雷達(dá)測(cè)距原理與脈沖法測(cè)距資料2/7/20232哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系對(duì)雙基地雷達(dá)，計(jì)算RT+RR有兩種方法：直接法：間接法：?jiǎn)位兀篟=cT/2發(fā)射天線Tx接收天線Rx目標(biāo)RTRR2/7/20233哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系對(duì)雙基地雷達(dá)，具體計(jì)算RT或RR需要目標(biāo)角度信息，如利用目標(biāo)的接收視線角，則計(jì)算公式為：還有其他多種目標(biāo)定位方法，具體可參考：M.I.Skolnik,RadarHandbook:Ch25BistaticRadar,2ndedition,McGraw-Hill,19902/7/20234哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系雷達(dá)測(cè)距的物理基礎(chǔ)電磁波恒光速傳播電磁波直線傳播(直視距情形)在均勻大氣中電磁波等速直線傳播。電磁波特殊傳播(超視距情形)電磁波經(jīng)電離層反射(高頻段)、沿海面繞射(高頻段)、在大氣波導(dǎo)(微波段)中曲線傳播。2/7/20235哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系地球表面的大氣層分布是不均勻的。1、大氣密度、溫度、濕度等參數(shù)隨時(shí)間、地點(diǎn)而變化，導(dǎo)致大氣傳播介質(zhì)的導(dǎo)磁系數(shù)和介電常數(shù)發(fā)生相應(yīng)改變，引起電波傳播速度c變化。晝夜間大氣中溫度、氣壓及濕度的起伏變化所引起的傳播速度變化為：丁鷺飛，雷達(dá)原理，西電出版社，1995電磁波在大氣層內(nèi)的折射傳播2/7/20236哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系分層大氣(層內(nèi)均勻，越高越稀薄)2、大氣介質(zhì)分布的不均勻?qū)⒃斐呻姶挪ǚ侵本€傳播(大氣折射)。折射系數(shù)n=c/vp折射率N=(n-1)x10h↑—n↓—vp↑dn/dh<0射線通過(guò)徑向分層大氣時(shí)的途徑[美]杰里L(fēng).伊伏斯等編，現(xiàn)代雷達(dá)原理，電子工業(yè)出版社，1991.32/7/20237哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系折射效應(yīng)對(duì)目標(biāo)位置的影響電磁波在非均勻大氣層中傳播時(shí)出現(xiàn)的大氣折射，對(duì)雷達(dá)測(cè)量的影響：1)、改變雷達(dá)測(cè)量距離，產(chǎn)生測(cè)距誤差。2)、引起俯仰角測(cè)量誤差。折射的影響可采用等效地球半徑法近似說(shuō)明?！冬F(xiàn)代雷達(dá)原理》P602/7/20238哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系利用天空的電離層折射和反射而傳播的電波，也叫天波。電離層一方面反射電波，另一方面也要吸收電波。電離層對(duì)電波的反射和吸收與頻率(波長(zhǎng))有關(guān)。利用短波的天波傳播可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信及目標(biāo)探測(cè)，具有兩個(gè)突出特點(diǎn)：一是傳播距離遠(yuǎn)，同時(shí)產(chǎn)生中間靜區(qū)地帶，二是傳播不穩(wěn)定，隨晝夜和季節(jié)的變化而變化。電磁波經(jīng)電離層的反射傳播2/7/20239哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系無(wú)線電波朝海面發(fā)射時(shí)，在海水表面會(huì)存在一種電磁波傳播模式，稱為地波(GroundWave)是一種表面波(SurfaceWave)。垂直極化高頻電磁波在海水表面的地波傳播衰減很小，而且地波在一定程度上會(huì)沿著彎曲的地球表面?zhèn)鞑ィ竭_(dá)地平線以下很遠(yuǎn)的地方，即實(shí)現(xiàn)超視距傳播。