第7章 测量与跟踪雷达课件.pptx

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1、第第7 7章章 参数测量和跟踪雷达参数测量和跟踪雷达陈伯孝陈伯孝雷达原理与系统雷达原理与系统雷达信号处理重点实验室雷达信号处理重点实验室 陈伯孝陈伯孝第7章 测量与跟踪雷达（1）了解雷达测量的基本知识、理论精度和基本测量过程；）了解雷达测量的基本知识、理论精度和基本测量过程；（2）掌握脉冲法测距、调频法测距的原理和方法）掌握脉冲法测距、调频法测距的原理和方法（3）掌握比幅、比相单脉冲测角的原理和方法；）掌握比幅、比相单脉冲测角的原理和方法；（4）掌握相控阵天线波束的扫描方法、数字波束形成和数字单脉冲测角）掌握相控阵天线波束的扫描方法、数字波束形成和数字单脉冲测角的原理和方法；的原理和方法；（5

2、）掌握速度测量的原理和方法；）掌握速度测量的原理和方法；（6）了解多目标跟踪的边扫描边跟踪雷达和固定增益跟踪滤波器。）了解多目标跟踪的边扫描边跟踪雷达和固定增益跟踪滤波器。本章教学目的本章教学目的：雷达信号处理重点实验室 陈伯孝陈伯孝 第7章 测量与跟踪雷达 概概 述述 雷达测量基础雷达测量基础 距离测量与跟踪距离测量与跟踪 角度测量与跟踪角度测量与跟踪 相控阵雷达角度的测量相控阵雷达角度的测量 速度（多普勒）测量速度（多普勒）测量 多目标跟踪多目标跟踪本章教学内容本章教学内容雷达信号处理重点实验室 陈伯孝陈伯孝 第7章 测量与跟踪雷达7. 7.1 1 概概 述述雷达的基本任务是检测目标并测量

3、出目标的参数（位置坐标、速度雷达的基本任务是检测目标并测量出目标的参数（位置坐标、速度等），现代雷达还逐步从回波中提取诸如目标形状、运动状态等信息。跟等），现代雷达还逐步从回波中提取诸如目标形状、运动状态等信息。跟踪雷达系统用于测量目标的距离、方位、仰角和速度，然后利用这些参数踪雷达系统用于测量目标的距离、方位、仰角和速度，然后利用这些参数进行滤波，实现对目标的跟踪，同时还可以预测它们下一时刻的值。进行滤波，实现对目标的跟踪，同时还可以预测它们下一时刻的值。未知参数未知参数 ：距离、方位、仰角、速度：距离、方位、仰角、速度跟踪雷达跟踪雷达：包括距离跟踪、角度跟踪包括距离跟踪、角度跟踪、速度（、

4、速度（多普勒多普勒）跟踪跟踪参数测量精度参数测量精度是一个重要的性能指标，在某些雷达（如精密测量、火控跟是一个重要的性能指标，在某些雷达（如精密测量、火控跟踪和导弹末制导等雷达）中测量精度是关键指标。踪和导弹末制导等雷达）中测量精度是关键指标。 雷达信号处理重点实验室 陈伯孝陈伯孝 ( )( ;)( )+ ( )x ts tn tc t第7章 测量与跟踪雷达p单目标跟踪单目标跟踪（STT）雷达雷达：对单个目标进行连续跟踪，并且提供较高对单个目标进行连续跟踪，并且提供较高的数据率。主要应用于导弹制导武器系统，对飞机目标或导弹目标进行跟踪，其的数据率。主要应用于导弹制导武器系统，对飞机目标或导弹目

5、标进行跟踪，其数据率通常在每秒数据率通常在每秒10次以上。次以上。p自动检测与跟踪自动检测与跟踪（ADT）：这种跟踪是空域监视雷达的主要功能之这种跟踪是空域监视雷达的主要功能之一。一。例如例如民用空中交通管制雷达民用空中交通管制雷达、军用空域监视雷达都采用。数据率依赖于天线军用空域监视雷达都采用。数据率依赖于天线的扫描周期（周期可从几秒到十几秒），比的扫描周期（周期可从几秒到十几秒），比STT低，但低，但ADT具有同时跟踪大批目具有同时跟踪大批目标的优点。与标的优点。与STT雷达不同的是它的天线位置不受处理过的跟踪数据的控制，跟雷达不同的是它的天线位置不受处理过的跟踪数据的控制，跟踪处理是开环

6、的。踪处理是开环的。p边跟踪边扫描边跟踪边扫描（TWS）：在天线覆盖区域内在天线覆盖区域内的的多个目标，通过快速扫多个目标，通过快速扫描有限的角度扇区来维持对目标的跟踪，并提供中等的数据率。广泛应用于防空描有限的角度扇区来维持对目标的跟踪，并提供中等的数据率。广泛应用于防空雷达、飞机着陆雷达、机载火控雷达，以保持对多目标跟踪雷达、飞机着陆雷达、机载火控雷达，以保持对多目标跟踪。p相控阵跟踪雷达相控阵跟踪雷达：电子扫描的相控阵雷达能对大量目标进行跟踪，具有电子扫描的相控阵雷达能对大量目标进行跟踪，具有较高的数据率。在计算机的控制下，以时分的方式对不同波位、多批次目标进行较高的数据率。在计算机的控

