第318章 雷达测距（1/2）

雷达测距技术:

在20世纪，雷达测距技术实现了米级绝对距离测量，这一进展主要依赖于以下几个关键技术的发展：

1. 脉冲雷达技术（1930s1940s）

原理：通过发射短脉冲信号并测量回波时间差计算距离（距离=光速x时间\/2）。

精度提升：窄脉冲（微秒级）和高速计时电路将精度提高到米级。例如，二战时期英国chain home雷达的测距精度约为100米，而后期改进的军事雷达（如美国scr584）可达10米内。

2. 调制技术（1940s1950s）

频率调制连续波（fmcw）雷达：通过线性调频信号解算距离，克服脉冲宽度限制，对慢速目标精度可达1米以下，常用于民用领域（如高度计）。

3. 高稳定时钟与信号处理（1960s1970s）

原子钟：提供纳秒级时间基准，减小计时误差。

数字信号处理（dsp）：fft等算法提升回波信号分辨率，实现亚米级精度。

4. 合成孔径雷达（sar，1970s后）

虽主要用于成像，但运动补偿技术间接提升了测距精度。

5. 军用与民用应用

军事：火控雷达（如美国an\/apg68）的测距精度达13米。

民用：航空雷达高度表（如无线电高度表）在30米内误差可小于0.5米。

技术挑战与解决

大气影响：湿度和温度对光速的微小影响需校正。

噪声抑制：匹配滤波器和相干积分技术提高信噪比。

总结

20世纪中后期，通过脉冲压缩、高精度定时和数字处理技术，雷达在近距离（如千米内）的绝对测距精度逐步达到米级，满足军事、航空和工业需求。

脉冲雷达:

脉冲雷达技术详解

脉冲雷达（pulse radar）是20世纪雷达测距的核心技术之一，通过发射短时高频脉冲并接收目标反射的回波，利用时间差计算距离。其发展历程和技术特点如下：

1. 基本原理

测距公式：

\\[

r = \\frac{c \\cdot \\delta t}{2}

\\]

