摘 要 :介绍了一种新的探测雷达最小作用距离的方法 ,打破了传统的最小跟踪距离受发射脉宽 局限的限制 ,重点介绍对发射线性调频信号的雷达的近距离探测方法 ,并给出了仿真计算结果 。
关键词 :最小跟踪距离 ;线性调频 ;雷达测距 中图分类号 : TN957. 51
1 问题的分析
现代雷达不仅关心最远作用距离 ,其最小跟踪距 离也越来越受到关注 。例如进行气球校飞试验时 ,经 常受天气 (能见度 )等因素的影响 ,而不能及时捕获目 标 ,给试验任务带来很多麻烦 。通常 ,收发共用的雷达 其最小探测距离受到脉冲宽度以及收 /发开关转换时 间的限制 ,因此认为其最小作用距离为 :
2 线性调频雷达近距离范围内目标距离测量
通常 ,雷达使用的单载频信号脉冲都很窄 ,因此对 应的近距离范围不是很大 。因此这里主要讨论线性调 频雷达的近距离探测问题 。为了增大雷达的作用距 离 ,目前雷达大多采用脉冲压缩体制 。发射宽度很大 的脉冲以提高雷达的平均发射功率 。在接收时对回波 脉冲进行脉冲压缩 ,使其成为窄脉冲 ,从而解决了作用 距离与距离分辨力的矛盾 。但是 ,发射宽度很大的脉 冲就增大了接收机关闭时间 ,从而使近距离的目标回 波不能被接收机完整地接收到 。下面具体讨论如何利 用近距离不完全回波获得目标的距离 。
推
。这
说
明
τ 2
部
分
再
提
前
τ 1
时
间
回
到雷达 B 处 ,雷达接收机同样可以接收到这部分回
波
。τ3
提前
τ 1
+τ2 时间回到
B 对于它的接收也没有
问题
。而对于
τ 4
来说
,可以提前更多时间回到接收机
而不影响接收机对其接收 。这等于说 ,如果目标再近
一些 ,接收机是可以接收到目标的部分回波的 。
当然 ,这也说明了只要把脉冲总宽度变窄 ,减小最
Rm in
=
c 2
(τ +Δt)
(1)
式中 : c为电磁波的速度 ;τ为发射脉冲宽度 ;Δt为收 /
发开关的转换时间 。
这里所说的最小距离的产生是因为收发共用雷达
在发射电磁波时 ,接收机是关闭的 ,因而此时在 Rm in范 围内的目标回波不能进入接收机 。
然而 ,本文认为 ,雷达的最小作用距离比通常认为 的 Rmin值要小 。如果接收机的灵敏度非常高 ,抑制噪 声的能力足够强 ,能够提供足够高的信噪比 ,则雷达最 小作用距离将更大程度上受到收 /发开关恢复时间的 限制 ,而并不完全受发射脉冲宽度的局限 。
假设目标 A 与雷达所在位置 B 之间的距离为 c (τ +Δt) /2 ,如图 1所示 。
图 1 最小跟踪距离与发射脉宽时序关系图
我们不妨把发射脉冲宽度 τ分解成 4 份 ,分别用
τ 1
、τ2
、τ3
、τ4
表示
。τ
+Δ
t为接收机在发射机发射脉冲
期间的总堵塞时间
。现
在考虑当
τ 1
发
射
出
去经
目标
A 反射后回到雷达位置 B 时 ,接收机刚刚接通 ,因而此
以上分析表明 :对于线性调频脉冲信号 ,只要能够 测得近距离回波的最低频率与发射脉冲最低频率的差 频 ,就可通过式 ( 6 ) 获得目标的距离 。因此 ,在小于 c (τ +Δt) /2距离范围内的目标仍可测 ,但因回波信号 较之完整波形有所损失 ,故信噪比有所下降 。
地面雷达在探测近距离目标时会收到极强的地杂 波 ,并与雷达回波连成一片 ,此时如果信号有所损失 , 对目标探测极为不利 。为此 ,雷达应采用低副瓣天线 以减少地物回波强度 ,并采用动目标显示技术以抑制 地杂波 。这样即使近距离目标回波损失了 ,因为杂波 的减少 ,仍可按式 (6)测得目标的距离 。
是上升式调频 ,即式 ( 2)右端取 +号 。由第 1 节的分
析可知 ,丢失的频率成分必然是频率较低的部分 。这
时如果通过鉴频器将回波信号的最低频率测出 ,则可
以得到原信号与回波信号之间的频差 。利用这个频差
就可以获得目标的距离数据 。
因为距离很近 ,根据雷达方程可知近距离目标的回波 很强 ,因此即使回波部分损失掉了 ,但剩下的信号能量 仍能保证接收 。这样只要合理选择鉴频器 ,使其鉴频 灵敏度足够高 ,鉴频跨导足够大 ,鉴频带宽满足要求 , 目标回波与发射信号的频差是可以获得的 。
小作用距离是可以做到的 。然而 ,在设计雷达时 ,通常
为了提高雷达的作用距离 ,不得已要把雷达的发射脉
冲宽度加大 ,以保证其最大作用距离 ,但这又似乎与雷
达的最小作用距离发生了矛盾 。通过以上分析 ,对于
