現(xiàn)代通信與雷達(dá)原理基礎(chǔ)教程 課件 第8章 雷達(dá)測量的基本原理

1第8章雷達(dá)測量的基本原理8.1雷達(dá)測距之脈沖法8.2雷達(dá)測距之調(diào)頻法8.4雷達(dá)測角8.5雷達(dá)測速主要內(nèi)容28.1、脈沖法測距常用方法脈沖法、頻率法、相位法1、脈沖法測距2、調(diào)頻法測距3、相位法測距3工作原理§8.1脈沖法測距測量目標(biāo)回波滯后于主波的時(shí)間現(xiàn)代雷達(dá)常采用電子設(shè)備自動(dòng)測讀回波到達(dá)的延遲時(shí)間?；夭}沖中心估計(jì)框圖回波時(shí)間定義方法：回波脈沖前沿作為到達(dá)時(shí)刻回波脈沖中心作為到達(dá)時(shí)刻選通4測距誤差的推導(dǎo)電波傳播速度平均值的誤差測量目標(biāo)回波時(shí)延的誤差影響測距精度的因素系統(tǒng)誤差：隨機(jī)誤差：系統(tǒng)各部分固定延遲所帶來的誤差(校準(zhǔn)補(bǔ)償)偶然因素造成設(shè)備誤差外界誤差電波傳播速度變化產(chǎn)生的影響：55距離分辨力光點(diǎn)直徑d兩個(gè)點(diǎn)目標(biāo)回波的矩形脈沖間的間隔顯示器掃描速度距離分辨力：人工測距電子測距簡單脈沖雷達(dá)距離分辨力：脈沖壓縮雷達(dá)距離分辨力：脈沖寬度雷達(dá)信號的有效帶寬τ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B=1MHz，Δrc=150m6測距范圍最小可測距離：雷達(dá)可測量的最近目標(biāo)的距離(盲區(qū))最小可測距離~最大單值測距范圍收發(fā)隔離收發(fā)開關(guān)的切換時(shí)間發(fā)射射頻脈沖后沿至開關(guān)響應(yīng)后沿的時(shí)間7最大單值測距范圍雷達(dá)重復(fù)頻率不能滿足單值測距要求的特殊場合出現(xiàn)測距模糊脈沖1脈沖2脈沖3脈沖4回波1回波2回波3回波4回波1回波2回波3

回波脈沖跨越重復(fù)周期數(shù)回波時(shí)延跨越脈沖重復(fù)周期時(shí)，不能直接讀取準(zhǔn)確時(shí)延分辨所需8多種重復(fù)頻率判模糊雙重頻判距離模糊t1t2發(fā)射信號1——fr1發(fā)射信號2——fr2tr公約頻率，應(yīng)保證不模糊測距或或N和a為互質(zhì)的正整數(shù)，a常取1重合后

fr①②①式為負(fù)，則用②式回波也重合9多重頻判距離模糊采用多個(gè)高脈沖重復(fù)頻率測距，給出更大的無模糊距離，兼顧避開發(fā)射脈沖遮蝕(Eclipse指采用單一脈沖重復(fù)頻率工作時(shí)，目標(biāo)因回波時(shí)間延遲正好是脈沖重復(fù)周期的整數(shù)倍而無法測距)。10舍脈沖法判距離模糊P229顯然舍脈沖法判模糊時(shí)，每組脈沖數(shù)N(回波跨越的重復(fù)周期數(shù))應(yīng)滿足最遠(yuǎn)目標(biāo)所對應(yīng)的跨周期數(shù)測得最近時(shí)延

