雷達系統(tǒng)導(dǎo)論2

1、雷達系統(tǒng)導(dǎo)論2二、目標距離的測量對單基地而言(發(fā)射機和接收機放在同一位置)，設(shè)電波在雷達與目標間往返一次所需時間為(即回波相對發(fā)射信號的延遲)，則目標至雷達的距離為：簡單未調(diào)制的連續(xù)波雷達沒有測距能力，這與其發(fā)射波形的頻譜(帶寬)較窄有關(guān)。若必須測量距離，則在連續(xù)波載頻上必須加上某些定時的標志，定時標志可以識別發(fā)射的時間和回波時間。標志越尖銳、鮮明，則傳輸時間的測量越準確。由傅里葉變換性質(zhì)知：定時標志越尖銳，則發(fā)射信號的頻譜越寬。因此為了測量傳輸時間或距離，則必須發(fā)射一定寬度的頻譜3p68。利用調(diào)幅、調(diào)頻或調(diào)相可展寬連續(xù)波發(fā)射信號的頻譜。根據(jù)雷達發(fā)射信號的不同，測定延遲時間通?？刹捎妹}沖法、頻

2、率法和相位法。根據(jù)雷達信號的形式，雷達主要分為：脈沖雷達、連續(xù)波雷達、脈沖壓縮雷達。此外還有脈沖多普勒雷達、噪聲雷達、頻率捷變雷達等。1脈沖法1p174181 (脈沖雷達)常規(guī)脈沖雷達是幅度調(diào)制的一個例子，其發(fā)射波形是矩形脈沖，按一定的或交錯的重復(fù)周期工作。脈沖雷達的天線是收發(fā)共用的，這需要一個收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)(簡稱為收發(fā)開關(guān)TR)和接收機保護器。在發(fā)射時，收發(fā)開關(guān)使天線與發(fā)射機接通，并與接收機斷開，以免高功率的發(fā)射信號進入接收機把高放或混頻器燒毀。接收時，天線與接收機接通，并與發(fā)射機斷開，以免因發(fā)射機旁路而使微弱的接收信號受損失1p5858。圖8 簡單矩形脈沖波形距離分辨力是指同一方向上兩個大小

3、相等點目標之間最小可區(qū)分距離，它主要取決于雷達信號波形。對于給定的雷達系統(tǒng)，可達到的距離分辨力為2p480：式中為光速，為發(fā)射波形帶寬當(dāng)采用簡單未編碼的矩形脈沖(如圖8)時，其中為發(fā)射脈沖寬度，因此對于簡單的脈沖雷達而言，即脈沖越窄，距離分辨力越好。測距范圍包括最小可測距離和最大單值測距范圍。最小可測距離是指雷達能測量的最近目標的距離。脈沖雷達收發(fā)共用天線，在發(fā)射脈沖寬度時間內(nèi)，接收機和天線饋線系統(tǒng)間是斷開的，不能正常接收目標回波。發(fā)射脈沖過去后天線收發(fā)開關(guān)恢復(fù)到接收狀態(tài)，也需要一段時間。在上述這段時間內(nèi)，由于不能正常接收回波信號，雷達是很難進行測距的。因此，雷達的最小可測距離為：雷達的最大單

4、值測距范圍由其脈沖重復(fù)周期決定，即當(dāng)確定了雷達的最大作用距離后，為保證單值測距，通常選取雷達重復(fù)周期。如果雷達重復(fù)頻率選得過高(如在脈沖多普勒雷達中為了保證無測速模糊)，測距有可能出現(xiàn)多值性。當(dāng)回波延遲超過脈沖重復(fù)周期時，會把遠目標誤認為近目標，即目標回波對應(yīng)的距離為：式中為非負整數(shù)，為接收的回波信號與發(fā)射脈沖間的延遲(實測得到)為了得到目標的真實距離，必須判定測距模糊值。為了判別模糊，必須對周期發(fā)射的脈沖信號加上某些可識別的標志，通常采用的解模糊方法有：A多種重復(fù)頻率法1p179先討論用雙脈沖重復(fù)頻率測距判模糊的原理：設(shè)重復(fù)頻率分別為和()，它們都不能滿足不模糊測距的要求。和具有公約頻率為，

