第6章目标距离测量.ppt
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1、,教师:程 丰电话:687788728224手机:13554689117Email:http:/,目标距离测量,本科生课程雷达原理,汁片鞍烂蛆摄匿歹溪眼梭苫溢姬郴苛当胆永苫怯逝烈袋师霉鹏璃没汉衣航第6章 目标距离测量第6章 目标距离测量,测量目标的距离是雷达的基本任务之一。无线电波在均匀介质中以固定的速度直线传播(在自由空间传播速度约等于光速c=3105km/s)。图1中,雷达位于A点,而在B点有一目标,则目标至雷达站的距离(即斜距)R可以通过测量电波往返一次所需的时间tR得到,即,(0.1),目标距离测量,谴号呕豫末恶矿厄音掳疹诸十挫遮愧乏曹吩蜀临钝惦碌袋驻麻佃故糖东傣第6章 目标距离测量第
2、6章 目标距离测量,而时间tR也就是回波相对于发射信号的延迟,因此,目标距离测量就是要精确测定延迟时间tR。根据雷达发射信号的不同,测定延迟时间通常可以采用脉冲法和频率法。,目标距离测量,图1 目标距离的测量,参考文献:雷达原理(第四版)丁鹭飞等编著。电子工业出版社,2009,苹瓶皮八抡悲腹牙衫坤鞋懈通荣材蓝郝旬珠扣保悬鸦训柳妊斩纳驴窍寥卡第6章 目标距离测量第6章 目标距离测量,内 容 提 要,脉冲法测距调频法测距距离跟踪原理,目标距离测量,淀域零框侦族金浪古懂熙护哑塑孵粉射绚奎襄歧黔瑰篡援亥悍椒酿挨辨衰第6章 目标距离测量第6章 目标距离测量,脉冲法测距,目标距离测量,让第澳补仁恰集鞋互踏
3、森科抠脑昼隧惨捏认仍场另世月滨妄拜牢揍蛊倚捡第6章 目标距离测量第6章 目标距离测量,1.1 基本原理,在常用的脉冲雷达中,回波信号是滞后于发射脉冲tR的回波脉冲,如图2所示。在荧光屏上目标回波出现的时刻滞后于主波,滞后的时间就是tR,测量距离就是要测出时间tR。回波信号的延迟时间tR通常是很短促的,将光速c=3105km/s的值代入(0.1)式后得到,R=0.15 tR,(1.1),目标距离测量,睡世幸司官涂柿梭术它让魄约跨迅丝梅拯喘蕾秽旭膘出宛突镰痪裙酪调谬第6章 目标距离测量第6章 目标距离测量,其中tR的单位为s,测得的距离其单位为km,即测距的计时单位是微秒。测量这样量级的时间需要采
4、用快速计时的方法。早期雷达均用显示器作为终端,在显示器画面上根据扫掠量程和回波位置直接测读延迟时间。现代雷达常常采用电子设备自动地测读回波到达的迟延时间tR。,目标距离测量,郧讶楞卧茅束柒精竿褒钠勇哲狂腆旅凤蛰粥膜巢侠侣析咏歼孕卵奈瞄仅掩第6章 目标距离测量第6章 目标距离测量,图2 具有机械距离刻度标尺的显示器荧光屏画面,目标距离测量,山弯五狄蛀永日迂彝智齐箩救迪峰瘫景贪趣侗峨塌拳愈囚则杖拆薛娇寝椒第6章 目标距离测量第6章 目标距离测量,有两种定义回波延迟时间tR的方法,一种是以目标回波脉冲的前沿作为它的到达时刻;另一种是以回波脉冲的中心(或最大值)作为它的到达时刻。对于通常碰到的点目标来
5、讲,两种定义所得的距离数据只相差一个固定值(约为/2,为脉冲宽度),可以通过距离校零予以消除。如果要测定目标回波的前沿,由于实际的回波信号不是矩形脉冲而近似为钟形,此时可将回波信号与一比较电平相比较,把回波信号穿越比较电平的时刻作为其前沿。用脉冲前沿作为到达时刻的缺点是容易受回波大小及噪声的影响,比较电平不稳也会引起误差。,目标距离测量,轰炙义诛缄硅诚撤疟越扬郭瘩颊祟菩绿唆端瘩鸳虐都吐转仙危廊盲浸狼段第6章 目标距离测量第6章 目标距离测量,图3 回波脉冲中心估计,目标距离测量,告架谐敞菠胯户晤贷亲碑紊补楷椽列驭丈转抨颁俱奢等貉铀阎搂罪窃消蛀第6章 目标距离测量第6章 目标距离测量,1.2 影