7、制下，以时分的方式对不同波位、多批次目标进行跟踪。因为电扫描阵列的波束能够在几微秒的时间内从一个方向快速切换到另一跟踪。因为电扫描阵列的波束能够在几微秒的时间内从一个方向快速切换到另一个方向。在宙斯顿和爱国者等防空武器系统中均采用了相控阵跟踪雷达。个方向。在宙斯顿和爱国者等防空武器系统中均采用了相控阵跟踪雷达。雷达信号处理重点实验室 陈伯孝陈伯孝 跟踪雷达主要有四种类型跟踪雷达主要有四种类型第7章 测量与跟踪雷达7. 7.2 2 雷达测量基础雷达测量基础7. 7.2.1 2.1 雷达测量的基本物理量雷达测量的基本物理量1. 1.点目标的测量点目标的测量距离距离 角度：波束指向角度：波束指向+

8、+目标偏离波束中心的程度目标偏离波束中心的程度径向速度（多普勒频率）径向速度（多普勒频率）切向速度切向速度= sint= cosr雷达信号处理重点实验室 陈伯孝陈伯孝 2. 2.分布式目标测量分布式目标测量径向轮廓径向轮廓( (一维距离像一维距离像) )切向剖面切向剖面( (横向距离横向距离) )大小和形状大小和形状2cR2/drfv第7章 测量与跟踪雷达7.7.2.2 2.2 雷达测量的理论精度雷达测量的理论精度 噪声是影响雷达测量精度的最主要因素。雷达测量误差的度量即精噪声是影响雷达测量精度的最主要因素。雷达测量误差的度量即精度，是测量值（估计值）与真实值之间差的均方根值（度，是测量值（估

9、计值）与真实值之间差的均方根值（RMS）。）。 雷达测量量雷达测量量 M 的理论均方根误差为：的理论均方根误差为：k是大约为是大约为1的常数，的常数， M 是物理量是物理量M的分辨率的分辨率E是信号的能量，是信号的能量， N0 是单位带宽噪声功率。是单位带宽噪声功率。00012 /MMk Mk ME N雷达信号处理重点实验室 陈伯孝陈伯孝 物理量物理量M的的 M：R：有效带宽：有效带宽 、 ffd：有效时宽：有效时宽 t ：天线相对于波长：天线相对于波长的均方根孔径的均方根孔径 a002/E N第7章 测量与跟踪雷达7.7.2.2 2.2 雷达测量的理论精度雷达测量的理论精度雷达信号处理重点实

10、验室 陈伯孝陈伯孝 距离的测量距离的测量： k与发射信号的频谱形状与发射信号的频谱形状S(f)有关，是脉冲的上升时间（有关，是脉冲的上升时间（与带宽与带宽B成反比）。若距离分辨率为成反比）。若距离分辨率为 R ，则距离的测量精度，则距离的测量精度002/222RRccENBSNRB多普勒频率（径向速度）多普勒频率（径向速度）的测量的测量： k与与时域时域信号的信号的持续时间持续时间有关，有关，（与（与持续时间持续时间T成反比）。成反比）。多普勒多普勒分辨率为分辨率为 fd ，则，则速度速度的测量精度的测量精度022 2/22ddvffE NTSNR角度（方位、仰角）角度（方位、仰角）的测量的测

11、量： k与与孔径照射函数孔径照射函数有关，有关， M 为天线为天线的半功率波束宽度的半功率波束宽度 0.5，则则角度角度的测量精度的测量精度3dB3dB01.6 2/1.6 21.62E NSNRaSNR第7章 测量与跟踪雷达7.7.2.2 2.2 雷达测量的理论精度雷达测量的理论精度对于窄带雷达信号对于窄带雷达信号 ，混频至基带后，可以用其复包络，混频至基带后，可以用其复包络u(t)或对应的频谱或对应的频谱U(f)完全描述。但适当的波形参数有时更能方便地表示信号的某些特征，经常采用归完全描述。但适当的波形参数有时更能方便地表示信号的某些特征，经常采用归一化二阶矩作为信号时宽、带宽的有效度量，

12、分别定义信号有效时宽一化二阶矩作为信号时宽、带宽的有效度量，分别定义信号有效时宽 t （也称为（也称为均方根时宽）和有效带宽均方根时宽）和有效带宽 f （也称为均方根带宽）为（也称为均方根带宽）为 1 2221 22221ttu tdttu tdtEu tdt 1 2221 2222d1ddUUEU 1 2221 2222d1d2dffUfffUffEUff f2表示信号功率谱表示信号功率谱 | S(f)|2（或（或 | U(f)|2 ）关于其均值）关于其均值的归一化二阶矩的归一化二阶矩. f 与信号的半功率带宽或与信号的半功率带宽或噪声带宽都没有关系。频噪声带宽都没有关系。频谱能量越集中在频