5、為正整數(shù)。常選使和為互質(zhì)數(shù)，且的選擇應(yīng)保證不模糊測距，即 。這樣 ，則目標回波延遲為：式中由于的選擇已保證不模糊測距且，則在范圍內(nèi)，的關(guān)系只可能有兩種且分別對應(yīng)的為：、由于，則時必有且，這時若取這與的選擇已保證不模糊測距相矛盾。因此計算目標延遲時應(yīng)先采用前式，當(dāng)前式算出的為負值時再利用后式。如果采用多個高脈沖重復(fù)頻率測距，就能給出更大的不模糊距離，同時也能兼顧跳開發(fā)射脈沖遮蝕(Eclipse指采用單一脈沖重復(fù)頻率工作時，目標因回波時間延遲正好是脈沖重復(fù)周期的整數(shù)倍而無法測距)的靈活性11。具體的辦法是利用中國余數(shù)定理12或其他算法13可根據(jù)幾個模糊的測量值算出目標的真實距離。孫子定理(中國余數(shù)

6、定理)14p106107：設(shè)，是兩兩互素的正整數(shù)，令，則同余式組有且僅有解其中注：上述定理中可據(jù)事先求出，詳細參見文1例子。應(yīng)用到上述問題時，相當(dāng)于所選個脈沖重復(fù)周期的比值，不妨設(shè)為顯然，即為的公約數(shù)。一般而言，在滿足距離分辨力的情況下，脈沖雷達盡可能采用大的脈寬，以提高平均功率獲得最大作用距離。在多脈沖重復(fù)頻率情況下，所能獲得的最大脈寬為11：設(shè)分別為采用脈沖重復(fù)頻率測量時的距離門數(shù)，即模糊時間延遲與的比值整數(shù)。這樣設(shè)目標的真實時間延遲為，則：將上式兩邊同時除以，并令、即可得到前面的同余式組。這樣利用孫子定理解得后，目標的真實距離應(yīng)為：B舍脈沖法1p181 (能否等效成兩種脈沖重復(fù)頻率情形？

7、)所謂舍脈沖法就是每發(fā)射個發(fā)射脈沖中舍棄一個，作為發(fā)射脈沖串的附加標志。與發(fā)射脈沖相對應(yīng)，接收到的回波脈沖串同樣是每個回波脈沖中缺少一個。只要從舍棄的發(fā)射脈沖后逐個累計發(fā)射脈沖數(shù)，直到某一發(fā)射脈沖后沒有回波脈沖時停止計數(shù)，則累計的數(shù)值就是回波跨越的重復(fù)周期數(shù)。采用舍脈沖法判模糊時，每組脈沖數(shù)應(yīng)滿足以下關(guān)系：式中是雷達需測量的最遠目標所對應(yīng)的跨周期數(shù)，即應(yīng)保證全部距離上不模糊測距。C調(diào)頻脈沖串1p185186此方法實質(zhì)上是調(diào)頻法測距，脈沖調(diào)頻時的發(fā)射信號頻率通常分為三段A、B、C，分別采用正頻率調(diào)頻、負頻率調(diào)頻(正負斜率大小相等)和發(fā)射恒定頻率(如圖9)。由于調(diào)頻周期遠大于雷達脈沖重復(fù)周期，故在

8、每一個調(diào)頻段中均包含多個脈沖?；夭ㄐ盘栂鄬τ诎l(fā)射信號有一個固定延遲，即將發(fā)射信號的調(diào)頻曲線向右平移即可，若回波信號還存在多普勒頻移，則前面的回波頻率還應(yīng)向上(對應(yīng)正多普勒頻率)或向下平移。接收機混頻器中加上連續(xù)振蕩的發(fā)射信號和回波脈沖串，則可得到收發(fā)信號的差頻信號。設(shè)發(fā)射信號的調(diào)頻斜率為，則A、B、C三段收發(fā)信號間的差頻分為：圖9 分段線性調(diào)頻由上式解得利用脈沖調(diào)頻法時，可以選取較大的調(diào)頻周期以保證測距的單值性。更一般地，可以通過脈沖到脈沖改變幅度、寬度、頻率、相位或極化形式等辦法來識別距離折疊回波。實際上這些方法都不太有效，主要原因是鄰近目標的重疊問題，如鄰近的地物雜波很強，可能掩蓋很弱的距

