雷达测距原理及实现方法（课堂PPT）

1、.1雷达测距原理 测量电磁波往返雷达与目标之间的时间。测量电磁波往返雷达与目标之间的时间。对对单基地雷达单基地雷达，设光速为，设光速为c，电磁波往返雷达与目标的时间，电磁波往返雷达与目标的时间为为TR，则目标相对雷达的距离，则目标相对雷达的距离R为：为：据上述公式可得据上述公式可得1微秒微秒(s)对应对应150米米(m)，式中数字，式中数字2表示收表示收发双程。发双程。2RcTR 2022-3-2.22022-3-2.3对对双基地雷达双基地雷达，计算，计算RT+RR有两种方法：有两种方法：直接法直接法：间接法间接法：单基地：R=cT/2发射天线Tx接收天线Rx目标RTRR2022-3-2.4对

2、对双基地雷达双基地雷达，具体计算，具体计算RT或或RR需要目标角度信息，如利用需要目标角度信息，如利用目标的接收视线角，则计算公式为：目标的接收视线角，则计算公式为：还有其他多种目标定位方法，具体可参考：还有其他多种目标定位方法，具体可参考：M.I. Skolnik, Radar Handbook: Ch25 Bistatic Radar, 2nd edition, McGraw-Hill, 19902022-3-2.5雷达测距的物理基础电磁波恒光速传播电磁波恒光速传播电磁波直线传播电磁波直线传播(直视距情形直视距情形)在均匀大气中电磁波等速直线传播。在均匀大气中电磁波等速直线传播。沿海面绕射

3、传播沿海面绕射传播(超视距情形超视距情形)特殊条件下电磁波沿海面、大气波导曲线传播。特殊条件下电磁波沿海面、大气波导曲线传播。2022-3-2.6地球表面的大气层分布是不均匀的。地球表面的大气层分布是不均匀的。1、大气密度、温度、湿度等参数随时间、大气密度、温度、湿度等参数随时间、地点而变化，导致大气传播介质的导磁地点而变化，导致大气传播介质的导磁系数和介电常数发生相应改变，引起系数和介电常数发生相应改变，引起电电波传播速度波传播速度c变化变化。昼夜间大气中温度、气压及湿度的起伏昼夜间大气中温度、气压及湿度的起伏变化所引起的传播速度变化为：变化所引起的传播速度变化为：丁鹭飞，雷达原理，西电出版

4、社，丁鹭飞，雷达原理，西电出版社，1995地球大气层510cc2022-3-2.7分层大气(层内均匀，越高越稀薄)2、大气介质分布的不均匀将造成、大气介质分布的不均匀将造成电磁波非直线传播电磁波非直线传播(大气折射大气折射)。折射系数折射系数n=c/vp折射率折射率N=(n-1)x10hnvpdn/dh0 射线通过径向分层大气时的途径射线通过径向分层大气时的途径美美杰里杰里L. 伊伏斯等编，伊伏斯等编，现代雷达原理现代雷达原理，电子工业出版社，电子工业出版社，1991.32022-3-2.8折射效应对目标位置的影响折射效应对目标位置的影响电磁波在非均匀大气层中传播时出现的大气折射，将有电磁波在

5、非均匀大气层中传播时出现的大气折射，将有两方面影响两方面影响：1)、改变雷达测量距离，产生测距误差。、改变雷达测量距离，产生测距误差。2)、引起俯仰角测量误差。、引起俯仰角测量误差。折射的影响可采用折射的影响可采用等效地球半径法等效地球半径法近似说明。近似说明。现代雷达原理现代雷达原理P602022-3-2.9 高频地波超视距雷达正是利用高频垂直极化电磁波沿海面绕射的特高频地波超视距雷达正是利用高频垂直极化电磁波沿海面绕射的特性探测超视距的海面舰船和低空飞机。性探测超视距的海面舰船和低空飞机。电磁波沿海面的绕射传播电磁波沿海面的绕射传播TBMs Out to 700KmHorizonSurfa

