雷达测距仪

X. Xu: Theory of Modern Radar Systems, Class-09 1 ¾雷达测距、测速、测角和跟踪 ¾MTI与脉冲多普勒雷达 X. Xu: Theory of Modern Radar Systems, Class-09 2 ¾ Range Measurement ¾ Velocity Measurement ¾ Radar Measurement Uncertainty (Certainty of the Uncertainty Principle) ¾ Angle Measurement ¾ Radar Tracking 雷达测距、测速、测角和跟踪 X. Xu: Theory of Modern Radar Systems, Class-09 3 RctR 2 1= Range Measurement X. Xu: Theory of Modern Radar Systems, Class-09 4 The Maximum unambiguous range X. Xu: Theory of Modern Radar Systems, Class-09 5 P P f cctR 22 1 max == X. Xu: Theory of Modern Radar Systems, Class-09 6 P P f cctR 22 1 max == X. Xu: Theory of Modern Radar Systems, Class-09 7 Range Measurement Accuracy: Rt cR δδ 2 = X. Xu: Theory of Modern Radar Systems, Class-09 8 risel tAS /0 = Rln TtnS ∆= /)( 门限与脉冲前沿相交处的噪声电压 时延测量误差 X. Xu: Theory of Modern Radar Systems, Class-09 9 假定无噪声的脉冲和有噪 声的脉冲之间的上升斜率相等, 则 Rrise T tn t A ∆= )( ( ) 22 / var nA t TT riseRR =∆=δ 所以， NS tT riseR /2 =δ 或 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示为信噪比关系： 精确的时延测量要求发 射脉冲具有陡峭的上升沿和 高的脉冲峰值。 )(tn A rise R tT =∆ X. Xu: Theory of Modern Radar Systems, Class-09 10 如果脉冲的上升沿受到矩形中频滤波器的带宽限制，近似为 Btrise /1≈ 令 τ/ES = BNN 0= 则有 0/2 NBE TR τδ = 脉冲宽度 矩形滤波器的频带宽度 信号能量 噪声功率谱密度 X. Xu: Theory of Modern Radar Systems, Class-09 11 当同时用脉冲前沿和后沿进行时延测量，且脉冲前后沿的噪声是不相 关的，则通过求平均，上述均方根误差可以减小 倍，即2 0/4 NBE TR τδ = X. Xu: Theory of Modern Radar Systems, Class-09 12 时延精度与有效带宽 0/2 1 NE TR βδ = ∫∫ ∫ ∞ ∞− ∞ ∞− ∞ ∞− == dffSf E dffS dffSf 22 2 22 2 )()2(1 )( )()2( π π β有效带宽: 2)( fS 的归一化二阶中心矩; )( fS 的频谱能量越朝两端汇聚，则有效带宽就越大，时延（距离） 的测量精度越高. 时延精度： X. Xu: Theory of Modern Radar Systems, Class-09 13 高分辨力成像中的“测距”： 可采用短脉冲、LFM、SFW等波形。 X. Xu: Theory of Modern Radar Systems, Class-09 14 Velocity Measurement dfV λ2 1= 连续波（CW)多普勒雷达： X. Xu: Theory of Modern Radar Systems, Class-09 15 脉冲多普勒（Pulsed Doppler)雷达： X. Xu: Theory of Modern Radar Systems, Class-09 16 X. Xu: Theory of Modern Radar Systems, Class-09 17 如果来自一个运动目标的两个连续脉冲的相位差为 nπδφ 2= 那么该相位不能同 0=δφ 相互区分开，故导致相位的模糊, 进而导致Doppler频率模糊 （盲速）。 Maximum Unambiguous Doppler Velocity: 所以，产生盲速的条件是 λ δππδφ tvn 42 −== pp ftt /1==δ λπωδ δφω v t 220 +== X. Xu: Theory of Modern Radar Systems, Class-09 18 ,...2,1,0 , 22 ±±=== nfn t nv pblind λ δ λ 对于任何脉冲重复间隔，都存在一系列的盲速，为 因此，最大不模糊速度为 2 λp LOS f v =∆ 消除多普勒速度模糊的方法： （1）使雷达工作在更低的频段（波长增大）； （2）采用更高的脉冲重复频率； （3）采用多个不同的脉冲重复频率；或 （4）采用多个雷达载频以对速度解模糊。 