13、谱的两谱能量越集中在频谱的两端，端， f 越大，则时延测量越大，则时延测量精度越高。精度越高。 t2表示表示| s(t)|2（或（或 | u(t)|2 ）关于）关于平均信号出现时间的归一化二平均信号出现时间的归一化二阶矩阶矩公式的推导见附录公式的推导见附录7A第7章 测量与跟踪雷达7.7.2.2 2.2 雷达测量的理论精度雷达测量的理论精度1/2221/2222( )1( )( )ffS fdffS fdfES fdf频谱的有效带宽频谱的有效带宽有效带宽有效带宽 f 与信号的半功率带宽或噪声带宽都没有关系。频谱能量越集中在频谱与信号的半功率带宽或噪声带宽都没有关系。频谱能量越集中在频谱的两端，

14、的两端， f 越大，越大，则则测测距距精度越高精度越高。理想的矩形脉冲要求有无限带宽是不理想的矩形脉冲要求有无限带宽是不可能的，因此实际的可能的，因此实际的“矩形矩形”脉冲的脉冲的带宽必须是有限的，它有有限的上升带宽必须是有限的，它有有限的上升和下降时间。和下降时间。假设宽度为假设宽度为T的矩形脉冲的频谱限制的矩形脉冲的频谱限制在有限频谱带宽在有限频谱带宽Bs内，频谱峰值两边内，频谱峰值两边第一零点从第一零点从1/T到到+1/T范围内，因此范围内，因此，频谱带宽频谱带宽Bs=2/T （即（即BsT =2），半），半功率带宽为功率带宽为B Bs/2，或，或B 1/T，（，（矩形脉冲的矩形脉冲的B

15、与与T的乘积实际上等于的乘积实际上等于0.886，但是，为方便起见，通常取，但是，为方便起见，通常取为为1）。）。Tt/T第7章 测量与跟踪雷达脉冲波形脉冲波形时域表达式时域表达式 s(t)有效带宽有效带宽 f高斯脉冲高斯脉冲exp(1.38t2/2)2.66B，或，或1.18/余弦脉冲余弦脉冲cos(t/B)2.64B，或，或3.14/B三角脉冲三角脉冲(2t/B)+1, B/2 t 0(2t/B)+1, 0 t 1)SiBs(t+p/2) SiBs(tp/2)1.4/spBBs =频谱范围（频谱的总宽度）；频谱范围（频谱的总宽度）；B=半功率带宽；半功率带宽； =半功率脉冲宽度；半功率脉冲

16、宽度；p =原始矩形脉冲宽度；原始矩形脉冲宽度； B =脉冲底部宽度；脉冲底部宽度；Six= x的正弦积分函数。的正弦积分函数。不同类型脉冲的有效带宽不同类型脉冲的有效带宽f 第7章 测量与跟踪雷达表表7.3 不同类型脉冲的时延及频率估计精度不同类型脉冲的时延及频率估计精度 f第7章 测量与跟踪雷达7.2.4 7.2.4 基本测量过程基本测量过程等信号法等信号法：其测量过程将相邻单：其测量过程将相邻单元的信号进行比较，根据这些信元的信号进行比较，根据这些信号的相对幅度来估算目标的位置。号的相对幅度来估算目标的位置。建立任意的建立任意的Z坐标，在偏离坐标，在偏离测量轴的测量轴的“距离距离”（偏移

17、值）（偏移值）为为 的两个对称响应为：的两个对称响应为：( )( )()110( )()()220f zf zf zzkfzf zf zzk在轴在轴 的位置，若的位置，若 ，则表明目标位于测量轴上；，则表明目标位于测量轴上；否则否则 ，则表明目标不在测量轴上，则表明目标不在测量轴上， 。0z()()1 02 0f zfz( )( )12f zfz0zz雷达信号处理重点实验室 陈伯孝陈伯孝 基本测量方法基本测量方法:最大信号法最大信号法, 等信号法等信号法第7章 测量与跟踪雷达为了获得目标位置相对于测量轴的误差信号，可以生成这两个响应间为了获得目标位置相对于测量轴的误差信号，可以生成这两个响应间

18、的差：的差：为了获得正确的内插位置，为了获得正确的内插位置，必须形成必须形成“和响应和响应” ” ：归一化误差信号响应：归一化误差信号响应：为了保证误差信号的线性关系，为了保证误差信号的线性关系，等信号法只考虑以目标所在分辨单元等信号法只考虑以目标所在分辨单元为中心、正负二分之一个分辨单元范围以内的测量为中心、正负二分之一个分辨单元范围以内的测量。( )( )( )2( )0210zEfzf zE z f zk( )( )( )2( )0120zEf zfzE f z( )( )( )21( )( )( )12zfzfzfzkfzfzf z雷达信号处理重点实验室 陈伯孝陈伯孝 7.2.3 7.

