1、第五章第五章 作业解题方法作业解题方法第五章第五章 作业解题方法作业解题方法第五章第五章 作业解题方法作业解题方法第五章第五章 作业解题方法作业解题方法第五章第五章 作业解题方法作业解题方法第五章第五章 作业解题方法作业解题方法第五章第五章 作业解题方法作业解题方法第五章第五章 作业解题方法作业解题方法第五章第五章 作业解题方法作业解题方法第五章第五章 作业解题方法作业解题方法第五章第五章 作业解题方法作业解题方法第五章第五章 作业解题方法作业解题方法第五章第五章 作业解题方法作业解题方法第六章第六章 目标距离的测量目标距离的测量电话电话:15182388504 V网网: 66286 西南科技
2、大学国防科技学院西南科技大学国防科技学院黄传波黄传波 6.1 脉冲法测距脉冲法测距 6.2 调频法测距调频法测距 6.3 距离跟踪原理距离跟踪原理 6.4 数字式自动测距器数字式自动测距器 目标距离的测量目标距离的测量q 目标距离测量基本方法目标距离测量基本方法 q 脉冲法测距、调频法测距的基本原理脉冲法测距、调频法测距的基本原理q 影响测距的主要时间误差、距离分辨力的含义影响测距的主要时间误差、距离分辨力的含义q 判距离模糊的基本方法、脉冲调频测距基本计算公判距离模糊的基本方法、脉冲调频测距基本计算公式式q 距离跟踪基本原理、数字式测距基本原理距离跟踪基本原理、数字式测距基本原理q 脉冲法测
3、距、调频法测距原理脉冲法测距、调频法测距原理q 判距离模糊方法判距离模糊方法q 距离跟踪基本原理距离跟踪基本原理 一、测距的物理基础和基本原理电磁波在均匀介质中以光速匀速直线传播测量目标回波滞后于发射信号的延迟时间二、 的测量脉冲雷达采用脉冲法连续波雷达采用频率法和相位法 RtRt概述概述 测量目标的距离是雷达的基本任务之一。 无线电波在均匀介质中以固定的速度直线传播(在自由空间传播速度约等于光速c=3105 km/s)。图6.1中, 雷达位于A点, 而在B点有一目标, 则目标至雷达站的距离(即斜距)R可以通过测量电波往返一次所需的时间tR得到，即 RRctRcRt212(6.0.1) 概述概
4、述图6.1 目标距离的测量 RAB概述概述v 脉冲法脉冲法v 频率法频率法v 相位法相位法而时间tR也就是回波相对于发射信号的延迟,因此, 目标距目标距离测量就是要精确测定延迟时间离测量就是要精确测定延迟时间tR。根据雷达发射信号的不同,测定延迟时间通常可以采用：概述概述6.1 脉冲法测距脉冲法测距 6.1.1 基本原理基本原理 在常用的脉冲雷达中, 回波信号是滞后于发射脉冲tR的回波脉冲。在荧光屏上目标回波出现的时刻滞后于主波, 滞后的时间就是tR, 测量距离就是测量距离就是要测出时间要测出时间tR 。1.1.在显示器上测距在显示器上测距ptCR 21pntvl npvltR=0.15 tR
5、 (6.1.1) 回波信号的延迟时间tR通常是很短促的, 将光速c=3105 km/s的值代入式(6.0.1)后得到 其中tR的单位为s, 测得的距离其单位为km, 即测距的计时单位是微秒。测量这样量级的时间需要采用快速计时快速计时的方法。早期雷达早期雷达均用显示器作为终端, 在显示器画面上根据扫掠量程和回波位置直接测读延迟时间。 现代雷达现代雷达常常采用电子设备自动自动地测读回波到达的迟延时间tR。 6.1 脉冲法测距脉冲法测距 2、确定回波到达的位置、确定回波到达的位置有两种定义回波到达时间两种定义回波到达时间tR的方法的方法：v 一种是以目标回波脉冲的前沿前沿作为它的到达时刻; v 另一
6、种是以回波脉冲的中心中心(或最大值或最大值)作为它的到达时刻。 对于通常碰到的点目标来讲, 两种定义所得的距离数据只相差一个固定值(约为/2), 可以通过距离校零予以消除。如果要测定目标回波的前沿, 由于实际的回波回波信号不是矩形脉冲而近似为不是矩形脉冲而近似为钟形钟形, 此时可将回波信号与一比较电平相比较与一比较电平相比较, 把回波信号穿越比较电平的时刻作为其前沿。 用电压比较器是不难实现上述要求的。用脉冲前沿作为到达时刻的缺点缺点是容易受回波大小及噪声的影响, 比较电平不稳也会引起误差。 6.1 脉冲法测距脉冲法测距 图6.3 回波脉冲中心估计 匹 配滤波器包络检波微分(d / dt)门限
