现代检测技术7基于雷达的测控技术.ppt

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1、第7章 基于雷达的测控技术,主要内容雷达基本概念雷达基本组成雷达测量原理典型雷达系统,7.1 雷达基本概念,Radar（Radio Detection and Ranging）是无线电探测和测距，即用无线电方法发现目标并测定它们在空间的位置。它的基本任务是探测目标。雷达是利用目标对电磁波的反射现象来发现目标并测定其位置的。雷达接收机将天线接收到的微弱回波加以放大，然后将射频信息转换成视频或数字信号，经处理得出所需目标的多种信息。,7.1 雷达基本概念,雷达探测原理,7.1 雷达基本概念,目标位置的极坐标表示,7.1.1 基本雷达方程,设雷达发射功率为，雷达天线的增益为，则在自由 空间工作时，距

2、离雷达天线为R 的目标处的功率密度为,用目标的散射截面积来表征其放射特性，表示目标被雷达“看见”的尺寸。若假定目标可将接收到的功率无损耗地辐射出来，则可得到由目标散射的功率为,7.1.1 基本雷达方程,假设均匀辐射，在接收天线处收到的回波功率密度为,如果雷达接收天线的有效接收面积为A，则在雷达接收处接收回波功率为,7.1.1 基本雷达方程,天线增益和有效面积之间有以下关系：式中 为所用波长，则接收回波功率可写成 如下形式：,7.1.1 基本雷达方程,当接收到的功率正好等于最小可检测信号功率时，就可得到雷达检测该目标的最大作用距离。它们的关系式可以表达为：,7.1.1 基本雷达方程,或和,7.1

3、.2 雷达工作波段,米波段：对空警戒雷达。分米波段：对空监视雷达、舰载雷达，可目标跟踪。厘米波段：武器火控系统，体积小、精度高。毫米波段：机载雷达，天线小、精度高、分辨率高。激光波段：多用于测距和测绘系统。良好的距离和角度 分辨力。,7.2 雷达基本组成,主要由天线、发射机、接收机、信号处理机、同步设备和终端设备等组成 1.发射机：产生辐射所需强度的脉冲功率，波形是 脉冲宽度为t而周期为T的高频脉冲串。2.天线：将波束幅射到空间。天线具有很强的方向 性，以便集中辐射能量获得较大的观距离。,7.2 雷达基本组成,3.接收机：把微弱的回波信号放大到足以进行信号处 理的电平，同时尽量减小接收机的内部

4、噪 声，以保证接收机的高灵敏度。4.同步设备：雷达机的频率和时间标准。5.信号处理机：消除不需要的信号（如杂波）及干 扰，通过或加强由目标产生的回波 信号。信号处理是在做出检测判决 之前完成的。,雷达发射机,为雷达提供一个载波受到调制的大功率射频号。雷达发射机有单级振荡式和主振放大式两类。分为 1.单级振荡式发射机 2.主振放大式发射机,雷达发射机,单级振荡式发射机,雷达发射机,2.主振放大式发射机,雷达发射机,主振放大式发射机的结构主振放大式发射机是由多级组成。固体微波源代表主控振荡器，是一个比较复杂的系统.一般由振荡器、倍频器及变频器等构成射频放大电路。射频放大电路一般由二至三级射频功率放

5、大器级联组成，对于脉冲雷达而言，各级功率放大器都要受到各自脉冲调制器的控制，并且还要有定时器协调它们的工作。,雷达接收机,通过适当的滤波将天线上接收到的微弱高频信号从伴随的噪声和干扰中选择出来，并经过放大和检波后，送至显示器、信号处理器或由计算机控制的雷达终端设备。,雷达接收机,1.超外差式雷达接收机的组成,7.2.3 目标显示与数据记录,1.雷达终端显示器距离显示器：显示目标的斜距坐标，它是一维 空间显示器，用光点在荧光屏上 偏转的振幅来表示目标回波小。A型显示器为直线扫描，主波与回波之间的扫描线长代表目标的斜距。J型显示器是圆周扫描。AR型显示器有两条扫描线。,7.2.3 目标显示与数据记