9、離折疊回波。此外解距離模糊也要求有更多的數(shù)據(jù)處理時間3p46。2調(diào)頻法1p181184 (調(diào)頻連續(xù)波雷達FMCW: Frequency Modulation Continuous Wave)調(diào)頻法測距可用在連續(xù)波雷達中，也可用于脈沖雷達。在高脈沖重復(fù)頻率的脈沖雷達中，發(fā)射機脈沖頻率有規(guī)律的調(diào)制就提供了解模糊距離的可能性。前面提到的調(diào)頻脈沖串用于測距判模糊原理本質(zhì)上與連續(xù)波調(diào)頻測距是雷同的，下面重點分析連續(xù)波工作條件下調(diào)頻法測距的原理。連續(xù)波工作時，為了得到發(fā)射和接收間高的隔離度，通常采用分開的發(fā)射天線和接收天線(空間隔離即雙基地)3p61、或者直接對消泄漏信號3p61、或者采用時分技術(shù)、或者利

10、用正弦波調(diào)制提取高階貝塞爾分量3p74。對載頻進行頻率調(diào)制是用得很廣的展寬連續(xù)波雷達頻譜的一種技術(shù)，定時標志就是變化著的頻率。傳輸時間正比于回波信號和發(fā)射信號的頻率差。在給定的時間范圍內(nèi)發(fā)射的頻率偏移越大，測量傳輸時間的精度就越高，發(fā)射頻譜也越寬。調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)雷達的發(fā)射頻率按已知的時間函數(shù)變化，它利用在時間上改變發(fā)射信號的頻率并測量接收信號頻率的方法來測定目標距離。在任何給定瞬間，發(fā)射頻率與接收頻率的相關(guān)不僅是測量目標距離的尺度，而且還是測量目標徑向速度的尺度。由于任何實際的連續(xù)波雷達頻率不可能向一個方向連續(xù)變化，所以必須采用周期性的調(diào)制。調(diào)制波形通常有三角形、鋸齒形、正弦形或其他一

11、些形狀。A三角波調(diào)制3p6970、2p419421三角波調(diào)制是指發(fā)射頻率按周期性三角波的規(guī)律變化(如圖10)，設(shè)最大頻偏為，周期為，則調(diào)頻斜率大小為，距離處目標回波延遲。圖10 三角波調(diào)頻當(dāng)目標固定不動時，回波信號與發(fā)射信號的差頻除了在調(diào)制頻率換方向變化的區(qū)域外，其余時間段均是常數(shù)：式中為目標距離引起的差頻，因此測量差頻即可決定目標距離(實際中差頻常用計數(shù)頻率計來計量)。當(dāng)目標運動時，差頻上將附加目標的多普勒頻移。多普勒頻移使回波信號的頻率時間曲線升高或降低，這樣在調(diào)頻周期的一部分差頻上增加了一個多普勒頻移，而在另一部分則減小一個多普勒頻偏，具體分析為：(1) 時頻率可用測量平均差頻的辦法得出

12、，即，而目標多普勒頻率則可由上述兩個頻率差值的一半獲得。(2) 時(3) 時可見時，平均頻率及差值頻率測量所決定的頻率正和前面的結(jié)果相反。平均計數(shù)表上測出的是多普勒速度，差值頻率計數(shù)表上指示的是距離。如果不知道由于改變與之間的不等式符號而引起的差值計數(shù)表及平均計數(shù)表的作用顛倒，就可能對測量結(jié)果作出錯誤的理解。某些調(diào)頻連續(xù)波雷達系統(tǒng)還采用了與前面調(diào)頻脈沖串所用的與線性調(diào)頻方法相類似的調(diào)頻方法(如圖9)2p420。這種調(diào)制方式在曲線未調(diào)制部分可對速度進行單獨的測量，而其余部分與三角波調(diào)頻完全相同。由于已從曲線的未調(diào)制部分確定了，所以只需要一個頻率差或來確定距離，另一個可用作檢查的計算值。B正弦調(diào)制

