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大家好
上节课我们介绍了雷达的主要功能
其中雷达对空间中目标位置的测量
在极坐标系中可以表示为斜距R 方位角α 俯仰角β
今天我们来学习雷达获取高精度距离信息的处理方法
雷达测距方法
目前距离测量主要有两种方法
一种是脉冲法测距
该方法是脉冲雷达普遍采用的典型测距方法
优点是测距精度高
且可同时测量多个目标
因此广泛应用于探测 跟踪 识别 故障诊断等各领域
另一种是调频法测距
该方法尽管测距精度也非常高
但难以同时测量多个目标
应用领域非常有限
目前主要在机载无线电测高仪（即机载高度计）中应用
今天这次课我们主要学习脉冲法测距
脉冲法测距就是在接收到发射脉冲的回波信号后
计算回波脉冲相对于发射脉冲的回波延迟tR
若假设电波是在均匀介质中沿直线传播
由于在此过程中电波经历了一发一收的双程传播
因此可以得到斜距计算的原理方程式为R等于1/2 ctR
该式表明时间延迟tR的测量精度直接决定了测距的精度
目前有两种定义时间延迟tR的方法
方法一是脉冲前沿法
即在脉冲上升沿中选择发射脉冲
与回波脉冲的对应位置进行测量
该方法由于受回波大小和噪声的随机性影响大
测量精度不高
方法二是脉冲中心法
即选择发射脉冲与回波脉冲对应峰值位置进行测量
该方法可以克服脉冲前沿法的缺陷
测量精度非常高
是目前测回波时间延迟的主流方法
实际测量中
利用回波中心法只能测得回波脉冲
距离其最近的发射脉冲间的时间延迟
受脉冲重复周期Tr的影响
由脉冲测距的原理方程式可知
此时能够测得的最大距离是1/2cTr
称为最大单值测量距离
实际上
当目标距离雷达比较远时
该回波对应的发射脉冲
很可能是之前某个脉冲的回波
此时只能测得距离最近发射脉冲的回波延迟tr
因此实际的时间延迟tR
等于测量回波延迟tr 与m乘以Tr的和
m是雷达测量目标的跨周期数
当m不等于0时称为测距的模糊性或多值性问题
那么如何求m值成为远距离精确测距的关键
接下来我们以双重高重复频率法为例
来介绍模糊值m的求解方法
该方法的出发点
是在某时刻同时发射两个频率不同的发射信号
由于两个发射信号频率不同
接下来的发射脉冲在时间上不重合
但经过几个周期后又出现了新的重合位置
经分析这种重合的模式
会以两个发射信号周期的最小公倍数为间隔反复出现
对于接收到的两个回波信号而言
在某个时刻可以找到回波脉冲的第一个重合位置
接下来这种重合的模式会反复出现
如果把这种重复的模式看作一个新的信号
则新信号的周期可以表示为Tno
其周期值为原信号周期的最小公倍数
对新信号而言
回波相对于最近的发射脉冲的延迟为tR
tR可以由信号2求得
也可以由信号1求得
依据前面的原理
时间延迟tR由信号2求得得方程1
由信号1计算得方程2
m1和m2分别为信号1和信号2的模糊周期数
t1 t2分别为由信号1和信号2
测得的回波距离最近发射脉冲的延迟
若ft1 和ft2 满足方程式（3）
则有m2等于m1成立
或者m2等于m1+1成立
将m2等于m1带入方程（1）
联立方程（1）和（2）
若求出tR为负值
则m2等于m1+1成立
最终由方程（1）和（2）可以求出tR的值
综上可见
双重高重复频率法去模糊的实质
就是通过生成更大周期的新信号
从而提高信号的最大单值测量距离
此时能够测得的最大单值距离
为1/2 c乘以两个信号周期的最小公倍数
以上我们从原理上学习了现代雷达利用脉冲法测距
是如何获取其威力范围内任何目标的高精度距离信息
那么在工程实际中
现代雷达是如何运用上面的原理呢
这就是数字式自动测距器
让我们来看数字式测距器是如何工作的
当雷达发射高频脉冲时
该脉冲作用于雷达定时触发器
触发器控制与门打开
同时计数脉冲产生器开始产生计数脉冲
当检测的第一个回波脉冲到来时
由距离计数器将读出的距离数据送到距离寄存器中
直至按照雷达威力相应的最大距离产生后
控制触发器置“0”与门关闭
计数结束
接下来
让我们重点分析下图中几个关键点处信号波形图的变化
②处代表了触发器触发状态的变化
它主要由雷达发射脉冲和接收到的回波脉冲来控制
①处是计数脉冲产生器产生的脉冲
它的震荡与雷达发射脉冲同步
③处是距离计数器读出的计数脉冲数
针对每个回波读出一个计数脉冲数
若在此期间记录的计数脉冲数是n
则回波脉冲相对于发射脉冲的延迟时间为tR
由图可见tR等于n乘以T
也就等于n除以f
测量tR实际上变成读出距离计数器的代码值n
可见测距的精度决定于n读数的精度
如何才能将n读准确呢
显然与计数的起点和终点是分不开的
要想起点准确
很明显就是要让计数脉冲产生器与发射脉冲
或者说与触发器定时脉冲同步
要想终点准确
我们应该做的就是要避免一个脉冲因记不完整而被丢弃
显然就是要尽量提高计数脉冲产生器的频率f
本次课我们介绍了脉冲法测距获取高精度距离信息的处理方法
推导了脉冲法测距的原理方程
并重点介绍了tR的主要测量方法
回波中心法
以及模糊条件下的测量方法
双重高重复频率法
最后给出了距离测量的工程实现方法
数字式自动测距器
最后给大家留一个思考题
脉冲法测距提高测距精度的措施有哪些
本讲到此结束
谢谢大家
-1.1 情报监视侦察信息融合的地位与作用
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-1.2 情报监视侦察机理
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-1.3 信息融合功能模型
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-2.1 情报监视侦察传感器分类
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-2.2 雷达主要功能
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-2.3 雷达测距方法
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-2.4 雷达测角方法
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-2.5 微波成像
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-2.6 光学成像
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-3.1 估计理论的基本概念
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-3.2 贝叶斯估计
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-3.3 最大似然估计
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-3.4 最小二乘估计
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-3.5 线性最小均方误差估计
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-3.6 卡尔曼滤波原理
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-3.7 卡尔曼滤波应用
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-4.1 单目标跟踪处理流程
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-4.2 目标运动的数学模型
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-4.3 雷达量测的数学模型
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-4.4 基于机动检测的目标跟踪
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-5.1 多传感器多目标融合跟踪流程
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-5.2 多目标点迹与航迹关联
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-5.3 集中式融合跟踪处理
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-5.4 多传感器航迹与航迹关联
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-5.5 分布式融合跟踪处理
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-6.1 图像情报融合处理基本流程
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-6.2 图像配准方法
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-6.3 图像融合处理方法分类
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-6.4 可见光与红外图像融合方法
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-6.5 全色与多光谱图像融合方法
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