4.2-相位法測距匯總課件

1、相位法測距1、相位法測距原理2、單頻連續(xù)波相位法測距問題及其改進（雙/多頻）3、相位調(diào)制連續(xù)波雷達雙相碼：Barker碼、組合式Barker碼 最佳長度二進制序列 偽隨機碼（產(chǎn)生及分析方法）多相碼：Frank碼4、相位調(diào)制連續(xù)波雷達測距實現(xiàn)方法7/14/20221哈爾濱工業(yè)大學電子工程系相位法測距原理 通過測量回波信號的相位并與發(fā)射信號的相位進行比較或運算實現(xiàn)測距。數(shù)學等價：頻率與相位互為導(dǎo)數(shù)、積分的確定數(shù)學關(guān)系，兩者的變化可相互轉(zhuǎn)換，只不過表示、處理的方式有所不同而已。7/14/20222哈爾濱工業(yè)大學電子工程系前面講過簡單的連續(xù)波雷達不能測距，但在一些情況下測量回波信號與發(fā)射信號間的相對相

2、位進行測距也是可能的，下面具體分析： 單頻連續(xù)波的相位法測距7/14/20223哈爾濱工業(yè)大學電子工程系單頻連續(xù)波相位法測距發(fā)射機A接收機相位計目標B相位法測距雷達方框圖設(shè)單基地雷達位于A點，目標位于B點，兩者距離R，若發(fā)射、接收信號分別為：式中 是發(fā)射信號的初始相位，發(fā)射信號與目標回波的相位差： 7/14/20224哈爾濱工業(yè)大學電子工程系單頻連續(xù)波相位法測距只有在 不超過 時相位差的測量才是不模糊的，由此可得最大無模糊距離為 。對雷達頻率而言，此無模糊距離太小，沒有實際意義。實際中目標回波信號中還存在一個由于目標反射引起的相位變化量，此量是未知的，故簡單連續(xù)波雷達不能直接用來測距。 D.K

3、. Barton et al, Radar Technology Encyclopedia, Artech House, Inc., 19987/14/20225哈爾濱工業(yè)大學電子工程系雙載頻連續(xù)波相位法測距采用發(fā)射多頻信號可增大最大無模糊距離。下面分析兩個頻率相差很小的連續(xù)波信號情形假設(shè)發(fā)射波形包含兩個頻率為f1、f2，兩頻率差f的連續(xù)正弦波 ：式中 是各發(fā)射信號的初始相位，目標初始距離為R0、徑向速度為vr，多普勒頻率fd1=2vr/1，fd2=2vr/2。由于f2=f1+f，ff1，則fd1fd2=fd。接收機將兩個回波信號分選出來，并分別與各自對應(yīng)的發(fā)射波形進行差拍，取出兩個多普勒頻率

4、成分為：相位差7/14/20226哈爾濱工業(yè)大學電子工程系最大無模糊距離結(jié)論：雙頻連續(xù)波雷達最大無模糊距離為差頻的半波長。定性解釋： 在零距離上兩個載頻同相位，當它們由雷達向外發(fā)射時，由于各自頻率不同，故兩信號間相對相位差增加。此相位差可用作所經(jīng)過的時間的量度。當兩信號在相位上相差又同相時，則相位的測量及距離的測量都將存在模糊。 缺點：1、由于在同時只能測量一個相位差，故連續(xù)波雙頻雷達基本上是單目標雷達。2、雙頻連續(xù)波雷達理論測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頻率差f越大則均方根值誤差越小，但由于無模糊測量要求頻差不能太大，故f的選擇必須在測距精度、最大不模糊距離間取折衷(

5、一對矛盾)采用多頻方案加以解決。7/14/20227哈爾濱工業(yè)大學電子工程系多頻連續(xù)波相位法測距利用發(fā)射三個或更多的頻率代替兩個頻率可同時獲得高精度和大的不模糊距離測量。例如發(fā)射三個頻率f1、f2、f3的關(guān)系為：f3-f1=k(f2-f1)式中k一般為10-20數(shù)量級的因子這樣，一對頻率f3、f1給出模糊但精確的距離計量，同時另一對頻率f2、f1選的很接近以解決在f3、f1測量時的模糊。如果還需進一步提高精度，可發(fā)射第四個頻率f4，從三個頻率f1、f2、f3得到低精度但不模糊的測量用以解模糊。當用更多的頻率時其頻譜和目標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。用測量兩個分開頻率間的相位

