雷达距离测量与跟踪

云脑智库 2022-03-17 00:00

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来源 | 雷达信号处理matlab

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目标距离的测量一般是通过估计发射脉冲的往返延迟时间来得到。连续地估计运动目标距离的过程就称为距离跟踪。下图中，雷达位于 $A$ 点，而在 $B$ 点有一目标，则目标至雷达站的距离 $R$ 可以通过测量电波往返一次所需的时间 $t_d$ 得到，即

而时间 $t_d$ 也就是回波相对于发射信号的延迟，因此，目标距离测量就是要精确测定延迟时间 $t_d$ 。

时间延迟的测量分两步完成：

对接收波形的形心（即回波脉冲的中心）或其它可确定的点定位
测量发射波形中该点与接收波形中该点之间的延迟，并将其转换为输出数据

信号形心的估计设计在时间坐标上进行，即形成时间加权函数 $f_1(t)$ 和 $f_2(t)$ ，加到输入信号 $a(t)$ 上，合成 $Sigma(t)$ 和 $Delta(t)$ ，最后确定误差信号 $Sigma/Delta$ 。这些操作与对角度测量的波束进行的操作是类似的。

单个脉冲的最佳估算器

如下图所示，对信号形心的最佳估算器由匹配滤波器、微分器和零交叉检波器组成。当微分器的输出为零时（过零点检波器）形成使时间计数器停止计数的冲激脉冲，它表示匹配滤波器输出的峰值（输入信号的形心）。该冲激脉冲相对于发射信号的时延可用高速计数器或等效器件测量，并变换为距离数据。

匹配滤波器和包络检波后，经过一个目标检测门限，得到目标的峰值位置，并由此选择对应于信号峰值的零交叉输出，产生停止计数脉冲。通道信号要求达到一定的门限可以抑制副瓣的影响和噪声过门限。

脉冲串测距

如果匹配滤波器作为通过所有信号谱线的梳状滤波器来实现的话，则上图的最佳估算器就适用于相干脉冲串。

对于非相干脉冲串，包络检波器必须先于积累。于是，最佳系统就由与中频谱包络 $A(f)$ 相匹配的中频滤波器，后接包络检波器、视频积累器、微分器和零交叉检波器组成，如下图所示。

匹配滤波器在每个脉冲宽度 $au$ 上积累，视频积累器在 $t_0$ 上从脉冲到脉冲工作，微分器则在积累的输出脉冲宽度 $au$ 内工作。

相干脉冲串的脉冲到脉冲匹配滤波器和非相干脉冲串的宽带视频积累器，在频域上并不是轻易能实现的，并且对于旨在获得单个目标距离的跟踪器来说是不必要的。

相反，对于相干脉冲串，采用匹配滤波器的相关器形式，但采用了在整个脉冲串周期 $t_0$ 上而不是在 $au$ 上积累的窄带滤波器。在非相干脉冲串情况下，窄带滤波器被限制在 $au$ 上积累，而在脉冲串上积累的低通滤波器放在 $Delta$ 相位检波器和 $Sigma$ 包络检波器的后面。

分裂波门法测距

由于运动目标的距离随时间变化，因此距离跟踪器必须不断地进行调整跟踪波门，以便保持目标在距离上被锁定。这一过程可以用分裂波门系统来实现。

分裂波门跟踪的概念如下图所示，前波门起始于期望的雷达回波起始时间并持续到雷达回波时间宽度的一半，后波门起始于雷达回波的中心并于雷达回波结束时结束。

前波门产生正电压输出，后波门产生负电压输出。前后波门的输出相减，将差信号送至一个积分器中，可得到一个误差信号。

若两个波门处于正确的时间位置（回波中心延迟 $t$ 和波门延迟 $t^{\\\'}$ 相等），则积分器的输出（误差电压 $u_{epsilon}$ ）将等于零。另外，当波门没有处于正确的时间位置时（），则积分器的输出（误差电压 $u_{epsilon}$ ）不为零。

积分器输出不为零便给出一个指示，表示波门必须在时间上移动，向左还是向右取决于积分器输出的符号。在一定范围内，误差电压的数值正比于时间差 $Delta t=t-t^{\\\'}$ ，可以表示为 $u_{epsilon}=K_1(t-t^{\\\'})=K_1Delta t$ ， $K_1$ 表示误差曲线线性部分的斜率。下图画出当 $au_c= au$ 时的特性曲线图。

为此，雷达回波时间宽度和脉冲中心时间的良好估计必须发送给距离跟踪器，从而前后波门能够正确地处于期望回波的起始和中心时刻上，从而保证积分器的输出等于零。

距离门允许隔离出单个目标，拒绝不想要的信号，并且通过消除其它距离上的噪声，提高信噪比。AGC 电路仅仅在期望出现目标回波的短暂距离门内产生响应。距离门的宽度应该足够窄以便使无关的噪声最小，但又不能窄到排除相当大部分信号能量的程度。

通常，距离门的宽度约等于信号的脉宽。如果希望跟踪信号的前沿而不是信号的中心，可以插入一个偏移量来向前移动距离门。进行前沿跟踪时，门的宽度应该比常规跟踪窄。

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