7、过零点检 测tt本 振6.1 脉冲法测距脉冲法测距 前沿法：以目标回波脉冲的前沿测量到达时间 特点：物理概念清楚（适用于人工测量） 前沿受回波大小及噪声影响中心法：以回波脉冲的中心测量回波到达时间 特点：到达时间的测量不受波形的影响 适用于自动跟踪系统，采用专用电路；6.1 脉冲法测距脉冲法测距 6.1.2 影响测距精度的因素影响测距精度的因素 雷达在测量目标距离时, 不可避免地会产生误差, 它从数量上说明了测距精度, 是雷达站的主要参数之一。 由测距公式可以看出影响测量精度的因素。对式(6.1.1)求全微分, 得到 RRRdtcdccRdttRdccRdR2用增量代替微分, 可得到测距误差为
8、 RtcccRR2(6.1.2) 式中, c为电波传播速度平均值的误差; tR为测量目标回波延迟时间的误差。 6.1 脉冲法测距脉冲法测距 由式(6.1.2)可看出, 测距误差由电波传播速度测距误差由电波传播速度c的变化的变化c以及测时误差以及测时误差tR两部分组成两部分组成。 误差按其性质可分为系统误差和随机误差两类。误差按其性质可分为系统误差和随机误差两类。 系统误差系统误差是指在测距时, 系统各部分对信号的固定延时所造成的误差, 系统误差以多次测量的平均值与被测距离真实值之差来表示。从理论上讲, 系统误差在校准雷达时可以补偿可以补偿掉, 实际工作中很难完善地补偿 , 因此在雷达的技术参数
9、中, 常给出允许的系统误差范围。 RtcccRR2(6.1.2) 6.1 脉冲法测距脉冲法测距 随机误差随机误差系指因某种偶然因素引起的测距误差, 所以又称偶然误差。v 凡属设备本身工作不稳定性造成的随机误差称为设备误差设备误差, 如接收时间滞后的不稳定性、各部分回路参数偶然变化、晶体振荡器频率不稳定以及读数误差等。 v 凡属系统以外的各种偶然因素引起的误差称为外界误差外界误差, 如电波传播速度的偶然变化、电波在大气中传播时产生折射以及目标反射中心的随机变化等。 随机误差一般不能补偿不能补偿掉, 因为它在多次测量中所得的距离值不是固定的而是随机的。因此, 随机误差是衡量测距精度的主要指标。随机
10、误差是衡量测距精度的主要指标。6.1 脉冲法测距脉冲法测距 电波传播速度变化产生的误差电波传播速度变化产生的误差 如果大气是均匀的, 则电磁波在大气中的传播是等速直线, 此时测距公式(6.0.1)中的c值可认为是常数。 但实际上大气层的分布是不均匀的且其参数随时间、地点而变化。大气密度、湿度、 温度等参数的随机变化, 导致大气传播介质的导磁系数和介电常数也发生相应的改变, 因而电波传播速度c不是常量而是一个随机变量。由式(6.1.2)可知, 由于电波传播速度的随机误差而引起的相对测距误差为 ccRR(6.1.3) 6.1 脉冲法测距脉冲法测距 随着距离R的增大, 由电波速度的随机变化所引起的测
11、距误差R也增大。在昼夜间大气中温度、气压及湿度的起伏变化所引起的传播速度变化为c/c10-5, 若用平均值c作为测距计算的标准常数, 则所得测距精度亦为同样量级, 例如R=60 km时, R=6010310-5=0.6m的数量级,对常规雷达来讲可以忽略。 电波在大气中的平均传播速度和光速亦稍有差别, 且随工作波长而异, 因而在测距公式(6.0.1)中的c值亦应根据实际情况校准值亦应根据实际情况校准, 否则会引起系统误差, 表6.1列出了几组实测的电波传播速度值。6.1 脉冲法测距脉冲法测距 表表6.1 在不同条件下电磁波传播速度在不同条件下电磁波传播速度 6.1 脉冲法测距脉冲法测距 因大气折
12、射引起的误差因大气折射引起的误差 当电波在大气中传播时, 由于大气介质分布不均匀介质分布不均匀将造成电波折射, 因此电波传播的路径不是直线而是走过一个弯曲的轨迹不是直线而是走过一个弯曲的轨迹。在正折射时电波传播途径为一向下弯曲的弧线。 18/1116.1 脉冲法测距脉冲法测距 0RRR(6.1.4) 由图6.4可看出, 虽然目标的真实距离是R0, 但因电波传播不是直线而是弯曲弧线, 故所测得的回波延迟时间tR=2R/c,这就产生一个测距误差(同时还有测仰角的误差): 图6.4 大气层中电波的折射 RR0H地面目标视在位置目标真实位置6.1 脉冲法测距脉冲法测距 R的大小和大气层对电波的折射率有
