雷达原理与系统教学课件(共8章)第7章-测量与跟踪雷达.pptx

第第7 7章章 参数测量和跟踪雷达参数测量和跟踪雷达陈伯孝陈伯孝雷达原理与系统雷达原理与系统雷达信号处理重点实验室雷达信号处理重点实验室 陈伯孝陈伯孝（1）了解雷达测量的基本知识、理论精度和基本测量过程；）了解雷达测量的基本知识、理论精度和基本测量过程；（2）掌握脉冲法测距、调频法测距的原理和方法）掌握脉冲法测距、调频法测距的原理和方法（3）掌握比幅、比相单脉冲测角的原理和方法；）掌握比幅、比相单脉冲测角的原理和方法；（4）掌握相控阵天线波束的扫描方法、数字波束形成和数字单脉冲测角）掌握相控阵天线波束的扫描方法、数字波束形成和数字单脉冲测角的原理和方法；的原理和方法；（5）掌握速度测量的原理和方法；）掌握速度测量的原理和方法；（6）了解多目标跟踪的边扫描边跟踪雷达和固定增益跟踪滤波器了解多目标跟踪的边扫描边跟踪雷达和固定增益跟踪滤波器本章教学目的本章教学目的：雷达信号处理重点实验室 陈伯孝陈伯孝 029-88202320 概概 述述 雷达测量基础雷达测量基础 距离测量与跟踪距离测量与跟踪 角度测量与跟踪角度测量与跟踪 相控阵雷达角度的测量相控阵雷达角度的测量 速度（多普勒）测量速度（多普勒）测量 多目标跟踪多目标跟踪本章教学内容本章教学内容雷达信号处理重点实验室 陈伯孝陈伯孝 029-882023207.7.1 1 概概 述述雷达的基本任务是检测目标并测量出目标的参数（位置坐标、速度等）雷达的基本任务是检测目标并测量出目标的参数（位置坐标、速度等），现代雷达还逐步从回波中提取诸如目标形状、运动状态等信息。

跟踪雷，现代雷达还逐步从回波中提取诸如目标形状、运动状态等信息跟踪雷达系统用于测量目标的距离、方位、仰角和速度，然后利用这些参数进行达系统用于测量目标的距离、方位、仰角和速度，然后利用这些参数进行滤波，实现对目标的跟踪，同时还可以预测它们下一时刻的值滤波，实现对目标的跟踪，同时还可以预测它们下一时刻的值未知参数未知参数：距离、方位、仰角、速度：距离、方位、仰角、速度跟踪雷达跟踪雷达：包括距离跟踪、角度跟踪包括距离跟踪、角度跟踪、速度（、速度（多普勒多普勒）跟踪跟踪参数测量精度参数测量精度是一个重要的性能指标，在某些雷达（如精密测量、火控跟是一个重要的性能指标，在某些雷达（如精密测量、火控跟踪和导弹末制导等雷达）中测量精度是关键指标踪和导弹末制导等雷达）中测量精度是关键指标雷达信号处理重点实验室 陈伯孝陈伯孝 029-88202320p单目标跟踪单目标跟踪（STT）雷达雷达：对单个目标进行连续跟踪，并且提供较高对单个目标进行连续跟踪，并且提供较高的数据率主要应用于导弹制导武器系统，对飞机目标或导弹目标进行跟踪，其的数据率主要应用于导弹制导武器系统，对飞机目标或导弹目标进行跟踪，其数据率通常在每秒数据率通常在每秒10次以上。

次以上p自动检测与跟踪自动检测与跟踪（ADT）：这种跟踪是空域监视雷达的主要功能之一这种跟踪是空域监视雷达的主要功能之一例如例如民用空中交通管制雷达民用空中交通管制雷达、军用空域监视雷达都采用数据率依赖于天线的扫军用空域监视雷达都采用数据率依赖于天线的扫描周期（周期可从几秒到十几秒），比描周期（周期可从几秒到十几秒），比STT低，但低，但ADT具有同时跟踪大批目标的具有同时跟踪大批目标的优点与STT雷达不同的是它的天线位置不受处理过的跟踪数据的控制，跟踪处雷达不同的是它的天线位置不受处理过的跟踪数据的控制，跟踪处理是开环的理是开环的p边跟踪边扫描边跟踪边扫描（TWS）：在天线覆盖区域内在天线覆盖区域内的的多个目标，通过快速扫多个目标，通过快速扫描有限的角度扇区来维持对目标的跟踪，并提供中等的数据率广泛应用于防空描有限的角度扇区来维持对目标的跟踪，并提供中等的数据率广泛应用于防空雷达、飞机着陆雷达、机载火控雷达，以保持对多目标跟踪雷达、飞机着陆雷达、机载火控雷达，以保持对多目标跟踪p相控阵跟踪雷达相控阵跟踪雷达：电子扫描的相控阵雷达能对大量目标进行跟踪，具有电子扫描的相控阵雷达能对大量目标进行跟踪，具有较高的数据率。