6、ce wave PropagationShip Detection andTracking at 200KmFighter and Small Boat Detection and Tracking at 74KmLine-of-Sight PropagationAntiship Missiles Detection and Tracking at 37Km2022-3-2.10地基地基/舰载雷达实现超视距探测的主要手段有：舰载雷达实现超视距探测的主要手段有：高频地波超视距雷达高频地波超视距雷达High Frequency Surface Wave OTH Radar 高频地波超视距雷达正是利

7、用高频高频地波超视距雷达正是利用高频(330MHz)垂直极化电磁波沿海面垂直极化电磁波沿海面绕射的特性探测超视距的海面舰船和低空飞机，沿海面绕射绕射的特性探测超视距的海面舰船和低空飞机，沿海面绕射300400km。高频天波雷达高频天波雷达High Frequency Skywave OTH Radar 高频天波超视距雷达利用电离层对短波的反射效应，其探测距离可达高频天波超视距雷达利用电离层对短波的反射效应，其探测距离可达1000至至4000km。高频天发地收超视距雷达高频天发地收超视距雷达High Frequency Hybrid Sky-Surface Wave OTH Radar 基于天波

8、发射地波接收的新体制雷达，将目前采用的高频天波超视距基于天波发射地波接收的新体制雷达，将目前采用的高频天波超视距雷达和高频地波超视距雷达的传播模式相结合，可发挥各自的优势。基于雷达和高频地波超视距雷达的传播模式相结合，可发挥各自的优势。基于天波发射的高频电磁波信号，是利用电离层对高频电磁波的折射，实现远天波发射的高频电磁波信号，是利用电离层对高频电磁波的折射，实现远距离的传播。由于电离层对电磁波的衰减较小，这种传播方式可实现信号距离的传播。由于电离层对电磁波的衰减较小，这种传播方式可实现信号的远距离传播，通常情况下可达的远距离传播，通常情况下可达2000km-4000km，并且覆盖区域非常大。

9、，并且覆盖区域非常大。 2022-3-2.112022-3-2.12微波超视距雷达微波超视距雷达 利用海上大气波导利用海上大气波导(大气超折射和对流层非均匀散射大气超折射和对流层非均匀散射)传播效应是此系传播效应是此系统在微波段实现超视距探测的基础，分别对应主动、被动工作方式。统在微波段实现超视距探测的基础，分别对应主动、被动工作方式。 详细分析：见详细分析：见电磁波传播特性电磁波传播特性章节。章节。dn/dh比正常值更负时，比正常值更负时，电波更加向地面弯曲。电波更加向地面弯曲。2022-3-2.13美国Raytheon公司高频地波雷达SWR-503的接收天线阵澳大利亚Jindaleee高频

10、天波雷达接收天线阵2022-3-2.14现代级：136-139中华现代：168-169中华神盾：170-171俄制MINERAL-ME目标指示/射控雷达(Bandstand音乐台)利用大气波导2022-3-2.15雷达测距的实现方法物理解释：物理解释： 一般地说单载频的连续波雷达没有测距能力，这与其发射信号带宽一般地说单载频的连续波雷达没有测距能力，这与其发射信号带宽太窄有关。若必须测量距离，则需要在连续波发射信号上加上某些定时太窄有关。若必须测量距离，则需要在连续波发射信号上加上某些定时标志以识别发射的时间和回波时间。标志越尖锐、鲜明，则传输时间的标志以识别发射的时间和回波时间。标志越尖锐、

11、鲜明，则传输时间的测量越准确。由傅立叶变换知：定时标志越尖锐，则发射信号的频谱越测量越准确。由傅立叶变换知：定时标志越尖锐，则发射信号的频谱越宽。因此为了测量传输时间或距离，则必须宽。因此为了测量传输时间或距离，则必须扩展单载频连续波的频谱扩展单载频连续波的频谱。实现方法：实现方法： 调幅调幅脉冲法测距脉冲法测距 调频调频频率法测距频率法测距 调相调相相位法测距相位法测距2022-3-2.16D.K. Barton et al, Radar Technology Encyclopedia, Artech House, Inc., 19982022-3-2.17脉冲法测距的优缺点2022-3-2