19、2.3 基本测量过程基本测量过程第7章 测量与跟踪雷达7.3 7.3 距离测量与跟踪距离测量与跟踪距离测量主要有两类方法：距离测量主要有两类方法：1. 延时法延时法即测量目标回波相对于发射信号的延时，获得目标的距离。即测量目标回波相对于发射信号的延时，获得目标的距离。现代雷达的数字化程度高，一般设置软波门（即根据目标的距离，由软件设现代雷达的数字化程度高，一般设置软波门（即根据目标的距离，由软件设置测量或跟踪波门），在波门内进行距离测量与跟踪。一般警戒雷达的距离分辨置测量或跟踪波门），在波门内进行距离测量与跟踪。一般警戒雷达的距离分辨率为数十米或百米左右，率为数十米或百米左右，A/D采样时量化

20、的距离单元小于等于距离分辨单元，检采样时量化的距离单元小于等于距离分辨单元，检测后针对波门内功率最强的距离单元作为目标所在距离单元，若目标相邻的两个测后针对波门内功率最强的距离单元作为目标所在距离单元，若目标相邻的两个距离单元均超过门限，则通过密度加权计算目标的距离。对高分辨雷达，目标可距离单元均超过门限，则通过密度加权计算目标的距离。对高分辨雷达，目标可能占多个距离单元，通过密度加权计算目标的距离。雷达最终给出的目标距离是能占多个距离单元，通过密度加权计算目标的距离。雷达最终给出的目标距离是在目标跟踪后对目标的距离进行航迹滤波或平滑处理，因此这种延时法的距离测在目标跟踪后对目标的距离进行航迹

21、滤波或平滑处理，因此这种延时法的距离测量或定位精度通常取距离分辨率的三分之一。量或定位精度通常取距离分辨率的三分之一。2. 将距离的测量转化为频率的测量。将距离的测量转化为频率的测量。这类方法多应用在距离高分辨的成像雷达和汽车自动驾驶雷达的场合。例如这类方法多应用在距离高分辨的成像雷达和汽车自动驾驶雷达的场合。例如，汽车自动驾驶雷达需要高精度地测量距离和速度信息，若距离分辨率为，汽车自动驾驶雷达需要高精度地测量距离和速度信息，若距离分辨率为0.15 m，则信号带宽要大于，则信号带宽要大于1 GHz，通常采用拉伸信号处理，通过测量有源混频输出信，通常采用拉伸信号处理，通过测量有源混频输出信号的频

22、率，再计算目标的距离和速度。号的频率，再计算目标的距离和速度。u 雷达测距的物理基础是电波沿直线传播，并且在距离无模糊的情况下进行。雷达测距的物理基础是电波沿直线传播，并且在距离无模糊的情况下进行。u 中、高重频的雷达的距离模糊，需要采用多组不同的重频，解距离模糊。中、高重频的雷达的距离模糊，需要采用多组不同的重频，解距离模糊。第7章 测量与跟踪雷达7.3 7.3 距离测量与跟踪距离测量与跟踪7.3.1 延时法测距与距离跟踪延时法测距与距离跟踪时间延迟的测量分两步完成：首先对接收波形的形心（即回波脉时间延迟的测量分两步完成：首先对接收波形的形心（即回波脉冲的中心）或其他可确定的点定位；然后，测

23、量发射波形中该点与接冲的中心）或其他可确定的点定位；然后，测量发射波形中该点与接收波形中该点之间的延迟，并将其转换为输出数据。收波形中该点之间的延迟，并将其转换为输出数据。自动距离跟踪系统完成对目标回波脉冲的跟踪并连续给出目标的距自动距离跟踪系统完成对目标回波脉冲的跟踪并连续给出目标的距离信息。离信息。自动距离跟踪过程自动距离跟踪过程包括对目标的包括对目标的搜索搜索、捕获捕获和和自动跟踪自动跟踪三个三个互相联系的部分。互相联系的部分。在在搜索搜索、捕获捕获目标后，转入跟踪状态。目标后，转入跟踪状态。回波脉冲中心估计回波脉冲中心估计相当于实现对目标的相当于实现对目标的捕获捕获。第7章 测量与跟踪

24、雷达7.3 7.3 距离测量与跟踪距离测量与跟踪回波脉冲中心估计框图如回波脉冲中心估计框图如7.6所示，来自接收机输出的视频回波与门限电压所示，来自接收机输出的视频回波与门限电压VT在在比较器进行比较，输出宽度为比较器进行比较，输出宽度为的矩形脉冲，并作为的矩形脉冲，并作为 支路的输出；另一路由微支路的输出；另一路由微分器和过零点检测器组成的差支路分器和过零点检测器组成的差支路 ，当微分器的输出经过零值时便产生一个窄，当微分器的输出经过零值时便产生一个窄脉冲，该脉冲出现的时间正好是回波脉冲的最大值，通常也是回波脉冲的中心脉冲，该脉冲出现的时间正好是回波脉冲的最大值，通常也是回波脉冲的中心。和支