13、直接关系的大小和大气层对电波的折射率有直接关系。如果知道了折射率和高度的关系, 就可以计算出不同高度和距离的目标由于大气折射所产生的距离误差, 从而给测量值以必要的修正。 当目标距离越远、高度越高时, 由折射所引起的测距误差R也越大。例如在一般大气条件下, 当目标距离为100 km, 仰角为0.1rad时, 距离误差为16 m的量级。 上述两种误差, 都是由雷达外部因素造成的, 故称之为外界误差外界误差。无论采用什么测距方法都无法避免这些误差, 只能根据具体情况, 作一些可能的校准。 6.1 脉冲法测距脉冲法测距 测读方法误差测读方法误差 测距所用具体方法不同, 其测距误差亦有差别。早期的脉冲
14、雷达早期的脉冲雷达直接从显示器上测量目标距离, 这时显示器荧光屏亮点的直径大小、所用机械或电刻度的精度、人工测读时的惯性等都将引起测距误差。当采用电子自动测距电子自动测距的方法时, 如果测读回波脉冲中心, 则图6.3中回波中心的估计误差(正比于脉宽而反比于信噪比)以及计数器的量化误差等均将造成测距误差。 自动测距时的测量误差与测距系统的结构、系统传递函数、目标特性(包括其动态特性和回波起伏特性)、干扰(噪声)的强度等因素均有关系, 详情可参考测距系统有关资料。 6.1 脉冲法测距脉冲法测距 22281eotBNEr 当混杂噪声为限带高斯白噪声限带高斯白噪声，输入信号的复调制函数为u(t), 输
15、入x(t)=u(t)+n(t)经匹配滤波器经匹配滤波器输出取包络后，求信号最大出现的时间即为时延估值。 理论分析证明，其估值方差 为 2rt式中，E为信号能量；N0为噪声功率谱密度；Be为信号u(t)的均方根带宽， dffUffdffUffBe2222| )(;)| )(|(6.1 脉冲法测距脉冲法测距 若令=2Be, 则 2222121ototNENErr上式表明，时延估值均方根误差反比于信号噪声比及信号的均方根误差时延估值均方根误差反比于信号噪声比及信号的均方根误差。例如，高斯脉冲的测时均方根差 6.1 脉冲法测距脉冲法测距 otNEBr218. 1B为脉冲频谱半功率点宽度。线性调频脉冲的
16、oLtNEBr23BL为其调制带宽。 6.1 脉冲法测距脉冲法测距 6.1.3 距离分辨力和测距范围距离分辨力和测距范围 距离分辨力是指同一方向上两个大小相等点目标之间最小可区分距距离分辨力是指同一方向上两个大小相等点目标之间最小可区分距离。离。在显示器上测距时, 分辨力主要取决于回波的脉冲宽度, 同时也和光点直径d所代表的距离有关。如图6.5所示的两个点目标回波的矩形脉冲之间间隔为+d/n, 其中n为扫掠速度, 这是距离可分的临界情况, 这时定义距离分辨力rc为 ncvdcr2式中, d为光点直径; n为光点扫掠速度(cm/s)。 dvn光点直径dvn图6.5 距离分辨力6.1 脉冲法测距脉
17、冲法测距 用电子方法测距或自动测距时用电子方法测距或自动测距时, 距离分辨力由脉冲宽度距离分辨力由脉冲宽度或波门宽度或波门宽度e决决定定, 如图6.3所示, 脉冲越窄, 距离分辨力越好。 对于复杂的脉冲压缩信号, 决定距离分辨力的是雷达信号的有效带宽有效带宽B, 有效带宽越宽, 距离分辨力越好。 距离分辨力rc可表示为 Bcrc12(6.1.5) 测距范围测距范围包括最小可测距离和最大单值测距范围。所谓最小可测距离, 是指雷达能测量的最近目标的距离。脉冲雷达收发共用天线, 在发射脉冲宽度时间内, 接收机和天线馈线系统间是“断开断开”的, 不能正常接收目标回波, 发射脉冲过去后天线收发开关恢复到
18、接收状态, 也需要一段时间t0, 在这段时间内, 由于不能正常接收回波信号, 雷达是很难进行测距的。 因此, 雷达的最小可测距离为 6.1 脉冲法测距脉冲法测距 )(210mintcR(6.1.6) 雷达的最大单值测距范围由其脉冲重复周期Tr决定。为保证单值测距, 通常应选取 max2RcTrRmxa为被测目标的最大作用距离。 有时雷达重复频率的选择不能满足单值测距的要求不能满足单值测距的要求, 例如在脉冲多卜勒雷达或远程雷达, 这时目标回波对应的距离R为 )(2RrtmTcRm为正整数 (6.1.7) 式中，tR为测得的回波信号与发射脉冲间的时延。这时将产生测距模糊测距模糊, 为了得到目标的