13、3p7476、2p421424目標運動會產(chǎn)生多普勒頻移，當(dāng)調(diào)頻波形是非線性的或盡管調(diào)頻波形是線性的但混頻器沒有工作在線性區(qū)，則區(qū)分目標和測量每個目標距離的問題就變得復(fù)雜3p70。當(dāng)調(diào)頻連續(xù)波雷達只用于對付單個目標(如用于無線電高度計中時)，就沒有必要采用線性調(diào)制波形，因為用實際設(shè)備實現(xiàn)正弦或近似正弦的調(diào)頻比實現(xiàn)線性調(diào)頻更容易。用正弦波對連續(xù)波的載波進行調(diào)頻，即發(fā)射信號為：式中為載頻，為調(diào)制頻率，為頻率偏移(頻率調(diào)制的范圍)，其時變頻率為：回波信號與發(fā)射信號進行差頻所得的信號具體形式與目標運動與否有關(guān)：(1) 固定目標2p422來自固定目標的回波信號為：，它與發(fā)射信號在接收機中混頻和濾波后，低邊

14、帶濾波器的輸出為：上述差頻信號的時變頻率為：當(dāng)時，則上邊的差頻信號頻率在半個調(diào)制周期內(nèi)的平均值為：即這與三角波調(diào)頻對固定目標獲得的結(jié)果相同。(2) 運動目標3p7475將多普勒頻移為的運動目標回波的差頻信號展開成三角級數(shù)，級數(shù)中各項就是調(diào)制頻率的諧波1516：式中、等分別為0階、1階、2階等階次的第一類貝塞爾函數(shù)，為在時間時目標的距離，為光速，為目標多普勒頻移，為目標對雷達的相對速度，為距離滯后角，上式表明差頻信號由幅度為的多普勒頻率分量及一系列頻率為、等的余弦波組成。幅度比例于的多普勒頻率分量調(diào)制了每一個的諧波。多普勒頻率因子與第次諧波因子的乘積等效于抑制載頻的雙邊帶調(diào)制。原則上講，調(diào)頻連續(xù)

15、波雷達中任何差頻信號的成分都可以提取出來。首先考慮第一項，它是幅度比例于、頻率為目標多普勒頻率的余弦波。由于貝塞爾函數(shù)的宗量正比于距離，故在提取零多普勒頻率成分的雷達中，幅度對于零距離的信號將有最大響應(yīng)。這一距離正是發(fā)射泄露信號及其噪聲成分存在的距離。在目標可能在較遠距離上出現(xiàn)時，貝塞爾函數(shù)的作用是使回波信號的幅度比零距離時的回波減小(除了正常的隨距離而衰減的因素外)。因此若利用項，它將使泄露信號增強并使目標信號降低，這正好與期望情況相反。如果取出一個調(diào)制函數(shù)的諧波(如一次、二次或三次諧波)，零距離泄漏信號的幅度在理論上等于零，這是由貝塞爾函數(shù)的性質(zhì)所決定的：雖然高階貝塞爾函數(shù)可減小零距離響應(yīng)

16、，但若目標正好在貝塞爾函數(shù)的零點或其附近的距離，也將同時降低了所需目標距離處的響應(yīng)。所以，當(dāng)只有單個目標時，可調(diào)整頻率偏移以使的值變化到正好使貝塞爾函數(shù)值在目標距離處最大。從接收信號中提取次諧波的調(diào)頻連續(xù)波雷達方框圖如圖112p424。當(dāng)目標是固定的(對應(yīng)零多普勒頻率)，調(diào)制頻率諧波的幅度正比于或，其中。因此，該幅度由用射頻波長表示的目標距離來決定。由于目標距離改變一個射頻波長時，其正弦和余弦項將取和間的任何值(包括零)，因此當(dāng)目標固定時，如用作高度計時，提取高階調(diào)制頻率是不實際的。由于包含在差頻信號中的總能量是分布在所有諧波上，僅取出其中一個成分，其它諧波的信號能量均浪費掉，這樣與理想的連續(xù)