25、路脉冲加到零点检测器上，选择出回波峰值对应的窄脉冲，从而防止由。和支路脉冲加到零点检测器上，选择出回波峰值对应的窄脉冲，从而防止由于距离副瓣和噪声引起的过零脉冲输出。于距离副瓣和噪声引起的过零脉冲输出。第7章 测量与跟踪雷达7.3 7.3 距离测量与跟踪距离测量与跟踪目标距离的自动跟踪系统主要包括目标距离的自动跟踪系统主要包括时间鉴别器时间鉴别器、控制器控制器和和跟踪脉冲产生器跟踪脉冲产生器三个部分三个部分1）时间鉴别器）时间鉴别器时间鉴别器用来比较回波时间鉴别器用来比较回波信号与跟踪脉冲之间的延信号与跟踪脉冲之间的延迟时间差迟时间差t (t=t t), 并将并将t 转换为与它成比例的误转换为

26、与它成比例的误差电压差电压ue (或误差电流或误差电流)。第7章 测量与跟踪雷达7.3 7.3 距离测量与跟踪距离测量与跟踪tx为前波门触发脉冲相对于发射脉冲的延迟时为前波门触发脉冲相对于发射脉冲的延迟时间；间；t为前波门后沿为前波门后沿(后波门前沿后波门前沿)相对于发射相对于发射脉冲的延迟时间；脉冲的延迟时间；为回波脉冲宽度，为回波脉冲宽度，c为波为波门宽度，通常门宽度，通常=c第7章 测量与跟踪雷达7.3 7.3 距离测量与跟踪距离测量与跟踪特性曲线形成说明特性曲线形成说明时间鉴别器特性曲线时间鉴别器特性曲线时间鉴别器输出误差电压时间鉴别器输出误差电压ue=K1(t t)=K1t第7章 测

27、量与跟踪雷达21雷达信号处理重点实验室 陈伯孝陈伯孝 锯齿形锯齿形线性调频信号，不能同时获得目标的距离和多普勒信息。线性调频信号，不能同时获得目标的距离和多普勒信息。：线性调频连续波雷达测距线性调频连续波雷达测距发射和接收的发射和接收的LFM信号时频图及固定目标的差频信号时频图及固定目标的差频 三角型（三角型（V型）线性调频信号的时型）线性调频信号的时-频关系示意图。图中实线表示发射信频关系示意图。图中实线表示发射信号，虚线表示距离号，虚线表示距离R处的静止目标回波处的静止目标回波12mmfT调制频率调制频率2=1 2mmmfffffTf频率变化率频率变化率t为接收信号对发射信号的时延为接收信

28、号对发射信号的时延22bmRR ffccT差频差频 fb 位置频率位置频率Tm第7章 测量与跟踪雷达：线性调频连续波雷达测距线性调频连续波雷达测距在正调频期间的发射信号为在正调频期间的发射信号为20( )= ( )cos(2+)es ta tf tt静止目标的回波信号的瞬时频率为静止目标的回波信号的瞬时频率为发射信号的样本与回波信号混频后，差频发射信号的样本与回波信号混频后，差频 fb为为采用数字频率计或频谱分析得到位置频率采用数字频率计或频谱分析得到位置频率 fb ，再计算目标的距离再计算目标的距离应保证测距的单值性，且满足应保证测距的单值性，且满足00tmffftftT002()rmfRf

29、ftftTc 22bmmfRffRTcT c22mbbT ccRfff2mRTc初始距离为初始距离为R0、速度为、速度为v的的目标回波信号为目标回波信号为20( )= ()cos(2 ()+ () )rs ta tf tt002()2=Rvtvtcc实际应用中，一般选取最大的时延实际应用中，一般选取最大的时延 为为maxtmax0.10mtT对应的最大作用距离为对应的最大作用距离为max0.10.124mmcTcRf第7章 测量与跟踪雷达：线性调频连续波雷达测距线性调频连续波雷达测距当目标运动时，除由时延造成的频移外，接收信号中还包括多普勒频移项当目标运动时，除由时延造成的频移外，接收信号中还

30、包括多普勒频移项目标回波信号与发射信号样本目标回波信号与发射信号样本进行混频、滤波，滤除进行混频、滤波，滤除“和频和频”分量，保留分量，保留“差频差频”分量，得到分量，得到接收的基带信号为接收的基带信号为0 Tm 2Tmf0+ f f02TmTmfbd fbu(a) 发射与接收信号的时频关系发射与接收信号的时频关系ttff(b) 混频后的时频关系（差频）混频后的时频关系（差频）发射信号发射信号接收信号接收信号2+02001200101( )= ()cos(22)2 ()cos 2(1)24(1) ()cos 224 = ()cos 222( )dvcdbdvs ta ttfvvva ttf t

31、tcccva ttf ttca tf tf tft t代入第7章 测量与跟踪雷达：线性调频连续波雷达测距线性调频连续波雷达测距201000=2f002bRfc2dvf( )=2vvfttc与时无关的相位与时无关的相位项，初相项，初相 位置频率位置频率 多普勒频率多普勒频率与与速速度相关的交叉调频率度相关的交叉调频率，使得信号的频谱展宽，使得信号的频谱展宽 由于由于vc，1+2v/ c 1，这时接收信号的这时接收信号的瞬时频率为瞬时频率为( )=( )=2ibdvbdvf tffftfftc若对发射信号样本进行若对发射信号样本进行90相移，分别用发射信号样本的同相分相移，分别用发射信号样本的同相

