机载监视系统：2-2机载气象雷达 - 测距测角MTI

1、Airborne Weather Radar(WXR) Con3：Ranging,Azimuth measurement,MTIOutlines 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 Indication MTI利用多普勒频率（回波相位）测速5 湍流风切变检测 测量目标的距离是雷达的基本任务之一。目标距离测量就是要精确测定延迟时间tR。常用方法：脉冲法, 频率法和相位法。 Con3-1 Ranging脉冲

2、法测距 关键：测量发射的同步脉冲与目标回波脉冲间的时延 Con3-1 Ranging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。Con3-1 Ranging测距范围最大无模糊距离距离模糊m为正整数 Con3-1 Ranging 为了确定目标的空间位置, 雷达在大多数应用情况下, 不仅要测定目标的距离, 而且还要测定目标的方向, 即测定目标的角坐标, 其中包括目标的方位角和高低角(俯仰角)。 雷达测角的物理基础是电波在均匀介质中传播的直线性和雷达天线的方向性。 Con3-2 Azimuth measurement天线方向性 Con

3、3-2 Azimuth measurement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的方向图表示。(方位角，俯仰角)Con3-2 Azimuth measurement天线方向性 主瓣(mainlobe)：天线辐射最强方向所在的波瓣。主瓣宽度：主瓣半功率点间的夹角，记为 。副瓣（旁瓣, sidelobe）：主瓣以外的其余波瓣。副瓣电平：主向场强与副瓣中最大场强之比，以dB的形式表示。主瓣副瓣Con3-2 Azimuth measurement测角方法：相位法测角：利用多个天线所接收回波信号之间的相位差进行测角。振幅法测角：利用天线收到的回波信号幅度值进行角度测量，幅值的

4、变化规律取决天线方向图以及天线扫描方式。可分为最大信号法和等信号法两大类。Con3-2 Azimuth measurement相位法测角Con3-2 Azimuth measurement 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最大信号法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。Con3-2 Azimuth measurement最大信号法振幅法测角“量化”测角误差Con3-2 Azimuth measurement（单位r/min）优点：1）简单；2）用天线方向图的最大值方向测角, 此时回波最强, 故信噪比最大, 对检测发现目标是有利的。 缺点：1）

5、直接测量时测量精度不很高, 约为波束半功率宽度(0.5)的 20%左右。2）不能判别目标偏离波束轴线的方向, 故不能用于自动测角。振幅法测角最大信号法Con3-2 Azimuth measurement天线波束形状 扇形波束Con3-2 Azimuth measurement地面雷达机载雷达天线波束形状 针状波束（笔形波束）Con3-2 Azimuth measurement分行扫描螺旋扫描锯齿扫描Different types of radar beamsDifferent types of radar scanning天线波束的扫描方法 Phased Array Antennaselect

6、ronic scanning电扫描又可分为相位扫描法、频率扫描法、时间延迟法等。相位扫描法控制移相量改变阵元激励相位，改变波束指向。 Con3-2 Azimuth measurementPhased Array AntennasArray BeamformingControls for an N Element Array多普勒效应1842年，Christian Doppler在声学上发现，1930年运用到电磁波范围,并随后在雷达中获得广泛应用。Con3-3 多普勒多普勒效应的应用测速：利用发射与接收信号的频率差，多普勒测速仪杂波抑制：地面、海面、 云雨等的回波对目标回波造成严重的干扰，但通常

7、其是固定或者缓慢运动的。成像：医学成像，彩超Con3-3 多普勒连续波 发射信号多普勒频率（频移）接收信号Con3-3 多普勒连续波目标固定不动, 距离R为常数目标运动，多普勒频率Con3-3多普勒窄带信号多普勒频率Con3-3 多普勒当目标飞向雷达站时, 多普勒频率为正值, 接收信号频率高于发射信号频率, 而当目标背离雷达站飞行时, 多普勒频率为负值, 接收信号频率低于发射信号频率。 多普勒频率多普勒频率Con3-3 多普勒径向速度引起多普勒频移的是雷达和目标连线方向的径向速度。 多普勒频率Con3-3 多普勒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很小的 。多普勒频率的提取需要获

8、得发射和接收频率间的频差 。Con3-3 多普勒连续波多普勒雷达相位检波器：提取接收和发射信号的相位差。 多普勒滤波器：取出所需要的多普勒频率。 Con3-3 多普勒多普勒信息提取固定目标运动目标脉冲多普勒雷达多普勒信息提取“蝴蝶效应”Con3-3 多普勒脉冲多普勒雷达多普勒信息提取Con3-3 多普勒脉冲多普勒雷达检波器的输出信号输出等幅脉冲输出幅度受调制的脉冲隔直多普勒信息提取Con3-3 多普勒Kd检波系数Uk基准电压脉冲多普勒雷达相位检波器输出波形多普勒信息提取Con3-3 多普勒盲速和频闪 盲速：虽然目标有一定的速度vr, 但相位检波器的输出为一串等幅脉冲, 与固定目标的回波相同，此