\\( r \\)：目标距离

\\( c \\)：光速（~3x10? m\/s）

\\( \\delta t \\)：发射脉冲与回波的时间差

关键参数：

脉冲宽度（t）：决定最小可测距离（\\( r_{min} = c \\cdot \\tau \/ 2 \\)）。

脉冲重复频率（prf）：影响最大无模糊距离（\\( r_{max} = c \/ (2 \\cdot prf) \\)）。

峰值功率：提高探测距离，但受硬件限制。

2. 技术演进

(1) 早期脉冲雷达（1930s1940s）

典型应用：二战期间英国“chain home”雷达（1935年）。

工作频率：2030 mhz（短波），测距精度约100米。

脉冲宽度：微秒级（如10 μs），测距分辨率为1.5 km（\\( r_{min} = 1500 \\, \\text{m} \\)）。

(2) 窄脉冲与高精度（1940s1950s）

技术进步：

磁控管（microwave band, 110 ghz）提升频率，缩短脉冲宽度（纳秒级）。

美国scr584雷达（1944年）：

频率：3 ghz（x波段）

测距精度：±25米，后期改进至±10米。

(3) 脉冲压缩技术（1950s1960s）

挑战：窄脉冲需要高瞬时功率，难以实现。

解决方案：线性调频（chirp）或相位编码，发射长脉冲但通过信号处理压缩。

例如：脉宽10 μs，压缩后等效1 ns，分辨率从1.5 km提升至0.15 m。

(4) 数字信号处理（1970s后）

高速adc与fft：精确测量回波时间，抑制噪声。

现代军用雷达（如an\/apg77）：

测距精度可达±1米（近距离目标）。

3. 精度限制与改进

(1) 主要误差来源

时钟抖动：早期机械\/电子计时误差（μs级），后采用原子钟（ns级）。

大气折射：光速受温湿度影响，需校正（尤其远程雷达）。

多路径干扰：低仰角时地面反射引入误差。

(2) 提高精度的方法

1. 高稳定性振荡器（如铷原子钟）。

2. 回波前沿检测（测量脉冲上升沿而非峰值）。

3. 相干处理（多脉冲积累，提高信噪比）。

4. 典型应用

| 领域 | 示例 | 测距精度 |

| 军事火控雷达 | 美国an\/apg68（f16） | ±1~3米 |

| 航空导航 | 无线电高度表（民航机） | ＜0.5米（30米内） |

| 气象雷达 | 多普勒天气雷达（nexrad） | ±50米（远程） |

| 太空探测 | 月球激光测距（llr） | 毫米级（非脉冲雷达）|

5. 总结

20世纪脉冲雷达通过窄脉冲化、脉冲压缩和数字处理，将绝对测距精度从百米级提升至米级。

现代高精度雷达（如合成孔径雷达sar）已实现亚米级，但脉冲雷达仍是基础技术。

军事和航空领域对精度的需求推动了技术的发展，而民用雷达（如汽车雷达）则进一步降低成本。

脉冲雷达的演进体现了从模拟到数字、从低频率到高频率的工程突破，至今仍是雷达测距的核心方法之一。

雷达调制:

雷达调制技术详解

调制技术是雷达系统的核心之一，它通过改变发射信号的参数（如频率、相位、幅度）来优化测距、测速和抗干扰能力。20世纪雷达的发展主要依赖以下几种调制方式：

1. 脉冲调制（pulse modtion）

(1) 基本原理

简单脉冲雷达：发射固定频率的短脉冲，通过回波时间计算距离。

缺点：测距精度受限于脉冲宽度（\\( r_{min} = c \\cdot \\tau \/ 2 \\)）。

改进：压缩脉冲宽度或采用脉冲压缩技术。

(2) 脉冲压缩技术

线性调频（lfm \/ chirp）

发射时频率线性变化（如从 \\( f_1 \\) 到 \\( f_2 \\)），接收时通过匹配滤波器压缩回波。

优势：长脉冲（高能量） + 窄脉冲（高分辨率），如：

发射脉宽 10 μs，压缩后等效 1 ns → 分辨率从 1.5 km 提升至 0.15 m。

应用：现代军用雷达（如an\/apg77）、合成孔径雷达（sar）。

相位编码（barker码、伪随机码）

脉冲内分段调制相位（如0°或180°），解码后提高分辨率。

优势：抗干扰能力强，适用于电子战环境。

2. 连续波调制（cw modtion）

(1) 简单连续波（cw）雷达

发射固定频率信号，通过多普勒效应测速（无测距能力）。

应用：警用测速雷达、导弹接近警告系统。

(2) 调频连续波（fmcw）

原理：发射频率随时间线性变化（三角波\/锯齿波），通过回波与发射信号的频差（\\( \\delta f \\)）计算距离：

\\[

r = \\frac{c \\cdot \\delta f}{2 \\cdot (df\/dt)}

\\]