32、分量和正交分量进行混频、滤波，得到的基带复信号模型为量和正交分量进行混频、滤波，得到的基带复信号模型为012( )22+( )= ()vbdjft tjf tjf tjs ta teeee第7章 测量与跟踪雷达尽管尽管 最大值接近最大值接近350 Hz，但远小于位置频率但远小于位置频率 fb和多普勒频和多普勒频率率fd，因此式，因此式(7.3.11)可简写为可简写为：线性调频连续波雷达测距线性调频连续波雷达测距( )vft+0101( )()cos 22= ()cos 2bdbus ta tf tf ta tf t200202( )= ()cos( 22+) ()cos 2+2 = ()cos

33、 2bdbds ta ttfa tf tf ta tf t例例7-1 假设汽车雷达的工作频率为假设汽车雷达的工作频率为77 GHz，调频带宽为，调频带宽为1 GHz，调制时，调制时宽宽Tm为为40 ms，目标速度为，目标速度为180 km/h（即（即50 m/s），若目标的距离为），若目标的距离为600 m，对应的位置频率为，对应的位置频率为200kHz，多普勒频率为，多普勒频率为25.67 kHz，在调制时宽，在调制时宽Tm期间期间在负调频期间，接收的基带信号为在负调频期间，接收的基带信号为( )=2vvfttc22rbubdvRfffc22rbdbdvRfffc第7章 测量与跟踪雷达：线性

34、调频连续波雷达测距线性调频连续波雷达测距图图7.13为例为例7-1中目标的回波信号及其频谱分析结果。中目标的回波信号及其频谱分析结果。目标的距离、速度分别为目标的距离、速度分别为598.5 m和和49.997 m/s。频峰对应的频率频峰对应的频率173.83 kHz225.16kHz假设有两个目标，距离假设有两个目标，距离R0=600，800 m，速度速度40， 30 m/s，信噪比均为，信噪比均为10 dB正调频正调频fbu1=537.23 Hzfbu2=847.05 Hz负调频负调频fbd1=660.37 Hzfbd2=754.67 Hz关联频率关联频率距离距离/m速度速度/(m/s)属性

35、属性fbu1，fbd1598.840.0正确正确fbu1，fbd2753.770.6错误错误fbu2，fbd1646.0 60.6错误错误fbu2，fbd2800.9 30.0正确正确第7章 测量与跟踪雷达27：线性调频连续波雷达测距线性调频连续波雷达测距调频法测距的主要优点有：调频法测距的主要优点有：（1）能测量很近的距离，一般可测到数米，且有较高的测量精度。）能测量很近的距离，一般可测到数米，且有较高的测量精度。（2）实现相对简单，普遍应用于飞机高度表、微波引信及汽车自动驾）实现相对简单，普遍应用于飞机高度表、微波引信及汽车自动驾驶等场合。驶等场合。调频法测距的主要缺点有：调频法测距的主要

36、缺点有：（1）简单的三角调频连续波波形难以同时测量多个目标。如欲测量多）简单的三角调频连续波波形难以同时测量多个目标。如欲测量多个目标，需要采用更复杂的调制波形，必须采用大量滤波器和频率计数个目标，需要采用更复杂的调制波形，必须采用大量滤波器和频率计数器。器。（2）收发隔离是所有连续波雷达的难题。发射机泄漏功率容易阻塞接收）收发隔离是所有连续波雷达的难题。发射机泄漏功率容易阻塞接收机，因而限制了发射功率的大小。机，因而限制了发射功率的大小。第7章 测量与跟踪雷达7.47.4 角度测量与跟踪角度测量与跟踪u 角度跟踪的任务：对目标的方位角和仰角进行连续的测量与跟踪。角度跟踪的任务：对目标的方位角

37、和仰角进行连续的测量与跟踪。u 角度测量角度测量的物理基础是电波在均匀介质中传播的直线性和天线的方向性。的物理基础是电波在均匀介质中传播的直线性和天线的方向性。u 角度测量的基本方法：角度测量的基本方法：最大信号法最大信号法、等信号法、等信号法 最大信号法最大信号法：以接收信号功率最大时的天线波束指向作为目标方向；以接收信号功率最大时的天线波束指向作为目标方向； 等信号法等信号法：以相邻波束接收信号功率相等时的天线等波束指向作为目以相邻波束接收信号功率相等时的天线等波束指向作为目标所在方向标所在方向 等信号法等信号法的的精度高于最大信号法精度高于最大信号法雷达角度测量是利用目标所在波束与天线主

38、轴（等信号轴）之间的偏角雷达角度测量是利用目标所在波束与天线主轴（等信号轴）之间的偏角来产生一个误差函数。这个偏角通常是从天线主轴算起的，由此得到的误差来产生一个误差函数。这个偏角通常是从天线主轴算起的，由此得到的误差信号描述了目标偏离天线主轴的程度。雷达角度跟踪时，波束的指向不断地信号描述了目标偏离天线主轴的程度。雷达角度跟踪时，波束的指向不断地调整，以得到零误差信号调整，以得到零误差信号第7章 测量与跟踪雷达7.3.1 7.3.1 比幅单脉冲测角比幅单脉冲测角雷达信号处理重点实验室 陈伯孝陈伯孝 按照天线波束的工作方式，按照天线波束的工作方式，雷达角度测量雷达角度测量方法方法主要有主要有：