舍棄脈沖舍棄脈沖無回波無回波每N個(gè)脈沖舍棄一個(gè)如何選擇N？從A2后累計(jì)發(fā)射脈沖數(shù)，直到某個(gè)發(fā)射脈沖后沒有回波脈沖11用途：連續(xù)波雷達(dá)、脈沖雷達(dá)。連續(xù)波雷達(dá)：連續(xù)發(fā)射具有頻率調(diào)制的信號以測定目標(biāo)的距離。脈沖雷達(dá)：發(fā)射脈沖的射頻頻率具有有規(guī)律的調(diào)制以解模糊距離?！?.2調(diào)頻法測距12調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)組成多目標(biāo)分辨困難，常用于單一目標(biāo)測距，如高度表等產(chǎn)生高頻等幅波，頻率按線性(三角波或鋸齒波)或正弦規(guī)律變化將回波信號與發(fā)射信號混頻，輸出差頻電壓共用天線的收發(fā)隔離有限，常用雙天線。13調(diào)頻法測距原理發(fā)射信號頻率ft在一定時(shí)間T內(nèi)線性增加，則回波信號fr頻率和發(fā)射信號頻率變化相同，只在時(shí)間上延遲了tR

（回波時(shí)延）。f0TtRtRf（t）tfb（t）tB：調(diào)頻帶寬T：調(diào)頻周期差拍頻率B脈沖法是14三角形波調(diào)制目標(biāo)位置固定時(shí)f+f-鋸齒波時(shí)15目標(biāo)運(yùn)動(dòng)時(shí)紅色虛線對應(yīng)靜止目標(biāo)fb靜止目標(biāo)①②①+②②-①目標(biāo)徑向速度+對應(yīng)ft↑，-對應(yīng)ft↓16正弦波調(diào)制周期Tm內(nèi)三角波調(diào)制需要嚴(yán)格的線性調(diào)頻；DDS可實(shí)現(xiàn)調(diào)頻線性。正弦波調(diào)頻也可解決這個(gè)困難。注：T即tr17調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：1、能測量很近的距離，可達(dá)幾米(脈沖測距的盲區(qū)上百米)，測量精度較高；2、系統(tǒng)簡單，體積小，重量輕，常用于高度表和微波引信。3、發(fā)射峰值功率小，方便采用固態(tài)發(fā)射機(jī)。缺點(diǎn)：1、難以同時(shí)測量多個(gè)目標(biāo)；多個(gè)目標(biāo)時(shí)需要采用大量濾波器和頻率計(jì)數(shù)器，系統(tǒng)復(fù)雜。2、收發(fā)隔離是個(gè)難題。發(fā)射泄漏(環(huán)形器隔離有限)將阻塞接收機(jī)，限制了發(fā)射功率；其噪聲泄漏會(huì)直接影響接收機(jī)靈敏度?？刹捎檬瞻l(fā)天線分開提高隔離。18工作原理多頻連續(xù)波(MFCW)測距相位差大于360°測相模糊距離模糊目標(biāo)反射過程中會(huì)引入附加相移測距誤差解距離模糊的主要方法相位編碼解距離模糊雙頻率相位法測距相位法測距電波在均勻介質(zhì)中傳播的直線性，雷達(dá)天線的方向性?！?.4.1概述測角的物理基礎(chǔ)測角的性能參數(shù)：測角的方法天線對于不同方向到達(dá)的電磁波具有不同的振幅和相位的響應(yīng)利用振幅響應(yīng)進(jìn)行測角利用相位響應(yīng)進(jìn)行測角

測角范圍、測角速度、測角精度或準(zhǔn)確度、角分辨力。相位法、振幅法8.4

雷達(dá)測角天線的方向圖一般性質(zhì)典型函數(shù)余弦函數(shù)、高斯函數(shù)、辛克函數(shù)。只描述主瓣區(qū)內(nèi)只描述主瓣θ0.5之內(nèi)主，副瓣半功率點(diǎn)位置1測角原理利用多個(gè)天線所接收到的回波信號間的相位差測角

