CN109164441B - 一种雷达测距的方法 - Google Patents

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    • G01S13/32—Systems for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated

Abstract

本发明公开了一种雷达测距的方法，雷达发射两个不同频率的复正弦波信号，这些复正弦波信号经目标反射后，两根接收天线分别接收回波信号，得到回波信号后，对其中一个回波信号进行去噪，再进行相干累加，即信号的实部和虚部分别相加，累加长度为发射信号长度。对累加后的信号进行取模，估计出最大值位置，对应信号的到达时间，将信号到达时间换算为目标距离的粗估计值，进而得到目标的距离模糊数。根据两个接收信号的相位差，计算模糊的目标距离精估计值，结合距离模糊数，得到目标的高精度无模糊距离。本发明能提高双频连续波雷达的测距精度，且不存在距离模糊问题。

Description

一种雷达测距的方法
技术领域
本发明涉及雷达技术领域，具体涉及一种雷达测距的方法。
背景技术
测距是指测定目标与雷达之间的径向距离，它是目标定位的重要组成部分。
传统的双频连续波雷达通过比较两个载波频率回波的相位差进行目标测距：假设两个发射的复正弦信号的频率分别为f0和f1，频率差Δf＝f1-f0＞0。首先，估计出目标运动在两个载波频率下引起的多普勒频移
Figure BDA0001818650530000011
和
Figure BDA0001818650530000012
随后，构造补偿信号
Figure BDA0001818650530000013
和
Figure BDA0001818650530000014
并与原始回波信号相乘，得到两个恒定相位的信号。最后，计算这两个信号的相位差
Figure BDA0001818650530000015
并换算成距离估计值
Figure BDA0001818650530000016
传统双频连续波雷达测距方法的主要存在两个缺点：第一，当目标距离较远时，会出现相位折叠现象，导致距离模糊问题；第二，可以通过减小频率差Δf增大无模糊距离，但是同时，估计精度也会下降。
发明内容
为克服上述传统双频连续波测距的缺点，本发明的目的在于提供一种雷达测距方法，其能够提高测距精度，且不存在距离模糊的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种雷达测距的方法，其具体包括以下步骤：
步骤1、假设存在一个目标，雷达发射的两个复正弦波信号s0(t)和s1(t)分别为：s0(t)＝exp(j2πf0t)，s1(t)＝exp(j2πf1t)，其中，f0和f1为发射信号的频率；计算雷达的最大无模糊距离
Figure BDA0001818650530000021
其中，Δf＝f1-f0＞0；
步骤2、计算目标距离模糊数的估计值；
步骤2.1、雷达发射的两个复正弦波连续信号s0(t)和s1(t)经过目标反射后，两根接收天线分别接收回波信号，得到回波信号x0(t)和x1(t)；
步骤2.2、对回波信号x0(t)和x1(t)进行频率估计：分别估计目标运动引起的多普勒频率
Figure BDA0001818650530000022
和
Figure BDA0001818650530000023
构造补偿信号
Figure BDA0001818650530000024
和
Figure BDA0001818650530000025
与原信号相乘，得到
Figure BDA0001818650530000026
和
Figure BDA0001818650530000027
Figure BDA0001818650530000028
步骤2.3、对
Figure BDA0001818650530000029
和
Figure BDA00018186505300000210
分别进行去噪，得到去噪后的信号
Figure BDA00018186505300000211
和
Figure BDA00018186505300000212
步骤2.4、对于
Figure BDA00018186505300000213
或
Figure BDA00018186505300000214
进行相干累加，累加长度为发射信号长度；对累积后的信号进行取模，找到最大值位置
Figure BDA00018186505300000215
对应信号到达时间，将信号到达时间换算成目标距离的粗估计值
Figure BDA00018186505300000216
其中，c为光速，Ts为采样间隔；
将目标距离的粗估计值
Figure BDA00018186505300000217
除以雷达的最大无模糊距离Ru并取整，得到目标距离模糊数的估计值
Figure BDA00018186505300000218
步骤3、计算模糊的目标距离精估计值；
将
Figure BDA0001818650530000031
的相位
Figure BDA0001818650530000032
和
Figure BDA0001818650530000033
的相位
Figure BDA0001818650530000034
相减，得到相位差
Figure BDA0001818650530000035
进而计算出模糊的目标距离精估计值
Figure BDA0001818650530000036
步骤4、根据步骤2得到的目标距离模糊数的估计值和步骤3得到的模糊的目标距离精估计值，计算得到目标的高精度无模糊距离
Figure BDA0001818650530000037
采用上述方案后，本发明采用相干累加的方式估计目标回波的达到时间，对应目标距离的粗估计值，进而可以估计出目标的距离模糊数，结合相位差测距法得到有模糊的距离高精度估计值，可以得到目标的高精度无模糊测距结果。相较于现有的雷达测距方法，该方法利用相干累加估计出目标的模糊数，可以选择较大的发射频率差，因此测距精度高，且不存在距离模糊问题。
附图说明
图1是本发明的工作流程图；
图2是本发明实施例的回波信号相干累加结果示意图；
图3是本发明与传统方法测距精度的对比示意图。
