線性調(diào)頻雷達(dá)最小作用距離范圍內(nèi)目標(biāo)距離的測量

1、線性調(diào)頻雷達(dá)最小作用距離范圍內(nèi)目標(biāo)距離的測量陳 勇 ,柯長海(南京電子技術(shù)研究所 ,江蘇省南京市 210013)摘 要 :介紹了一種新的探測雷達(dá)最小作用距離的方法 ,打破了傳統(tǒng)的最小跟蹤距離受發(fā)射脈寬局限的限制 ,重點(diǎn)介紹對發(fā)射線性調(diào)頻信號的雷達(dá)的近距離探測方法 ,并給出了仿真計(jì)算結(jié)果。關(guān)鍵詞 :最小跟蹤距離 ;線性調(diào)頻 ;雷達(dá)測距中圖分類號 : T N957. 51收稿日期 : 20062 012 14; 修回日期 : 200

2、62 072 16。1 問題的分析現(xiàn)代雷達(dá)不僅關(guān)心最遠(yuǎn)作用距離 ,其最小跟蹤距離也越來越受到關(guān)注。例如進(jìn)行氣球校飛試驗(yàn)時(shí) ,經(jīng)常受天氣 (能見度 )等因素的影響 ,而不能及時(shí)捕獲目標(biāo) ,給試驗(yàn)任務(wù)帶來很多麻煩。通常 ,收發(fā)共用的雷達(dá)其最小探測距離受到脈沖寬度以及收 / 發(fā)開關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)間的限制 ,因此認(rèn)為其最小作用距離為 :Rm in = c2 ( τ +Δt) (1)式中 : c為電磁波的速度 ;τ 為發(fā)射脈沖寬度 ;Δt為收 /發(fā)開關(guān)

3、的轉(zhuǎn)換時(shí)間。這里所說的最小距離的產(chǎn)生是因?yàn)槭瞻l(fā)共用雷達(dá)在發(fā)射電磁波時(shí) ,接收機(jī)是關(guān)閉的 ,因而此時(shí)在 Rm in范圍內(nèi)的目標(biāo)回波不能進(jìn)入接收機(jī)。然而 ,本文認(rèn)為 ,雷達(dá)的最小作用距離比通常認(rèn)為的 Rm in值要小。如果接收機(jī)的靈敏度非常高 ,抑制噪聲的能力足夠強(qiáng) ,能夠提供足夠高的信噪比 ,則雷達(dá)最小作用距離將更大程度上受到收 /發(fā)開關(guān)恢復(fù)時(shí)間的限制 ,而并不完全受發(fā)射脈沖寬度的局限。假設(shè)目標(biāo) A與雷達(dá)所在位置 B之間的距離為 c (

4、τ+Δt) /2 ,如圖 1所示。圖 1 最小跟蹤距離與發(fā)射脈寬時(shí)序關(guān)系圖我們不妨把發(fā)射脈沖寬度 τ 分解成 4份 ,分別用τ 1、 τ 2、 τ 3、 τ 4 表示。 τ+Δt為接收機(jī)在發(fā)射機(jī)發(fā)射脈沖期間的總堵塞時(shí)間。現(xiàn)在考慮當(dāng) τ 1 發(fā)射出去經(jīng)目標(biāo)A反射后回到雷達(dá)位置 B時(shí) ,接收機(jī)剛剛接通 ,因而此時(shí)接收機(jī)剛好能夠收到目標(biāo)的整個(gè)反射回波。而對于τ 2 ,在其到達(dá) B時(shí) ,接收機(jī)已經(jīng)接通 ,并且已經(jīng)延時(shí) τ 1時(shí)間 ,也就是在接

5、收機(jī)接通了 τ 1 時(shí)間后 ,τ 2 才到達(dá)接收機(jī)。同樣 ,τ 3 是在接收機(jī)接通了 τ 1 +τ 2 時(shí)間后到達(dá)接收機(jī) ,依次類推。這說明 τ 2 部分再提前 τ 1 時(shí)間回到雷達(dá) B 處 ,雷達(dá)接收機(jī)同樣可以接收到這部分回波。 τ 3 提前 τ 1 +τ 2 時(shí)間回到 B 對于它的接收也沒有問題。而對于 τ 4 來說 ,可以提前更多時(shí)間回到接收機(jī)而不影響接收機(jī)對其接收。這等于說 ,如果目標(biāo)再近一些 ,接收機(jī)是可以接收到目標(biāo)的部分回波

