雷达测距方法
激光雷达的测距原理和分类
激光雷达的测距原理和分类激光雷达（Lidar）是一种利用激光技术进行测距的传感器。
它通过发射短脉冲的激光束并测量其返回的时间来确定与目标物体之间的距离。
激光雷达的测距原理可以简单地概括为“发射-接收-测量”三个步骤。
首先，激光雷达通过激光器发射一束激光束。
这束激光束会以非常高的速度传播，在空气中传播非常迅速，并且具有较强的方向性。
然后，激光束会照射到目标物体上并被其反射。
激光束照射到目标物体上后，一部分激光能量会被目标物体吸收，一部分激光能量会被目标物体散射。
最后，激光雷达通过接收器接收反射回来的激光束。
接收器会测量从发射到接收的时间间隔，并通过乘以光速即可得到目标物体与激光雷达之间的距离。
由于激光雷达的测距原理是基于光速的，因此它具有非常高的测量精度和准确性。
同时，激光雷达具有很强的方向性，可以很精确地测量目标物体的位置。
根据激光雷达的不同工作原理和应用场景，可以将其分为多种不同类型：1. 旋转式激光雷达：旋转式激光雷达通过激光束的旋转来扫描周围环境，从而获取目标物体的三维位置信息。
它通常由激光器、旋转系统和接收器组成。
旋转式激光雷达常用于机器人导航、无人驾驶车辆和地图制作等领域。
2. 直接探测式激光雷达：直接探测式激光雷达直接测量激光束在空气中的传播时间，从而计算出与目标物体的距离。
它通常由激光器、接收器和时间测量单元组成。
直接探测式激光雷达适用于短距离测量和工业领域的应用，例如材料测量和建筑测量。
3. 调频连续波激光雷达：调频连续波激光雷达使用连续调制的激光束来测量目标物体与激光雷达之间的距离。
它通常由激光器、调制器和接收器组成。
调频连续波激光雷达特点是测量速度快、精度高，适用于测量移动目标和空气动力学研究等领域。
4. 闪光式激光雷达：闪光式激光雷达通过短脉冲激光束和高速快门相机的组合来测量目标物体的距离和形状。
它通过捕捉激光在目标物体上的反射图像，并利用图像处理算法来分析目标物体的位置和形状。
三角法激光雷达测距原理
三角法激光雷达测距原理
三角法激光雷达是一种基于光学测量原理的仪器，主要用于测量远距离、高精度的距离和速度。
三角法激光雷达测距原理基于光学三角法，利用激光束在空气中传播
时的光程差测量物体距离。
激光束从雷达发射器出射，射到目标物体
后反射回来，雷达接收器接收到反射回来的激光信号。
根据激光信号
的时间差和速度，通过计算反射光程差，即可精确测量目标物体的距离。
激光雷达通常采用波长在850 nm到1550 nm之间的激光，具有较好的直线传输和小的散焦率，可用于长距离测量和高精度测量。
同时，
三角法激光雷达还可以通过接收器接收多束激光信号，利用多普勒效
应测量目标物体的速度。
三角法激光雷达在工业、军事、环境监测等领域有着广泛的应用。
在
工业领域，它可以用于测量复杂构型或难以触及的物体的精准距离和
形状，可用于制造、质量控制、机器人自主导航等方面；在军事领域，激光雷达可用于侦察、监视、导航等方面；在环境监测方面，它可以
用于测量山区、林区等地形复杂的地区的气象、地质和生态信息等。
总的来说，三角法激光雷达测距原理是一种非常精准和实用的测量技术，它已经被广泛应用于各个领域，并对人们的生产和生活带来了很大的便利。
雷达探测距离公式
雷达探测距离公式雷达是一种利用电磁波进行探测和测量的设备。
它通过发射脉冲电磁波，并接收反射回来的信号来确定目标物体的位置和距离。
雷达探测距离主要依靠雷达方程来计算，该方程是雷达系统设计中的重要基础。
雷达探测距离公式是通过计算信号的传播时间和信号的速度来确定目标物体与雷达的距离。
具体而言，雷达探测距离公式可以表示为：距离 = 传播时间 × 速度其中，传播时间是指从雷达发送信号到接收到反射信号所经过的时间，速度是指信号在空间中传播的速度。
对于雷达系统来说，传播时间是通过衡量信号的往返时间来确定的。
当雷达发送一个脉冲信号时，它会等待信号被目标物体反射并返回。
通过测量信号的往返时间，可以计算出传播时间。
在雷达系统中，速度通常指的是信号在真空中的传播速度，即光速。
光速约为每秒299,792,458米。
然而，在不同介质中，信号的传播速度可能会有所不同。
因此，在实际应用中，需要根据介质的特性来确定信号的实际传播速度。
雷达系统设计中的一个关键因素是脉冲宽度。
脉冲宽度是指雷达发送的脉冲信号的持续时间。
脉冲宽度越短，可以提供更高的距离分辨率，但同时也会减少雷达的探测距离。
这是因为脉冲宽度的减小会导致传播时间的减小，从而影响到距离的计算。
雷达探测距离还受到其他因素的影响，如信号的功率、目标物体的反射特性、地形和气候条件等。
这些因素都会对信号的传播和接收产生影响，进而影响到雷达探测距离的计算。
雷达探测距离公式是通过计算传播时间和信号速度来确定目标物体与雷达的距离。
在实际应用中，需要考虑多种因素，如脉冲宽度、信号功率、反射特性等，以获得准确的距离测量结果。
雷达技术的发展使得探测距离越来越远，应用范围也越来越广泛，为人类提供了更多的便利和安全保障。
雷达技术 第六章 目标距离的测量21-22
6
6.1 脉冲法测距
6.1.1 基本原理
lp l
R=CtR /2 R=0.15tR ，R（km） tR （us）
发射 脉冲
近区地 物回波
目标回波
0 10 20 30 40 50 60 70 km 机械距离刻度标 尺
思考问题：
用脉冲的哪里来作为 回波到达时刻? 有何区别？ 回波前沿 回波中心
7
图6.2 显示器荧光屏画面
Δc为电波传播速度平均值的误差; ΔtR为测量目标回波延迟时间的误差。
11
6.1 脉冲法测距
（1）电波传播速度变化产生的误差 估算传播速度变化引起的误差
R c R c tR c 2
R
R
c
c
表6.1 电波传播速度
12
6.1 脉冲法测距
（2）时间差测量误差
R c R c tR c 2
25
6.1 脉冲法测距
?
