雷达目标距离的测量.ppt

第6章目标距离的测量测量目标的距离是雷达的基本任务之一。无线电波在均匀介质中以固定的速度直线传播(在自由空间传播速度约等于光速c=3×105km/s)。图6.1中,雷达位于A点,而在B点有一目标,则目标至雷达站的距离(即斜距)R可以通过测量电波往返一次所需的时间tR得到，即图6.1目标距离的测量6.1脉冲法测距其中tR的单位为μs,测得的距离其单位为km,即测距的计时单位是微秒。测量这样量级的时间需要采用快速计时的方法。早期雷达均用显示器作为终端,在显示器画面上根据扫掠量程和回波位置直接测读延迟时间。
现代雷达常常采用电子设备自动地测读回波到达的迟延时间tR。图6.2具有机械距离刻度标尺的显示器荧光屏画面有两种定义回波到达时间tR的方法,一种是以目标回波脉冲的前沿作为它的到达时刻;另一种是以回波脉冲的中心(或最大值)作为它的到达时刻。对于通常碰到的点目标来讲,两种定义所得的距离数据只相差一个固定值(约为τ/2),可以通过距离校零予以消除。如果要测定目标回波的前沿,由于实际的回波信号不是矩形脉冲而近似为钟形,此时可将回波信号与一比较电平相比较,把回波信号穿越比较电平的时刻作为其前沿。用电压比较器是不难实现上述要求的。用脉冲前沿作为到达时刻的缺点是容易受回波大小及噪声的影响,比较电平不稳也会引起误差。图6.3回波脉冲中心估计6.1.2影响测距精度的因素
雷达在测量目标距离时,不可避免地会产生误差,它从数量上说明了测距精度,是雷达站的主要参数之一。
由测距公式可以看出影响测量精度的因素。对式(6.1.1)求全微分,得到由式(6.1.2)可看出,测距误差由电波传播速度c的变化Δc以及测时误差ΔtR两部分组成。
误差按其性质可分为系统误差和随机误差两类,系统误差是指在测距时,系统各部分对信号的固定延时所造成的误差,系统误差以多次测量的平均值与被测距离真实值之差来表示。从理论上讲,系统误差在校准雷达时可以补偿掉,实际工作中很难完善地补偿,因此在雷达的技术参数中,常给出允许的系统误差范围。随机误差系指因某种偶然因素引起的测距误差,所以又称偶然误差。凡属设备本身工作不稳定性造成的随机误差称为设备误差,如接收时间滞后的不稳定性、各部分回路参数偶然变化、晶体振荡器频率不稳定以及读数误差等。凡属系统以外的各种偶然因素引起的误差称为外界误差,如电波传播速度的偶然变化、电波在大气中传播时产生折射以及目标反射中心的随机变化等。
随机误差一般不能补偿掉,因为它在多次测量中所得的距离值不是固定的而是随机的。因此,随机误差是衡量测距精度的主要指标。1.电波传播速度变化产生的误差
如果大气是均匀的,则电磁波在大气中的传播是等速直线,此时测距公式(6.0.1)中的c值可认为是常数。但实际上大气层的分布是不均匀的且其参数随时间、地点而变化。大气密度、湿度、温度等参数的随机变化,导致大气传播介质的导磁系数和介电常数也发生相应的改变,因而电波传播速度c不是常量而是一个随机变量。由式(6.1.2)可知,由于电波传播速度的随机误差而引起的相对测距误差为随着距离R的增大,由电波速度的随机变化所引起的测距误差ΔR也增大。在昼夜间大气中温度、气压及湿度的起伏变化所引起的传播速度变化为Δc/c≈10-5,若用平均值c作为测距计算的标准常数,则所得测距精度亦为同样量级,例如R=60km时,ΔR=60×103×10-5=0.6m的数量级,对常规雷达来讲可以忽略。
电波在大气中的平均传播速度和光速亦稍有差别,且随工作波长λ而异,因而在测距公式(6.0.1)中的c值亦应根据实际情况校准,否则会引起系统误差,表6.1列出了几组实测的电波传播速度值。表6.1在不同条件下电磁波传播速度2.因大气折射引起的误差
当电波在大气中传播时,由于大气介质分布不均匀将造成电波折射,因此电波传播的路径不是直线而是走过一个弯曲的轨迹。在正折射时电波传播途径为一向下弯曲的弧线。
由图6.4可看出,虽然目标的真实距离是R0,但因电波传播不是直线而是弯曲弧线,故所测得的回波延迟时间tR=2R/c,这就产生一个测距误差(同时还有测仰角的误差Δβ):ΔR的大小和大气层对电波的折射率有直接关系。如果知道了折射率和高度的关系,就可以计算出不同高度和距离的目标由于大气折射所产生的距离误差,从而给测量值以必要的修正。当目标距离越远、高度越高时,由折射所引起的测距误差ΔR也越大。例如在一般大气条件下,当目标距离为100km,仰角为0.1rad时,距离误差为16m的量级。
上述两种误差,都是由雷达外部因素造成的,故称之为外界误差。无论采用什么测距方法都无法避免这些误差,只能根据具体情况,作一些可能的校准。图6.4大气层中电波的折射3.测读方法误差
测距所用具体方法不同,其测距误差亦有差别。早期的脉冲雷达直接从显示器上测