6、的。當(dāng)然 ,這也說明了只要把脈沖總寬度變窄 ,減小最小作用距離是可以做到的。然而 ,在設(shè)計(jì)雷達(dá)時(shí) ,通常為了提高雷達(dá)的作用距離 ,不得已要把雷達(dá)的發(fā)射脈沖寬度加大 ,以保證其最大作用距離 ,但這又似乎與雷達(dá)的最小作用距離發(fā)生了矛盾。通過以上分析 ,對于c( τ +Δt) /2范圍內(nèi)的目標(biāo) ,其反射回波雖然不能完整地進(jìn)入接收機(jī) ,但總會(huì)有一部分回波進(jìn)入接收機(jī)。如果合理利用接收機(jī)接收到的這部分不完整回波 ,檢測到 c( τ +Δt) /2范

7、圍內(nèi)的目標(biāo)是可以做到的。根據(jù)以上分析 ,如果利用 τ 2 以后部分的回波檢測目標(biāo) ,就可以使雷達(dá)的最小作用距離減少 c τ 1 /2 ;如果檢測得到 ,利用 τ 4 部分的目標(biāo)回波可以將最小作用距離減小 c( τ 1 +τ 2 +τ 3 ) /2,這是很可觀的。2 線性調(diào)頻雷達(dá)近距離范圍內(nèi)目標(biāo)距離測量通常 ,雷達(dá)使用的單載頻信號脈沖都很窄 ,因此對應(yīng)的近距離范圍不是很大。因此這里主要討論線性調(diào)頻雷達(dá)的近距離探測問題。為了增大雷達(dá)的作用

8、距離 ,目前雷達(dá)大多采用脈沖壓縮體制。發(fā)射寬度很大的脈沖以提高雷達(dá)的平均發(fā)射功率。在接收時(shí)對回波脈沖進(jìn)行脈沖壓縮 ,使其成為窄脈沖 ,從而解決了作用距離與距離分辨力的矛盾。但是 ,發(fā)射寬度很大的脈沖就增大了接收機(jī)關(guān)閉時(shí)間 ,從而使近距離的目標(biāo)回波不能被接收機(jī)完整地接收到。下面具體討論如何利用近距離不完全回波獲得目標(biāo)的距離。· 8 ·第 32卷第 8期2006年 8月電 子 工 程 師ELECTRON I C ENGI

9、 NEER Vol . 32 No . 8Aug . 2006線性調(diào)頻信號的頻率變化規(guī)律為 :f = f0 ±Bτt | t | ≤ τ2 (2)式中 : B 為信號帶寬 ; f0 為信號的中心頻率。如果雷達(dá)回波是不完整的 ,那么對于近距離目標(biāo)回波必然有一些頻率成分會(huì)在接收時(shí)丟失。假設(shè)信號是上升式調(diào)頻 ,即式 (2)右端取 +號。由第 1節(jié)的分析可知 ,丟失的頻率成分必然是頻率較低的部分。這時(shí)如

10、果通過鑒頻器將回波信號的最低頻率測出 ,則可以得到原信號與回波信號之間的頻差。利用這個(gè)頻差就可以獲得目標(biāo)的距離數(shù)據(jù)。圖 2 線性調(diào)頻信號的頻率時(shí)間關(guān)系線性調(diào)頻信號的頻率時(shí)間關(guān)系如圖 2所示。完整的信號頻率范圍為 f L ～fH ,帶寬 B = f H - f L ,因?yàn)槟繕?biāo)的距離小于 c( τ+ Δt) /2 ,因此目標(biāo)回波將不完整。由圖 2可知 ,目標(biāo)回波的最低頻率為 f L ′ ( f L ′> f L ) 。下面推導(dǎo)回波的

11、脈沖寬度 τ ′ 。由頻率的線性變化性質(zhì)我們知道 :fH - f L ′τ ′ = Bτ (3)而f H - f L ′ = ( fH - f L ) - ( f L ′ - f L ) = B - Δf (4)式中 :Δf為差頻 , Δf = f L ′ - f L > 0 。 (因?yàn)榛夭ㄖ蓄l率為 f L 與 f L ′ 之間的部分被堵塞在接收機(jī)之外 )。將式 (4)代入式 (3) ,整理得到 :τ ′ =τ - τ ΔfB (

