精確地讀出移動(dòng)指標(biāo)產(chǎn)生的時(shí)間tr, 可以從線性電位器上取出比較電壓比較電壓Ep,即即Ep與線性電位

57、器旋臂的角度位置與線性電位器旋臂的角度位置成線性關(guān)系成線性關(guān)系: Ep=K 比例常數(shù)K與線性電位器的結(jié)構(gòu)及所加電壓有關(guān)。因此, 如果在線性電位器旋臂的轉(zhuǎn)角度盤上按距離分度如果在線性電位器旋臂的轉(zhuǎn)角度盤上按距離分度, 則可以直接從則可以直接從度盤上讀出移動(dòng)指標(biāo)對(duì)準(zhǔn)的那個(gè)回波所代表的目標(biāo)距離了。度盤上讀出移動(dòng)指標(biāo)對(duì)準(zhǔn)的那個(gè)回波所代表的目標(biāo)距離了。 鋸齒電壓波法產(chǎn)生移動(dòng)指標(biāo)的優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備比較簡(jiǎn)單, 移動(dòng)指標(biāo)活動(dòng)范圍大且不受頻率限制, 其缺點(diǎn)缺點(diǎn)是測(cè)距精度仍嫌不足。精度較高的方法精度較高的方法是用相位調(diào)制法產(chǎn)生移動(dòng)指標(biāo)。是用相位調(diào)制法產(chǎn)生移動(dòng)指標(biāo)。 Ep與線性電位器旋臂的角度位置成線性關(guān)系:Ep=K

58、 6.3 距離跟蹤原理距離跟蹤原理 （2 2）相位調(diào)制法）相位調(diào)制法基本組成基本組成工作過程工作過程改變改變移相電路相移量移相電路相移量移相正弦波移相正弦波初相位初相位改變改變延遲脈沖延遲脈沖時(shí)間改變時(shí)間改變6.3 距離跟蹤原理距離跟蹤原理 相位調(diào)制法：利用正弦波移相來(lái)產(chǎn)生移動(dòng)指標(biāo)的。相位調(diào)制法：利用正弦波移相來(lái)產(chǎn)生移動(dòng)指標(biāo)的。 正弦波經(jīng)過放大、限幅、微分放大、限幅、微分后, 在其相位為0和的位置上分別得到正、負(fù)脈沖, 若再經(jīng)單向削波單向削波就可以得到一串正脈沖。相應(yīng)于基準(zhǔn)正弦的零相位, 常稱為基準(zhǔn)脈沖基準(zhǔn)脈沖。 將正弦電壓加到一級(jí)移相電路, 移相電路使正弦波的相位在02范圍內(nèi)連續(xù)變化, 因此

59、, 經(jīng)過移相的正弦波產(chǎn)生的脈沖也將在正弦波周期內(nèi)連續(xù)移動(dòng), 這個(gè)脈沖稱作遲延脈沖遲延脈沖, 就是所需要的移動(dòng)指標(biāo)。就是所需要的移動(dòng)指標(biāo)。6.3 距離跟蹤原理距離跟蹤原理 正弦波的相移可以通過外界某種機(jī)械信號(hào)機(jī)械信號(hào)進(jìn)行控制控制, 使機(jī)械軸的轉(zhuǎn)角機(jī)械軸的轉(zhuǎn)角與正弦波的相移角之間具有良好的線性關(guān)系與正弦波的相移角之間具有良好的線性關(guān)系, 這樣就可以通過改變機(jī)械轉(zhuǎn)角而使遲延脈沖在0T范圍內(nèi)任意移動(dòng)。 常用的移相電路移相電路由專門制作的移相電容或移相電感移相電容或移相電感來(lái)實(shí)現(xiàn)。這些元件能使正弦波在02范圍內(nèi)連續(xù)移相且移相角與轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)角成線性關(guān)系連續(xù)移相且移相角與轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)角成線性關(guān)系, 其輸出的相移正弦波

60、振幅為常數(shù)相移正弦波振幅為常數(shù)。 6.3 距離跟蹤原理距離跟蹤原理 利用相位調(diào)制法產(chǎn)生移動(dòng)指標(biāo)時(shí), 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：因?yàn)檗D(zhuǎn)角與輸出電壓的相角有良好的線性關(guān)系而提高了延遲脈沖的準(zhǔn)確性; 其缺點(diǎn)缺點(diǎn)是輸出幅度受正弦波頻率的限制。正弦波頻率愈低, 移相器的輸出幅度愈小,延遲時(shí)間的準(zhǔn)確性也愈差。這是因?yàn)閠z=/, tz=/, 其中是移相器的結(jié)構(gòu)誤差, tz是延遲時(shí)間誤差。所以, 一般說(shuō)來(lái), 正弦波的頻率不應(yīng)低于15kHz, 也就是說(shuō), 相位調(diào)制法產(chǎn)生的移動(dòng)指標(biāo), 其移動(dòng)范圍在10km以內(nèi)。這顯然不能滿足雷達(dá)工作的需要。6.3 距離跟蹤原理距離跟蹤原理 （3 3）復(fù)合法）復(fù)合法 為了既保證延遲時(shí)間的準(zhǔn)確性又有足夠大