6、差方法進行測距，類似于干涉儀天線那樣利用間隔很遠的兩部天線，通過測量相位差來測量角度。干涉儀天線測角精度高，但有角度模糊，可利用安置在較近的附近天線解決模糊問題。在干涉儀天線系統(tǒng)中各個天線間的空間配置相應(yīng)于多頻測距技術(shù)中頻率間的間隔。連續(xù)波多頻雷達已廣泛應(yīng)用于大地測量和導(dǎo)彈制導(dǎo)中進行精確測距。命名為微波測距儀的一種便攜式電子勘測設(shè)備就是根據(jù)這個原理工作的。7/14/20228哈爾濱工業(yè)大學電子工程系相位調(diào)制連續(xù)波雷達 調(diào)相連續(xù)波雷達系統(tǒng)采用每經(jīng)秒便將離散相移加至發(fā)射的連續(xù)波信號的方法來形成相位編碼波形，以測量目標的距離。 下面討論寬度為T的雷達發(fā)射脈沖的編碼，將寬度分成N個子脈沖，每個寬度為

7、=T/N，然后用載波的相位對這些子脈沖進行編碼。通常有兩種類型的相位編碼技術(shù)：二進制相位(雙相)碼：可簡單地用正號+、負號-表示，正子脈沖標志表示沒有相移，而負脈沖標志表示載波有弧度的相移，即反相。多相位碼：在子脈沖基礎(chǔ)上的相移為 式中M為碼的階數(shù)，如Frank碼由于兩種類型編碼技術(shù)確定距離的原理相同，這里主要研究較簡單的雙相碼。常用的二進制相位編碼有：巴克(Barker)碼、組合式巴克碼和偽隨機碼 7/14/20229哈爾濱工業(yè)大學電子工程系相位調(diào)制的連續(xù)波波形示意圖(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)波波形文獻中常用雙相碼相移的不同表示方式：同相(無附加相移) 反相

8、(弧度的相移)+ -+1 -10 1 7/14/202210哈爾濱工業(yè)大學電子工程系Barker CodesB.R. Mahafza et al, Matlab simulations for radar systems design, Chapman & Hall/CRC, 2004峰值N，其中N為碼長7/14/202211哈爾濱工業(yè)大學電子工程系7/14/202212哈爾濱工業(yè)大學電子工程系無相位編碼時的自相關(guān)函數(shù)Barker碼B13的自相關(guān)函數(shù)7/14/202213哈爾濱工業(yè)大學電子工程系引自：林茂庸，柯有安編著，雷達信號理論，國防工業(yè)出版社，1984. 11，P1637/14/2022

9、14哈爾濱工業(yè)大學電子工程系Combined Barker Codes00010,00010,11101,00010B4=1 1 -1 1B5=1 1 1 -1 17/14/202215哈爾濱工業(yè)大學電子工程系引自：林茂庸，柯有安編著，雷達信號理論，國防工業(yè)出版社，1984. 11，P1637/14/202216哈爾濱工業(yè)大學電子工程系最佳長度二進制序列M.I. Skolnik, Radar Handbook, 2nd Ed, McGraw-Hill Companies, Inc., 1990 (中譯本：電子工業(yè)出版社，2003, pp.395-398) 7/14/202217哈爾濱工業(yè)大學電

10、子工程系Barker碼7/14/202218哈爾濱工業(yè)大學電子工程系7/14/202219哈爾濱工業(yè)大學電子工程系7/14/202220哈爾濱工業(yè)大學電子工程系設(shè)An為具有N=2n-1個子碼的M序列，子碼寬度為，則碼的周期T0=N，對應(yīng)的序列、波形為(n=4, N=15)：可以證明周期性M序列的自相關(guān)函數(shù)是雙值函數(shù)，其歸一化自相關(guān)函數(shù)為：由于碼是周期性的，其自相關(guān)函數(shù)在t=0處及T0=N的整數(shù)倍處有峰值N，而在其它各處均為-1。Pseudo-Random Number Codes偽隨機碼(Maximal Length Sequences Codes)0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0

11、1 1 1 1 序列：波形：周期性M序列的自相關(guān)函數(shù)7/14/202221哈爾濱工業(yè)大學電子工程系周期性與非周期性M序列自相關(guān)函數(shù)的比較M.I. Skolnik, Radar Handbook, 2nd Ed, McGraw-Hill Companies, Inc., 1990 (中譯本：電子工業(yè)出版社，2003) 000100110101111 0001001101011117/14/202222哈爾濱工業(yè)大學電子工程系+類似于數(shù)字信號處理中由線性卷積求循環(huán)卷積。7/14/202223哈爾濱工業(yè)大學電子工程系J.L. Eaves et al, Principles of Modern Rad