19、真实距离R, 必须判明式(6.1.7)中的模糊值m。 6.1 脉冲法测距脉冲法测距 最大单值可测距离最大单值可测距离显示器能够显示的最大距离显示器能够显示的最大距离RtRt实际实际测量值测量值理论值理论值6.1 脉冲法测距脉冲法测距 为了提高单值可测距离可采用:降低重复频率多重频率法舍脉冲法6.1 脉冲法测距脉冲法测距 6.1.4 判距离模糊的方法判距离模糊的方法 多种重复频率判模糊多种重复频率判模糊 设重复频率分别为fr1和fr2, 它们都不能满足不模糊测距的要求。fr1和fr2具有公约频率，其为fr, aNfNffrrr21N和a为正整数, 常选a=1, 使N和N+a为互质数。fr的选择应
20、保证不模糊测距。6.1 脉冲法测距脉冲法测距 雷达以fr1和fr2的重复频率交替发射脉冲信号。通过记忆重合装置, 将不同的fr发射信号进行重合, 重合后的输出是重复频率fr的脉冲串。同样也可得到重合后的接收脉冲串重合后的接收脉冲串, 二者之间的时延代表目标的真实距离二者之间的时延代表目标的真实距离, 如图6.6(a)所示。 6.1 脉冲法测距脉冲法测距 图 6.6 判距离模糊 (a) 用双重高重复频率测距; (b) “舍脉冲”法判模糊 (a)发 fr1收 fr1发 fr2收 fr2tRt1t2tRTn0tR6.1 脉冲法测距脉冲法测距 以二重复频率为例, 222111rrRfntfnttn1,
21、 n2分别为用fr1和fr2测距时的模糊数。当a=1时, n1和n2的关系可能有两种, 即n1=n2或n1=n2+1, 此时可算得 212211rrrrRffftftt或 2122111rrrrRffftftt如果按前式算出tR为负值, 则应用后式。 6.1 脉冲法测距脉冲法测距 如果采用多个高重复频率测距, 就能给出更大的不模糊距离, 同时也可兼顾跳开发射脉冲遮蚀的灵活性。下面举出采用三种高重复频率采用三种高重复频率的例子来说明。 例如, 取fr1 fr2 fr3=7 8 9, 则不模糊距离是单独采用fr2时的79=63倍。 这时在测距系统中可以根据几个模糊的测量值来解出其真实距离。办法可以
22、从我国的余数定理中找到。 以三种重复频率为例, 真实距离Rc为 Rc(C1A1+C2A2+C3A3) mod(m1m2m3) (6.1.8) 其中A1, A2, A3分别为三种重复频率测量时的模糊距离; m1m2m3为三个重复频率的比值。常数C1, C2, C3分别为 6.1 脉冲法测距脉冲法测距 C1=b1m2m3mod(m1)1 (6.1.9a)C2=b2m1m3mod(m2)1 (6.1.9b)C3=b3m1m2mod(m3)1 (6.1.9c) 式中, b1为一个最小的整数, 它被m2m3乘后再被m1除, 所得余数为1(b2, b3与此类似), mod表示“模”。 当m1, m2, m
23、3选定后, 便可确定C值, 并利用探测到的模糊距离直接计算真实距离Rc。 6.1 脉冲法测距脉冲法测距 例如: 设m1=7, m2=8, m3=9; A1=3, A2=5, A3=7，则 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 脉冲法测距脉冲法测距 即目标真实距离(或称不模糊距离)的单元数为Rc=493, 不模糊距离R为 ccRRc24932式中，
24、为距离分辨单元所对应的时宽。 当脉冲重复频率选定(即m1m2m3值已定), 即可按式(6.1.9a)(6.1.9c)求得C1、C2、C3的数值。只要实际测距时分别测到A1、 A2、A3的值, 就可按式(6.1.8)算出目标真实距离。 6.1 脉冲法测距脉冲法测距 “舍脉冲舍脉冲”法判模糊法判模糊 当发射高重复频率的脉冲信号而产生测距模糊时, 可采用“舍脉冲”法来判断m值。所谓所谓“舍脉冲舍脉冲”, 就是在每发射就是在每发射M个脉冲中舍弃一个个脉冲中舍弃一个, 作为作为发射脉冲串的附加标志。发射脉冲串的附加标志。如图6.6(b)所示, 发射脉冲从A1到AM, 其中A2不发射。与发射脉冲相对应,
25、接收到的回波脉冲串同样是每M个回波脉冲中缺少一个。只要从A2以后, 逐个累计发射脉冲数, 直到某一发射脉冲(在图中是AM-2)后没有回波脉冲(如图中缺B2)时停止计数, 则累计的数值就是回波跨越的重复周期数m。 6.1 脉冲法测距脉冲法测距 发射脉冲回波信号(b)AMA1A2A3A4AM 3A1A2A3A4AM 1AM 2AMAM 3AM 1AM 2AMttNTrNTrtRB1B2B3B4BMB1B2B3BMBM 3BM 1BM 2图 6.6 判距离模糊 (b) “舍脉冲”法判模糊 6.1 脉冲法测距脉冲法测距 舍弃脉冲无回波脉冲采用“舍脉冲”法判模糊时, 每组脉冲数M应满足以下关系: max