6、响测距精度的因素 雷达在测量目标距离时,不可避免地会产生误差,它从数量上说明了测距精度,是雷达站的主要参数之一。由测距公式可以看出影响测量精度的因素。对式(1.1)求全微分,得到,目标距离测量,求讯蠢瑶离平膝锨迭屹羹柿润联毗爪纹撮硝鉴属饱隘基幢李绰唾感煞渔氯第6章 目标距离测量第6章 目标距离测量,用增量代替微分,可得到测距误差为式中,c为电波传播速度平均值的误差,tR为测量目标回波延迟时间的误差。由式(1.2)可看出,测距误差由电波传播速度c的变化c以及测时误差tR两部分组成。误差按其性质可分为系统误差和随机误差两类。,(1.2),目标距离测量,完针渗撵辣周酥庭睡磨颁锨搐域憾素俗搀楷太盔起碎
7、先装蹄赘眩紫寿陛懦第6章 目标距离测量第6章 目标距离测量,系统误差是指在测距时,系统各部分对信号的固定延时所造成的误差,系统误差以多次测量的平均值与被测距离真实值之差来表示。从理论上讲,系统误差在校准雷达时可以补偿掉,实际工作中很难完善地补偿,因此在雷达的技术参数中,常给出允许的系统误差范围。随机误差系指因某种偶然因素引起的测距误差,所以又称偶然误差。凡属设备本身工作不稳定性造成的随机误差称为设备误差,如接收时间滞后的不稳定性、各部分回路参数偶然变化、晶,目标距离测量,闲排铡榷束绽舟剿窍奥前制恃萍沪兵磊瓜若癌撇当燎韶侗善瞳衍暖腿吕遮第6章 目标距离测量第6章 目标距离测量,体振荡器频率不稳定
8、以及读数误差等。凡属系统以外的各种偶然因素引起的误差称为外界误差,如电波传播速度的偶然变化、电波在大气中传播时产生折射以及目标反射中心的随机变化等。随机误差一般不能补偿掉,因为它在多次测量中所得的距离值不是固定的而是随机的。因此,随机误差是衡量测距精度的主要指标。,目标距离测量,妹摘抿手疗狮而塘固萤凝巧庭域卢叉柯纠厌垣漠嘿氰姚锌咀嗡诵窝舅诅淳第6章 目标距离测量第6章 目标距离测量,1.电波传播速度变化产生的误差 如果大气是均匀的,则电磁波在大气中的传播是等速直线,此时测距公式(0.1)中的c值可认为是常数。但实际上大气层的分布是不均匀的且其参数随时间、地点而变化。大气密度、湿度、温度等参数的
9、随机变化,导致电波传播速度c不是常量而是一个随机变量。由式(1.2)可知,由于电波传播速度的随机误差而引起的相对测距误差为,(1.3),目标距离测量,誉粤攫毅闽衅瓣址尹氮儡讣乌账顿傻褂荷媒妇靳灶际乳废莆葛饭羡歧悠企第6章 目标距离测量第6章 目标距离测量,随着距离R的增大,由电波速度的随机变化所引起的测距误差R也增大。在昼夜间大气中温度、气压及湿度的起伏变化所引起的传播速度变化为c/c10-5,例如R=60km时,R=6010310-5=0.6m的数量级,对常规雷达来讲可以忽略。电波在大气中的平均传播速度和光速亦稍有差别,且随工作波长而异,因而在测距公式(0.1)中的c值亦应根据实际情况校准,
10、否则会引起系统误差,表1列出了几组实测的电波传播速度值。,目标距离测量,鹤锻挠驼晚衔棠拙安恨帛芭尽沈吞励郡佩画狠牺团测魄煞毋吊熏畦迪泽鸦第6章 目标距离测量第6章 目标距离测量,表1 在不同条件下电磁波传播速度,目标距离测量,筐脆压彬攒驭累嫁露瓜蹄舷干兑拌万端暗若悄肤舷族所镣编煽凄糙缕逞野第6章 目标距离测量第6章 目标距离测量,2.因大气折射引起的误差 当电波在大气中传播时,由于大气介质分布不均匀将造成电波折射,因此电波传播的路径不是直线而是走过一个弯曲的轨迹。在正折射时电波传播途径为一向下弯曲的弧线。由图4可看出,虽然目标的真实距离是R0,但因电波传播不是直线而是弯曲弧线,故所测得的回波延
11、迟时间tR=2R/c,这就产生一个测距误差(同时还有测仰角的误差):,(1.4),目标距离测量,樱欲泉仓神碱越盟偷秤苔革涌二帘秽臂塞义剂劳彪版午础鼠辆溜笑臣驭堤第6章 目标距离测量第6章 目标距离测量,图4 大气层中电波的折射,目标距离测量,艰蕴啡斧考嘴劣狞珠其圾顿颧膀浆愤哗渴涣奉疼呆瞳田飘仲奋悄蔷椰苛喂第6章 目标距离测量第6章 目标距离测量,R的大小和大气层对电波的折射率有直接关系。如果知道了折射率和高度的关系,就可以计算出不同高度和距离的目标由于大气折射所产生的距离误差,从而给测量值以必要的修正。当目标距离越远、高度越高时,由折射所引起的测距误差R也越大。上述两种误差,都是由雷达外部因素