12、5)這說明雖然發(fā)射的是完整的脈沖 τ ,但由于目標(biāo)距離小于 c( τ+Δt) /2 ,使 τ- τ ′ =τ Δf /B 部分脈沖堵塞在接收機(jī)之外。這樣目標(biāo)的真實(shí)距離為 :R = c2 ( τ ′ +Δt) = c τ2 1 - ΔfB +Δtτ(6)這里 c、 τ 、 Δt 、 B 均已知 ,只需知道 Δf即可測得 R。3 差頻的獲得利用鑒頻器可以獲得差頻 Δf。不過因?yàn)槟繕?biāo)回波并不是完整的波形 ,因此回波的能量會(huì)變小 ,但通常因?yàn)?/p>

13、距離很近 ,根據(jù)雷達(dá)方程可知近距離目標(biāo)的回波很強(qiáng) ,因此即使回波部分損失掉了 ,但剩下的信號能量仍能保證接收。這樣只要合理選擇鑒頻器 ,使其鑒頻靈敏度足夠高 ,鑒頻跨導(dǎo)足夠大 ,鑒頻帶寬滿足要求 ,目標(biāo)回波與發(fā)射信號的頻差是可以獲得的。獲得差頻的原理如圖 3所示。接收機(jī)鑒頻電路根據(jù)其輸入中頻頻率偏離額定中頻頻率的大小 ,輸出一串脈沖信號 ,經(jīng)放大和峰值采樣后 ,產(chǎn)生與此成正比的直流誤差電壓 ,將其送到后續(xù)的信號處理 ,利用鑒頻器的 S特

14、性即可獲得發(fā)射信號與接收信號最低頻率的差Δf。利用式 (6)即可獲得目標(biāo)的距離。圖 3 差頻提取原理框圖4 討論和結(jié)論如上所述 ,只要知道信號來回的頻差 ,即可計(jì)算得到 目 標(biāo) 的 距 離?？?檢 測 的 目 標(biāo) 距 離 縮 短 了c τ Δf / (2B ) 。假設(shè)發(fā)射脈沖的寬度為 80μs,來回的頻差為 B /2,則最小作用距離可以縮短 6 km。由于目標(biāo)的運(yùn)動(dòng) ,必然會(huì)產(chǎn)生多普勒頻移 fd ,因此 ,式 (6)中的Δf其實(shí)還含

15、有 fd 成分。不過因?yàn)榭焖倌繕?biāo)通常不會(huì)在近距離范圍內(nèi)出現(xiàn) ,近距離范圍內(nèi)目標(biāo)的多普勒頻移相對于帶寬 B 來說在量級上差很多 ,于是多普勒頻移對根據(jù)式 (6)算得的目標(biāo)距離不會(huì)造成太大的影響。以上分析表明 :對于線性調(diào)頻脈沖信號 ,只要能夠測得近距離回波的最低頻率與發(fā)射脈沖最低頻率的差頻 ,就可通過式 (6)獲得目標(biāo)的距離。因此 ,在小于c( τ +Δt) /2距離范圍內(nèi)的目標(biāo)仍可測 ,但因回波信號較之完整波形有所損失 ,故信噪比有所下

16、降。地面雷達(dá)在探測近距離目標(biāo)時(shí)會(huì)收到極強(qiáng)的地雜波 ,并與雷達(dá)回波連成一片 ,此時(shí)如果信號有所損失 ,對目標(biāo)探測極為不利。為此 ,雷達(dá)應(yīng)采用低副瓣天線以減少地物回波強(qiáng)度 ,并采用動(dòng)目標(biāo)顯示技術(shù)以抑制地雜波。這樣即使近距離目標(biāo)回波損失了 ,因?yàn)殡s波的減少 ,仍可按式 (6)測得目標(biāo)的距離。參 考 文 獻(xiàn)[ 1 ] 丁鷺飛 ,耿富錄. 雷達(dá)原理 [M ]. 西安 :西安電子科技大學(xué)出版社 , 2002.[ 2 ] 蔡希堯. 雷達(dá)系