c (τ +Δt) /2范围内的目标 ,其反射回波虽然不能完整
地进入接收机 ,但总会有一部分回波进入接收机 。如
果合理利用接收机接收到的这部分不完整回波 ,检测
到 c (τ +Δt) /2范围内的目标是可以做到的 。
根据以上分析
,如果利用
τ 2
以后部分的回波检测
目标 ,就可以使雷达的最小作用距离减少 cτ1 /2 ;如果
检测得到
,利用
τ 4
部分的目标回波可以将最小作用距
离减小 c (τ1 +τ2 +τ3 ) /2,这是很可观的 。
将式 (4)代入式 (3) ,整理得到 :
τ′=τ - τΔf
(5)
B
这说明虽然发射的是完整的脉冲 τ,但由于目标
距离小于 c (τ +Δt) /2 ,使 τ - τ′=τΔf /B 部分脉冲堵
塞在接收机之外 。这样目标的真实距离为 :
R
=
c 2
(τ′+Δ t)
=
cτ 2
1
-
Δf
B
+Δτt
(6)
由频率的线性变化性质我们知道 :
fH
- fL
τ′
′
=
B
τ
(3)
而
fH - fL ′= ( fH - fL ) - ( fL ′- fL ) = B - Δf ( 4) 式中 :Δf为差频 , Δf = fL ′- fL > 0 。 (因为回波中频
率为 fL 与 fL ′之间的部分被堵塞在接收机之外 ) 。
时接收机刚好能够收到目标的整个反射回波 。而对于
τ 2
,在其到达
B时Leabharlann ,接收机已经接通,并且已经延时
τ 1
收稿日期 : 2006201214; 修回日期 : 2006207216。
·8·
时间
,也就是在接收机接通
了
τ 1
时间后
,τ2
才到达
接
收机
。同样
,τ3
是在接收机接通了
τ 1
+τ2 时间后到达
接收机
,依次类
参 考 文 献
[ 1 ] 丁鹭飞 ,耿富录. 雷达原理 [M ]. 西安 :西安电子科技大学 出版社 , 2002.
[ 2 ] 蔡希尧. 雷达系统概论 [M ]. 北京 :科学出版社 , 1983.
·9·
这里 c、τ、Δt、B 均已知 ,只需知道 Δf即可测得 R。
3 差频的获得
利用鉴频器可以获得差频 Δf。不过因为目标回 波并不是完整的波形 ,因此回波的能量会变小 ,但通常
图 3 差频提取原理框图
4 讨论和结论
如上所述 ,只要知道信号来回的频差 ,即可计算得 到目 标 的 距 离。可 检 测 的 目 标 距 离 缩 短 了 cτΔf / ( 2B ) 。假设发射脉冲的宽度为 80μs,来回的频 差为 B /2,则最小作用距离可以缩短 6 km。由于目标 的运动 ,必然会产生多普勒频移 fd ,因此 ,式 ( 6 )中的 Δf其实还含有 fd 成分 。不过因为快速目标通常不会 在近距离范围内出现 ,近距离范围内目标的多普勒频 移相对于带宽 B 来说在量级上差很多 ,于是多普勒频 移对根据式 ( 6 ) 算得的目标距离不会造成太大的影 响。
图 2 线性调频信号的频率时间关系
线性调频信号的频率时间关系如图 2所示 。完整
的信号频率范围为 fL ～fH ,带宽 B = fH - fL ,因为目标 的距离小于 c (τ+Δt) /2 ,因此目标回波将不完整 。由
图 2可知 ,目标回波的最低频率为 fL ′( fL ′> fL ) 。下 面推导回波的脉冲宽度 τ′。
第 32卷第 8期
陈 勇 ,等 :线性调频雷达最小作用距离范围内目标距离的测量
·测控技术 ·
线性调频信号的频率变化规律为 :
f
= f0
±τB t |
t
|
≤
τ 2
(2)
式中 : B 为信号带宽 ; f0 为信号的中心频率 。 如果雷达回波是不完整的 ,那么对于近距离目标
回波必然有一些频率成分会在接收时丢失 。假设信号
第 32卷第 8期 2006年 8月
EL
电子工 ECTRON IC
程师 EN G IN
EER
V oAl.
32 ug.
No. 8 2006
线性调频雷达最小作用距离范围内目标距离的测量
陈 勇 ,柯长海
(南京电子技术研究所 ,江苏省南京市 210013)
获得差频的原理如图 3所示 。接收机鉴频电路根 据其输入中频频率偏离额定中频频率的大小 ,输出一 串脉冲信号 ,经放大和峰值采样后 ,产生与此成正比的 直流误差电压 ,将其送到后续的信号处理 ,利用鉴频器 的 S 特性即可获得发射信号与接收信号最低频率的差 Δf。利用式 (6)即可获得目标的距离 。