X. Xu: Theory of Modern Radar Systems, Class-09 19 Doppler Frequency/Velocity Measurement Accuracy: fV δλδ 2 = 0/2 1 NE f αδ = ∫ ∫ ∞ ∞− ∞ ∞−= dtts dttst )( )()2( 2 22 2 π α信号的有效持续时间： 测频误差： )(ts 的能量越朝两端汇聚，信号的有效持续时间越长，其测频精度越高。 It can be shown that X. Xu: Theory of Modern Radar Systems, Class-09 20 Certainty of the Uncertainty Principle 在量子物理学中，有一个定理叫做Heisenberg测不 准原理。该定理指出： 一个物体（例如粒子）的位置和速度不可能同时精 确测量。 X. Xu: Theory of Modern Radar Systems, Class-09 21 Certainty of the Uncertainty Principle 可以 证明 住所证明下载场所使用证明下载诊断证明下载住所证明下载爱问住所证明下载爱问 : πβα ≥ 上式有时也称为“雷达测不准原理” ，但是，其意义同 Heisenberg测不准原理正好相反。所以，实际上是“雷 达测得准原理” 。 X. Xu: Theory of Modern Radar Systems, Class-09 22 ∫∫ ∫ ∞ ∞− ∞ ∞− ∞ ∞− == dffSf E dffS dffSf 22 2 22 2 )()2(1 )( )()2( π π β ∫ ∫ ∞ ∞− ∞ ∞−= dtts dttst )( )()2( 2 22 2 π α πβα ≥ Radar Measurement Uncertainty: )/2( 1 0NE fTR βαδδ = 0/2 1 NE f αδ = 0/2 1 NE TR βδ = )/2( 1 0NE fTR πδδ ≤ X. Xu: Theory of Modern Radar Systems, Class-09 23 )/2( 1 0NE fTR πδδ ≤ 意义：当信噪比一定时，理论上可以通过选取 值尽可能大的 信号，以达到对时延和频率测量的任意高的测量精度。这类信号同 时具有长的持续时间和大的等效带宽（即具有大的时间带宽积）。 βα )/2(4 0NE cVR π λδδ ≤ )/2( 1 0NE fTR βαδδ = )/2(4 0NE cVR βα λδδ = 在同样信噪比条件下，雷达波长越短，可以同时达到的测距和 测速精度越高。 X. Xu: Theory of Modern Radar Systems, Class-09 24 在雷达同时测距和测速中，没有任何理论上的“测不准” 问题，所以不要同量子物理中的“测不准”原理相混淆。在量子力 学中，观测者不能对波形作任何控制。相反，雷达工程师可以 通过选择信号的值、信号的能量、以及在某种程度上控制噪声 电平等来改善测量精度。 雷达传统上的精度限制其实不是理论上的必然，而是由于 受到实际系统复杂性或系统成本等的限制。 Certainty of the Uncertainty Principle X. Xu: Theory of Modern Radar Systems, Class-09 25 Angle Measurement Accuracy: 天线方向图: dzezAg D D zj∫ − = 2/ 2/ sin2 )()( θλ π θ ∫∞ ∞− = dfefSts ftj π2)()( t⇔θsin fz ⇔λ/ 0/2 1 NEγδθ =测角误差： ∫ ∫ ∞ ∞− ∞ ∞−= dzzA dzzAz 2 22 2 )( )()/2( λπ γ等效孔径宽度： 0/2 3 NEDπ λδθ = 均匀 照度 天线波束越窄（即雷达天线孔径越大），则其测角精度越高。 0/2 628.0 NE Bθδθ = X. Xu: Theory of Modern Radar Systems, Class-09 26 Commonality of Range, Velocity and Angle Measurements: 尽管雷达测距、测速和测角的手段是各不相同的，但是它们都使 用了一个相同的概念，即发现一个时间波形的最大值. X. Xu: Theory of Modern Radar Systems, Class-09 27 ¾杂波的内部调制谱 ¾PD雷达工作原理 ¾延时线对消器 ¾多普勒滤波器组 ¾数字MTI处理器 ¾运动平台的MTI雷达 ¾高重和中重脉冲多普勒雷达 MTI与脉冲多普勒雷达 X. Xu: Theory of Modern Radar Systems, Class-09 28 任何一部脉冲雷达，如果它利用多普勒效应 来检测运动目标，则它要么是动目标指示（MTI） 雷达，要么是脉冲多普勒（PD）雷达。 ¾MTI雷达一般具有较低的PRF，以使它不会产生 任何距离模糊，结果是其多普勒模糊严重; ¾PD雷达则一般具有较高的PRF，以便使它不会产 生多普勒模糊，但存在距离模糊; ¾也存在这样一种情形，即同时存在距离模糊和 多普勒模糊。 X. Xu: Theory of Modern Radar Systems, Class-09 29 杂波的内部调制谱 用于描述杂波的这种调制谱特性的模型主要有三个，即 ¾高斯频谱模型 ¾Power-Law模型 ¾指数律模型 由于风速等原因造成像树林、海面一类环境的自身运 动，将产生其雷达杂波内部调制的频谱特性，这种杂波 频谱的展宽对于动目标指示（MTI）雷达的杂波改善因子 具有极其重要的影响。 X. Xu: Theory of Modern Radar Systems, Class-09 30 高斯频谱模型 高斯频谱模型假设杂波的功率谱密度符合以下高斯函数，即 2 22 2 2 8 0 2 0)( vc ff eWeWfW σ λ σ −− == 式中 0W 为杂波功率谱密度在 0=f 处的峰值； cσ 为以Hz为单位的杂波谱 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 偏差；vσ 为以m/s为单位的杂波谱标准偏差, λ σσ vc 2= X. Xu: Theory of Modern Radar Systems, Class-09 31 Power-Law模型 高斯模型是最早提出来的模型，它具有数学上的简洁性， 但是，随着雷达灵敏度的提高，人们发现杂波功率谱随着频率 的升高，其衰减幅度并不如高斯模型所预测的那样快，在杂波 功率谱低于零多普勒峰值15－20dB附近开始，高斯模型不再 精确，因此人们提出了Power-Law模型： n cff fP )/(1 1)( += cf 为杂波频谱的特征频率，它定义为杂波谱密度下降到其 零多普勒峰值的1/2时的频率点， )exp{ 21 Vkkfc = ,33.11 =k 1356.02 =k V 为风速（单位为节，knot,1 knot＝1.852 km/hr. ）。 X. Xu: Theory of Modern Radar Systems, Class-09 32 指数律模型 研究表明，当杂波谱密度值进一步下降到低于零频峰值 40dB左右时，上述模型所预测的杂波谱密度衰减过快，因 此，MIT林肯实验室的Billingsley提出了指数律模型: )( 1 1)( 1 )( vP r v r rvP actot +++= δ },exp{ 2 )( vvPav ββ −= 21.1 0 55.1394 −−= fwr )476.0(log105.0 1 10 + = w β 式中风速w的单位为节，频率 的单位为 GHz 0f X. Xu: Theory of Modern Radar Systems, Class-09 33 三种杂波频谱解析 模型的比较 X. Xu: Theory of Modern Radar Systems, Class-09 34 树林杂波多普勒谱 随风速的变化特性 X. Xu: Theory of Modern Radar Systems, Class-09 35 PD 雷达工作原理 X. Xu: Theory of Modern Radar Systems, Class-09 36 X. Xu: Theory of Modern Radar Systems, Class-09 37 假定雷达发射信号为 )2sin()( tfAts ttt π= 则目标回波信号为 )](2sin[)( Rtrr TtfAts −= π 0R距离 远处的目标有一个径向速度 rV c tVR c RT rR 222 0 −== X. Xu: Theory of Modern Radar Systems, Class-09 38 ] 4 ) 2 1(2sin[)( 0 c Rft c VfAts trtrr ππ −+= 接收信号可表示为 其频率同发射信号之间相差一个多普勒频率 λ rrt d V c Vff 22 == 当采用外差式接收机，用参考信号 )2sin()( tfAfs trefref π= 对该接收信号混频后，鉴相器输出的差频信号为 ) 4 2cos()( 0λ ππ RtfAts ddd −= X. Xu: Theory of Modern Radar Systems, Class-09 39 ) 4 2cos()( 0λ ππ RtfAts ddd −= X. Xu: Theory of Modern Radar Systems, Class-09 40 ) 4 2cos()( 0λ ππ RtfAts ddd −= 0=df ¾对于固定位置上的分布式杂波，由于余弦函数的最大最 小值取 ，所以，不同距离上的杂波多普勒可正可负；1± ¾对于运动的点目标，该信号为一随时间变化的函数， 如图所示。 ¾对于静止的点目标输出信号为常数， X. Xu: Theory of Modern Radar Systems, Class-09 41 运动点目标的脉冲多普勒输出信号 τ/1>df τ/1