9、时的目标运动速度称为盲速。频闪：当脉冲工作状态时, 相位检波器输出端回波脉冲串的包络调制频率Fd, 与目标运动的径向速度vr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。原因：脉冲工作状态是对连续发射的取样，取样后波形和频谱均发生变化。 多普勒信息提取Con3-3多普勒多普勒信息提取盲速相邻周期的相位差盲速时相位差盲速Con3-3 多普勒fr脉冲重复频率Fd包络频率fd多普勒频率多普勒信息提取频闪和相位的周期性Con3-3 多普勒fd=nfr时, 无法区分运动目标与固定目标。 多普勒信息提取盲速和频闪 “盲速”的原因：频闪的原因:fd1=nfr-fd2fd1=nfr+fd2两目标

10、回波的频谱结构相同，无法区分。频闪不出现的条件：Con3-3 多普勒41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。动目标显示（MovingTargetIndicator:MTI）与动目标检测（MovingTargetDetection:MTD）就是使用各种滤波器，滤去这些背景产生的杂波而取出运动目标的回波。运动目标回波和杂波在频谱结构上有所差别，运动目标检测就是利用这种差别，从频率上将它们区分，以达到抑制杂波而显示目标回波的目的。为此，应首先弄清楚目标和杂波的回波的特性。在频域上应用MTI与MTD技术可以提高信杂比，改善杂波

11、背景下检测运动目标的能力。Con3-4 MTIMTI滤波器运动目标检测的任务就是根据运动目标回波和杂波在频谱上的区别，在频域抑制固定杂波而显示运动目标回波。Con3-4 MTIMTI滤波器杂波频谱特性“1”密林小山, 风速为200海里每小时, a=2.31017;“2”稀少的小树无风日, a=3.91019;“3”海浪回波, 有风, a=1.411016;“4”云雨, a=2.81015;“5”锡箔片, a=11016 。 Con3-4 MTI由于杂波谱线的展宽, 简单的一次对消滤波器将不能很好地滤去杂波, 需要进一步改进滤波器的特性。 特别是杂波具有多普勒频移时, 滤波器的凹口还应对准杂波谱

12、的平均多普勒频率位置才能收到预期结果。 关键：选用什么样的滤波特性？凹口位置凹口宽度凹口深度Con3-4 MTI典型的地杂波功率谱MTI滤波器一次相消器Con3-4 MTIMTI滤波器递归一次相消器Remark：加入反馈支路，凹口变窄，平坦范围加宽，但暂态响应较长。Con3-4 MTIMTI滤波器二次相消器Remark：通过改变K（ K =+2-2），改善滤波器的频谱特性。Con3-4 MTIMTI滤波器递归二次相消器Remark：反馈支路的加入，使得整个通带范围内响应较为平坦。Con3-4 MTIMTI滤波器多次相消梳状滤波器Remark：通过改变前馈和反馈系数来实现所需要的滤波特性，即得到

13、合适的凹口宽度并在速度范围内有较平坦的响应。Con3-4 MTI湍流的定义：发生在一定空域中的急速并且多变的运动气流。主要特征是在一个较小空域中的不同位置处，气流运动速度向量之间存在很大的差异，且变化急剧。机载气象雷达借助于它所夹带的雨粒对雷达波的反射特性而被检测的。由此可知，如果湍流没有夹带一定数量的雨滴，则在被气象雷达天线波束照射时是不能产生足够电平的回波而被有效检测的。(湿性湍流和晴空湍流)机载气象雷达是根据多普勒原理实现对湍流的检测的。当雷达波束照射到湍流区域时，湍流和所夹带的水粒形成雷达回波。由于湍流急速多变的运动特性，所形成的是一个偏离雷达发射频率且频谱宽度较宽的多普勒频谱，它与一

14、般降雨区所产生的反射回波的频率特性是明显不同的。Con5-1 湍流及其检测原理50多普勒效应的定义:当波源与观察点存在相对运动时，观察点所接收到的波的频率不同于波源的频率。由于雨粒本身的运动和飞机与该目标之间的相对运动，同样存在着多普勒效应。相对速度大的雨粒所产生的多普勒频移量较大，相对速度小的雨粒的多普勒频移量较小。湍流是根据湍流区域中微粒的速度偏差来定义的，它与微粒的绝对速度无关。湍流的速度偏差越大，湍流越强。根据速度偏差的大小，可把湍流分为轻度湍流、中度湍流和严重湍流。Con5-1 湍流及其检测原理5112 处雨位采样的平均速度都是15 m/s。但B区标准偏差等于14 m/s，A区标准偏