6、录,平面显示器：显示雷达目标的斜距和方位两个坐 标，是二维显示器，用平面上的亮 点位置来表示目标的坐标。P显：平面显示器提供了360度范围内全部平面信 息，所以也叫全景显示器或环视显示器。B显：用直角坐标来显示距离和方位。横坐标表示 方位，纵坐标表示距离。通常方位角不是取 整个360，而是取其中的某一段。,7.2.3 目标显示与数据记录,2.雷达数据的录取 主要包括：测量并录取目标坐标和其它参数。录取方 法有半自动录取和全自动录取。半自动录取 由人工通过显示器来发现目标，然后由 人工操纵 录取设备，利用编码器把目标的坐标记录下来。,7.2.3 目标显示与数据记录,半自动录取系统方框图,7.2.

7、3 目标显示与数据记录,全自动录取,7.3.1 目标距离的测量,测距公式如下 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、频率法和相位法。,7.3.1 目标距离的测量,1.脉冲法测距基本原理 在脉冲雷达中，回波信号是滞后发射脉冲的回波 脉冲。在荧光屏上目标回波出现的时刻滞后于主 波，滞后的时间就是测量距离所需时间。测量距 离就是要测出时间。现代雷达常常采用电子设备 自动测读回波到达的迟延时间。,目标距离的测量,2.调频法测距 调频法测距可以用于连续波雷达，也可用于脉冲雷达。基本原理（以连续波为例）发射机产生连续高频等幅波，目标回波和发射机直 接耦合过来的信号加到接收机混频器内。发射

8、机频 率与回波频率的变化使混频器输出端便出现差频电 压。差频电压的频率与目标距离有关。,目标距离的测量,调频连续波雷达的组成框图,目标距离的测量,用正弦波对连续载频进行调频时 发射信号可表示为 发射频率为,目标距离的测量,目标反射回来的回波电压滞后一个时间T，可表示为：接收信号与发射信号在混频器中外差后其差频电压为：,为调制频率，为频率偏移量。,目标距离的测量,一般情况下均满足,所以差额频率值和目标距离R成比例且随时间作余弦变比。,目标距离的测量,3.距离跟踪原理（以脉冲法测距为例）测距时需要对目标距离作连续的测量，称为距离跟踪人工距离跟踪 采用移动的电刻度作为时间基准。由操纵员将电刻度对准目

9、标回波并从控制器度盘或计 数器上读出准确时延以获得目标的距离。移动的电刻度的产生是准确测量的关键，方法有锯齿 电压波法和相位法。,目标距离的测量,自动距离跟踪 使电移动指标自动地跟踪目标回波并连续地给出目标距离数据。,7.3.2 目标角度的测量,测量内容：目标角坐标的测定包括目标 方位角和高低 角（仰角）的测量。物理基础：电波在均匀介质中传播的直 线性和雷达天 线的方向性。测量方法：分为相位法和振幅法 误差因素：各种情况下的电波传播路径的偏折。,7.3.2 目标角度的测量,1.相位测角法 相位法测角利用多个天线所接收回波信号之间的相位差进行测角。,7.3.2 目标角度的测量,为波程差，为雷达波

10、长,两天线所收到的信号由于波程差产生的相位差为,7.3.2 目标角度的测量,由于在较低频率上容易实现比相，故通常将两天线收到的高频信号经过与同一本振信号差频后，在中频进行比相,设两高频信号为,本振信号为,为两信号的相位差，为本振信号初相。,7.3.2 目标角度的测量,两高频信号与中频信号的差频分别是,7.3.2 目标角度的测量,相位法测角的方框图,7.3.2 目标角度的测量,通过测量相位差求解角会产生测角误差，误差如下,采用读数精度高（小）的相位计，或减小 值，均可提高测角精度。当 时，即目标处在天线法线方向时，测角误差最小。,7.3.2 目标角度的测量,2.振幅法测角 振幅法测角是用天线收到