26、RrrtTmMT(6.1.10) 式中，mmax是雷达需测量的最远目标所对应的跨周期数；tR 的值在0Tr之间。这就是说, MTr之值应保证全部距离上不模糊测距。而M和mmax之间的关系则为 Mmmax+1 (6.1.11) 6.1 脉冲法测距脉冲法测距 缺点缺点：此法对：此法对tR=kTr+tR的目标无法区分，此时由于不存在舍脉冲的空的目标无法区分，此时由于不存在舍脉冲的空隙，舍脉冲法无法使用。隙，舍脉冲法无法使用。舍弃脉冲无回波脉冲tR2=(N+1)Tr+tR目标回波tR1=NTr+tR 目标回波调频法测距原理 对载频进行频率调制是用得很广的展宽连续波雷达频谱的一种技术，定时标志就是变化着
27、的频率定时标志就是变化着的频率。线性调频：线性调频：目标回波延迟时间正比于回波信号和发射信号的频率差。在给定的时间范围内发射的频率偏移越大，测量延迟时间的精度就越高，发射频谱也越宽。6.2 调调 频频 法法 测测 距距 调频连续波(FMCW: Frequency Modulation Continuous Wave)雷达的发射频率按已知的时间函数变化发射频率按已知的时间函数变化，它利用它利用在时间上改变发射信号的频在时间上改变发射信号的频率并测量接收信号频率的方法来测定目标距离。率并测量接收信号频率的方法来测定目标距离。在任何给定瞬间，发射频率与接收频率的相关不仅是测量目标距离的尺度，而且还是
28、测量目标不仅是测量目标距离的尺度，而且还是测量目标径向速度的尺度径向速度的尺度。由于任何实际的连续波雷达频率不可能向一个方向连续变化，所以必须采用周期性的调制。 调制波形通常有：调制波形通常有：锯齿波、三角波、正弦波、步进频率锯齿波、三角波、正弦波、步进频率频率调制波形频率调制波形6.2 调调 频频 法法 测测 距距 6.2 调调 频频 法法 测测 距距 6.2.1 调频连续波测距调频连续波测距 如图6.7。发射机产生连续高频等幅波, 其频率在时间上按三角形规律或按正弦规律变化, 目标回波和发射机直接耦合过来的信号加到接收机混频器内。频率计放 大 器和限幅器混频器调 频发射机直接耦合信号发射天
29、线接收天线目标r接收机图图6.7 调频连续波雷达方框图调频连续波雷达方框图 6.2 调调 频频 法法 测测 距距 在无线电波传播到目标并返回天线的这段时间内, 发射机频率较之回波频率已有了变化, 因此在混频器输出端便出现了差频电压差频电压。 后者经放大、限幅后加到频率计上。由于差频电压的频率与目标差频电压的频率与目标距离有关距离有关，因而频率计上的刻度可以直接采用距离长度作为单位。单频连续波形及其频谱单频连续波形及其频谱B.R. Mahafza et al, Matlab simulations for radar systems design, Chapman & Hall/CRC, 200
30、4频谱就是频率的分布曲线，复杂振荡分解为振幅不同和频率不同的谐振荡，这些谐振荡的幅值按频率排列的的图形叫做频谱频谱6.2 调调 频频 法法 测测 距距 单载频脉冲波形及其频谱单载频脉冲波形及其频谱其中单个脉冲时域波形及其频谱：单个脉冲时域波形及其频谱：f1(t)f2(t)的时域、频谱图的时域、频谱图6.2 调调 频频 法法 测测 距距 无限长单载频相参脉冲串波形及其频谱无限长单载频相参脉冲串波形及其频谱无限多脉冲串时域波无限多脉冲串时域波形及其频谱：形及其频谱：其中其中Tf1(t)f3(t)的时域、的时域、频谱图频谱图6.2 调调 频频 法法 测测 距距 有限长单载频相参脉冲串波形及其频谱有限
31、长单载频相参脉冲串波形及其频谱)(Rect)(34tfNTttf f1(t)f4(t)的时域、频谱图的时域、频谱图6.2 调调 频频 法法 测测 距距 锯齿波调频锯齿波调频锯齿波调频信号频率变化图锯齿波调频信号频率变化图TTftf锯齿波调频是指发射信号频率按锯齿波形状周期变化。在一个周期内发射信号频率线性变化，称为线性调频线性调频LFM (Linear Frequency Modulation)，又称Chirp信号信号。6.2 调调 频频 法法 测测 距距 线性调频脉冲波形线性调频脉冲波形瞬时频率及相位：瞬时频率及相位：B调频斜率式中 :6.2 调调 频频 法法 测测 距距 对于与雷达无径向运
