机载监视系统课件:2-2机载气象雷达 - 测距测角MTI20150413.ppt
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1、Airborne Weather Radar(WXR)Airborne Weather Radar(WXR) Con3 Con3:Ranging,Azimuth Ranging,Azimuth measurement,MTImeasurement,MTI电子信息与自动化学院Airborne Weather RadarOutlines for Con3Outlines for Con31 Ranging(脉冲法)脉冲回波位置测距2 Azimuth measurement 脉冲最大值所在方位角测角; 机载气象雷达天线为阵列天线;扫描方式为为机械式扫描;3 多普勒原理4 Moving Target
2、Indication MTI利用多普勒频率(回波相位)测速5 湍流风切变检测电子信息与自动化学院Airborne Weather Radar 测量目标的距离是雷达的基本任务之一。测量目标的距离是雷达的基本任务之一。RRctRcRt212目标距离测量就是要精确测定目标距离测量就是要精确测定延迟时间延迟时间tR。常用方法:常用方法:脉冲法脉冲法, 频率法和相位法。频率法和相位法。 RABCon3-1 RangingCon3-1 Ranging电子信息与自动化学院Airborne Weather Radar脉冲法测距脉冲法测距 12RRc t关键:测量发射的同步脉冲与目标回波脉冲间的关键:测量发射的
3、同步脉冲与目标回波脉冲间的时延时延 Con3-1 RangingCon3-1 Ranging电子信息与自动化学院Airborne Weather Radar距离分辨力:同一方向上两个大小相等点目标之间最小可区分距离。距离分辨力:同一方向上两个大小相等点目标之间最小可区分距离。在显示器上测距时,分辨力主要取决于回波的脉冲宽度。在显示器上测距时,分辨力主要取决于回波的脉冲宽度。ncvdcr2 dvn光点直径dvnCon3-1 RangingCon3-1 Ranging电子信息与自动化学院Airborne Weather Radar)(210mintcRmax2rcRT测距范围测距范围最大无模糊距离
4、最大无模糊距离距离模糊距离模糊)(2RrtmTcRm为正整数为正整数 Con3-1 RangingCon3-1 Ranging电子信息与自动化学院Airborne Weather Radar 为了确定目标的空间位置为了确定目标的空间位置, 雷达在大多数应用情况下雷达在大多数应用情况下, 不仅不仅要测定目标的距离要测定目标的距离, 而且还要测定目标的方向而且还要测定目标的方向, 即测定目标的角即测定目标的角坐标坐标, 其中包括目标的其中包括目标的方位角方位角和和高低角高低角(俯仰角俯仰角)。 雷达测角的物理基础是电波在均匀介质中传播的雷达测角的物理基础是电波在均匀介质中传播的直线性直线性和和雷达
5、天线的雷达天线的方向性方向性。 目标OCon3-2 Azimuth measurementCon3-2 Azimuth measurement电子信息与自动化学院Airborne Weather Radar天线方向性天线方向性 Con3-2 Azimuth measurementCon3-2 Azimuth measurement电子信息与自动化学院Airborne Weather Radar天线方向性天线方向性 天线的方向性可用它的方向性函数或根据方向性函数画出天线的方向性可用它的方向性函数或根据方向性函数画出的方向图表示。的方向图表示。(方位角,俯仰角方位角,俯仰角)max( , )( ,
6、 )( , )EfE Con3-2 Azimuth measurementCon3-2 Azimuth measurement电子信息与自动化学院Airborne Weather Radar天线方向性天线方向性 主瓣主瓣(m(mainlobeainlobe) ):天线辐射最:天线辐射最强方向所在的波瓣。强方向所在的波瓣。 主瓣宽度主瓣宽度:主瓣半功率点间的:主瓣半功率点间的夹角,记为夹角,记为 。 副瓣(旁瓣副瓣(旁瓣, sidelobe, sidelobe):主:主瓣以外的其余波瓣。瓣以外的其余波瓣。 副瓣电平副瓣电平:主向场强与副瓣中:主向场强与副瓣中最大场强之比,以最大场强之比,以dBd
