导弹制导系统原理7

第七章运动目标检测及测速导弹制导控制系统原理第七章运动目标检测及测速第七章运动目标检测及测速第七章运动目标检测及测速第七章运动目标检测及测速7.1多普勒效应及其在雷达中的应用7.2动目标显示雷达的工作原理及主要组成7.3盲速、盲相的影响及其解决途径7.4速度测量第七章运动目标检测及测速7.1多普勒效应及其在雷达中的应用7.1.1多普勒效应DopplerEffect多普勒效应是指当发射源和接受者之间有相对径向运动时,接收到的信号频率将发生变化。第七章运动目标检测及测速多普勒效应首先在声学上由物理学家克里斯顿·多普勒于1842年发现。1930年左右开始将这一规律应用到电磁波范围。雷达应用日益广泛及对其性能要求更加提高，推动了利用多普勒效应来改善雷达工作质量的进程。克里斯顿·多普勒第七章运动目标检测及测速GRIFO-7火控雷达雷达具有良好的电子对抗能力；在脉冲多普勒和脉波重复频率波形模式下，具有完整的下视上视能力，并可比对地面测距；可从平视显示器上显示相关信息。歼-7E和歼-7MG也可采用相似于GRIFO-7的雷达。第七章运动目标检测及测速英“空中闪光”空空弹道制导体制是纯粹跟踪目标雷达回波从MG型的平视显示器看到的景象歼7家族的成功改型成都歼7MG战斗机多普列雷达第七章运动目标检测及测速“飞豹”脉冲多普勒雷达的平面狭缝天线，对地性能优于苏30的雷达。飞豹战机起飞返航归来的飞豹A第七章运动目标检测及测速1.雷达发射连续波的情况s(t)=Acos(ω0t+φ)式中,ω0为发射角频率,φ为初相;A为振幅。雷达波发射源这时发射信号可表示为第七章运动目标检测及测速雷达波雷达波发射后会逐渐扩散第七章运动目标检测及测速在雷达发射站处接收到由目标反射的回波信号sr(t)为])(cos[)()(0rrrttkAttksts(7.1.1)式中,tr=2R/c,为回波滞后于发射信号的时间,其中R为目标和雷达站间的距离;c为电磁波传播速度,在自由空间传播时它等于光速;k为回波的衰减系数。第七章运动目标检测及测速如果目标固定不动,则距离R为常数。回波与发射信号之间有固定相位差ω0tr=2πf0·2R/c=(2π/λ)2R,它是电磁波往返于雷达与目标之间所产生的相位滞后。第七章运动目标检测及测速主波回波A型显示器J型显示器主波回波主波回波A/R型显示器不同显示器中主波与会波第七章运动目标检测及测速雷达回波图雷达回波测距.第七章运动目标检测及测速当目标与雷达站之间有相对运动时,则距离R随时间变化。设目标以匀速相对雷达站运动,则在时间t时刻,目标与雷达站间的距离R(t)为R(t)=R0-vrt式中，R0为t=0时的距离；vr为目标相对雷达站的径向运动速度。第七章运动目标检测及测速由上式可知在t时刻接收到的波形sr(t)上的某点,是在t-tr时刻发射的。由于通常雷达和目标间的相对运动速度vr远小于电磁波速度c,故时延tr可近似写为)(2)(20tvRcctRtrr(7.1.1)])(cos[)()(0rrrttkAttksts第七章运动目标检测及测速回波信号比起发射信号来,高频相位差)(22)(20000tvRtvRctrrr是时间t的函数,在径向速度vr为常数时,产生频率差为rdvdtdf221(7.1.3)这就是多卜勒频率,它正比于相对运动的速度而反比于工作波长λ。第七章运动目标检测及测速当目标飞向雷达站时,多卜勒频率为正值,接收信号频率高于发射信号频率,而当目标背离雷达站飞行时,多卜勒频率为负值,接收信号频率低于发射信号频率。第七章运动目标检测及测速多卜勒频率可以直观地解释为:振荡源发射的电磁波以恒速c传播,如果接收者相对于振荡源是不动的,则他在单位时间内收到的振荡数目与振荡源发出的相同,即二者频率相等。如果振荡源与接收者之间有相对接近的运动,则接收者在单位时间内收到的振荡数目要比他不动时多一些,也就是接收频率增高；当二者作背向运动时,结果相反。