11、的回波信号幅度值来做角 度测量的，分为最大信号法和等信号法两大类。最大信号法 原理：当天线波束在一定范围内作匀角速扫描时，对共用收发天线的单基地脉冲雷达而言，找出脉冲串的最大值（中心值），该时刻 波束轴线指向即目标所在方向。,7.3.2 目标角度的测量,处理方法：测读时可先将回波脉冲串进行二进制量化，其 振幅超过门限时取1时，否则取0。可根据出现 1和消失1的时刻，方便且精确地找出回波脉冲 串“开始”和“结束”时的角度，两者的中间值就 是目标的方向。最大信号法测角的优缺点：优点：简单；信噪比最大，利于检测发现目标。缺点：是直接测量时测量精度不很高。,7.3.2 目标角度的测量,等信号法采用两个

12、相同且彼此部分重叠的波束。如果目标在两波束的交叠轴OA方向，则由两波束收到的信号强度相等。比较两个波束回波的强弱就可以判断目标偏离等信号轴的方向。,7.3.2 目标角度的测量,设天线电压方向性函数为，等信号轴OA指向 则波束1、2的方向性函数可分别写成：,为波束最大值方向与 的偏角。则，波束1，2接收到的回波电压值为,为目标方向偏离等信号轴的角度。对 和 信号进行处 理，就可以获得目标方向信息。,7.3.2 目标角度的测量,两个波束可以同时存在，若用两套相同的接收系统同时工作，称为同时波瓣法。两波束也可以交替出现，或只要其中一个波束，使它绕OA轴旋转，只用一套接收系统工作，称为顺序波瓣法。等信

13、号法的主要优缺点 测角精度比最大信号法高。便于自动测角。测角系统较复杂。等信号轴方向不是方向图的最大值方向，故发射功 率相同的条件下，作用距离比最大信号法小些。,7.3.3 运动目标检测与测速,物理原理 区分运动目标和固定杂波的基础是它们在速度上的差别。由于运动速度不同，引起回波信号频率产生的多普勒频移不相等，因此可以从频率上区分不同速度目标的回波。,7.3.3 运动目标检测与测速,1.多普勒效应 多普勒效应是指当发射源和接收者之间有相 对径向 运动时，接收到的信号频率将发生变化。,连续波信号的多普勒效应,设雷达发射信号为：,雷达发射站接收到的由目标反射的回波信号为：,7.3.3 运动目标检测

14、与测速,回波与发射信号之间有固定相位差 当目标与雷达站之间有相对匀速运动时，距离函数为 因为雷达和目标间的相对运动速度远小于电磁波速度c，故时延可以近似为：,7.3.3 运动目标检测与测速,回波信号与发射信号的高频相位差为 在径向速度为常数时，产生的频率差为 这就是多普勒频率，它正比于相对运动的速度而反比于工作波长。当目标飞向雷达站时，多普勒频率为正值；当目标背离雷达站飞行时，多普勒频率为负值。,7.3.3 运动目标检测与测速,窄带信号的多普勒效应 常用雷达信号为窄带信导，其发射信号可以表示为 同理,7.3.3 运动目标检测与测速,2.多普勒信息的提取连续波多普勒雷达 为取出收发信号频率的差频

15、，可以在接收机检波 器输入端引入发射信号作为基准电压，在检波器 输出端即可得到收发频率的差额电压，即多普勒 频率电压。完成差额比较的检波器称为相干滤波 器，这是一种相位检波器。,7.3.3 运动目标检测与测速,连续波多普勒雷达的原理组成框图,7.3.3 运动目标检测与测速,脉冲多普勒雷达运动目标回波信号中产生一个附加的多普勒频率分量仅在脉冲宽度时间内按重复周期出现。,脉冲多普勒雷达,7.3.3 运动目标检测与测速,脉冲雷达的特殊问题 盲速：目标虽然有一定的径向速度，但若回波信号经过 相位检波器后，输出为一串等幅脉冲与固定目标 的回波相同。这时的目标运动速度称为盲速。频闪效应：当脉冲工作状态时，