32、动的目标对于与雷达无径向运动的目标(fd=0)而言而言，其回波信号与发射信号的频率差(通过差拍/去斜率处理获得)就决定于其回波延迟，因此测频差就可确定目标回波时延，即测距(目标存在径向运动时可进行补偿以精确测距)。LFMCW测距的图示说明测距的图示说明发射信号频率与发射信号频率与接收信号频率接收信号频率TTBtf回波时延回波时延频差频差fR下面以下面以LFMCW信号为例简单说明其测距原理：信号为例简单说明其测距原理：6.2 调调 频频 法法 测测 距距 LFMCW测距的公式推导测距的公式推导LFMCW (Linear Frequency Modulation Continuous Wave)线
33、性调频连续波线性调频连续波LFMICW (Linear Frequency Modulation Interrupted Continuous Wave)线性调频截断连续波线性调频截断连续波时域截断的必要性：时域截断的必要性： 单基地调频连续波雷达发射机和接收机之间的隔离是很个重要的问题，解决这个问题的方法很多，其中“时间分割时间分割”的工作方式就是一个比较有效的方法雷达的发射机和接收机交替地工作，并且收发可共用一个天线，类似于脉冲雷达，但但两者脉冲的占空比相差悬殊两者脉冲的占空比相差悬殊(脉冲雷达占空比通常很小，而时间开关占空比可达1/2)。这种“时间分割”工作方式表现在信号形式上就等效于对
34、线性调频信号的幅度进行对线性调频信号的幅度进行一次脉冲调制一次脉冲调制。通常采用的开关信号形式有两种：伪随机码序列伪随机码序列、矩形脉冲序列矩形脉冲序列。只要保证时域截断不引起频谱混叠，其对信号处理无实质性影响，下面仅讨论只要保证时域截断不引起频谱混叠，其对信号处理无实质性影响，下面仅讨论LFMCW的测距实现。的测距实现。6.2 调调 频频 法法 测测 距距 设发射LFMCW信号形式为：式中为T调频周期，K为调频斜率， 表示重复周期，t的取值范围是 ，f0为载频。 初始距离为R0(对应时刻t=0)，径向速度为vr的理想目标的回波延时为=2(R0-vrt)/c。不考虑传播衰减，则回波信号为：20
35、)(22cos)(nTtKtftST, 1 , 0 ,nTntnT) 1( 20)(2)(2cos)()(nTtKtftStSTR6.2 调调 频频 法法 测测 距距 将发射信号与接收信号直接差频到零中频(实际系统中并非如此，但并不影响下面分析)，则差频相位为： )(2 2)(22 2)(222)22(22 )(2)()(22)()()(20020002020nTtffnTfKnTtffnTfcRfKnTtcRKctvRfnTtKfnTtKtfnTtKtftttdRddRdrstb6.2 调调 频频 法法 测测 距距 式中2f0R0/c为常数，目标多普勒频率fd=2vrf0/c，fR=2KR/
36、c=K是目标距离所对应的频率，R=R0-vrt，K2/2对应的频率f0，则零中频信号形式可简写成： 信号处理的首要任务是信号处理的首要任务是将回波信号进行距离、速度及方位分选将回波信号进行距离、速度及方位分选(网格化网格化)，然后再进行其它处理。由于接收机中进行正交双通道处理，所以可以得到上式的复信号形式为：)(2cos)(0nTtffnTftSdRdIF)(2)(0)(nTtffjnjIFdRdeetS6.2 调调 频频 法法 测测 距距 其中 在一个扫频周期中是个常量，它代表目标运动而目标运动而产生的第一个扫频周期的回波初相，产生的第一个扫频周期的回波初相，fR对应当前目标位置所产生的频率
37、对应当前目标位置所产生的频率。这样先对一个扫频周期内的采样点序列进行第一维FFT处理，可近似得到目标的近似距离(一般fd的影响可在对速度精确测量后补偿掉)。时域开关信号的影响分析时域开关信号的影响分析：笼统地讲，开关信号对差频信号的影响主要在频域上。时域相乘，对应频域卷积时域相乘，对应频域卷积，而开关码为周期重复序列，其频谱为离散谱，谱线间隔为开关码重复频率，若出现频谱混叠则需要采取方法解采取方法解模糊。模糊。nTfndd2)(6.2 调调 频频 法法 测测 距距 1. 三角形波调制三角形波调制 如图6.8。 图中ft是发射机的高频发射频率, 它的平均频率是ft0, ft0变化的周期为Tm 。