39、顺序波瓣、顺序波瓣、圆锥扫描、圆锥扫描、单脉冲测角单脉冲测角、相控阵雷达测角相控阵雷达测角单脉冲测角方法单脉冲测角方法：比幅单脉冲、比相单脉冲。比幅单脉冲、比相单脉冲。u 比幅单脉冲比幅单脉冲：也称比幅法测角，或幅度法测角，是：也称比幅法测角，或幅度法测角，是利用目标回波在利用目标回波在不同天线不同天线接收信号接收信号的的幅度差异幅度差异，且在一定的条件下，该，且在一定的条件下，该幅度幅度差与回差与回波到达方向成单值影射关系，波到达方向成单值影射关系，则则通过测量通过测量幅度幅度差可唯一确定目标方差可唯一确定目标方向。向。7.47.4 角度测量与跟踪角度测量与跟踪第7章 测量与跟踪雷达一种典型

40、的单脉冲天线方向图：一种典型的单脉冲天线方向图：A A、B B、C C、D D四个波束四个波束同时产生同时产生, ,分分别表示四个圆锥形扫描波束的位置。别表示四个圆锥形扫描波束的位置。四个馈电，大体上呈喇叭状，用来四个馈电，大体上呈喇叭状，用来产生单脉冲天线方向图。产生单脉冲天线方向图。7.4.1 7.4.1 比幅单脉冲测角比幅单脉冲测角图图(a)图图(b)图图(c)图图(d)比幅单脉冲测角：比幅单脉冲测角：比幅单脉冲测角要求：这四个信号的相位一致、幅度不同。比幅单脉冲测角要求：这四个信号的相位一致、幅度不同。图图(a)：四个象限表示四个波束，：四个象限表示四个波束，四个喇叭接收的能量相同，表

41、示四个喇叭接收的能量相同，表示目标在跟踪轴线上。目标在跟踪轴线上。图图(b)(d)：目标不在跟踪轴线上。：目标不在跟踪轴线上。 当目标不在跟踪轴线时，在不同波束上的能量就会不平衡。当目标不在跟踪轴线时，在不同波束上的能量就会不平衡。这种能量的不平衡用来产生驱动伺服控制系统的误差信号。这种能量的不平衡用来产生驱动伺服控制系统的误差信号。第7章 测量与跟踪雷达比幅单脉冲测角的直观解释比幅单脉冲测角的直观解释 图图(a)中中“1”“”“2”为两个相同且彼此部分重叠的波束。为两个相同且彼此部分重叠的波束。 若目标处在两波束的交叠轴若目标处在两波束的交叠轴OA 方向，则这两个波束接收信号强度相等，方向，

42、则这两个波束接收信号强度相等，否则一个波束接收信号的强度高于另一个，如图否则一个波束接收信号的强度高于另一个，如图(b)。故称。故称OA为等信号轴为等信号轴，或跟踪轴线。，或跟踪轴线。 当两个波束收到的回波信号相等时，等信号轴所指方向即为目标方向。如当两个波束收到的回波信号相等时，等信号轴所指方向即为目标方向。如果目标在果目标在OB方向，波束方向，波束2的回波比波束的回波比波束1强；如果目标在强；如果目标在OC方向，波束方向，波束1的回波比波束的回波比波束2强。强。 因此，通过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因此，通过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

43、，并通过计算或查表估计出偏离等信号轴的大小，得到目标的方向。，并通过计算或查表估计出偏离等信号轴的大小，得到目标的方向。第7章 测量与跟踪雷达单脉冲处理单脉冲处理包括合成包括合成 和波束和波束 、方位差波束方位差波束 az 仰角差波束仰角差波束 el 合成方式：合成方式：l 单脉冲雷达的单脉冲雷达的微波合成器微波合成器（称（称“魔魔-T”，Magic-T）l 阵列雷达通过数字信号处理阵列雷达通过数字信号处理魔魔-T魔魔-T及其端口之间的波程关系及其端口之间的波程关系雷达信号处理重点实验室 陈伯孝陈伯孝 7.4.1 7.4.1 比幅单脉冲测角比幅单脉冲测角第7章 测量与跟踪雷达差信号与和信号的比

44、值（差和比），差信号与和信号的比值（差和比），即归一化误差信号为即归一化误差信号为00( )d ( )( )( )()dtttttFKF K 为差波束在为差波束在 0附近的斜率，也称为方向跨导附近的斜率，也称为方向跨导cossin()sin()00( )()()00 sin()sin()00( )()()00 现代雷达并不需要先对和、差通道信号进行包络检波，而是在目标所在距离单元，直接提取归一化误差信号，第7章 测量与跟踪雷达简化的单脉冲雷达框图简化的单脉冲雷达框图雷达信号处理重点实验室 陈伯孝陈伯孝 7.4.1 7.4.1 比幅单脉冲测角比幅单脉冲测角第7章 测量与跟踪雷达使用使用MATLA

