4.2-相位法測(cè)距匯總課件

1、相位法測(cè)距1、相位法測(cè)距原理2、單頻連續(xù)波相位法測(cè)距問題及其改進(jìn)（雙/多頻）3、相位調(diào)制連續(xù)波雷達(dá)雙相碼：Barker碼、組合式Barker碼 最佳長(zhǎng)度二進(jìn)制序列 偽隨機(jī)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(dá)測(cè)距實(shí)現(xiàn)方法7/14/20221哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系相位法測(cè)距原理 通過測(cè)量回波信號(hào)的相位并與發(fā)射信號(hào)的相位進(jìn)行比較或運(yùn)算實(shí)現(xiàn)測(cè)距。數(shù)學(xué)等價(jià)：頻率與相位互為導(dǎo)數(shù)、積分的確定數(shù)學(xué)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(xué)電子工程系前面講過簡(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

2、位進(jìn)行測(cè)距也是可能的，下面具體分析： 單頻連續(xù)波的相位法測(cè)距7/14/20223哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系單頻連續(xù)波相位法測(cè)距發(fā)射機(jī)A接收機(jī)相位計(jì)目標(biāo)B相位法測(cè)距雷達(dá)方框圖設(shè)單基地雷達(dá)位于A點(diǎn)，目標(biāo)位于B點(diǎn)，兩者距離R，若發(fā)射、接收信號(hào)分別為：式中 是發(fā)射信號(hào)的初始相位，發(fā)射信號(hào)與目標(biāo)回波的相位差： 7/14/20224哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系單頻連續(xù)波相位法測(cè)距只有在 不超過 時(shí)相位差的測(cè)量才是不模糊的，由此可得最大無(wú)模糊距離為 。對(duì)雷達(dá)頻率而言，此無(wú)模糊距離太小，沒有實(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。 D.K

3、. Barton et al, Radar Technology Encyclopedia, Artech House, Inc., 19987/14/20225哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系雙載頻連續(xù)波相位法測(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)情形假設(shè)發(fā)射波形包含兩個(gè)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(hào)的初始相位，目標(biāo)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(jī)將兩個(gè)回波信號(hào)分選出來(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

4、成分為：相位差7/14/20226哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系最大無(wú)模糊距離結(jié)論：雙頻連續(xù)波雷達(dá)最大無(wú)模糊距離為差頻的半波長(zhǎng)。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)，則相位的測(cè)量及距離的測(cè)量都將存在模糊。 缺點(diǎn)：1、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)。2、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f越大則均方根值誤差越小，但由于無(wú)模糊測(cè)量要求頻差不能太大，故f的選擇必須在測(cè)距精度、最大不模糊距離間取折衷(

5、一對(duì)矛盾)采用多頻方案加以解決。7/14/20227哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系多頻連續(xù)波相位法測(cè)距利用發(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。例如發(fā)射三個(gè)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(jí)的因子這樣，一對(duì)頻率f3、f1給出模糊但精確的距離計(jì)量，同時(shí)另一對(duì)頻率f2、f1選的很接近以解決在f3、f1測(cè)量時(shí)的模糊。如果還需進(jìn)一步提高精度，可發(fā)射第四個(gè)頻率f4，從三個(gè)頻率f1、f2、f3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)分開頻率間的相位

6、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。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)備就是根據(jù)這個(gè)原理工作的。7/14/20228哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系相位調(diào)制連續(xù)波雷達(dá) 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。 下面討論寬度為T的雷達(dá)發(fā)射脈沖的編碼，將寬度分成N個(gè)子脈沖，每個(gè)寬度為

7、=T/N，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：可簡(jiǎn)單地用正號(hào)+、負(fù)號(hào)-表示，正子脈沖標(biāo)志表示沒有相移，而負(fù)脈沖標(biāo)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(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 7/14/20229哈爾濱工業(yè)大學(xué)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(xiàn)中常用雙相碼相移的不同表示方式：同相(無(wú)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(xué)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(zhǎng)7/14/202211哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系7/14/202212哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系無(wú)相位編碼時(shí)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(xué)電子工程系引自：林茂庸，柯有安編著，雷達(dá)信號(hào)理論，國(guó)防工業(yè)出版社，1984. 11，P1637/14/2022

9、14哈爾濱工業(yè)大學(xué)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(xué)電子工程系引自：林茂庸，柯有安編著，雷達(dá)信號(hào)理論，國(guó)防工業(yè)出版社，1984. 11，P1637/14/202216哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系最佳長(zhǎng)度二進(jìn)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(xué)電

10、子工程系Barker碼7/14/202218哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系7/14/202219哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系7/14/202220哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系設(shè)An為具有N=2n-1個(gè)子碼的M序列，子碼寬度為，則碼的周期T0=N，對(duì)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(jī)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(xué)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(xué)電子工程系+類似于數(shù)字信號(hào)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(xué)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(dá)原理，電子工業(yè)出版社，1991，P501)7/14/202224哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系 n級(jí)線性移位寄存器的輸出序列是一個(gè)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(zhǎng)度序列或M序列，其中1元素比0元素的個(gè)數(shù)多1，即0、1的個(gè)數(shù)分為(N-1)/2、(N+1)/2。 考慮如上圖所示的三級(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N=23-1=7。M序列的產(chǎn)生方法線性移位寄存器法1級(jí)2級(jí)3級(jí)輸出三級(jí)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(xué)電子工程系當(dāng)初始狀態(tài)為1000時(shí)，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(lái)4級(jí)移位寄存器的輸出序列的一個(gè)周期為：000100110101111長(zhǎng)度為15，顯然這是一個(gè)M序列。注：線性移位寄存器的初始狀態(tài)不能全為零。 4級(jí)移位寄存器初始狀態(tài)：1 0 0 07/14/202226哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系7/14/202227哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系7/14/202228哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系線性移位寄存器的分析方法 n級(jí)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(duì)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(jì)線性移位寄存器的問題在原則上可歸結(jié)為找本原多項(xiàng)式的問題。目前對(duì)于n=168的本原多項(xiàng)式已有表可查。丁石孫，線性移位寄存器序列，上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，19827/14/202229哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系7/14/202230哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系7/14/202231哈爾濱工業(yè)大學(xué)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(xué)電子工程系三相Frank碼序列(N=3，碼長(zhǎng)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(zhǎng)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(xué)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(xué)電子工程系7/14/202235哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系相位調(diào)制連續(xù)波雷達(dá)測(cè)距實(shí)現(xiàn)方法相位調(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)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)時(shí)延。7/14/202236哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系(2) 將接收波形與發(fā)射碼的延遲信號(hào)相關(guān)當(dāng)延遲等于發(fā)

16、射信號(hào)的傳輸時(shí)間時(shí)，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(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)時(shí)延。兩種方法實(shí)際是一致的，都是利用發(fā)射信號(hào)的自相關(guān)。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。 發(fā)射機(jī)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(dá)7/14/202237哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系發(fā)射信號(hào)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(hào)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(gè)碼元寬度) 發(fā)射信號(hào)的不同延遲 計(jì)算結(jié)果0個(gè)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(gè)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(gè)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(gè)碼元 0 1 0 1 1 1 0