17、波雷達相比其信號能量就有損失。然而，由于發(fā)射機泄露噪聲受階貝塞爾函數(shù)的抑制，設(shè)計在次諧波的調(diào)頻雷達的信噪比一般要優(yōu)于實際的連續(xù)波雷達，此技術(shù)已在多普勒導(dǎo)航雷達中得到應(yīng)用。在連續(xù)波調(diào)頻高度計中，為了利用貝塞爾函數(shù)的特性實現(xiàn)隔離，當(dāng)多普勒頻移本來是零時，可以將基準頻率變換到另外的一個值上而人為地引入多普勒頻移。圖11 提取次諧波的正弦調(diào)制連續(xù)波雷達方框圖發(fā)射機混頻器次諧波濾波器低通濾波器頻率調(diào)制倍頻器混頻器C鋸齒波調(diào)制 (LFICW：Linear Frequency Modulation Interrupted Continuous Wave)調(diào)頻連續(xù)波雷達發(fā)射機和接收機之間的隔離是很重要的問題，

18、解決這個問題的方法很多，其中“時間分割”的工作方式就是一個比較有效的方法18。采用這種工作方式，雷達的發(fā)射機和接收機交替地工作，這有效地解決了收發(fā)隔離的問題，并且收發(fā)可共用一個天線，這一點很象脈沖雷達，但兩者脈沖的占空比相差懸殊。脈沖雷達占空比一般為千分之一，而采用這種工作方式的連續(xù)波雷達的占空比一般為二分之一。正因為如此，在同樣的峰值功率條件下，它的平均功率要比脈沖雷達的平均功率大得多，而只比在同樣條件下連續(xù)波雷達的平均功率低。這種“時間分割”工作方式表現(xiàn)在信號形式上就等效于對線性調(diào)頻信號的幅度進行一次脈沖調(diào)制。通常采用的開關(guān)信號形式有兩種：偽隨機碼序列、矩形脈沖序列。岸基高頻地波超視距雷達

19、(HFOTHR: High Frequency Over-the-Horizon Radar, HFSWR: High Frequency Surface Wave Radar, HFGWR: High Frequency Ground Wave Radar)發(fā)射信號通常采用周期性線性調(diào)頻截斷連續(xù)波FMICW，其中幅度截斷是為解決收發(fā)同址而附加的幅度調(diào)制，為限制發(fā)射帶寬的泄露，對波形進行整形(一般采用余弦、海明、半余弦加權(quán))，其不影響對信號處理的討論，故簡化的信號模型為(如圖12)17p8：圖12 鋸齒波調(diào)頻式中為調(diào)頻周期，為調(diào)頻斜率，表示重復(fù)周期，的取值范圍是，為載頻。初始距離為(對應(yīng)時刻)

20、，徑向速度為的理想目標的回波延時為，其中為光速。不考慮傳播衰減，則回波信號為：將發(fā)射信號與接收信號直接差頻到零中頻(實際系統(tǒng)中并非如此，但并不影響下面分析)，則差頻相位為：式中為常數(shù)，目標多普勒頻率，是目標距離所對應(yīng)的頻率，對應(yīng)頻率，則零中頻信號形式可簡寫成：信號處理的首要任務(wù)是要從上述回波中將目標的距離和速度信息提取出來，然后再進行其它處理。由于接收機中進行正交雙通道處理，所以可以得到上式的復(fù)信號形式為：其中在一個掃頻周期中是個常量，它代表目標運動而產(chǎn)生的第個掃頻周期的回波初相，對應(yīng)當(dāng)前目標位置所產(chǎn)生的頻率。這樣先對一個掃頻周期內(nèi)的采樣點序列進行第一維FFT處理，測得可近似得到目標的近似距離

21、(一般且的影響可在對速度精確測量后補償?shù)?。實際系統(tǒng)是在一個調(diào)頻周期內(nèi)采樣256點，這樣進行FFT處理后獲得的256頻譜點對應(yīng)于一個距離單元的時域信號采樣)，然后再對同一距離單元信號的若干掃頻周期采樣序列(一般相干積累周期為256或512等)進行第二維FFT處理可得到目標的徑向多普勒頻率，從而提取目標的徑向速度。實際處理時為了抑制旁瓣，進行FFT時通常進行加權(quán)(如漢寧窗)，這樣引起主瓣展寬，一個目標通常占據(jù)兩個或三個距離、速度單元，可以通過插值來提高目標的距離、速度的估值精度。為解決收發(fā)共址問題所提出的“時分”方案一般有M序列、均勻脈沖序列兩種方式截斷，對應(yīng)的后續(xù)信號處理方法也又所不同，其中后者