45、B函数函数mono_pulse.m计算出和波束、差波束方向图以及归一化误差信号计算出和波束、差波束方向图以及归一化误差信号,其函数形式为其函数形式为:mono_pulse（phi0)；,其中其中phi0表示偏角，表示偏角，7.4.1 7.4.1 比幅单脉冲测角比幅单脉冲测角第7章 测量与跟踪雷达l 需要同时有两个或三个接收通道：和通道、方位差通道、俯仰差通道需要同时有两个或三个接收通道：和通道、方位差通道、俯仰差通道l 三个接收通道的幅相特性要一致三个接收通道的幅相特性要一致l 只能以波束指向为中心，对一个波束宽度内的目标进行测角只能以波束指向为中心，对一个波束宽度内的目标进行测角l 通常只是

46、在跟踪状态下进行目标角度的测角通常只是在跟踪状态下进行目标角度的测角l 三个接收通道均需要相应的处理，在跟踪波门内，三个接收通道均需要相应的处理，在跟踪波门内，“和通道和通道”完成对距离完成对距离的跟踪，并针对目标所在距离单元的三个通道信号，进行比幅测角的跟踪，并针对目标所在距离单元的三个通道信号，进行比幅测角l 一个分辨单元多个散射点可能引起一个分辨单元多个散射点可能引起“角闪烁角闪烁”，即测角误差或错误，即测角误差或错误l 高分辨下一个目标可能占多个距离单元，对每个距离单元测角后，按密度高分辨下一个目标可能占多个距离单元，对每个距离单元测角后，按密度加权计算目标的中心角度（注意剔除加权计算

47、目标的中心角度（注意剔除“角闪烁角闪烁” 点）点） 比幅单脉冲测角需要注意的问题比幅单脉冲测角需要注意的问题第7章 测量与跟踪雷达7.4.2 7.4.2 比相单脉冲测角比相单脉冲测角u 比相单脉冲比相单脉冲：也称：也称相位法测角相位法测角，是利用目标回波在不同天线口面的是利用目标回波在不同天线口面的波程差形成的信号相位差，且在一定的条件下，该相位差与回波到波程差形成的信号相位差，且在一定的条件下，该相位差与回波到达方向成单值影射关系，达方向成单值影射关系，则则通过测量相位差可唯一确定目标方向通过测量相位差可唯一确定目标方向。u 比相单脉冲测角时，目标的角坐标是从两个通道之比相单脉冲测角时，目标

48、的角坐标是从两个通道之“差差”、“和和” 通通道中提取的，这一点与比幅单脉冲很类似。两者的主要差异：道中提取的，这一点与比幅单脉冲很类似。两者的主要差异：比幅单脉冲产生的两个比幅单脉冲产生的两个/四个信号：四个信号：相似的相位相似的相位、不同的振幅不同的振幅；比相单脉冲产生的两个比相单脉冲产生的两个/四个信号：四个信号：振幅相同振幅相同、相位不同相位不同。u 比相单脉冲跟踪雷达在每个坐标（方位和俯仰）方向采用了最少比相单脉冲跟踪雷达在每个坐标（方位和俯仰）方向采用了最少2单单元的阵列天线。元的阵列天线。相位误差信号相位误差信号是根据是根据两个天线单元中产生的信号之间两个天线单元中产生的信号之间

49、的相位差的相位差计算得到的。计算得到的。第7章 测量与跟踪雷达2222cos()122222 +sin4ddRRRdRdRdR1sin12dRRR1sin22dRRR22()sin12RRd比相单脉冲信号模型：比相单脉冲信号模型：( )12SS( )12SS12jSS e( )(1)2jSe( )(1)2jSe1tan21jejjetan2比相单脉冲跟踪器比相单脉冲跟踪器经常称为经常称为半角跟踪器半角跟踪器7.4.2 7.4.2 比相单脉冲测角比相单脉冲测角比相单脉冲测角的另一种解释比相单脉冲测角的另一种解释如果如果 =0 ，则目标在天线轴线的方向上；，则目标在天线轴线的方向上；否则可以利用相

50、位差否则可以利用相位差 来确定目标的方向来确定目标的方向 第7章 测量与跟踪雷达7.5 7.5 相控阵雷达角度的测量相控阵雷达角度的测量l 相控阵天线相控阵天线由一个或多个平面上按一定规律布置的天线单元由一个或多个平面上按一定规律布置的天线单元(辐射单元辐射单元)和信号功和信号功率分配率分配/相加网络所组成。相加网络所组成。l 每个天线上都设置一个每个天线上都设置一个移相器移相器，用以，用以改变天线单元之间信号的相位改变天线单元之间信号的相位关系；关系；l 天线单元之间信号幅度的变化则通过不等功率分配天线单元之间信号幅度的变化则通过不等功率分配/相加网络或衰减器来实现。相加网络或衰减器来实现。