12、.18脉冲雷达常规脉冲雷达是幅度调制的一个例子，其发射波形是单载频的矩形脉冲常规脉冲雷达是幅度调制的一个例子，其发射波形是单载频的矩形脉冲，按一定的，按一定的(单重复周期单重复周期)或交错的重复周期或交错的重复周期(参差重复周期参差重复周期)工作，工作，发射一发射一个短脉冲相当于对电磁波打上标记个短脉冲相当于对电磁波打上标记以测往返时间以测往返时间。B.R. Mahafza et al, Matlab simulations for radar systems design, Chapman & Hall/CRC, 2004单载频信号2022-3-2.19脉冲雷达的天线是收发共用的，这

13、需要一个收发转换开关。在发射时，收脉冲雷达的天线是收发共用的，这需要一个收发转换开关。在发射时，收发开关使天线与发射机接通，并与接收机断开，以免高功率的发射信号进发开关使天线与发射机接通，并与接收机断开，以免高功率的发射信号进入接收机把高放或混频器烧毁。接收时，天线与接收机接通，并与发射机入接收机把高放或混频器烧毁。接收时，天线与接收机接通，并与发射机断开，以免因发射机旁路而使微弱的接收信号受损失。断开，以免因发射机旁路而使微弱的接收信号受损失。2022-3-2.20雷达测距的几个基本概念下面以脉冲雷达信号为例介绍几个测距的基本概念：下面以脉冲雷达信号为例介绍几个测距的基本概念：脉冲宽度脉冲宽

14、度(pulse width) 脉冲重复周期脉冲重复周期PRI (Pulse Repetition Interval) 脉冲重复频率脉冲重复频率PRF (Pulse Repetition Frequency) 占空比占空比(duty cycle) 峰值功率峰值功率Pt与平均功率与平均功率Pav 典型中程防空雷达参数：典型中程防空雷达参数：rTrTrtavTPPrrTf1KW，PMW，PmsTsavtr1100011 ,1 ,1则占空比为rT简单矩形脉冲波形2022-3-2.21距离分辨力：距离分辨力：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

15、目标之间最小可区分距离，它取决于雷达信号波形。离，它取决于雷达信号波形。 )0( ),2(21rr)2( ),(21rr0tt2022-3-2.22)0( ),(21rr2022-3-2.23对简单脉冲雷达而言，脉冲越窄，距离分辨力越好。而从信号检测角度讲，希望对简单脉冲雷达而言，脉冲越窄，距离分辨力越好。而从信号检测角度讲，希望发射脉冲宽度越宽越好，这样辐射出去的能量越大，目标回波信号越强，越有利发射脉冲宽度越宽越好，这样辐射出去的能量越大，目标回波信号越强，越有利于信号检测。显然于信号检测。显然这是一对不可调和的矛盾，可以采用脉冲压缩信号加以解决这是一对不可调和的矛盾，可以采用脉冲压缩信号

16、加以解决。 2022-3-2.24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。包括最小可测距离和最大单值测距范围。最小可测距离最小可测距离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，在发射脉冲宽度发射脉冲宽度时间内，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。在上述这。在上述这段时间内，由于不能正常接收回波信号，雷达是很难进行测距的。

17、因此，雷达的段时间内，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：最小可测距离为： 雷达的雷达的最大单值测距范围最大单值测距范围由其脉冲重复周期决定，即由其脉冲重复周期决定，即 当确定了雷达的最大作用距离当确定了雷达的最大作用距离 后，为保证单值测距，通常选取雷达脉冲重复后，为保证单值测距，通常选取雷达脉冲重复周期满足下列条件：周期满足下列条件： )(210mintcRrcTR21maxmaxRmax2RcTr)(21maxrTcRrT2022-3-2.25测距模糊：测距模糊：当回波延迟超过脉冲重复周期时，会把远目标误认为近目标，当回波延迟超过脉冲重复周期时，会

