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1、第 6 章 目标距离的测量 6.1 脉冲法测距脉冲法测距 6.2 调频法测距调频法测距 6.3 距离跟踪原理距离跟踪原理 6.4 数字式自动测距器数字式自动测距器 1 第 6 章 目标距离的测量 理解脉冲测距的基本原理；理解脉冲测距的基本原理； 理解调频法测距的基本原理；理解调频法测距的基本原理； 了解距离跟踪原理；了解距离跟踪原理； 主要内容及基本要求主要内容及基本要求 2 （1 1） 脉冲雷达脉冲雷达 （2 2） 连续波雷达连续波雷达 目标距离的测量 R A B R R ctR c R t 2 1 2 雷达如何雷达如何测距测距？ 3 实现方法：实现方法： 调幅调幅脉冲法测距脉冲法测距 调频
2、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 雷达测距的实现方法雷达测距的实现方法 4 5 雷达测距的实现方法雷达测距的实现方法 连续波雷达连续波雷达 常规脉冲雷达是幅度调制的一个例子。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按一定重复周期工作的矩其发射波形是单载频的按一定重复周期工作的矩 形脉冲。发射的每个脉冲都相当于对电磁波打上形脉冲。发射的每个脉冲都相当于对电磁波打上 了标记，以测量回波时间，从而完成测距。了标记，以测量回波时间，从而完成测距。 连续波雷达连续波雷达 测距物理解释：测距物理解释： 一般来说，单载频的连续波雷达没有测距能一般来说，单载频的连续波雷达
3、没有测距能 力，这与其无法适用基于脉冲回波时延的测距手力，这与其无法适用基于脉冲回波时延的测距手 段，且发射信号带宽较窄有关。段，且发射信号带宽较窄有关。 若必须测量距离，需要在连续波发射信号上若必须测量距离，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，则传输时间的测量越准间。标志越尖锐、鲜明，则传输时间的测量越准 确。确。 由傅里叶变换知：定时标志越尖锐，则发射由傅里叶变换知：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延或距离信号的频谱越宽。因此为了测量传输时延或距离 ，必须扩展单载频连续
4、波的频谱。，必须扩展单载频连续波的频谱。 雷达测距的实现方法雷达测距的实现方法 6 6.1 6.1 脉冲法测距脉冲法测距 6.1.1 6.1.1 基本原理基本原理 R=CtR /2 发射 脉冲 近区地 物回波 目标回波 机械距离刻度标 尺 l lp 图 6.2 010 20 3040 5060 70 km 思考问题： 用脉冲的哪里来作为用脉冲的哪里来作为 回波到达时刻回波到达时刻? 有何区别？有何区别？ 图6.2 显示器荧光屏画面 7 回波前沿回波前沿 回波中心回波中心 R=0.15tR ，R（km） tR （us） 图6.3 回波脉冲中心估计 匹 配 滤波器 包络 检波 微分 (d / dt
5、) 门限 过零点 检 测 tt 本 振 8 6.1 6.1 脉冲法测距脉冲法测距 检测 发现、虚警 和支路 差支路 9 6.1 脉冲法测距脉冲法测距 6.1.2 影响测距精度的因素影响测距精度的因素 误差种类： （1）系统误差 由于测量工具本身固有误差、测量原理本身 理论的缺陷、实验操作及实验人员本身心理生 理条件的制约而带来的测量误差 特征：可知性、可补偿 （2）随机 误差 即使在完全消除系统误差这种理想情况下， 多次重复测量，仍会由于各种偶然的、无法预 测的不确定因素干扰而产生测量误差 特征：随机性、难补偿 10 6.1 6.1 脉冲法测距脉冲法测距 怎么考虑测距中的误差？ 22 2 R
6、R R R R RR dRdcdt ct tc dcdt Rc dcdt c R t c c c R R 2 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。 11 6.1 6.1 脉冲法测距脉冲法测距 全微分 R R ctR c R t 2 1 2 （1）电波传播速度变化电波传播速度变化产生的误差产生的误差 c c R R R t c c c R R 2 估算传播速度变化引起的误差 12 6.1 6.1 脉冲法测距脉冲法测距 表6.1 电波传播速度 （2）时间差测量误差测量误差 13 6.1 6.1 脉冲法测距脉冲法测距 R t c c c R R 2 R R tRc Rc
7、t R tR 若时间差测量误差为1us，测距误差为150m; 若时间差测量误差为1ps，测距误差为0.15m; （3）因因大气折射大气折射引起的误差引起的误差 图6.4 大气层中电波的折射 R R0 H 地面 目标视在位置 目标真实位置 14 6.1 6.1 脉冲法测距脉冲法测距 测距误差 视角误差 0 RRR （4）测读方法测读方法误差误差 直接从显示器上测量目标距离： 显示器荧光亮点直径，刻度精度，人工测读时的惯性等。 自动测距时的测量误差： 测距系统的结构，系统传递函数，噪声干扰等。 15 6.1 6.1 脉冲法测距脉冲法测距 6.1.3 6.1.3 测距精度的理论极限测距精度的理论极限