7、B的形式表的形式表示。示。0.52主瓣主瓣副瓣副瓣Con3-2 Azimuth measurementCon3-2 Azimuth measurement电子信息与自动化学院Airborne Weather Radar测角方法:测角方法:1. 相位法测角相位法测角:利用多个天线所接收回波信号之间的相:利用多个天线所接收回波信号之间的相位差进行测角。位差进行测角。2. 振幅法测角振幅法测角:利用天线收到的回波信号幅度值进行角:利用天线收到的回波信号幅度值进行角度测量,幅值的变化规律取决天线方向图以及天线扫度测量,幅值的变化规律取决天线方向图以及天线扫描方式。可分为描方式。可分为最大信号法最大信号
8、法和等信号法两大类。和等信号法两大类。Con3-2 Azimuth measurementCon3-2 Azimuth measurement电子信息与自动化学院Airborne Weather Radar相位法测角相位法测角Con3-2 Azimuth measurementCon3-2 Azimuth measurement22Rdsin 由于两天线间距为d,故它们所收到的信号存在波程差而产生一相位差R电子信息与自动化学院Airborne Weather Radar最大信号法最大信号法振幅法测角振幅法测角回波最大值时天线波束轴线所处的方向即为目标方位角。回波最大值时天线波束轴线所处的方向即
9、为目标方位角。Con3-2 Azimuth measurementCon3-2 Azimuth measurement电子信息与自动化学院Airborne Weather Radar最大信号法最大信号法振幅法测角振幅法测角(a)目标tAaAat幅度t / atA / a幅度t / attiaftA2(a)目标tAaAat幅度t / atA / a幅度t / attiaftA2rasf160360“量化量化”测角误差测角误差Con3-2 Azimuth measurementCon3-2 Azimuth measurement(单位r/min)电子信息与自动化学院Airborne Weather
10、 Radar优点:优点:1)简单;)简单;2)用天线方向图的最大值方向测角)用天线方向图的最大值方向测角, 此此时回波最强时回波最强, 故信噪比最大故信噪比最大, 对检测发现目标是有利的。对检测发现目标是有利的。 缺点:缺点:1)直接测量时测量精度不很高)直接测量时测量精度不很高, 约为波束半功率宽约为波束半功率宽度度(0.5)的的 20%左右。左右。2)不能判别目标偏离波束轴线的方)不能判别目标偏离波束轴线的方向向, 故不能用于自动测角。故不能用于自动测角。振幅法测角振幅法测角最大信号法最大信号法Con3-2 Azimuth measurementCon3-2 Azimuth measure
11、ment电子信息与自动化学院Airborne Weather Radar天线波束形状天线波束形状 扇形波束扇形波束(a)(b)O(a)(b)OCon3-2 Azimuth measurementCon3-2 Azimuth measurement地面雷达地面雷达机载雷达机载雷达电子信息与自动化学院Airborne Weather Radar00仰角扫描范 围(a)(b)(c)方向角仰角天线波束形状天线波束形状 针状波束(笔形波束)针状波束(笔形波束)Con3-2 Azimuth measurementCon3-2 Azimuth measurement分行扫描分行扫描螺旋扫描螺旋扫描锯齿扫描锯
12、齿扫描电子信息与自动化学院Airborne Weather RadarDifferent types of radar beamsDifferent types of radar beams电子信息与自动化学院Airborne Weather RadarDifferent types of radar scanningDifferent types of radar scanning电子信息与自动化学院Airborne Weather Radar天线波束的扫描方法天线波束的扫描方法 Phased Array Antennaselectronic scanning电扫描又可分为电扫描又可分为相位