22、還可采用脈沖法測距。另外為解決實際系統(tǒng)的全天候工作問題，目前已有博士生在進行將整個大帶寬分布在若干不相鄰的小帶寬內(nèi)的信號形式研究。調(diào)頻連續(xù)波雷達系統(tǒng)獲得的距離分辨力將取決于測量頻率差的分辨力，而取決于調(diào)頻帶寬以及調(diào)頻波形能保持的精度。例如，對于線性調(diào)頻，(以及)將取決于帶寬和調(diào)制的線性。調(diào)制的非線性由給出，此處是離開線性調(diào)制的偏差。調(diào)制的非線性比時間帶寬積的倒數(shù)小得多，也就是波形的不能嚴重地影響可獲得的最大距離分辨力。理想線性調(diào)制時，由于、，則，而、(可結(jié)合HFSWR的LFMCW信號形式加以說明)，則時距離分辨力：式中確定最大的無模糊距離。這樣對于給定的和，對線性度的限制由非線性度確定。文25

23、分析了掃頻非線性對線性調(diào)頻連續(xù)波雷達測距精度和距離分辨力的影響。3相位法A多頻連續(xù)波雷達3p7982、2p424426 (單目標雷達)前面講過簡單的連續(xù)波雷達不能測距，但在一些情況下測量回波信號與發(fā)射信號間的相對相位進行測距也是可能的。采用相位測量確定目標距離的方法主要用于導(dǎo)航和地形測量等方面3p79。圖15為相位法測距的方框圖。設(shè)雷達位于A點，目標位于B點，兩者距離R，若發(fā)射機發(fā)射信號為：式中是發(fā)射信號的初始相位則目標回波信號為：發(fā)射信號與目標回波的相位差：由上式可見，直達波與目標回波的相位差與目標的距離有關(guān)，可將相位差作為距離的量度：但只有在不超過時相位差的測量才是不模糊的。代入到上式可得

24、最大的不模糊距離為。對雷達頻率而言，此不模糊距離太小，沒有實際意義。實際中目標回波信號中還存在一個由于目標反射引起的相位變化量，此量是未知的，故簡單連續(xù)波雷達不能直接用來測距。采用發(fā)射多頻信號可增大最大無模糊距離。下面分析兩個頻率相差很小的連續(xù)波信號情形，此時不模糊距離相應(yīng)于差頻的半波長3p7981。假設(shè)發(fā)射波形包含兩個頻率為、兩頻率差的連續(xù)正弦波，即兩分量為：式中分為各發(fā)射信號的初始相位(常量)。初始距離為、徑向速度為的目標回波信號分為(考慮多普勒效應(yīng))：式中分別為目標相對于頻率的多普勒頻移發(fā)射機A接收機相位計目標B圖15 相位測距雷達方框圖由于兩個射頻近似相同即，則。接收機將兩個回波信號分

25、選出來，并分別與各自對應(yīng)的發(fā)射波形進行差拍，取出兩個多普勒頻率成分為：兩者相位差為：，即上述兩個頻率既可同時發(fā)射，也可以利用快速轉(zhuǎn)接單個射頻源的方法進行順序發(fā)射。兩個發(fā)射頻率差大時可改善距離測量精度，這是由于大的意味著對給定的距離，的變化也按比例放大，但的值存在一個限制。如距離要保持不模糊，就不能大于，即最大不模糊距離為：因此必須小于。上面分析中未考慮目標反射引起的相位改變量的影響，詳細分析見1p187188雙頻雷達測距原理的定性解釋：在零距離上兩個載頻同相位，當(dāng)它們由雷達向外發(fā)射時，由于各自頻率不同，故兩信號間相對相位差增加。此相位差可用作所經(jīng)過的時間的量度。當(dāng)兩信號在相位上相差又同相時，則

26、相位的測量及距離的測量都將存在模糊。由于在同時只能測量一個相位差，故連續(xù)波雙頻雷達基本上是單目標雷達。當(dāng)多目標出現(xiàn)時，回波信號就很復(fù)雜，而且此時的相位測量的意義也是含糊的。雙頻連續(xù)波雷達理論測距精度由距離的均方根值誤差表示為：上式表明兩射頻信號頻率差越大則均方根值誤差越小，但由于不模糊測量要求頻差不能太大，故的選擇必須在測距精度、最大不模糊距離間取折衷。利用發(fā)射三個或更多的頻率代替兩個頻率可同時獲得高精度和大的不模糊距離測量。例設(shè)三個頻率的關(guān)系為：式中一般為10或20量級的因子。這樣，一對頻率給出模糊但精確的距離計量，同時另一對頻率選的很接近以解決在測量時的模糊。如果還需進一步提高精度，可發(fā)射