以下结合附图和实例对本发明做进一步详述。
具体实施方式
如图1所示，本发明揭示了一种雷达测距的方法，其具体包括以下步骤：
步骤1、假设存在一个目标，雷达发射的两个复正弦波信号s0(t)和s1(t)分别为：s0(t)＝exp(j2πf0t)，s1(t)＝exp(j2πf1t)，其中，f0和f1为发射信号的频率；计算雷达的最大无模糊距离
Figure BDA0001818650530000041
其中，Δf＝f1-f0＞0。
步骤2、计算目标距离模糊数的估计值；
步骤2.1、雷达发射的两个复正弦波连续信号s0(t)和s1(t)经过目标反射后，两根接收天线分别接收回波信号，得到回波信号x0(t)和x1(t)。
步骤2.2、对回波信号x0(t)和x1(t)进行频率估计：分别估计目标运动引起的多普勒频率
Figure BDA0001818650530000042
和
Figure BDA0001818650530000043
构造补偿信号
Figure BDA0001818650530000044
和
Figure BDA0001818650530000045
与原信号相乘，得到
Figure BDA0001818650530000046
和
Figure BDA0001818650530000047
Figure BDA0001818650530000048
步骤2.3、对
Figure BDA0001818650530000049
和
Figure BDA00018186505300000410
分别进行去噪，得到去噪后的信号
Figure BDA00018186505300000411
和
Figure BDA00018186505300000412
步骤2.4、对于
Figure BDA00018186505300000413
或
Figure BDA00018186505300000414
进行相干累加，累加长度为发射信号长度；对累积后的信号进行取模，找到最大值位置
Figure BDA00018186505300000415
对应信号到达时间，将信号到达时间换算成目标距离的粗估计值
Figure BDA00018186505300000416
其中，c为光速，Ts为采样间隔。将目标距离的粗估计值
Figure BDA00018186505300000417
除以雷达的最大无模糊距离Ru并取整，得到目标距离模糊数的估计值
Figure BDA00018186505300000418
步骤3、计算模糊的目标距离精估计值；
将
Figure BDA00018186505300000419
的相位
Figure BDA00018186505300000420
和
Figure BDA00018186505300000421
的相位
Figure BDA00018186505300000422
相减，得到相位差
Figure BDA00018186505300000423
进而计算出模糊的目标距离精估计值
Figure BDA00018186505300000424
步骤4、根据步骤2得到的目标距离模糊数的估计值和步骤3得到的模糊的目标距离精估计值，计算得到目标的高精度无模糊距离
Figure BDA0001818650530000051
例如，假设存在一个目标，与雷达的初始径向距离为400km，目标速度为1000m/s，雷达载频分别为10GHz和10.0001GHz，频率差为100kHz，脉冲宽度1ms，采样频率10MHz，首先，计算雷达的最大无模糊距离为
Figure BDA0001818650530000052
发射信号s0(t)和s1(t)经过目标反射后，两根接收天线分别接收回波信号，得到回波信号x0(t)和x1(t)：
Figure BDA0001818650530000053
Figure BDA0001818650530000054
估计x0(t)和x1(t)的频率
Figure BDA0001818650530000055
和
Figure BDA0001818650530000056
构造补偿信号
Figure BDA0001818650530000057
和
Figure BDA0001818650530000058
与原信号相乘，得到
Figure BDA0001818650530000059
和
Figure BDA00018186505300000510
对
Figure BDA00018186505300000512
和
Figure BDA00018186505300000513
分别进行去噪，得到去噪后的信号
Figure BDA00018186505300000514
和
Figure BDA00018186505300000515
对于
Figure BDA00018186505300000516
或
Figure BDA00018186505300000517
进行相干累加并取模，如图2所示，找到最大值位置
Figure BDA00018186505300000518
为31673，换算成距离的粗估计值
Figure BDA00018186505300000519
为400080m，将
Figure BDA00018186505300000520
除以雷达的最大无模糊距离1500m并取整，得到距离模糊数的估计值
Figure BDA00018186505300000521
为266。
利用
Figure BDA00018186505300000522
和
Figure BDA00018186505300000523
计算相位差
Figure BDA00018186505300000524
为4.1273，随后计算出模糊的目标距离精估计值
Figure BDA00018186505300000525
为985.3241m。
最后，计算得到目标的高精度无模糊距离
Figure BDA00018186505300000526
与传统方法相比，1000次重复实验的相对测距误差结果见图3，如图3所示，本发明的测距方法得到的目标距离值的误差要比采用传统方法进行雷达测距的误差小得多，也就是说，本发明的雷达测距方法精度高。
以上所述，仅是本发明实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (1)