13、扫描法相位扫描法、频、频率扫描法、时间延迟法等。率扫描法、时间延迟法等。相位扫描法相位扫描法控制移相量改变阵元控制移相量改变阵元激励相位,改变波束指向。激励相位,改变波束指向。 Con3-2 Azimuth measurementCon3-2 Azimuth measurement电子信息与自动化学院Airborne Weather RadarPhased Array AntennasPhased Array Antennas电子信息与自动化学院Airborne Weather RadarArray BeamformingArray Beamforming电子信息与自动化学院Airborne
14、Weather RadarControls for an N Element ArrayControls for an N Element Array电子信息与自动化学院Airborne Weather Radar多普勒效应多普勒效应1842年,年,Christian Doppler在声学上发现,在声学上发现,1930年运用到电磁波范围年运用到电磁波范围,并随后在雷达中并随后在雷达中获得广泛应用。获得广泛应用。2dvfCon3-3 Con3-3 多普勒多普勒电子信息与自动化学院Airborne Weather Radar多普勒效应的应用多普勒效应的应用测速:利用发射与接收信号的频率差,多普勒测
15、速仪测速:利用发射与接收信号的频率差,多普勒测速仪杂波抑制:地面、海面、杂波抑制:地面、海面、 云雨等的回波对目标回波造云雨等的回波对目标回波造成严重的干扰,但通常其是固定或者缓慢运动的。成严重的干扰,但通常其是固定或者缓慢运动的。成像:医学成像,彩超成像:医学成像,彩超Con3-3 Con3-3 多普勒多普勒电子信息与自动化学院Airborne Weather Radar连续波连续波 发射信号发射信号多普勒频率(频移)多普勒频率(频移)00( ) cos()s tAt接收信号接收信号00( )()cos()rrrs tks ttkAttCon3-3 Con3-3 多普勒多普勒电子信息与自动化
16、学院Airborne Weather Radar连续波连续波目标固定不动目标固定不动, 距离距离R为常数为常数0 r022/ (2/) 2tfR cR 0ddt目标运动,目标运动,0r( ) R tRv t)(2)(20tvRcctRtrr)(22)(20000tvRtvRctrrr=2/rtR c22rdvdt122rddvfdt多普勒频率多普勒频率Con3-3Con3-3多普勒多普勒电子信息与自动化学院Airborne Weather Radar窄带信号窄带信号)(Re)(0tjetuts)(Re)()()(0rttjrrrettkuttksts)(2)(20tvRcctRtrr0 r0r
17、2 (2 /)()tRv t 122rddvfdt多普勒频率多普勒频率Con3-3 Con3-3 多普勒多普勒电子信息与自动化学院Airborne Weather Radar2rdvf当目标当目标飞向飞向雷达站时雷达站时, 多普勒频率为多普勒频率为正值正值, 接收信号频率接收信号频率高于发射信号频率高于发射信号频率, 而当目标而当目标背离背离雷达站飞行时雷达站飞行时, 多普勒多普勒频率为频率为负值负值, 接收信号频率低于发射信号频率。接收信号频率低于发射信号频率。 多普勒频率多普勒频率多普勒频率多普勒频率Con3-3 Con3-3 多普勒多普勒电子信息与自动化学院Airborne Weathe
18、r Radar径向速度径向速度引起多普勒频移的是雷达和目标连线方向的引起多普勒频移的是雷达和目标连线方向的径向速度径向速度。 coscosreavv多普勒频率多普勒频率Con3-3 Con3-3 多普勒多普勒电子信息与自动化学院Airborne Weather Radar多普勒信息提取多普勒信息提取运动目标的多普勒频率相对于工作频率是运动目标的多普勒频率相对于工作频率是很小很小的的 。03.2(9.4)340/22dcm fGHzvm sfkHz010(3)340/6.8dcm fGHzvm sfkHz多普勒频率的提取需要获得发射和接收频率间的多普勒频率的提取需要获得发射和接收频率间的频差频差
19、 。Con3-3 Con3-3 多普勒多普勒电子信息与自动化学院Airborne Weather Radar 连续波多普勒雷达连续波多普勒雷达相位检波器:提取接收和发射信相位检波器:提取接收和发射信号的相位差。号的相位差。 多普勒滤波器:取出所需要的多多普勒滤波器:取出所需要的多普勒频率。普勒频率。 Con3-3 Con3-3 多普勒多普勒多普勒信息提取多普勒信息提取00cosrrUUUt)cos(00tUUUdr0cos()irduUt固定目标固定目标运动目标运动目标电子信息与自动化学院Airborne Weather Radar脉冲多普勒雷达脉冲多普勒雷达脉冲调制器功率放大器连续振荡器接收