38、ftTm2fft2R0c0ffb0fbfbfbart1t2frfft0tt图图6.8 调频雷达工作原理示意图调频雷达工作原理示意图 6.2 调调 频频 法法 测测 距距 相对静相对静止目标止目标回波回波相对运相对运动目标动目标回波回波6.2 调调 频频 法法 测测 距距 通常ft0为数百到数千兆赫, 而Tm为数百分之一秒。f r为从目标反射回来的回波频率, 它和发射频率的变化规律相同, 但在时间上滞后tR, tR=2R/c。发射频率调制的最大频偏为f, fb为发射和接收信号间的差拍频率, 差频的平均值用fbav表示。发射频率ft和回波的频率fr可写成如下表达式: cRtTffftTfftdtd
39、fffmrmt244/000差频fb为 cTfRfffmrtb8(6.2.1) 在调频的下降段, df/dt为负值, fr高于ft, 但二者的差频仍如式(6.2.1)所示。 6.2 调调 频频 法法 测测 距距 对于一定距离R的目标回波, 除去在t轴上很小一部分2R/c以外(这里差拍频率急剧地下降至零), 其它时间差频是不变的。 若用频率计测量一个周期内的平均差频值fbav, 可得到 mmmbavTcRTcTfRf28实际工作中, 应保证单值测距且满足 cRTm2因此 bmbavfRcTff86.2 调调 频频 法法 测测 距距 由此可得出目标距离R为 mbavfffcR8(6.2.2) 式中
40、，fm=1/Tm，为调制频率。 当反射回波来自运动目标当反射回波来自运动目标, 其距离为R而径向速度为v时, 其回波频率fr为 cRtTffffmdr2406.2 调调 频频 法法 测测 距距 fd为多卜勒频率, 正负号分别表示调制前后半周正负斜率的情况。 当fdfbav时, 得出的差频为 dmtrbdmrtbfRcTfffffRcTffff88(前半周正向调频范围) (后半周负向调频范围) 可求出目标距离为 mbbffffcR28如能分别测出fb+和f b-, 就可求得目标运动的径向速度v。v=/4(fb+-fb-)。运动目标回波信号的差频曲线如图6.8(b)中虚线所示。 6.2 调调 频频
41、 法法 测测 距距 由于频率计数只能读出整数值而不能读出分数由于频率计数只能读出整数值而不能读出分数, 因此这种方法会产会产生固定误差生固定误差R。由式(6.2.2)求出R的表示式为 mbavfffcR8(6.2.3) 6.2 调调 频频 法法 测测 距距 而fbav/fm表示在一个调制周期1/fm内平均差频fbav的误差, 当频率测读量化误差为1次, 亦即fbav/fm=1时, 可得以下结果: fcR8(6.2.4) 可见, 固定误差R与频偏量f成反比, 而与距离R0及工作频率f0无关。为减小这项误差, 往往使f加大到数十兆赫以上, 而通常的工作频率则选为数百到数千兆赫。 6.2 调调 频频
42、 法法 测测 距距 2. 正弦波调频正弦波调频用正弦波对连续载频进行调频时, 发射信号可表示为 tffftfUummtt2sin22sin0(6.2.5) 发射频率ft为 tfffdtdfmtt2cos2210(6.2.6) 由目标反射回来的回波电压ur滞后一段时间T(T=2R/c), 可表示为 )(2sin2)(2sin0TtfffTtfUummrr(6.2.7) 6.2 调调 频频 法法 测测 距距 图图6.9 调频雷达发射波按正弦规律调频调频雷达发射波按正弦规律调频 fft0fb0fbfbarfrf / 2f0TmcRTm42RcRctt6.2 调调 频频 法法 测测 距距 接收信号与发
43、射信号在混频器中外差后, 取其差频电压为 TfTtfTfffUkUummmrtb0222cossinsin(6.2.8) 一般情况下均满足T 1/fm, 则 sin fmT fmT 于是差频差频fb值和目标距离值和目标距离R成比例且随时间作余弦变化成比例且随时间作余弦变化。在周期Tm内差频的平均值fbav与距离R之间的关系和三角波调频时相同, 用fbav测距的原理和方法也一样。 6.2 调调 频频 法法 测测 距距 在调频连续波雷达测距时, 还可以提供附加的收发隔离, 这个特性是很重要的, 下面将予以分析。以正弦调频来说, 其差频信号如式(6.2.8)所示。对接收的差频信号进行傅里叶分析后,
44、得到以下频率分量: 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 调调 频频 法法 测测 距距 式中，J0, J1, J2等为第一类贝塞尔函数, 其阶数分别为0, 1, 2等; cRfffDmm02sinR0为目标在t=0时的距离, R=R0-vrt; fd为目标回波的多普勒频移, cRfcRfcfvfmrd0000002426.2 调调 频频 法法 测测 距距 图图6.10 正弦