27、第四個頻率，從三個頻率得到低精度但不模糊的測量用以解模糊。當(dāng)用更多的頻率時其頻譜和目標鑒別力將接近于用脈沖或連續(xù)波調(diào)頻波形所得到的值。用測量兩個分開頻率間的相位差方法進行測距，類似于干涉儀天線那樣利用間隔很遠的兩部天線，通過測量相位差來測量角度。干涉儀天線測角精度高，但有角度模糊，可利用安置在較近的附近天線解決模糊問題。在干涉儀天線系統(tǒng)中各個天線間的空間配置相應(yīng)于多頻測距技術(shù)中頻率間的間隔。小型跟蹤(Minitrack)系統(tǒng)就是干涉儀的一個例子，其中角模糊就是以類似所述方法解決的3p81。連續(xù)波多頻雷達已廣泛應(yīng)用于大地測量和導(dǎo)彈制導(dǎo)中進行精確測距。命名為微波測距儀的一種便攜式電子勘測設(shè)備就是根

28、據(jù)這個原理工作的。B相位調(diào)制連續(xù)波雷達前面講述了調(diào)幅、調(diào)頻測距方法，另一種將定時標志加至連續(xù)波載波以提供目標距離的方法是相位調(diào)制(PM)。調(diào)相連續(xù)波雷達系統(tǒng)采用每經(jīng)秒便將離散相移加至發(fā)射的連續(xù)波信號的方法來形成相位編碼波形，以測量目標的距離2p426430。下面討論寬度為的雷達發(fā)射脈沖的編碼，將寬度分成個子脈沖，每個寬度為，然后用載波的相位對這些子脈沖進行編碼。通常有兩種類型的相位編碼技術(shù)：二進制相位(雙相)碼、多相位碼。前者可簡單地用正號、負號表示，正子脈沖標志表示沒有相移而負脈沖標志表示載波有弧度的相移，即相移(反相)。后者較復(fù)雜，它允許在子脈沖基礎(chǔ)上可以有任何的相移，即可能的相位是2p4

29、93495：式中稱為碼的階數(shù)由于兩種類型編碼技術(shù)確定距離的原理相同，這里只研究較簡單的雙相碼。常用的二進制相位編碼有：巴克(Barker)碼、組合式巴克碼和偽隨機碼(詳細介紹見文2)。最大長度的偽隨機碼(又稱M序列)因容易產(chǎn)生、具有良好的旁瓣特性而得到廣泛應(yīng)用。利用級移位寄存器得到的M序列的長度為。相位調(diào)制連續(xù)波雷達測定目標距離的方法有兩種：(1)將接收波形與存儲的發(fā)射碼進行相關(guān); (2)將接收波形與發(fā)射碼的延遲信號相關(guān)聯(lián)。兩者實際是一致的，都是利用發(fā)射信號的自相關(guān)。采用方法(1)時，接收波形與存儲波形間出現(xiàn)最大相關(guān)時的時間對應(yīng)目標距離信息; 而方法(2)中當(dāng)延遲等于發(fā)射信號的傳輸時間時，自相

30、關(guān)函數(shù)便為最大值，否則為最小值，因此使自相關(guān)函數(shù)達最大值時的發(fā)射編碼波形的延時即對應(yīng)目標距離(采用這種方法的雷達方框圖如圖16)。對于高距離分辨力，發(fā)射信號的自相關(guān)函數(shù)必須具有窄的峰值和低的旁瓣。圖17 周期性M序列的自相關(guān)函數(shù)發(fā)射機調(diào)制器碼產(chǎn)生器延遲相關(guān)器混頻器圖16 偽隨機相位調(diào)制連續(xù)波雷達偽隨機碼的自相關(guān)函數(shù)具有上述的良好距離分辨力特性。由于碼是周期性的，其自相關(guān)函數(shù)在處及的整數(shù)倍處有峰值，而在其它各處均為(如圖17)?？紤]如圖18所示的三級線性反饋移位寄存器，初始狀態(tài)設(shè)為111，則輸出M序列為1110010，長度為。以此作為雙相碼及其形成的連續(xù)波調(diào)制波形見圖19，這種碼在連續(xù)波雷達系統(tǒng)