多卜勒频率第七章运动目标检测及测速2.窄带信号时的多卜勒效应])(Re[)(0tjetuts常用雷达信号为窄带信号(带宽远小于中心频率)。其发射信号可以表示为Re表示取实部u(t)为调制信号的复数包络ω0为发射角频率第七章运动目标检测及测速同连续波发射时的情况相似,由目标反射的回波信号sr(t)可以写成])(Re[)()()(0rttjrrrettkuttksts(7.1.4)当目标固定不动时,回波信号的复包络有一固定迟延,而高频则有一个固定相位差。GLC-20C波段全相参多普勒气象雷达.第七章运动目标检测及测速当目标相对雷达站匀速运动时,按式(7.1.2)近似地认为其延迟时间tr为)(2)(20tvRcctRtrr第七章运动目标检测及测速由回波信号表示式说明,回波信号比起发射信号来讲,复包络滞后tr,而高频相位差φ=-ω0tr=-2π(2/λ)(R0-vrt)是时间的函数。当速度vr为常数时,φ(t)引起的频率差为rdvdtdf221第七章运动目标检测及测速上式φ(t)引起的频率差称为多卜勒频率,即回波信号的频率比之发射频率有一个多卜勒频移。多普勒频移第七章运动目标检测及测速已经知道,回波信号的多卜勒频移fd正比于径向速度，而反比于雷达工作波长λ,即cvffvcfvfrdrrd22200多卜勒频移的相对值正比于目标速度与光速之比,fd的正负值取决于目标运动的方向。7.1.2多卜勒信息的提取第七章运动目标检测及测速1.连续波多卜勒雷达为取出收发信号频率的差频,可以在接收机检波器输入端引入发射信号作为基准电压,在检波器输出端即可得到收发频率的差频电压,即多卜勒频率电压。这时的基准电压通常称为相参(干)电压,而完成差频比较的检波器称为相干检波器。其上的多普勒雷达，有具备地形跟踪、地形.第七章运动目标检测及测速图7.1(a)组成框图;(b)多卜勒频率差拍矢量;(c)频谱图连续波发射机放大器相位检波器多卜勒滤波器和放大器指示器(1)(2)(3)(4)(1)(2)(3)(4)udurUo0tfdf0fffff0f0＋fdf0＋fdf02f0f0－fdfdfdmax滤波器频率特性0000f0±fdf0f0fd(a)(b)(c)第七章运动目标检测及测速发射机产生频率为f0的等幅连续波高频振荡,其中绝大部分能量从发射天线辐射到空间,很少部分能量耦合到接收机输入端作为基准电压。混合的发射信号和接收信号经过放大后,在相位检波器输出端取出其差拍电压,隔除其中直流分量,得到多卜勒频率信号送到终端指示器。第七章运动目标检测及测速对于固定目标信号,由于它和基准信号的相位差φ=ω0tr保持常数,故混合相加的合成电压幅度亦不改变。当回波信号振幅Ur远小于基准信号振幅U0时,从矢量图上可求得其合成电压为cos0rUUU(7.1.12)第七章运动目标检测及测速包络检波器输出正比于合成信号振幅。对于固定目标,合成矢量不随时间变化,检波器输出经隔直流后无输出。而运动目标回波与基准电压的相位差随时间按多卜勒频率变化。即回波信号矢量围绕基准信号矢量端点以等角速度ωd旋转,这时合成矢量的振幅为)cos(00tUUUdr经相位检波器取出二电压的差拍,通过隔直流电容器得到输出的多卜勒频率信号为)cos(0tUdr(7.1.13)第七章运动目标检测及测速当水面上的小虫子在原地摆动它的肢体时，会产生以它为圆心向四方散开的水波若是波速恰好等於波源移动的速率时，则会产生如下的图形第七章运动目标检测及测速超音速飞机飞行时所形成震波的圆锥形区域右上图中A虽然已经看到飞机，但是却尚未听到飞机所产生的震波（刚传到B处）第七章运动目标检测及测速脉冲雷达是最常用的雷达工作方式。当雷达发射脉冲信号时,和连续发射时一样,运动目标回波信号中产生一个附加的多卜勒频率分量。所不同的是目标回波仅在脉冲宽度时间内按重复周期出现。2.