8、 真值和理论值的差别真值和理论值的差别 信号最大值出现的时延估值的方差为 22 2 8 1 e o t B N E r 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， 时延估值均方根误差反比反比于信号噪声比信号噪声比及信号的均方根带宽。 推导见P225-226 公式错误 6.1 6.1 脉冲法测距脉冲法测距 16 6.1.4 6.1.4 距离分辨力和测距范围距离分辨力和测距范围 区分两个概念： 距离分辨率/分辨力： 同一方向上两个大小相等点目标之间最小可区分距离。 测距精度： 同一个点目标的测量值和真实值之间的最小偏差。 17 6.1 6.1 脉冲法测距脉冲
9、法测距 （1）距离分辨力：）距离分辨力： 图6.6 距离分辨力 d vn 光点直径 d vn 2 c n cd r v 18 6.1 脉冲法测距脉冲法测距 为脉冲宽度（s）； d 为光点直径（m）； n为光点扫掠速度 (cm/s)。 1 2 c c r B B为线性调频信号的带宽 脉压雷达距离分辨率 2 0 ( )cos(2)S tAf tt -4dB 19 （2 2）测距精度：）测距精度： 6.1 6.1 脉冲法测距脉冲法测距 包括最小可测距离、最大单值测距范围 最小可测距离：最小可测距离：雷达能测量的最近目标的距离。 收发共用天线，发射脉冲宽度时间内，无法接收回波； 收发切换时间t0内，无
10、法接收回波。 min0 2 c Rt最小可测距离： 20 6.1 6.1 脉冲法测距脉冲法测距 最大单值可测距离：最大单值可测距离：雷达可探测的最大无模糊无模糊距离 思考：思考：最大无模糊无模糊距离由什么决定？ 脉冲重复周期脉冲重复周期Tr maxmax 22 Tr cc RTrRTr max 2 TrR c 脉冲积累会改善检测性能 0.50.5 1 Mfr Tr max TrR越大越好？ m为正整数 21 6.1 脉冲法测距脉冲法测距 存在m次距离模糊时，距离R如何计算？ 2 c RmTrtr 回波时延 0 ttrTr tr为接收回波信号与最邻近的发射脉冲之间的延迟。 如何判断？ 6.1.5
11、 判距离模糊的方法判距离模糊的方法 （1） 多种重复频率多种重复频率判模糊判模糊 设重复频率分别为 fr1 和 fr2 , 它们都不能满足不模糊测距的要求。 aN f N f f rr r 21 N和a为正整数, 常选a=1, 使N和N+a为互质数。 fr的选择应保证不模糊测距。 22 6.1 脉冲法测距脉冲法测距 max 22 cc RTr fr fr1和fr2具有公约频率fr 。 max frTrR 12rrr TNTNa T (a) 发 fr1 收 fr1 发 fr2 收 fr2 tR t1 t2 tR Tn0 tR 图6.7 （a）用双重复频率测距 23 6.1 6.1 脉冲法测距脉冲
12、法测距 fr1频率大 5：4 fr2频率小 公约频率公约频率 目标回波目标回波 2 2 2 1 1 1 rr R f n t f n tt n1, n2分别为用 fr1和 fr2 测距时的模糊数。 21 2211 rr rr R ff ftft t 21 2211 1 rr rr R ff ftft t 24 6.1 6.1 脉冲法测距脉冲法测距 1 2 1 r r fN fN 选a=1, 当 n1=n2 时， 当 n1=n2+1时， 25 6.1 6.1 脉冲法测距脉冲法测距 双重频双重频最大无模糊距离 max 1,2 2 c RTr Tr的最小公倍数 例： Tr1 为3ms，Tr2 为4m
13、s， 则此时双重频的最大无模糊距离对应12ms。 相当于增大了无模糊距离，并没有消除模糊距离。 天干地支，十二生肖，六十一甲子。 用多重复频率测距 办法可以从我国的余数定理中找到 魔术师背对观众坐在一张椅子上，让某位观众心中 随意想定一个不超过500的数， 然后用7去除这个数并报出余数； 然后再用8去除原来想定的数并报出余数； 然后再用9去除并报出余数； 这样魔术师就知道到底这个观众心里想的数是多少。 -如余数分别为1，5，8，答案是多少？ -如余数分别为3，5，7，答案是多少？ ? 26 6.1 脉冲法测距脉冲法测距 197 493 发射 脉冲 回波 信号 (b) AMA1A2A3A4 AM
14、3A1A2A3A4 AM1 AM2 AMAM3AM1 AM2 AM t t NTr NTr tR B1B2B3B4 BMB1B2B3BMBM3BM1 BM2 （2） “舍脉冲”法判模糊 图6.7 (b) “舍脉冲”法判模糊 maxRrr tTmMT 27 6.1 脉冲法测距脉冲法测距 添加标记，无模糊距离变为M倍 目标距离最大 模糊数 6.2.1 调频连续波测距调频连续波测距 图6.8 调频连续波雷达方框图 频率计 放 大 器 和限幅器 混频器 调 频 发射机 直接耦合信号 发射天线 接收天线 目标r 接收机 6.2 调频法测距调频法测距 28 收发分置 频率差频率差 测得测得 距离距离 线性
15、调频连续波信号线性调频连续波信号三角波三角波 6.2 调频法测距调频法测距 用处 ？ 测距测距 ft Tm 2 f ft 2R0 c 0 f fb 0 fb fb fbar t1t2 fr f ft0 t t 0 000 24 , / 4 tr mm Rdfff fftftfft dtTTc 调频雷达工作原理示意图 有测距 模糊吗？ 30 6.2 调频法测距调频法测距 调频率调频率 回波时延回波时延 发射频率发射频率 接收频率接收频率 目标运动 时 31 6.2 调频法测距调频法测距 正程发射频率 0 , / 4 t m f fft T 2 0 ( )cos(2) t S tAf tt 积分求得发射信号 接收信号 2 0 ( )() cos(2()() rtr rr S tkS tt kAf tttt 接收频率 回波时延 0 2 r Rvt t