18、把远目标误认为近目标，即目标回波对应的距离为：即目标回波对应的距离为： 式中式中 为非负整数，为非负整数， 为接收的回波信号与最邻近发射脉冲间的延迟。为接收的回波信号与最邻近发射脉冲间的延迟。 如果雷达重复频率如果雷达重复频率 选得过高选得过高(如在脉冲多普勒雷达中为了保证无如在脉冲多普勒雷达中为了保证无测速模糊测速模糊)，测距有可能出现多值性。此时，测距有可能出现多值性。此时无模糊测距、无模糊测速又成无模糊测距、无模糊测速又成为一对矛盾为一对矛盾(MTI 、PD雷达各有侧重点雷达各有侧重点)。 测距模糊解释及示意图如下：测距模糊解释及示意图如下：rrTf1)(21RrtmTcRmRtrRTt

19、t02022-3-2.262022-3-2.27雷达测距解模糊的方法为了得到目标的真实距离为了得到目标的真实距离R，必须判定测距模糊值，必须判定测距模糊值m。为了判。为了判别模糊，必须对周期发射的脉冲信号再加上某些可识别的标别模糊，必须对周期发射的脉冲信号再加上某些可识别的标志，通常采用的解模糊方法有：志，通常采用的解模糊方法有： 多种脉冲重复频率法多种脉冲重复频率法舍脉冲法舍脉冲法)(21RrtmTcR2022-3-2.28双脉冲重复频率解模糊rrrrrrrrrTttffftfttfffnntt1212112221212134 14332t1fr1)，它们都不满足无模，它们都不满足无模糊测距

20、的要求，糊测距的要求，fr1和和fr2具有公约频率为具有公约频率为fr=fr1/N=fr2/(N+a)，其中，其中N, a为正整数。为正整数。 常选常选a=1使使N和和N+a为互质数，且为互质数，且fr的选择应保证无模糊测的选择应保证无模糊测距，即距，即0tRTr=N*Tr1=(N+1)*Tr2。这样有。这样有fr2=(N+1)fr=fr1+frtR=t1+n1/fr1=t2+n2/fr2则在则在0tR=2，m1, m2, , mn是两两互素的正整数，令是两两互素的正整数，令M=m1m2mn=m1M1=m2M2=mnMn，则同余式组，则同余式组有且仅有解有且仅有解 的最小整数是满足式中nkmM

21、kkkk, 2 , 1 ), (mod 1多脉冲重复频率解模糊)mod( )mod( )mod( 2211nn mcx mcx mcx) (mod 222111McMcMcMxnnn2022-3-2.32 将中国余数定理应用到解测距模糊问题时，将中国余数定理应用到解测距模糊问题时，m1, m2, , mn相当于所选相当于所选n个脉冲重复周期的比值，即个脉冲重复周期的比值，即或者或者即即fr为为fr1, fr2, , frn的公约数的公约数 在多脉冲重复频率情况下，所能获得的最大脉宽为在多脉冲重复频率情况下，所能获得的最大脉宽为 参见：W.A. Skillman and D.H. Mooney,

22、 Multiple High-PRF Ranging, IRE 5th National Convention on Military Electronics, 1961, pp3740 (收入书中：D.K. Barton, Radars, Volume 7: CW and Doppler Radar, Artech House, Inc., 1978, pp205213)rnnrnrrfmmmmTmTmT2122111nrnrrrMfMfMff2211rnfmmm2112022-3-2.33设设n1, n2, , nn分别为采用脉冲重复频率分别为采用脉冲重复频率fr1, fr2, , frn测量时的距离门数，即测量时的距离门数，即模糊时间延迟模糊时间延迟tn与脉宽与脉宽 比值的整数。这样设目标的真实时间延迟为比值的整数。这样设目标的真实时间延迟为tR，则，则)mod( )mod( )mod( 2222211111rnnRnrnnRrRrRrRrR T