脉冲工作状态时的多卜勒效应JL-7A型单脉冲火控雷达.第七章运动目标检测及测速图7.2利用多卜勒效应的脉冲雷达(a)原理方块图;(b)主要波形图;(c)A显画面(对消前)脉冲调制器功率放大器连续振荡器接收机显示系统f0＋fdf0发射接收①②④③基准电压(a)第七章运动目标检测及测速图7.2利用多卜勒效应的脉冲雷达(a)原理方块图;(b)主要波形图;(c)A显画面(对消前)①②④③④③′′连续振荡脉冲发射回波(固定)回波(运动)相干检波(运动)相干检波(固定)tttttt(b)cR02cRR)Δ(20第七章运动目标检测及测速图7.2利用多卜勒效应的脉冲雷达(a)原理方块图;(b)主要波形图;(c)A显画面(对消前)动目标强固定目标噪声(c)第七章运动目标检测及测速和连续波雷达的工作情况相类比:发射信号按一定的脉冲宽度τ和重复周期Tr工作。由连续振荡器取出的电压作为接收机相位检波器的基准电压,基准电压在每一重复周期均和发射信号有相同的起始相位,因而是相参的。法国幻影ⅢE战斗机在座舱下方加装有一具马可尼公司的连续波多普勒导航雷达第七章运动目标检测及测速YLC-15是全相参脉冲多普勒防空雷达以色列狮式战斗机主要机载设备EL/M2032多模态脉冲多普勒雷达第七章运动目标检测及测速相位检波器输入端所加电压有两个:连续的基准电压uk，uk=Uksin(ω0t+φ0′),其频率和起始相位均与发射信号相同;回波信号ur,ur=Ursin［ω0(t-tr)+φ0′］,当雷达为脉冲工作时,回波信号是脉冲电压,只在信号来到期间即tr≤t≤tr+τ时才存在,其它时间只有基准电压Uk加在相位检波器上。经过检波器的输出信号为)cos1()cos1(0mUmUKukd(7.1.14)第七章运动目标检测及测速对于固定目标来讲,相位差φ是常数,cRtr0002合成矢量的幅度不变化,检波后隔去直流分量可得到一串等幅脉冲输出。对运动目标回波而言,相位差随时间t改变,其变化情况由目标径向运动速度vr及雷达工作波长λ决定。)(22)(2000tvRctRtrr第七章运动目标检测及测速合成矢量为基准电压Uk以及回波信号相加,经检波及隔去直流分量后得到脉冲信号的包络为)cos(2coscos000000tmUtRcmUmUdrd(7.1.15)即回波脉冲的包络调制频率为多普勒频率。[上图]车子朝着无线电波方向前进，其反弹的率频会增加[下图]车子朝着无线电波传送的反方向前进，其反弹的率频会减小第七章运动目标检测及测速这相当于连续波工作时的取样状态,在脉冲工作状态时,回波信号按脉冲重复周期依次出现,信脉冲工作时,相邻重复周期运动目标回波与基准电压之间的相位差是变化的,其变化量为rrrrdtTcvT002第七章运动目标检测及测速图7.3相位检波器输出波形ttTrcos(dt－0)uuUrUkU∑inUr2UkUr100第七章运动目标检测及测速相邻重复周期延迟时间的变化量Δtr=2ΔR/c=2vrTr/c是很小的数量,但当它反映到高频相位上时,Δφ=ω0Δtr就会产生很灵敏的反应。相参脉冲雷达利用了相邻重复周期回波信号与基准信号之间相位差的变化来检测运动目标回波,相位检波器将高频的相位差转化为输出信号的幅度变化。歼-8Ⅱ机头雷达罩有脉冲多普勒雷达特有的防雷条。第七章运动目标检测及测速一种X波段多普勒天气雷达设备组成图第七章运动目标检测及测速脉冲雷达工作时,单个回波脉冲的中心频率亦有相应的多卜勒频移,但在fd1/τ的条件下(这是常遇到的情况),这个多普勒频移只使相位检波器输出脉冲的顶部产生畸变。这就表明要检测出多卜勒频率需要多个脉冲信号。只有当fd＞1/τ时,才有可能利用单个脉冲测出其多普勒频率。对于运动目标回波,其重复周期的微小变化ΔTr=(2vr/c)Tr通常均可忽略。第七章运动目标检测及测速“飞豹”脉冲多普勒雷达的平面狭缝天线，对地性能优于苏30的雷达。携带4枚反舰导