測角范圍§8.4.2相位法測角實(shí)現(xiàn)方法將兩天線收到的高頻信號與同一本振差頻后在中頻上比相相位比較器可以采用相位檢波器(鑒相器)，由兩個(gè)單端檢波器組成，根據(jù)兩個(gè)信號間的相位差不同，合成電壓幅度將改變。2測角誤差與多值性問題測角誤差實(shí)際讀數(shù)測相模糊解決方法三天線法測角例：采用三天線的相位法測角設(shè)備，已知，若相位計(jì)的結(jié)構(gòu)誤差是相位計(jì)結(jié)構(gòu)誤差的兩倍，求二者的測角精度之比解：自學(xué)：習(xí)題一雷達(dá)系統(tǒng)采用三天線法測角，已知：自學(xué)：測角原理測角方法利用天線收到的回波信號幅度來做角度測量。幅度變化規(guī)律取決于天線方向圖以及天線的掃描方式。最大信號法，等信號法?！?.4.3振幅法測角最大信號法天線掃描過程中收到最強(qiáng)回波時(shí)，天線所在指向?yàn)槟繕?biāo)方向。缺點(diǎn)：簡單；能充分利用信號能量，回波信噪比高。優(yōu)點(diǎn)：因?yàn)樽畲笾蹈浇容^平坦，最強(qiáng)點(diǎn)不宜判斷，精度差，20％θ0.5