電磁波沿海面的地波傳播TBMsOutto700KmHorizonSurfacewavePropagationShipDetectionandTrackingat200KmFighterandSmallBoatDetectionandTrackingat74KmLine-of-SightPropagationAntishipMissilesDetectionandTrackingat37Km2/7/202310哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系利用電磁波的特殊傳播途徑可實(shí)現(xiàn)地基/艦載雷達(dá)的超視距探測(cè)：1、高頻地波超視距雷達(dá)HighFrequencySurfaceWaveOTHRadar高頻地波超視距雷達(dá)正是利用高頻(3~30MHz)垂直極化電磁波沿海面繞射的特性探測(cè)超視距的海面艦船和低空飛機(jī)，沿海面繞射300~400km。電磁波特殊傳播途徑的應(yīng)用美國(guó)Raytheon公司高頻地波雷達(dá)SWR-503的接收天線陣2/7/202311哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系2、高頻天波雷達(dá)HighFrequencySkywaveOTHRadar高頻天波超視距雷達(dá)利用電離層對(duì)短波的反射效應(yīng)，其探測(cè)距離可達(dá)1000至4000km。澳大利亞Jindalee高頻天波雷達(dá)接收天線陣2/7/202312哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系3、高頻天發(fā)地收超視距雷達(dá)HighFrequencyHybridSky-SurfaceWaveOTHRadar基于天波發(fā)射地波接收的新體制雷達(dá)，將目前采用的高頻天波超視距雷達(dá)和高頻地波超視距雷達(dá)的傳播模式相結(jié)合，可發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)?；谔觳òl(fā)射的高頻電磁波信號(hào)，是利用電離層對(duì)高頻電磁波的散射，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的傳播。由于電離層對(duì)電磁波的衰減較小，這種傳播方式可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳播，通常情況下可達(dá)2000km-4000km，并且覆蓋區(qū)域非常大。2/7/202313哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系4、微波超視距雷達(dá)利用海面蒸發(fā)形成的大氣波導(dǎo)(大氣超折射和對(duì)流層非均勻散射)傳播效應(yīng)是此系統(tǒng)在微波段實(shí)現(xiàn)超視距探測(cè)的基礎(chǔ)，分別對(duì)應(yīng)主動(dòng)、被動(dòng)工作方式。

詳細(xì)分析：見(jiàn)《電磁波傳播特性》章節(jié)。dn/dh比正常值更負(fù)時(shí)，電波更加向地面彎曲。2/7/202314哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系現(xiàn)代級(jí)：136-139中華現(xiàn)代：168-169中華神盾：170-171俄制MINERAL-ME目標(biāo)指示/射控雷達(dá)(Bandstand音樂(lè)臺(tái))——利用大氣波導(dǎo)2/7/202315哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系雷達(dá)測(cè)距的實(shí)現(xiàn)方法物理解釋?zhuān)阂话愕卣f(shuō)單載頻的連續(xù)波雷達(dá)沒(méi)有測(cè)距能力，這與其發(fā)射信號(hào)帶寬太窄有關(guān)。若必須測(cè)量距離，則需要在連續(xù)波發(fā)射信號(hào)上加上某些定時(shí)標(biāo)志以識(shí)別發(fā)射的時(shí)間和回波時(shí)間。標(biāo)志越尖銳、鮮明，則傳輸時(shí)間的測(cè)量越準(zhǔn)確。由傅立葉變換知：定時(shí)標(biāo)志越尖銳，則發(fā)射信號(hào)的頻譜越寬。因此為了測(cè)量傳輸時(shí)間或距離，則必須擴(kuò)展單載頻連續(xù)波的頻譜。