16、相位检波器输出端回波 脉冲串的包络调制频率和目标运动的径向速 度不再保持正比关系。此时如用包络调制频 率测速时将产生测速模糊。产生盲速和频闪效应的基本原因在于脉冲工作状态是对连续发射的取样，取样后波形和频谱均将发变化。,7.3.3 运动目标检测与测速,3.速度测量 方法1:测量确定时间间隔的距离变化量 方法2:准确地测出多普勒频移的数值和正负连续波雷达测速为了提取出多普勒频率信息，需要使用低通滤波器。,7.3.3 运动目标检测与测速,脉冲雷达测速 与连续雷达测速的相同点：同时测量多个目标的速度需多个匹配多普勒频率的窄带滤波器。脉冲雷达测速时特有的问题：取样使信号频谱和对应窄带滤波器的频响周期重

17、复 出现，引起测速模糊。所以，要保证：为目标回波的最大多普勒频移；为雷达重复频率,7.4 典型雷达系统,1.脉冲多普勒雷达 脉冲多普勒雷达，是应用多普勒效应并以频谱分离技术抑制各类背景杂波的脉冲雷达。机载脉冲多普勒雷达具有下视的功能，是截击机火控系统重要组成部分。可测量和分辨距离，并测量和分辨速度。,7.4 典型雷达系统,2.合成孔径雷达 思路：可以先在第一个振元发射和接收，然后依次 在其他振元上发射和接收，并把在每个振元 上接收的回波信号全部存储并叠加，其效果 就类似于长线阵同时发、收。天线构成：使用小天线沿着长线阵的轨迹等速移动 从而获得一个相当于很长线阵的方位（横向）高分辨力。,7.4

18、典型雷达系统,合成孔径雷达的概念 合成孔径雷达就是用雷达与目标的相对运动把尺寸较小的真实天线孔径用数据处理的方法合成一较大的雷达。逆合成孔径雷达（ISAR）：在一定条件下雷达固定而目标物体运动时获得目标清晰图像的理论和方法。,7.4 典型雷达系统,合成孔径雷达的特点高分辨能力:SAR最值得推崇的优越之处远距离探测能力：SAR具有防区外探测能力全天候成像：能昼夜工作并穿透尘埃等障碍 具有穿透性的观察视场：具有树叶穿透能力的较低频率的 SAR也在发展之列,7.4 典型雷达系统,SAR基本工作原理 SAR有两种工作方式，一种是对回波信号作聚焦处理，另一种是非聚焦处理。如果在接收机信号处理时，对不同距

19、离的球面波前分别予以相位补偿，则对应于这样的处理称为聚焦处理。此时的方向分辨力为：此时的横向线分辨力与目标距离R无关，且与实际天线尺寸D成正比，这是完全不同于实际孔径天线的。,7.4 典型雷达系统,具有代表性的合成孔径雷达聚束模式SAR 聚束模式SAR，使波束始终“聚焦”照射在同一目标区 域，可得到较高的方位分辨率。美国密执安环境研究所（ERIM）与空军共同开发聚束SAR数据采集系统，可以在几百米到几千米的区域范围内，获得距离和方位分辨率均达到1m的高分辨率图像。ERIM与海军联合开发的P3ASAR系统，方位分辨率达到0.66m。APG-76雷达也有聚束SAR模式操作，方位分辨率1m。,7.4 典型雷达系统,2.干涉式合成孔径雷达 采用IFSAR技术实现了对目标的三维测量。获得数据的方式有：在一架飞机上使用两副天 线；用 一副天线进行重复轨迹飞行。通过使用SAR相位测量来推断同一平面的两个或更多SAR图像间的距离差和距离变化，从而产生非常精确的地形表面剖面图。,END,