在计算机的控制下，以时分的方式对不同波位、多批次目标进行较高的数据率在计算机的控制下，以时分的方式对不同波位、多批次目标进行跟踪因为电扫描阵列的波束能够在几微秒的时间内从一个方向快速切换到另一跟踪因为电扫描阵列的波束能够在几微秒的时间内从一个方向快速切换到另一个方向在宙斯顿和爱国者等防空武器系统中均采用了相控阵跟踪雷达在宙斯顿和爱国者等防空武器系统中均采用了相控阵跟踪雷达雷达信号处理重点实验室 陈伯孝陈伯孝 029-88202320跟踪雷达主要有四种类型跟踪雷达主要有四种类型7.7.2 2 雷达测量基础雷达测量基础7.7.2.1 2.1 雷达测量的基本物理量雷达测量的基本物理量1.1.点目标的测量点目标的测量距离距离 角度：波束指向角度：波束指向+目标偏离波束中心的程度目标偏离波束中心的程度径向速度（多普勒频率）径向速度（多普勒频率）切向速度切向速度雷达信号处理重点实验室 陈伯孝陈伯孝 029-882023202.2.分布式目标测量分布式目标测量径向轮廓径向轮廓(一维距离像一维距离像)切向剖面切向剖面(横向距离横向距离)大小和形状大小和形状7.7.2.2 2.2 雷达测量的理论精度雷达测量的理论精度 噪声是影响雷达测量精度的最主要因素。

雷达测量误差的度量即精噪声是影响雷达测量精度的最主要因素雷达测量误差的度量即精度，是测量值（估计值）与真实值之间差的均方根值（度，是测量值（估计值）与真实值之间差的均方根值（RMS）雷达测量量雷达测量量 M的理论均方根误差为：的理论均方根误差为：k是大约为是大约为1的常数，的常数，M 是物理量是物理量M的分辨率的分辨率E是信号的能量，是信号的能量，N0 是单位带宽噪声功率是单位带宽噪声功率雷达信号处理重点实验室 陈伯孝陈伯孝 029-88202320物理量物理量M的的 M：R：有效带宽：有效带宽 、ffd：有效时宽：有效时宽 t：天线相对于波长：天线相对于波长的均方根孔径的均方根孔径 a7.7.2.2 2.2 雷达测量的理论精度雷达测量的理论精度雷达信号处理重点实验室 陈伯孝陈伯孝 029-88202320距离的测量距离的测量：k与发射信号的频谱形状与发射信号的频谱形状S(f)有关，是脉冲的上升时间有关，是脉冲的上升时间（与带宽（与带宽B成反比）若距离分辨率为成反比）若距离分辨率为 R，则距离的测量精度，则距离的测量精度多普勒频率（径向速度）多普勒频率（径向速度）的测量的测量：k与与时域时域信号的信号的持续时间持续时间有关，有关，（与（与持续时间持续时间T成反比）。

成反比）多普勒多普勒分辨率为分辨率为 fd，则，则速度速度的测量精度的测量精度角度（方位、仰角）角度（方位、仰角）的测量的测量：k与与孔径照射函数孔径照射函数有关，有关，M为天线的为天线的半功率波束宽度半功率波束宽度 0.5，则则角度角度的测量精度的测量精度7.7.2.2 2.2 雷达测量的理论精度雷达测量的理论精度对于窄带雷达信号对于窄带雷达信号，混频至基带后，可以用其复包络，混频至基带后，可以用其复包络u(t)或对应的频谱或对应的频谱U(f)完完全描述但适当的波形参数有时更能方便地表示信号的某些特征，经常采用归一全描述但适当的波形参数有时更能方便地表示信号的某些特征，经常采用归一化二阶矩作为信号时宽、带宽的有效度量，分别定义信号有效时宽化二阶矩作为信号时宽、带宽的有效度量，分别定义信号有效时宽 t（也称为均（也称为均方根时宽）和有效带宽方根时宽）和有效带宽 f（也称为均方根带宽）为（也称为均方根带宽）为 f2表示信号功率谱表示信号功率谱|S(f)|2（或（或|U(f)|2）关于其均值）关于其均值的归一化二阶矩的归一化二阶矩.f与信号的半功率带宽或与信号的半功率带宽或噪声带宽都没有关系。