實(shí)現(xiàn)方法：調(diào)幅——脈沖法測(cè)距調(diào)頻——頻率法測(cè)距調(diào)相——相位法測(cè)距2/7/202316哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系D.K.Bartonetal,RadarTechnologyEncyclopedia,ArtechHouse,Inc.,19982/7/202317哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系脈沖法測(cè)距的優(yōu)缺點(diǎn)2/7/202318哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系脈沖雷達(dá)常規(guī)脈沖雷達(dá)是幅度調(diào)制的一個(gè)例子，其發(fā)射波形是單載頻的矩形脈沖，按一定的(單重復(fù)周期)或交錯(cuò)的重復(fù)周期(參差重復(fù)周期)工作，發(fā)射一個(gè)短脈沖相當(dāng)于對(duì)電磁波打上標(biāo)記以測(cè)往返時(shí)間。B.R.Mahafzaetal,Matlabsimulationsforradarsystemsdesign,Chapman&Hall/CRC,2004單載頻信號(hào)2/7/202319哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系脈沖雷達(dá)的天線是收發(fā)共用的，這需要一個(gè)收發(fā)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)。在發(fā)射時(shí)，收發(fā)開(kāi)關(guān)使天線與發(fā)射機(jī)接通，并與接收機(jī)斷開(kāi)，以免高功率的發(fā)射信號(hào)進(jìn)入接收機(jī)把高放或混頻器燒毀。接收時(shí)，天線與接收機(jī)接通，并與發(fā)射機(jī)斷開(kāi)，以免因發(fā)射機(jī)旁路而使微弱的接收信號(hào)受損失。2/7/202320哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系雷達(dá)測(cè)距的幾個(gè)基本概念下面以脈沖雷達(dá)信號(hào)為例介紹幾個(gè)測(cè)距的基本概念：脈沖寬度(pulsewidth)——脈沖重復(fù)周期PRI(PulseRepetitionInterval)——脈沖重復(fù)頻率PRF(PulseRepetitionFrequency)——占空比(dutycycle)——峰值功率Pt與平均功率Pav——典型中程防空雷達(dá)參數(shù)：簡(jiǎn)單矩形脈沖波形2/7/202321哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系1、距離分辨力：距離分辨力是指同一方向上兩個(gè)大小相等點(diǎn)目標(biāo)之間最小可區(qū)分距離，它取決于雷達(dá)信號(hào)波形。2/7/202322哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系2/7/202323哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系對(duì)簡(jiǎn)單脈沖雷達(dá)而言，脈沖越窄，距離分辨力越好。而從信號(hào)檢測(cè)角度講，希望發(fā)射脈沖寬度越寬越好，這樣輻射出去的能量越大，目標(biāo)回波信號(hào)越強(qiáng)，越有利于信號(hào)檢測(cè)。顯然這是一對(duì)不可調(diào)和的矛盾，可以采用脈沖壓縮信號(hào)加以解決。2/7/202324哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系2、測(cè)距范圍：包括最小可測(cè)距離和最大單值測(cè)距范圍。最小可測(cè)距離——指雷達(dá)能測(cè)量的最近目標(biāo)的距離。脈沖雷達(dá)收發(fā)共用天線，在發(fā)射脈沖寬度τ時(shí)間內(nèi)，接收機(jī)和天線饋線系統(tǒng)間是斷開(kāi)的，不能正常接收目標(biāo)回波。發(fā)射脈沖過(guò)去后天線收發(fā)開(kāi)關(guān)恢復(fù)到接收狀態(tài)，也需要一段時(shí)間t0。在上述這段時(shí)間內(nèi)，由于不能正常接收回波信號(hào)，雷達(dá)是很難進(jìn)行測(cè)距的。因此，雷達(dá)的最小可測(cè)距離為：雷達(dá)的最大單值測(cè)距范圍由其脈沖重復(fù)周期決定，即當(dāng)確定了雷達(dá)的最大作用距離后，為保證單值測(cè)距，通常選取雷達(dá)脈沖重復(fù)周期滿足下列條件：2/7/202325哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系3、測(cè)距模糊：當(dāng)回波延遲超過(guò)脈沖重復(fù)周期時(shí)，會(huì)把遠(yuǎn)目標(biāo)誤認(rèn)為近目標(biāo)，即目標(biāo)回波對(duì)應(yīng)的距離為：

