采用连续波雷达测距时,由于频率是周期性变化的,并不能判断收到的回波信号对应的是哪个发射信号,也就无法计算目标距离,即“产生了测距模糊”,此时

\(R = \frac{c}{2} (m T _r + t _R)\)

其中m为0或正整数,计算\(R\),需要首先确定m值。目前,仍不断有解模糊技术相关的论文发表,表明该领域的研究仍在持续优化和发展,这里仅介绍教科书中的多种重复频率法和“舍脉冲”法。

多种重复频率判定m值

  • 两种频率的情况

设重复频率分别为\(f _{r1}\)和\(f _{r2}\),\(f _{r1}\)和\(f _{r2}\)具有公约频率\(f _r\),

\(f _r = \frac{f _{r1} }{N} =\frac{f _{r2}}{N+a} \)

\(N\)和\(a\)为正整数,常选\(a=1\),使\(N\)和\(N+a\)互质。在这里,\(f _r\)与模糊距离直接相关。

发射机以\(f _{r1}\)和\(f _{r2}\)的重复频率交替发射脉冲信号,雷达将不同的\(f _r\)发射信号进行重合,重合后的输出是重复频率\(f _r\)的脉冲串。同时,接收机接收回波信号的脉冲串,二者之间的延时代表目标的真实距离,即有

\(t _R = t _1 + \frac{n _1}{f _{r1}} = t _2 + \frac{n _2}{f _{r2}}\)

  • 三种及三种以上频率的情况

如果采用更多重复频率,就可以获得更大的不模糊距离,在实际应用时通常需要用到中国余数定理(中国剩余定理、孙子定理)。

首先,回忆一下孙子定理:

“有物不知其数,三三数之剩二,五五数之剩三,七七数之剩二。问物几何?”

这是南北朝时期《孙子算经》中“物不知数”的问题。宋朝秦九韶于1247年《数书九章》卷一、二《大衍类》对该类问题做出了完整系统的解答。明朝程大位将解法编成了《孙子歌诀》:

“三人同行七十稀,五树梅花廿一支,七子团圆正半月,除百零五便得知。”

这就是“物不知数”问题(数论之一元线性同余方程组)的秦九韶解法。

\(x \equiv (k _1 x _1 + k _2 x _2 + k _3 x _3) mod (m _1 m _2 m _3)\)

这里,\(m _1\)、\(m _2\)、\(m _3\)是上述问题中的除数,即3、5、7,\(x _1\)、\(x _2\)、\(x _3\)是上述问题中的余数,即2、3、2,\(k _1\)、\(k _2\)、\(k _3\)都是常数,通过以下方法确定:

\(k _1 = b _1 m _2 m _3 mod(m _1) \equiv 1\) \(k _2 = m _1 b _2 m _3 mod(m _2) \equiv 1\) \(k _3 = m _1 m _2 b _3 mod(m _3) \equiv 1\)

这里\(b _1\)是一个最小的整数,使得\(b _1 m _2 m _3\)除以\(m _1\)所得余数为1,\(b _2\)、\(b _3\)与此类似。\( \equiv \)和\(mod\)都是数论里的符号,\(y \equiv a(mod m)\)表示a除以m余数为y,读作“y同余于a模m”或“y与a对模m同余”。

三人同行七十稀:

\(b _1 = 2\)时,\( 2 \times 5 \times 7 mod(3) \equiv 1 \),\(k _1 = 70\)

五树梅花廿一支:

\(b _2 = 1\)时,\( 3 \times 1 \times 7 mod(5) \equiv 1 \),\(k _1 = 21\)

七子团圆正半月:

\(b _3 = 1\)时,\( 3 \times 5 \times 1 mod(7) \equiv 1 \),\(k _1 = 15\)

除百零五便得知:

\(m _1 m _2 m _3 = 3 \times 5 \times 7 = 105\)

\(x \equiv (70 \times 2 + 21 \times 3 + 15 \times 2) mod (105) = 233 mod (105) \)

因此,\(x = 23\)。

大量雷达技术教科书上的例子是这样的:

\(R _c \equiv (C _1 A _1 + C _2 A _2 + C _3 A _3) mod (m _1 m _2 m _3) \)

\(R _c\)是目标真实距离(也称作不模糊距离)的单元数,即距离分辨单元,\(A _1\)、\(A _2\)、\(A _3\)是三种重复频率测量时的模糊距离,\(m _1\)、\(m _2\)、\(m _3\)是三个重复频率的比值,\(C _1\)、\(C _2\)、\(C _3\)是需要确定的常数,对应上文中的\(k _1\)、\(k _2\)、\(k _3\)。设\(m _1 =7\),\(m _2 =8\),\(m _3 =9\),\(A _1 =3\)、\(A _2 =5\)、\(A _3 =7\),按照上文的计算过程,即可得到\(R _c =493\),不模糊距离为

\(R = R _c \frac{c \tau }{2} = \frac{493}{2}c \tau \)

\(\tau \)为距离分辨单元\(R _c\)所对应的时宽。

类似的,更多重复频率也可以应用中国余数定理判定不模糊距离。

“舍脉冲”判定m值

“舍脉冲”,就是每在发射M个脉冲中舍弃一个,作为发射脉冲串的附加标志。如图所示, 发射脉冲从A1到AM, 其中A2不发射。与发射脉冲相对应, 接收到的回波脉冲串同样是每M个回波脉冲中缺少一个。只要从A2以后, 逐个累计发射脉冲数, 直到某一发射脉冲(在图中是AM-2)后没有回波脉冲(如图中缺B2)时停止计数, 则累计的数值就是回波跨越的重复周期数m。

采用“舍脉冲”法判模糊时, 每组脉冲数M应满足以下关系:

\(MT _r > m _{max} T _r + t _R’ \)

\(m _{max} \)是雷达需测量的最远目标所对应的跨周期数;\(t _R ‘\)的值在0~ \(T _r\)之间。