20、机显示系统f0 fdf0发射接收基准电压(a)多普勒信息提取多普勒信息提取“蝴蝶效应蝴蝶效应”Con3-3 Con3-3 多普勒多普勒电子信息与自动化学院Airborne Weather Radar脉冲多普勒雷达脉冲多普勒雷达连续振荡脉冲发射回波(固定)回波(运动)相干检波(运动)相干检波(固定)tttttt(b)cR02cRR)(20脉冲调制器功率放大器连续振荡器接收机显示系统f0 fdf0发射接收基准电压(a)多普勒信息提取多普勒信息提取Con3-3 Con3-3 多普勒多普勒电子信息与自动化学院Airborne Weather Radar脉冲多普勒雷达脉冲多普勒雷达)cos1 (mUKu
21、kd检波器的输出信号检波器的输出信号cRtr0002)(22)(2000tvRctRtrr输出等幅脉冲输出等幅脉冲输出幅度受调制的脉冲输出幅度受调制的脉冲隔直隔直多普勒信息提取多普勒信息提取Con3-3 Con3-3 多普勒多普勒Kd检波系数Uk基准电压cosmUKkd电子信息与自动化学院Airborne Weather Radar 脉冲多普勒雷达脉冲多普勒雷达ttTrcos(dt0)uuUrUkUinUr2UkUr100相位检波器输出波形相位检波器输出波形多普勒信息提取多普勒信息提取Con3-3 Con3-3 多普勒多普勒电子信息与自动化学院Airborne Weather Radar盲速和
22、频闪盲速和频闪 盲速盲速:虽然目标有一定的速度:虽然目标有一定的速度vr, 但相位检波器的输出为一但相位检波器的输出为一串等幅脉冲串等幅脉冲, 与固定目标的回波相同,此时的目标运动速度与固定目标的回波相同,此时的目标运动速度称为盲速。称为盲速。频闪频闪:当脉冲工作状态时:当脉冲工作状态时, 相位检波器输出端回波脉冲串的相位检波器输出端回波脉冲串的包络调制频率包络调制频率Fd, 与目标运动的径向速度与目标运动的径向速度vr不再保持正比关不再保持正比关系。此时如用包络调制频率测速时将产生测速模糊。系。此时如用包络调制频率测速时将产生测速模糊。原因原因:脉冲工作状态脉冲工作状态是对连续发射的取样,取
23、样后波形和频是对连续发射的取样,取样后波形和频谱均发生变化。谱均发生变化。 多普勒信息提取多普勒信息提取Con3-3Con3-3多普勒多普勒电子信息与自动化学院Airborne Weather Radar多普勒信息提取多普勒信息提取盲速盲速TrFdfdtUr1Ur2UkdTr2Fd0fd frTrUr1Ur2UkdTr2 1 22FdTrFd fr fdFdfdfdFdfr2frr21fr21f0t(a)(b)(c)2drT相邻周期的相位差相邻周期的相位差盲速时相位差盲速时相位差2 1,2,3,nnrrfnv210盲速盲速Con3-3 Con3-3 多普勒多普勒fr脉冲重复频率Fd包络频率fd
24、多普勒频率电子信息与自动化学院Airborne Weather Radar多普勒信息提取多普勒信息提取频闪频闪2 1,2,3,nn和和TrFdfdtUr1Ur2UkdTr2 Fd0fd frTrUr1Ur2UkdTr2 1 2 2 FdTrFd fr fdFdfdfdFdfr2frr21fr21f0t(a)(b)(c)2相位的相位的周期性周期性Con3-3 Con3-3 多普勒多普勒电子信息与自动化学院Airborne Weather Radarfd=nfr时时, 无法区分运动目标与固定目标。无法区分运动目标与固定目标。 多普勒信息提取多普勒信息提取盲速和频闪盲速和频闪 “盲速盲速”的原因:的
25、原因:频闪的原因频闪的原因:12drfffd1=nfr-fd2fd1=nfr+fd2两目标回波的频谱结构相同,无法区分。两目标回波的频谱结构相同,无法区分。rdff21频闪不出现的条件:频闪不出现的条件:Con3-3 Con3-3 多普勒多普勒电子信息与自动化学院Airborne Weather Radar41u 雷达探测的运动目标如飞机,导弹,舰艇,车辆等周围存在各种背景,包括不动的地物和运动着的云雨,海浪或金属丝干扰等。u 动目标显示(Moving Target Indicator :MTI)与动目标检测(Moving Target Detection: MTD)就是使用各种滤波器,滤去这
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