式中為非負(fù)整數(shù)，為接收的回波信號(hào)與最鄰近發(fā)射脈沖間的延遲。

如果雷達(dá)重復(fù)頻率選得過(guò)高(如在脈沖多普勒雷達(dá)中為了保證無(wú)測(cè)速模糊)，測(cè)距有可能出現(xiàn)多值性。此時(shí)無(wú)模糊測(cè)距、無(wú)模糊測(cè)速又成為一對(duì)矛盾(MTI、PD雷達(dá)各有側(cè)重點(diǎn))。測(cè)距模糊解釋及示意圖如下：2/7/202326哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系2/7/202327哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系脈沖法測(cè)距的解模糊方法為了得到目標(biāo)的真實(shí)距離R，必須判定測(cè)距模糊值m。為了判別模糊，必須對(duì)周期發(fā)射的脈沖信號(hào)再加上某些可識(shí)別的標(biāo)志，通常采用的解模糊方法有：多種脈沖重復(fù)頻率法舍脈沖法2/7/202328哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系雙脈沖重復(fù)頻率解模糊t1<t2,n1=n2=1,tr=4t2-3t1n1=n2=0,tr=t1=t22/7/202329哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系

設(shè)脈沖重復(fù)頻率分別為fr1和fr2(fr2>fr1)，它們都不滿足無(wú)模糊測(cè)距的要求，fr1和fr2具有公約頻率為fr=fr1/N=fr2/(N+a)，其中N,a為正整數(shù)。常選a=1使N和N+a為互質(zhì)數(shù)，且fr的選擇應(yīng)保證無(wú)模糊測(cè)距，即0<tR<Tr=N*Tr1=(N+1)*Tr2。這樣有fr2=(N+1)fr=fr1+frtR=t1+n1/fr1=t2+n2/fr2則在0<tR<Tr范圍內(nèi)，n1和n2關(guān)系只可能有兩種可能：n2=n1、n2=n1+1根據(jù)獲得的t1,t2值大小，可據(jù)下式計(jì)算tR及目標(biāo)距離R=c*tR/2：藍(lán)虛線黑虛線紅虛線2/7/202330哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系T1T1≠T2，Np1≠Np2；但Td1=Np1T1=Td2=Np2T2T1T2T2Np1Np2Td1探測(cè)周期T1、T2：雷達(dá)系統(tǒng)探測(cè)脈沖的重復(fù)周期。Np1、Np2分別為周期取T1、T2時(shí)所對(duì)應(yīng)的積累脈沖數(shù)。Td2T1T1T2Np1Td1T2探測(cè)周期Np2Td2雙脈沖重復(fù)頻率信號(hào)工作時(shí)序圖2/7/202331哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系

采用多個(gè)高脈沖重復(fù)頻率測(cè)距能給出更大的無(wú)模糊距離，同時(shí)也能兼顧跳開(kāi)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(wú)法測(cè)距)的靈活性。主要的方法——中國(guó)余數(shù)定理：設(shè)n>=2，m1,m2,…,mn是兩兩互素的正整數(shù)，令M=m1m2…mn=m1M1=m2M2=…=mnMn，則同余式組有且僅有解多脈沖重復(fù)頻率解模糊2/7/202332哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系

將中國(guó)余數(shù)定理應(yīng)用到解測(cè)距模糊問(wèn)題時(shí)，m1,m2,…,mn相當(dāng)于所選n個(gè)脈沖重復(fù)周期的比值，即或者即fr為fr1,fr2,…,frn的公約數(shù)在多脈沖重復(fù)頻率情況下，所能獲得的最大脈寬為參見(jiàn)：W.A.SkillmanandD.H.Mooney,MultipleHigh-PRFRanging,IRE5thNationalConventiononMilitaryElectronics,1961,pp37~40(收入書(shū)中：D.K.Barton,Radars,Volume7:CWandDopplerRadar,ArtechHouse,Inc.,1978,pp205~213)2/7/202333哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程系設(shè)n1,n2,…,nn分別為采用脈沖重復(fù)頻率Tr1,Tr2