31、中具有周期性，即可重復(fù)出現(xiàn)。(a) 雙相碼(b) 未調(diào)制的連續(xù)波波形(c) 調(diào)制后的連續(xù)波波形圖19 相位調(diào)制的連續(xù)波波形1級2級3級輸出圖18 三級線性反饋移位寄存器雷達發(fā)射編碼波形為：1110010，1110010，、，依此重復(fù)出現(xiàn)。設(shè)對應(yīng)于發(fā)射前面一組個子碼波形的最后一個的時刻，令表示信號在雷達和目標之間的往返時間?；夭ㄐ盘柋唤獯a后相應(yīng)發(fā)射碼循環(huán)移位個，因此必須調(diào)整發(fā)射碼的延遲時間，使之等于，此時回波碼與延遲的發(fā)射碼才能達到最大值(如圖20)。計算中兩個同樣符號的積為1，兩個不同符號的積為-1。在用移位寄存器來產(chǎn)生編碼的雷達系統(tǒng)中，很容易實現(xiàn)這種延遲。第級移位寄存器的輸出已將級的輸出延遲

32、一個時鐘周期，因此，用附加級聯(lián)的方法便可獲得任何要求的延遲?；夭ㄐ盘枌?yīng)的編碼為(回波延遲3個碼元寬度)：1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 0 1 0發(fā)射信號的不同延遲為： 計算結(jié)果：a. 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 0 1 0 -1b. 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 0 1 -1c. 1 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 0 -1d. 0 1 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 7e.

33、 0 0 1 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 -1f. 1 0 0 1 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 -1g. 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 0 1 0 1 -1重復(fù)1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 0 1 0圖20 回波碼與延遲的發(fā)射碼的相關(guān)計算結(jié)果在相位調(diào)制連續(xù)波雷達中，為消除距離模糊，發(fā)射波形必須在秒以內(nèi)或更短的時間內(nèi)返回雷達。因此，相位調(diào)制連續(xù)波雷達的最大無模糊距離為：對應(yīng)的距離分辨力為：參考文獻1 丁鷺飛主編，雷達原理，西北電訊工程

34、學(xué)院出版社，1984.112 美杰里L(fēng). 伊伏斯，愛德華K. 里迪編，卓榮邦等譯，現(xiàn)代雷達原理，電子工業(yè)出版社，1991.33 美M.I. 斯科爾尼克編著，林茂庸等譯，雷達系統(tǒng)導(dǎo)論，國防工業(yè)出版社，1992.24 林茂庸，柯有安編著，雷達信號理論，國防工業(yè)出版社，1984.115 W.L. Rubin and J.V. Difranco, Analytic representation of wide-band radio frequency signals, J. Franklin Inst., Vol.275, No.3, March 19636 美A.V. 奧本海姆著，數(shù)字信號處理，7

35、張圣訓(xùn)編著，數(shù)字信號處理技術(shù)，浙江大學(xué)出版社，1989.98 D.W. Rice and K.H. Wu, Quadrature sampling with high dynamic range, IEEE Trans. AES, Vol.18, No.4, Nov. 1982, pp7367399 吳遠斌，李景文，直接中頻采樣及數(shù)字相干檢波的研究，電子學(xué)報，Vol.22, No.10, Oct. 1994, pp10510710 L.E. Pellon, A double Nyquist digital product detector for quadrature sampling, IE

36、EE Transactions on Signal and Processing, Vol.40, No.7, July 1992, pp1670168111 W.A. Skillman and D.H. Mooney, Multiple High-PRF Ranging, IRE 5th National Convention on Military Electronics, 1961, pp3740 (收入書中：D.K. Barton, Radars, Volume 7: CW and Doppler Radar, Artech House, Inc., pp20521312 D.H. Mooney and W.A. Skillman, Pulse-Doppler radar, chap. 19 of “Radar Handbook”, M.I. Skolnik (ed.), McGraw-Hill Book Co., New York, 1970