；不能判別目標(biāo)偏離波束軸的方向(誤差方向);單脈沖雷達(dá)掃過目標(biāo)方向時(shí)，不一定有回波脈沖，存在量化測角誤差。單基地脈沖雷達(dá)量化測角誤差Ωa為天線轉(zhuǎn)動(dòng)角速度(r/min);fr為脈沖雷達(dá)重復(fù)頻率。用途：搜索和引導(dǎo)雷達(dá)。等信號法利用兩個(gè)相同且部分重疊的波束。當(dāng)目標(biāo)位于兩波束交疊軸處時(shí)，兩波束收到回波信號相等，交疊軸方向即為目標(biāo)方向。特點(diǎn)：因?yàn)樾盘栞S附近方向圖斜率大，精度為波束半功率寬度的2%，比最大法提高一個(gè)數(shù)量級；可判別目標(biāo)偏離信號軸的方向，便于自動(dòng)跟蹤。缺點(diǎn)：系統(tǒng)復(fù)雜；信號偏弱，靈敏度有損失。用途：跟蹤雷達(dá)中自動(dòng)測角。實(shí)現(xiàn)方法：同時(shí)波瓣法——雙波束雙系統(tǒng)順序波瓣法——單系統(tǒng)單波束雙位置切換針狀波束：水平面和垂直面波束寬度很窄。雷達(dá)波束通常以一定的方式依次照射給定空域，以進(jìn)行目標(biāo)探測和目標(biāo)坐標(biāo)測量。掃描方式：螺旋掃描，分行掃描，鋸齒掃描用途：火控同時(shí)測距離、方位、俯仰；方位、俯仰波束窄；掃描速度慢，搜索能力差。波束形式：§8.4.4天線波束的掃描方法1波束形狀和掃描方法θ0.5特點(diǎn)：扇形波束：水平面和垂直面波束寬度差別大。特點(diǎn)：方位窄、俯仰寬，或相反；掃描速度快?？蓽yR、α，但β不可測θα0.5θβ0.5掃描方式：圓周掃描和扇掃用途：警戒波束形式：圓周掃描：地面雷達(dá)、機(jī)載雷達(dá)收發(fā)同天線扇形波束（余割平方型）特點(diǎn)：同高度上同一目標(biāo)回波強(qiáng)度相同可同時(shí)測R、α、β(同一目標(biāo)高度變化時(shí))HRβ用途：搜索、警戒、地面測繪同一高度目標(biāo)回波強(qiáng)度不變機(jī)械掃描整體運(yùn)動(dòng)：笨重，掃描速度低反射面運(yùn)動(dòng)：笨重，掃描速度高饋源變動(dòng)：更輕，掃描速度更高優(yōu)點(diǎn)：簡單；缺點(diǎn)：機(jī)械運(yùn)動(dòng)慣性大，掃描速度不高。分類：機(jī)械掃描和電掃描2天線掃描方式電掃描相位掃描，頻率掃描，時(shí)間延遲法特點(diǎn)：掃描速度很高；波速控制靈活缺點(diǎn)：掃描角度有限制；掃描過程中波束會(huì)展寬，增益減小；系統(tǒng)復(fù)雜相位掃描:在陣列天線元采用控制移相器相移量的方法改變激勵(lì)相位，從而實(shí)現(xiàn)電掃描。頻率掃描:用傳輸線代替相掃的移相器，當(dāng)頻率改變時(shí)各陣元相差改變，從而實(shí)現(xiàn)電掃描。具有插入損耗小，方法簡便的優(yōu)點(diǎn)。3相位掃描基本原理目標(biāo)為相鄰陣元的激勵(lì)相差波程相差側(cè)射陣柵瓣問題分母不為零分母為零避免柵瓣的條件零點(diǎn)柵瓣常取作用：目標(biāo)精確定位自動(dòng)測距時(shí)間鑒別器自動(dòng)測角角誤差鑒別器原理：目標(biāo)偏離軸線（即出現(xiàn)誤差角ε），產(chǎn)生一個(gè)誤差電壓，其值正比于ε，極性隨偏離方向不同而改變。誤差電壓經(jīng)跟蹤系統(tǒng)變換、放大、處理后，控制天線向減小ε方向運(yùn)動(dòng)，使天線軸線對準(zhǔn)目標(biāo)。應(yīng)用：空中交通管制、防空火控、衛(wèi)星跟蹤方法：圓錐掃描自動(dòng)測角；單脈沖自動(dòng)測角§8.4.5自動(dòng)測角的原理和方法目標(biāo)方向順序波瓣測角法：天線最大輻射方向O’B偏離旋轉(zhuǎn)軸(等信號軸)O’O，當(dāng)波束以一定角速度ωs繞軸O’O旋轉(zhuǎn)時(shí)，O’B在空間畫出一個(gè)圓錐，故稱圓錐掃描。1圓錐掃描自動(dòng)測角系統(tǒng)x方位y方位等信號軸A波束中心波束截面波束中心運(yùn)動(dòng)軌跡A目標(biāo)回波信號強(qiáng)弱變化規(guī)律φ0/ωs2π/ωsωs垂直于等信號軸的波束截面位置變化示意圖φ0x方位y仰角等信號軸ABCD目標(biāo)偏離等信號軸時(shí)，掃描過程中回波信號幅度會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)弱變化。圓錐掃描時(shí)，輸出信號近似為正弦波調(diào)制的脈沖串，其調(diào)制頻率為天線的圓錐掃描頻率ωs，調(diào)制深度取決于目標(biāo)偏離等信號軸方向的大小，起始相位由目標(biāo)偏離等信號軸的方向來決定。DBCA實(shí)現(xiàn)思路同時(shí)波瓣測角法差即信號相位差，反相。發(fā)射信號和信號差信號利用和差比較器實(shí)現(xiàn)和差波束，同時(shí)接收目標(biāo)回波信號用于發(fā)射觀察和測距用于測角2單脈沖自動(dòng)測角系統(tǒng)思考自學(xué)：1842年，多普勒發(fā)現(xiàn)多普勒現(xiàn)象1930年，多普勒規(guī)律應(yīng)用于電磁波范圍分析假定目標(biāo)為點(diǎn)目標(biāo)尺寸遠(yuǎn)小于雷達(dá)分辨單元§8.5.1多普勒效應(yīng)及其在雷達(dá)中的應(yīng)用8.5