45、调频差频信号的频谱正弦调频差频信号的频谱 0fdfdfm2fm3fm4fm频率相对振幅6.2 调调 频频 法法 测测 距距 贝塞尔函数的自变量D中包含了目标距离R0的信息, 不同阶数贝塞尔函数值与自变量D的关系曲线如图6.11(a)所示。 距离振幅 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)图6.11 正弦调频信号各谐波的特性各阶贝塞尔函数与D的关系; (a) (b) J3(D)与距离的关系 6.2 调调 频频 法法 测测 距距 原则上原则上, 可以提取差频信号的任
46、一频谱分量加以利用可以提取差频信号的任一频谱分量加以利用, 但实际上它们的但实际上它们的性能有很大差别性能有很大差别。以J0(D).cos(2fdt-0)项为例, 由于J0(D)在D=0时取最大值, 表明对R0=0的回波响应最强, 而这个距离正是发射信号及其噪声泄漏的位置；当目标回波距离增加时, J0(D)将下降，从而减小其幅度, 这就是说， J0(D)项增强泄漏而减弱远区目标回波, 这是不好的特性。6.2 调调 频频 法法 测测 距距 如果选用任一fm的谐波分量(n=1, 2, 3,), 则理论上在零距离的泄理论上在零距离的泄漏信号可为零漏信号可为零。当当D值很小时值很小时Jn(D)正比于正
47、比于Dn, 说明高阶贝塞尔函数可进一步减小零距离(发射机泄漏)响应, 但同时也减小了目标响应区, 故n应适当选择。如选n=3, 则J3(D)作为距离的函数如图6.11(b)所示。由于由于D是是R的周期函数的周期函数, 整个响应由几段镜像曲线组整个响应由几段镜像曲线组成成, 曲线上的零点说明某些距离上回波将被抑制曲线上的零点说明某些距离上回波将被抑制。 6.2 调调 频频 法法 测测 距距 距离振幅 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)6.2 调调 频频 法法
48、测测 距距 当只探测一个目标时(如高度计), 可以调节偏频f值, 使在该目标距离R0上的D值正对应所选贝塞尔函数最大值是: , 此时依据测定的f值, 即可得到目标的距离R。 cRfffDDmmm02sin6.2 调调 频频 法法 测测 距距 3. 调频连续波雷达的特点调频连续波雷达的特点 调频连续波雷达的优点优点是: (1) 能测量很近的距离, 一般可测到数米, 而且有较高的测量精度。 (2) 雷达线路简单, 且可做到体积小、 重量轻, 普遍应用于飞机高度表及微波引信等场合。 它的主要缺点缺点是: (1) 难于同时测量多个目标。如欲测量多个目标, 必须采用大量滤波器和频率计数器等, 使装置复杂
49、，从而限制其应用范围。 (2) 收发间的完善隔离是所有连续波雷达的难题。发射机泄漏功率将阻塞接收机, 因而限制了发射功率的大小。发射机噪声的泄漏会直接影响接收机的灵敏度。 6.2 调调 频频 法法 测测 距距 调制信号产 生 器调 频振荡器脉冲功率放 大 器脉 冲调制器混频器收发开关umTr(a)Tf 6.2.2 脉冲调频测距脉冲调频测距 脉冲法测距时由于重复频率高会产生测距模糊, 为了判别模糊, 必须对周期发射的脉冲信号加上某些可识别的发射的脉冲信号加上某些可识别的“标志标志”, 调频脉冲串调频脉冲串也是可用的一种方法。图6.12(a)就是脉冲调频测距的原理框图。 图6.12 脉冲调频测距原
50、理(a) 原理性方框图组成; 6.2 调调 频频 法法 测测 距距 图图6.12 脉冲调频测距原理脉冲调频测距原理 (b) 信号频率调制规律信号频率调制规律; (b)FftdtoTATBTCFCFAfdFB 脉冲调频时的发射信号频率如图6.12(b)中细实线所示, 共分为A、B、C三段, 分别采用正斜率调频、负斜率调频和发射恒定频率。有多普勒频移无多普勒频移发射信号频率6.2 调调 频频 法法 测测 距距 由于调频周期调频周期T远大于雷达重复周期远大于雷达重复周期Tr, 故在每一个调频段中均包含多个脉冲, 如图6.12(c)所示。回波信号频率变化的规律也在同一图上标出以作比较。 虚线所示为回波