12、ar, Van Nostrand Reinhold Company, 1987(中譯文：現(xiàn)代雷達原理，電子工業(yè)出版社，1991，P501)7/14/202224哈爾濱工業(yè)大學電子工程系 n級線性移位寄存器的輸出序列是一個周期序列，其最大可能周期是N=2n-1，這樣的序列稱為最大長度序列或M序列，其中1元素比0元素的個數(shù)多1，即0、1的個數(shù)分為(N-1)/2、(N+1)/2。 考慮如上圖所示的三級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，長度為N=23-1=7。M序列的產(chǎn)生方法線性移位寄存器法1級2級3級輸出三級線性反饋移位寄存器模2加法器7/14/202225哈爾濱

13、工業(yè)大學電子工程系當初始狀態(tài)為1000時，依次狀態(tài)分為：1000 0100 0010 1001 1100 0110 1011 0101 1010 1101 1110 1111 0111 0011 0001 1000，從此開始重復(fù)。這樣一來4級移位寄存器的輸出序列的一個周期為：000100110101111長度為15，顯然這是一個M序列。注：線性移位寄存器的初始狀態(tài)不能全為零。 4級移位寄存器初始狀態(tài)：1 0 0 07/14/202226哈爾濱工業(yè)大學電子工程系7/14/202227哈爾濱工業(yè)大學電子工程系7/14/202228哈爾濱工業(yè)大學電子工程系線性移位寄存器的分析方法 n級線性移位寄存器

14、的反饋函數(shù)、特征函數(shù)可定義為：式中ci=0或1，反饋函數(shù)或特征函數(shù)完全刻劃了對應(yīng)的線性移位寄存器的反饋功能。 理論上，為了產(chǎn)生M序列，設(shè)計線性移位寄存器的問題在原則上可歸結(jié)為找本原多項式的問題。目前對于n=168的本原多項式已有表可查。丁石孫，線性移位寄存器序列，上?？茖W技術(shù)出版社，19827/14/202229哈爾濱工業(yè)大學電子工程系7/14/202230哈爾濱工業(yè)大學電子工程系7/14/202231哈爾濱工業(yè)大學電子工程系Frank Polyphase Codes構(gòu)造相位矩陣求解式中N為相位數(shù)7/14/202232哈爾濱工業(yè)大學電子工程系三相Frank碼序列(N=3，碼長N2=9)：0，0

15、，0，0，2/3， 4/3，0，4/3，2/3四相Frank碼序列(N=4，碼長N2=16)：0，0，0，0，0，/2，3/2，0， 0，0，3/2，/27/14/202233哈爾濱工業(yè)大學電子工程系主瓣幅度為N，則歸一化峰值旁瓣為(N)-17/14/202234哈爾濱工業(yè)大學電子工程系7/14/202235哈爾濱工業(yè)大學電子工程系相位調(diào)制連續(xù)波雷達測距實現(xiàn)方法相位調(diào)制連續(xù)波雷達測定目標距離的方法有兩種：(1) 將接收波形與存儲的發(fā)射碼進行相關(guān)接收波形與存儲波形間出現(xiàn)最大相關(guān)時的時間對應(yīng)目標時延。7/14/202236哈爾濱工業(yè)大學電子工程系(2) 將接收波形與發(fā)射碼的延遲信號相關(guān)當延遲等于發(fā)

16、射信號的傳輸時間時，自相關(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)達最大值時的發(fā)射編碼波形的延時即對應(yīng)目標時延。兩種方法實際是一致的，都是利用發(fā)射信號的自相關(guān)。對于高距離分辨力，發(fā)射信號的自相關(guān)函數(shù)必須具有窄的峰值和低的旁瓣。 發(fā)射機調(diào)制器碼產(chǎn)生器延遲相關(guān)器混頻器相位調(diào)制連續(xù)波雷達7/14/202237哈爾濱工業(yè)大學電子工程系發(fā)射信號編碼為： 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 0 1 0回波信號編碼為： 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 0 1 0(延遲3個碼元寬度) 發(fā)射信號的不同延遲 計算結(jié)果0個碼元 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 0 1 0 -11個碼元 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 0 1 -12個碼元 1 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 0 -13個碼元 0 1 0 1 1 1 0