频噪声带宽都没有关系频谱能量越集中在频谱的两谱能量越集中在频谱的两端，端，f越大，则时延测量越大，则时延测量精度越高精度越高t2表示表示|s(t)|2（或（或|u(t)|2）关于）关于平均信号出现时间的归一化二平均信号出现时间的归一化二阶矩阶矩公式的推导见附录公式的推导见附录7A7.7.2.2 2.2 雷达测量的理论精度雷达测量的理论精度频谱的有效带宽频谱的有效带宽有有效效带带宽宽 f与与信信号号的的半半功功率率带带宽宽或或噪噪声声带带宽宽都都没没有有关关系系频频谱谱能能量量越越集集中中在在频频谱谱的两端，的两端，f越大，越大，则则测测距距精度越高精度越高理想的矩形脉冲要求有无限带宽是不理想的矩形脉冲要求有无限带宽是不可能的，因此实际的可能的，因此实际的“矩形矩形”脉冲的脉冲的带宽必须是有限的，它有有限的上升带宽必须是有限的，它有有限的上升和下降时间和下降时间假设宽度为假设宽度为T的矩形脉冲的频谱限制的矩形脉冲的频谱限制在有限频谱带宽在有限频谱带宽Bs内，频谱峰值两边内，频谱峰值两边第一零点从第一零点从1/T到到+1/T范围内，因此，范围内，因此，频谱带宽频谱带宽Bs=2/T（即（即BsT=2），半功），半功率带宽为率带宽为BBs/2，或，或B 1/T，（矩，（矩形脉冲的形脉冲的B与与T的乘积实际上等于的乘积实际上等于0.886，但是，为方便起见，通常取，但是，为方便起见，通常取为为1）。

Tt/T脉冲波形脉冲波形时域表达式时域表达式 s(t)有效带宽有效带宽 f高斯脉冲高斯脉冲exp(1.38t2/2)2.66B，或，或1.18/余弦脉冲余弦脉冲cos(t/B)2.64B，或，或3.14/B三角脉冲三角脉冲(2t/B)+1,B/2 t 0(2t/B)+1,0 t 1)SiBs(t+p/2)SiBs(tp/2)Bs=频谱范围（频谱的总宽度）；频谱范围（频谱的总宽度）；B=半功率带宽；半功率带宽；=半功率脉冲宽度；半功率脉冲宽度；p=原始矩形脉冲宽度；原始矩形脉冲宽度；B=脉冲底部宽度；脉冲底部宽度；Six=x的正弦积分函数的正弦积分函数不同类型脉冲的有效带宽不同类型脉冲的有效带宽f表表7.3 不同类型脉冲的时延及频率估计精度不同类型脉冲的时延及频率估计精度 f7.2.4 7.2.4 基本测量过程基本测量过程等信号法等信号法：其测量过程将相邻单：其测量过程将相邻单元的信号进行比较，根据这些信元的信号进行比较，根据这些信号的相对幅度来估算目标的位置号的相对幅度来估算目标的位置建立任意的建立任意的Z坐标，在偏离测坐标，在偏离测量轴的量轴的“距离距离”（偏移值）（偏移值）为为 的两个对称响应为：的两个对称响应为：在轴在轴 的位置，若的位置，若 ，则表明目标位于测量轴上；，则表明目标位于测量轴上；否则否则 ，则表明目标不在测量轴上，则表明目标不在测量轴上，。

雷达信号处理重点实验室 陈伯孝陈伯孝 029-88202320基本测量方法基本测量方法:最大信号法最大信号法,等信号法等信号法为了获得目标位置相对于测量轴的误差信号，可以生成这两个响应间为了获得目标位置相对于测量轴的误差信号，可以生成这两个响应间的差：的差：为了获得正确的内插位置，为了获得正确的内插位置，必须形成必须形成“和响应和响应”：归一化误差信号响应：归一化误差信号响应：为了保证误差信号的线性关系，为了保证误差信号的线性关系，等信号法只考虑以目标所在分辨单元等信号法只考虑以目标所在分辨单元为中心、正负二分之一个分辨单元范围以内的测量为中心、正负二分之一个分辨单元范围以内的测量雷达信号处理重点实验室 陈伯孝陈伯孝 029-882023207.2.3 7.2.3 基本测量过程基本测量过程7.3 7.3 距离测量与跟踪距离测量与跟踪距离测量主要有两类方法：距离测量主要有两类方法：1.延时法延时法即测量目标回波相对于发射信号的延时，获得目标的距离即测量目标回波相对于发射信号的延时，获得目标的距离现代雷达的数字化程度高，一般设置软波门（即根据目标的。