15、差等于8m/s。Con5-1 湍流及其检测原理52Con5-1 湍流及其检测原理湍流区域的整体移动速度决定fdm的位置，湍流内部的相对速度决定频谱宽度。相对速度偏差越大，多普勒频谱宽度越宽。53Con5-1 湍流及其检测原理多普勒频移与相对速度的偏差成正比，其关系为 式中fd为多普勒频移(Hz)，v为相对径向速度(m/s)，为信号波长(m)。目前机载气象雷达所定义的湍流门限5m/s,所对应的多普勒频带宽度为2x5/0.032=312.5(Hz)。（即-312.5312.5）门限检测与统计分析电路对各取样偏差进行湍流门限比较、平均处理和68%门限分析，以最终判定目标是否是湍流。54提高湍流检测方

16、式时发射脉冲的重复频率，达到了提高多普勒频谱测量精度的目的，但却限制了湍流检测的有效距离。为了避免产生二次回波，就必须把湍流检测的有效距离限制在56海里之内(实际选用50海里)。在雷达工作于湍流与降雨方式时，为了解决湍流检测与降雨检测的矛盾，雷达所发射的是8个脉冲为一组的复合脉神。利用每组中的1个来检测普通的降雨回波，另外7个则用于湍流检测。为了区分降雨回波和湍流回波，采用频率参差方案，降雨的射频频率为9334.8MHz，另外7个湍流检测脉冲使用9333.3MHz射频。Con5-1 湍流及其检测原理55当天线指向正前方时，天线波束的照射区域与天线的波束宽度成正比。当天线偏离0度方位时，由于飞机

17、的前进和天线指向角变化两方面因素，加宽了波束的宽度。为修正这一误差，在湍流检测中根据天线的扫略方位角和飞机速度采用可变湍流门限。Con5-1 湍流及其检测原理角速度误差与可变门限的产生56风切变定义：风切变是指气流在一个较小的距离内突然改变其方向(接近180度)或速度的大气状态。风切变可以发生在一个较大区域中的前锋系统，也可以发生在暴雨区域范围中的较小区域。风切变可以发生在没有云层的高度，这就是所谓的晴空湍流。对民用航空安全危害最大的是距离地面高度较低的下冲气流。下冲气流有两种类型，一种是宏下冲气流(marcoburst)，另一种是微下冲气流(microburst)，以2.5n mile(4k

18、m)为界进行区分。Con5-2 风切变检测原理57Con5-2 风切变检测原理58飞机遭遇微下冲气流时的危险来自于水平方向阵风的快速转换。风切变对飞行安全的危害程度，除与所产生的水平方向的阵风速度直接有关外，还与风速的垂直分量、飞机的真空速有关。风切变危害系数F可由下式表示，式中Wx相对于飞机水平飞行轨迹的风速水平分量；WH风速的垂直分量；g重力；v真空速(飞行器飞行时相对于周围空气运动的速度)。危害系数F越大，对飞机危害越大，NASA定义的门限为0.13。 Con5-2 风切变检测原理59风切变检测原理依据风切变区域所产生的雷达回波的多普勒频率偏移的频谱特征而实现前视风切变检测的。顶风一侧与

19、顺风一侧所产生的多普勒频谱沿时间轴(即距离轴)的差值，就是风切变区域直径的度量。Con5-2 风切变检测原理60Con5-2 风切变检测原理由于风切变对飞机的危害主要发生在飞机的起飞和着陆阶段，所以当飞机处于起飞和着陆阶段时，雷达是自动进入风切变检测方式的。雷达自动进入风切变检测的条件是:无线电高度小于701.04m(2300ft)，有的雷达为731.52m(2400ft)；飞机是在空中或在跑道上；飞机不在机库中；状态鉴定器有效。如果雷达接通电源后工作于STBY(准备)、MAP(地图)或TEST(测试)方式，且所选择的距离小于60n mile，则在雷达检测到风切变状态后，会自动转为WX+T(气

20、象与湍流)方式；如果所选择的距离大于60n mile. 则自动转为WX(气象)方式，显示气象和风切变图像。在飞机到达或高于731.5 2m(2400ft)时，雷达自动退出风切变检测方式。61平面覆盖范围：各种前视风切变检测雷达的有效检距离均为5n mile。风切变检测的方位覆盖范围为+-30度，(RDR-4B 雷达为+-25度) 。在飞机处于起飞滑跑阶段时，发出相应的咨询、告诫或警告信息的横向范围仍为士0.25n mile. 但警告的纵向范围扩展为3n mile. 与飞机在空中时略有不同。Con5-2 风切变检测原理62高度覆盖范围：前视风切变检测雷达的高度检测范围为15 .24365.76m(50-1200ft)，并且可自动启动风切变检测功能，以充分保证对危险的低空风切变区域的有效检测。Con5-4 风切变检测雷达的工作方式与信号格式63Con5-2 风切变检测原理64复合脉冲重复频率体制:雷达的脉冲重复频率及其组合体制，是由收发机中