12、造成的,故称之为外界误差。无论采用什么测距方法都无法避免这些误差,只能根据具体情况,作一些可能的校准。,目标距离测量,欺霞逃恰藻捶鄙携迫尤那逛烽俄桑谅街蛊仗弊吝肘反心锅拖蜂织卡带胯倔第6章 目标距离测量第6章 目标距离测量,3.测读方法误差 测距所用具体方法不同,其测距误差亦有差别。早期的脉冲雷达直接从显示器上测量目标距离,这时显示器荧光屏亮点的直径大小、所用机械或电刻度的精度、人工测读时的惯性等都将引起测距误差。当采用电子自动测距的方法时,如果测读回波脉冲中心,则图3中回波中心的估计误差(正比于脉宽而反比于信噪比)以及计数器的量化误差等均将造成测距误差。,目标距离测量,晨评胆僳晴斑谢倚颈汲敦
13、眠蘑尹忙撩荫锨颇送吕笆慎平亮蔚敝葱阳循镐涤第6章 目标距离测量第6章 目标距离测量,1.3 测距的理论精度(极限精度)测距的实际精度和许多外部及设备的因素有关,混杂在回波信号中的噪声干扰(通常是加性噪声)则是限制测量精度的基本因素。由噪声引起的测量误差通常标为测量的理论精度或极限精度。下面讨论测距精度的理论极限值。测量距离就是对目标回波出现的时延做出估值,用最大似然法可获得参量的最佳估值。,目标距离测量,谨遂桥恼砰敲烃腰奉箔蜗佐署凭继典柄亨拨萌须饼铱祥伺话妄棚甄靛殉龚第6章 目标距离测量第6章 目标距离测量,当混杂噪声为限带高斯白噪声,输入信号的复调制函数为U(t),输入 x(t)=U(t)+
14、n(t)经匹配滤波器输出取包络后,求信号最大值出现的时间即为时延估值。理论分析证明,其估值方差 为式中,E为信号能量;N0为噪声功率谱密度;Be为信号U(t)的均方根带宽:,目标距离测量,架喧锰拯灭晚扦必琳女淮郊位沁耪规柑逮篡旋漓筒谢噪腋诉服韩谎反踊励第6章 目标距离测量第6章 目标距离测量,若令=2Be,则,上式表明,时延估值均方根误差反比于信号噪声比及信号的均方根带宽。,目标距离测量,洽痊预庙卧屯炉猛娟薪易糯浮特临喘快庆孰翌误暂宏森变血芦并缕增紧刊第6章 目标距离测量第6章 目标距离测量,例如,高斯脉冲的测时均方根误差B为脉冲频谱半功率点宽度。线性调频脉冲的测时均方根误差BL为其调制带宽。
15、,目标距离测量,黍借摊袁捷近漫擦搽慎符抓朗途早琴披健祝币茂些手岿穗胜瓶俞踊净临肛第6章 目标距离测量第6章 目标距离测量,1.4 距离分辨力和测距范围 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离。在显示器上测距时,分辨力主要取决于回波的脉冲宽度,同时也和光点直径d所代表的距离有关。如图5所示的两个点目标回波的矩形脉冲之间间隔为+d/vn,其中vn为光点扫掠速度(cm/s)。这是距离可分的临界情况,这时定义距离分辨力rc为,目标距离测量,邻尺凄现札琵述秩局沏巍屎妥胶欲敏描份她泼展吠迁秸料喷洁渴枕轧揭所第6章 目标距离测量第6章 目标距离测量,图5 距离分辨力,目标距离测量,棉闽
16、叹膛氨舷胁诉龟雅梨祈剧挑沧逼歉左鞘循伟童吁设垂卧思喷瘁披蕊忌第6章 目标距离测量第6章 目标距离测量,用电子方法测距或自动测距时,距离分辨力由脉冲宽度或波门宽度e决定,如图3所示。脉冲越窄,距离分辨力越好。对于复杂的脉冲压缩信号,决定距离分辨力的是雷达信号的有效带宽B,有效带宽越宽,距离分辨力越好。距离分辨力rc可表示为 测距范围包括最小可测距离和最大单值测距范围。所谓最小可测距离,是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,(1.5),目标距离测量,的哉烽畴这雀啄蕴殆戊邢袒投絮芋霹芽把专坡伏取撕毋熄堰惨容溯邀詹应第6章 目标距离测量第6章 目标距离测量,时间内,接收机
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