官术网_书友最值得收藏!

1.3 雷達測量分辨率與測量精度

雷達不僅能夠直接測量目標的距離、速度、角度,還能夠利用距離和角度間接測量高度,測量常用的性能指標包括分辨率和精度等[1,4]。分辨率是指雷達所能分辨的兩個目標在某個域的最小間隔。例如,距離分辨率是指雷達能分辨的兩個目標的最小間隔,當目標間距小于這個值時,則目標無法被區分。精度是指測量的均方根誤差,該誤差通常與分辨率和信噪比有關。雷達的分辨率或精度的數值越小,則稱分辨率或精度越高,雷達測量越準確。以下將介紹雷達測距、雷達測速、雷達測角的基本原理。

1.3.1 雷達測距

由于電磁波以光速c定向傳播,通過測量雷達從發射電磁波到接收回波的延時τ,可以計算出目標到雷達的距離R,即

式中,c=2.998×108m/s為光速。在實際信號處理中,通常由匹配濾波器輸出的峰值位置來確定延時τ,進而計算目標到雷達的距離R。匹配濾波器的概念將在1.4節和1.5節詳細介紹。雷達的距離分辨率與信號帶寬成反比[4],即

式中,B為雷達信號帶寬。圖1-3給出了距離分辨率的示意,雷達波形為線性調頻脈沖,匹配濾波器輸出為兩個目標的響應之和。當兩個目標之間的距離等于距離分辨率ρR時,匹配濾波器輸出中兩個目標的響應疊加只形成一個峰值,無法區分兩個目標;當兩個目標之間的距離增大為1.5ρR時,匹配濾波器輸出有兩個峰值,可以區分出兩個目標。

雷達測距的精度,即距離測量的均方根誤差,可表示為[4]

式中,χ為雷達檢測時的信噪比,表達式見式(1-7)。可見,測距的精度與距離分辨率成正比,與信噪比的平方根成反比。距離分辨率越高(ρR值越小),信噪比越高,則測距精度越高(σR值越小)。需要注意的是,不同體制的雷達測距的分辨率、精度表達式中的比例系數有所不同,但精度、分辨率、信噪比之間的關系是類似的,這一規律對下文所述的雷達測速、雷達測角也是成立的。

圖1-3 距離分辨率示意

1.3.2 雷達測速

雷達測速依據的原理是電磁波的多普勒效應,如圖1-4所示。當目標相對雷達以速度vr做徑向運動時,接收回波會在發射波形的基礎上產生頻率偏移,偏移的頻率就是多普勒頻率fd,其表達式為

式中,f0為發射信號的載波頻率;λ=c/f0為發射信號的波長。多普勒頻率的符號滿足如下規律:當目標靠近雷達時,徑向運動速度,產生正的多普勒頻率,即fd>0;當目標遠離雷達時,徑向運動速度,產生負的多普勒頻率,即fd<0。多普勒頻率只依賴徑向運動速度,與切向運動速度無關。

圖1-4 多普勒效應

根據傅里葉變換的性質,雷達的頻率分辨率取決于信號的總時長。因此,雷達的速度分辨率與相參處理間隔TCPI成反比,即

綜合式(1-9)與式(1-12)可以看出,雷達距離分辨率和速度分辨率的乘積受限于總的時頻資源BTCPI,不能無限提高。與1.3.1節分析測距精度與距離分辨率的關系類似,雷達測速的精度為[4]

1.3.3 雷達測角

雷達測角,即測量目標的俯仰角φ和方位角θ,兩者在不同體制的雷達中通過不同的方式實現。這里介紹孔徑天線(如反射拋物面天線等)和天線陣列的測角原理。以方位角θ的測量為例,孔徑天線的角度分辨率與天線方向圖有關,其中方向圖Gθ)表示遠場電場強度在方位角θ上的分布,表達式為[1]

式中,sinc(x)=sin(πx)/(πx)為sinc函數;L為雷達天線的尺寸。孔徑天線的方向圖如圖1-5所示。sinc函數的0.707倍峰值對應的主瓣寬度稱為sinc函數的3dB寬度,其數值約為0.88。在θ≈0處,有sinθθGθ)可以近似為,因此,Gθ)的3dB寬度為,由此可以定義雷達的角度分辨率為[1,4,5]

與1.3.1節分析測距精度與距離分辨率的關系類似,雷達測角的精度為[4,5]

圖1-5 孔徑天線的方向圖

多個天線陣元按照一定的方式排布可以形成天線陣列。這里考慮由N個天線陣元等距排布組成的線性陣列,如圖1-6所示。設相鄰天線陣元的間距為D,角度為θ處的目標散射的電磁波被N個天線陣元接收。當目標位于遠場時,其散射的電磁波到達天線陣列時可以近似為平面波。由于天線陣元位置不同,相鄰天線陣元的接收回波具有相位差Δφ,表達式為

N個天線陣元接收回波的相位表示為如下向量。

由此可以計算該天線陣列在不同方向的響應(稱為天線陣列的方向圖),即

式中,L=ND定義為天線陣列的尺寸。天線陣列角度分辨率、測角精度的表達式分別與式(1-15)、式(1-16)相同。對俯仰角φ的測量分析與方位角θ的測量分析類似。

圖1-6 由N個天線陣元等距排布組成的線性陣列

以上介紹了雷達的基本功能,以及雷達測距、雷達測速、雷達測角的基本原理。在實際應用中,雷達信號處理的算法與雷達采用的波形緊密相關。以下將結合脈沖雷達和連續波雷達的波形,介紹典型的雷達信號處理算法,分析如何從雷達回波信號中獲取距離、多普勒頻率等參數。

主站蜘蛛池模板: 金秀| 利川市| 长乐市| 琼结县| 鄂托克前旗| 白山市| 襄汾县| 西安市| 如皋市| 武功县| 垫江县| 左权县| 磐石市| 曲阜市| 仙桃市| 墨竹工卡县| 泰安市| 肃宁县| 宜川县| 靖州| 额敏县| 宜春市| 河曲县| 延庆县| 玉山县| 广昌县| 贺兰县| 凤城市| 津南区| SHOW| 广饶县| 南陵县| 博兴县| 锡林郭勒盟| 阿勒泰市| 信阳市| 白水县| 长春市| 肥东县| 兴和县| 本溪市|