1.一种雷达测距的方法，其特征在于：所述方法具体包括以下步骤：
步骤1、假设存在一个目标，雷达发射的两个复正弦波信号s0(t)和s1(t)分别为：s0(t)＝exp(j2πf0t)，s1(t)＝exp(j2πf1t)，其中，f0和f1为发射信号的频率；计算雷达的最大无模糊距离
Figure FDA0002614344430000011
其中，Δf＝f1-f0＞0；
步骤2、计算目标距离模糊数的估计值；
步骤2.1、雷达发射的两个复正弦波信号s0(t)和s1(t)经过目标反射后，两根接收天线分别接收回波信号，得到回波信号x0(t)和x1(t)；
步骤2.2、对回波信号x0(t)和x1(t)进行频率估计：分别估计目标运动引起的多普勒频率
Figure FDA0002614344430000012
和
Figure FDA0002614344430000013
构造补偿信号
Figure FDA0002614344430000014
和
Figure FDA0002614344430000015
与原信号相乘，得到
Figure FDA0002614344430000016
和
Figure FDA0002614344430000017
Figure FDA0002614344430000018
Figure FDA0002614344430000019
步骤2.3、对
Figure FDA00026143444300000110
和
Figure FDA00026143444300000111
分别进行去噪，得到去噪后的信号
Figure FDA00026143444300000112
和
Figure FDA00026143444300000113
步骤2.4、对于
Figure FDA00026143444300000114
或
Figure FDA00026143444300000115
进行相干累加，累加长度为发射信号长度；对累加后的信号进行取模，找到最大值位置
Figure FDA00026143444300000116
对应信号到达时间，将信号到达时间换算成目标距离的粗估计值
Figure FDA00026143444300000117
其中，c为光速，Ts为采样间隔；
将目标距离的粗估计值
Figure FDA00026143444300000118
除以雷达的最大无模糊距离Ru并取整，得到目标距离模糊数的估计值
Figure FDA0002614344430000021
步骤3、计算模糊的目标距离精估计值；
将
Figure FDA0002614344430000022
的相位
Figure FDA0002614344430000023
和
Figure FDA0002614344430000024
的相位
Figure FDA0002614344430000025
相减，得到相位差
Figure FDA0002614344430000026
进而计算出模糊的目标距离精估计值
Figure FDA0002614344430000027
步骤4、根据步骤2得到的目标距离模糊数的估计值和步骤3得到的模糊的目标距离精估计值，计算得到目标的高精度无模糊距离
Figure FDA0002614344430000028
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噪扰下数字化多频连续波雷达的测距模糊问题;许邦建等;《电子学报》;20020630;第30卷(第6期);903-906 *

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