雷达原理(第三版)--丁鹭飞-第6章

第6章目标距离的测量第6章目标距离的测量6.1脉冲法测距6.2调频法测距6.3距离跟踪原理6.4数字式自动测距器第6章目标距离的测量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=3×105km/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)而时间tR也就是回波相对于发射信号的延迟,因此,目标距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脉冲法,频率法和相位法。第6章目标距离的测量图6.1目标距离的测量RAB第6章目标距离的测量6.1脉冲法测距6.1.1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,如图6.2所示。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,测量距离就是要测出时间tR。回波信号的延迟时间tR通常是很短促的,将光速c=3×105km/s的值代入式(6.0.1)后得到R=0.15tR(6.1.1)第6章目标距离的测量其中tR的单位为μs,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的方法。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。现代雷达常常采用电子设备自动地测读回波到达的迟延时间tR。第6章目标距离的测量图6.2具有机械距离刻度标尺的显示器荧光屏画面发射脉冲近区地物回波目标回波机械距离刻度标尺llp图6.2010203040506070km第6章目标距离的测量有两种定义回波到达时间tR的方法,一种是以目标回波脉冲的前沿作为它的到达时刻;另一种是以回波脉冲的中心(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τ/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,由于实际的回波信号不是矩形脉冲而近似为钟形,此时可将回波信号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。第6章目标距离的测量图6.3回波脉冲中心估计匹配滤波器包络检波微分(d/dt)门限过零点检测ttΣ本振第6章目标距离的测量6.1.2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RtcccRR2(6.1.2)式中,Δc为电波传播速度平均值的误差;ΔtR为测量目标回波延迟时间的误差。第6章目标距离的测量由式(6.1.2)可看出,测距误差由电波传播速度c的变化Δc以及测时误差ΔtR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,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掉,实际工作中很难完善地补偿,因此在雷达的技术参数中,常给出允许的系统误差范围。第6章目标距离的测量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。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,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。凡属系统以外的各种偶然因素引起的误差称为外界误差,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。第6章目标距离的测量1.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)第6章目标距离的测量随着距离R的增大,ΔR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Δc/c≈10-5,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=60km时,ΔR=60×103×10-5=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λ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,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。第6章目标距离的测量表6.1在不同条件下电磁波传播速度第6章目标距离的测量2.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。在正折射时电波传播途径为一向下弯曲的弧线。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Δβ):0RRR(6.1.4)第6章目标距离的测量ΔR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ΔR也越大。例如在一般大气条件下,当目标距离为100km,仰角为0.1rad时,距离误差为16m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。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。第6章目标距离的测量图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第6章目标距离的测量3.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τ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。第6章目标距离的测量22281eotBNEr当混杂噪声为限带高斯白噪声，输入信号的复调制函数为u(t),输入x(t)=u(t)+n(t)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|)((;)|)(|(第6章目标距离的测量若令β=2πBe,则2222121ototNENErr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。例如，高斯脉冲的测时均方根差第6章目标距离的测量otNEBr218.1B为脉冲频谱半功率点宽度。线性调频脉冲的oLtNEBr23BL为其调制带宽。第6章目标距离的测量6.1.3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离。在显示器上测距时,分辨力主要取决于回波的脉冲宽度τ,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τ+d/υn,其中υn为扫掠速度,这是距离可分的临界情况,Δrc为ncvdcr2式中,d为光点直径;υn为光点扫掠速度(cm/μs)。第6章目标距离的测量图6.5距离分辨力τ＋dvn光点直径dvn第6章目标距离的测量用电子方法测距或自动测距时,距离分辨力由脉冲宽度τ或波门宽度τe决定,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B,有效带宽越宽,距离分辨力越好。距离分辨力Δrc可表示为Bcrc12(6.1.5)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τ时间内,接收机和天线馈线系统间是“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第6章目标距离的测量)(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max2RcTrRmxa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,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)(2RrtmTcRm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,为了得到目标的真实距离R,必须判明式(6.1.7)中的模糊值m。第6章目标距离的测量6.1.4判距离模糊的方法1.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,aNfNffrrr21N和a为正整数,常选a=1,使N和N+a为互质数。fr的选择应保证不模糊测距。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,二者之间的时延代表目标的真实距离,如图6.6(a)所示。第6章目标距离的测量图6.6(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fr2tRt1t2tRTn0tR第6章目标距离的测量图6.6(a)用双重高重复频率测距;(b)“舍脉冲”法判模糊发射脉冲回波信号(b)AMA1A2A3A4……AM－3A1A2A3A4……AM－1AM－2AMAM－3AM－1AM－2AMttNTrNTrtR′B1B2B3B4……BMB1B2B3BMBM－3BM－1BM－2第6章目标距离的测量以二重复频率为例,222111rrRfntfnttn1,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。第6章目标距离的测量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7×9=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分别为第6章目标距离的测量C1=b1m2m3mod(m1)≡1(6.1.9a)C2=b2m1m3mod(m2)≡1(6.1.9b)C3=b3m1m2mod(m3)≡1