优势：

低峰值功率（适合民用），可同时测距和测速。

近距离高精度（毫米波雷达可达厘米级）。

应用：

汽车雷达（77 ghz）、无人机避障、工业测距。

(3) 相位调制连续波（pmcw）

类似fmcw，但调制相位而非频率，抗干扰能力更强。

应用：5g通信感知一体化（isac）、自动驾驶雷达。

3. 混合调制技术

(1) 脉冲多普勒（pulsedoppler）雷达

结合脉冲调制与多普勒处理，实现动目标检测（mtd）。

特点：

高prf（测速优先）或中prf（兼顾测距测速）。

通过fft分离不同速度目标。

应用：机载火控雷达（如an\/apg81）、气象雷达。

(2) 正交频分复用（ofdm）雷达

同时发射多个正交子载波，提升分辨率和抗多径能力。

应用：未来6g通信雷达、汽车4d成像雷达。

4. 调制技术对比

| 调制方式 | 测距精度 | 测速能力 | 抗干扰性 | 典型应用 |

| 简单脉冲 | 米级 | 无 | 低 | 早期预警雷达 |

| 脉冲压缩（lfm） | 亚米级 | 有 | 中 | 军用火控雷达 |

| fmcw | 厘米级 | 有 | 高 | 汽车雷达 |

| 脉冲多普勒 | 米级 | 强 | 中 | 机载雷达 |

| ofdm | 毫米级 | 有 | 极高 | 未来智能感知系统 |

5. 总结

脉冲调制（尤其是脉冲压缩）是20世纪高精度测距的基础，军事领域仍占主导。

fmcw 因低功耗、高精度成为民用主流（如自动驾驶）。

新兴技术（pmcw、ofdm）推动雷达向通信感知一体化发展。

调制技术的进步直接决定了雷达的精度和功能，未来随着5g\/6g和ai的融合，雷达将在自动驾驶、智能城市和太空探测中发挥更大作用。

高稳定时钟:

高稳定时钟与信号处理在雷达测距中的作用

高稳定时钟和先进的信号处理技术是雷达实现米级甚至亚米级测距精度的关键。20世纪中后期，随着原子钟、数字信号处理（dsp）和相干技术的发展，雷达的测距能力得到了显着提升。

1. 高稳定时钟技术

(1) 时钟稳定性对测距的影响

雷达测距的精度直接依赖于时间测量精度。根据测距公式：

\\[

r = \\frac{c \\cdot \\delta t}{2}

\\]

\\( \\delta t \\)（时间测量误差）越小，测距误差越小。

早期雷达使用机械计时或电子振荡器（如lc电路），误差在微秒级，测距精度仅百米级。

高稳定时钟（如原子钟）将误差降至纳秒级，使米级测距成为可能。

(2) 关键时钟技术

| 时钟类型 | 稳定度（短期） | 应用场景 | 对测距的影响 |

| 石英晶体振荡器 | 10?? ~ 10?? | 早期雷达（二战时期） | 误差约±100米 |

| 铷原子钟 | 10?11 ~ 10?12 | 现代军用雷达（如an\/apg77）| 误差±1~3米 |

| 氢脉泽钟 | 10?13 ~ 10?1? | 深空探测（如射电望远镜） | 厘米级测距 |

(3) 时钟误差来源与补偿

温度漂移：恒温晶振（ocxo）可减少温度影响。

老化效应：原子钟长期稳定性优于晶体振荡器。

多普勒效应（高速目标）：需动态调整时钟同步。

2. 数字信号处理（dsp）

(1) 信号处理的核心任务

回波检测：从噪声中提取微弱信号。

时间测量：精确计算发射与回波的时间差。

多普勒分析：分离不同速度的目标。

(2) 关键技术

(a) 快速傅里叶变换（fft）

用于脉冲多普勒雷达，将时域信号转为频域，实现：

速度测量（多普勒频移 \\( f_d = 2v\/\mbda \\)）。

距离门处理（提高信噪比）。

应用：机载雷达（如f22的an\/apg77）。

(b) 匹配滤波器（脉冲压缩）

最大化信噪比（snr），提升弱信号检测能力。

作用：

压缩长脉冲（如lfm chirp）为窄脉冲，提高分辨率。

抑制噪声和干扰。

(c) 相干积累

对多个脉冲回波进行相位对齐后叠加，提高信噪比。

效果：测距精度从10米提升至1米级。

(d) 卡尔曼滤波

动态跟踪目标轨迹，减少随机误差。

应用：导弹制导雷达、自动驾驶感知。

3. 现代雷达信号处理流程

1. adc采样：高速模数转换（如1 ghz采样率）。

2. 数字下变频（ddc）：将射频信号转为基带。

3. 脉冲压缩（如lfm）：提高距离分辨率。

4. fft多普勒处理：分离运动目标。

5. 恒虚警率检测（cfar）：自适应阈值抑制杂波。

6. 目标跟踪（kalman filter）：预测未来位置。