雷達(dá)測速多普勒效應(yīng)雷達(dá)發(fā)射連續(xù)波時(shí)的多普勒效應(yīng)發(fā)射信號：回波：目標(biāo)固定不動(dòng)時(shí)目標(biāo)以勻速vr運(yùn)動(dòng)時(shí)目標(biāo)靠近時(shí)，Vr為正，多普勒頻率為正v例.設(shè)雷達(dá)工作波長為10cm，目標(biāo)徑向速度為300m/s，求回波信號的多普勒頻移。采用差拍法提取多普勒頻移如何提取fd§8.5.2多普勒信息的提取1連續(xù)波多卜勒雷達(dá)連續(xù)波發(fā)射機(jī)放大器相位檢波器多卜勒濾波器和放大器指示器產(chǎn)生發(fā)射信號收發(fā)信號差頻比較少量發(fā)射信號能量耦合作為基準(zhǔn)電壓回波信號差頻比較實(shí)質(zhì)：求取回波信號和基準(zhǔn)信號的合成電壓，檢波輸出正比于合成信號振幅。相位檢波器可用混頻器實(shí)現(xiàn)u0urudt0tuΣ固定目標(biāo)勻速目標(biāo)為常數(shù)回波信號矢量圍繞基準(zhǔn)信號矢量端點(diǎn)以等角速度旋轉(zhuǎn)。?0??02?0?d??0﹣?d?0﹢?d?dmax?d?濾波器頻率特性信號頻譜變化圖連續(xù)波發(fā)射機(jī)放大器相位檢波器多卜勒濾波器和放大器指示器?0?0?0?d?0?0+?d??0-?d2脈沖工作時(shí)的

多卜勒效應(yīng)連續(xù)振蕩t回波（固定）t脈沖發(fā)射t回波（運(yùn)動(dòng)）t相干檢波（固定）t2R0C2R0-△RC相干檢波（運(yùn)動(dòng)）t運(yùn)動(dòng)目標(biāo)：UrUkU∑inτTrut0Ur1Ur2Uk△?ut0cos(ωdt﹣?0)固定目標(biāo)：U∑in脈沖的包絡(luò)相當(dāng)于連續(xù)波輸出的采樣；對動(dòng)目標(biāo)，脈沖串的包絡(luò)調(diào)制頻率為多卜勒頻率。發(fā)射脈沖信號時(shí)，相鄰重復(fù)周期運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波與基準(zhǔn)電壓間的相位差變化如下相鄰重復(fù)周期延遲時(shí)間，其變化小高頻相位變化大高頻相位差相位檢波器Ur1Ur2Uk△?U∑in輸出信號幅度變化即利用相鄰重復(fù)脈沖回波信號與基準(zhǔn)信號之間的相位差來檢測運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，而不是其時(shí)延差。但這樣會(huì)發(fā)生盲速和頻閃。單個(gè)回波脈沖也有多普勒頻移，但該頻移只使相位檢波器輸出脈沖頂部產(chǎn)生畸變，要檢測該頻移需要多個(gè)脈沖。盲速從采樣上看，所有采樣都發(fā)生在正弦波的同一相位點(diǎn)上；從頻譜上看，即回波頻譜線與發(fā)射頻譜線重合。出現(xiàn)概率很低?？捎脜⒉钪貜?fù)頻率(兩個(gè)重頻交替工作)克服。此時(shí)：原因：目標(biāo)具有徑向速度vr，但其回波經(jīng)過相位檢波器后輸出為一串等幅脈沖，vr

為盲速。Ur2Ur1Uk△?U∑§8.5.3盲速和頻閃頻閃完全沒有多值的測量為：Ur2Ur1Uk△?U∑或速度測量有多值性現(xiàn)象：原因：脈沖工作狀態(tài)是對連續(xù)波工作的采樣，取樣后的波形和頻譜都會(huì)發(fā)生變化；當(dāng)fd超過fr一半時(shí)，nfr+fd與(n+1)fr-fd的譜線排列前后位置交叉而無法區(qū)分；相當(dāng)于取樣頻率必須大于兩倍多普勒頻率。比盲速要求更高；出現(xiàn)概率高；重頻高才能避免距離模糊0ffrSr(f)0frffrfrSr(f)f0(a)發(fā)射頻譜脈沖工作時(shí)的信號頻譜(d)相干檢波器輸出電壓譜(c)窄帶運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波頻譜(b)相干檢波器基準(zhǔn)電壓譜Ur1Ur22πUkωdΔ

=2πFd=0fd=frτTrFdfdtτTrfdFdtUr2Ur1Δ?Uk盲速與頻閃的矢量圖及波形圖分析Fdfd0fr2fr盲速說明頻閃說明fd的變化規(guī)律盲速的出現(xiàn)是因?yàn)槿酉到y(tǒng)的觀察是間斷的，而不是連續(xù)的F