脉冲法测距的分辨率要达到距离精度1m以下,脉冲宽度必须小于6.67ns,即使采用脉冲压缩,精度要做到厘米级也相当困难,而且脉冲压缩需要增大接收机带宽,降低了接收灵敏度。因此,对于较精确的距离测量,一般都采用调频测距的方法。调频法测距既可以用在连续波雷达中,也可以用于脉冲雷达,本文介绍三角调频连续波测距的原理。

原理

三角调频连续波测距

将频率按周期性三角变化规律的信号通过天线发射,其平均频率为\(f _0\),频率变化的周期为\(T _m\),最大频偏为\(\Delta f\)。实际应用中,\(f _0\)通常为数百兆赫到数千兆赫,\(T _m\)为百分之一秒。将t时刻的发射频率记作\(f _t\),则有

该三角调频信号遇到目标后产生回波,回波信号通过天线返回到接收机。回波频率和发射频率的变化规律相同,但在时间上滞后,滞后的时间与雷达和目标的距离有关,将雷达和目标的距离记作\(R\),则滞后时间\(t _R = \frac{2R}{c}\)。将回波频率记作\(f _r\),可知

发射频率和回波频率间的差拍频率\(f _b\)为

由此可得到目标距离为

\(f _m = \frac{1}{T _m}\),是三角调频的频率(不是发射信号的频率)。

测量发射信号与回波信号的差频\(f _b\),即可计算目标距离,这就是三角调频连续波测距的原理。

运动目标

当检测运动目标时,需要考虑多普勒频移\(f _d\):

上式中的正负号分别表示调频三角的正、负斜率段。

这种情况下,差频为

因此,目标的距离为

同时,目标运动的径向速度\(v _r\)为

分别测出\(f _{b+}\)和\(f _{b-}\),就可以计算目标距离和径向速度。

误差

由于频率计数只能读出整数值,因此这种方法会产生固定误差 \(\Delta R\):

\(\frac{\Delta f _b}{f _m}\)表示在一个调制周期 \(\frac{1}{f _m}\)内差频的误差,当频率测读量化误差为1次,即\(\frac{\Delta f _b}{f _m}=1\)时,有

可见,固定误差 \(\Delta R\)与频偏量 \(\Delta f\)成反比,而与距离 \(R\)、工作频率 \(f _0\)都无关。为减小固定误差,通常将\(\Delta f\)提高到数十兆赫以上。