用多重复频率测距
办法可以从我国的余数定理中找到
魔术师背对观众坐在一张椅子上，让某位观众心中 随意想定一个不超过500的数， 然后用7去除这个数并报出余数； 然后再用8去除原来想定的数并报出余数； 然后再用9去除并报出余数； 这样魔术师就知道到底这个观众心里想的数是多少。 -如余数分别为1，5，8，答案是多少？ 197 -如余数分别为3，5，7，答案是多少？ 493 26
31
6.2 调频法测距
当反射回波来自运动目标, 其距离为 R0而径向
速度为 v 时, 其回波频率 fr 为
4f fr f0 fd Tm 8f fb ft f r Tm c 8f fb f r ft Tm c
平均 频率差
雷达测距原理和脉冲法测距资料全
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现代级：136-139 中华现代：168-169 中华神盾：170-171
俄制MINERAL-ME 目标指示/射控雷达 (Bandstand音乐台)
——利用大气波导
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雷达测距的实现方法
物理解释：
一般地说单载频的连续波雷达没有测距能力，这与其发射信号带宽 太窄有关。若必须测量距离，则需要在连续波发射信号上加上某些定时 标志以识别发射的时间和回波时间。标志越尖锐、鲜明，则传输时间的 测量越准确。由傅立叶变换知：定时标志越尖锐，则发射信号的频谱越 宽。因此为了测量传输时间或距离，则必须扩展单载频连续波的频谱。
Tr
峰值功率Pt与平均功率Pav —— P av
Pt Tr
典型中程防空雷达参数： 1s, Tr 1ms, Pt 1MW， 则占空比为1 1000，P av 1KW
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1、距离分辨力：距离分辨力是指同一方向上两个大小相等点目标之间最小可区分 距离，它取决于雷达信号波形。
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2、测距范围：包括最小可测距离和最大单值测距范围。
最小可测距离——指雷达能测量的最近目标的距离。脉冲雷达收发共用天线，在 发射脉冲宽度时间内，接收机和天线馈线系统间是断开的，不能正常接收目标 回波。发射脉冲过去后天线收发开关恢复到接收状态，也需要一段时间t0。在上述 这段时间内，由于不能正常接收回波信号，雷达是很难进行测距的。因此，雷达 的最小可测距离为：
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4、微波超视距雷达
利用海面蒸发形成的大气波导(大气超折射和对流层非均匀散射)传播 效应是此系统在微波段实现超视距探测的基础，分别对应主动、被动工作 方式。 详细分析：见《电磁波传播特性》章节。
雷达原理-第6章目标距离的测量
④
u
u
t
c
t
⑤
⑧
u
后波门 ⑤
后选通 ⑦
积分 电路
⑥
t′
c
t
t
形成 电路
放大 器
Ⅱ
u
⑦ u
t
⑧
注意：比较电路是否一直 u
t
有输出？
⑨ u
t
⑩
t
(a )
(b )
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(a) 组成方框图; (b) 各点波形
2. 控制器
控制器的作用是把误差信号uε进行加工变换后, 将其输出去控制跟踪波门移动, 即改变时延t′, 使其 朝减小uε的方向运动。设控制器的输出是电压信 号E, 则其输入和输出之间可用下述通常函数关系 表示:
脉冲调频测距原理 (a) 原理性方框图组成;
f
FA F
F T
td T A
o
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FA
fd
td
2vr
2 R0 c
FB
fd
td
2vr
2 R0 c
fd
FC
fd
2vr
FB
FC
T
T
B
C
t
(b)
脉冲调频测距原理 (b) 信号频率调制规律;
6.3 距离跟踪原理
6.3.1 人工距离跟踪 操作员按照显示器上的画面，将电刻
fb
ft
fr
8f Tm c
R0
fd
fb
fr
ft
8f Tm c
R0
fd
(前半周正向调频范围) (后半周负向调频范围)
R0
c 8f
fb fb 2fm
雷达测距原理
雷达测距原理雷达（Radar）是一种利用无线电波进行探测和测距的技术，它在军事、航空、气象等领域有着广泛的应用。
雷达测距原理是指雷达系统利用发射和接收无线电波的时间差来计算目标距离的基本原理。
下面我们将介绍雷达测距的原理和相关知识。
首先，雷达测距的基本原理是利用无线电波在空气中的传播速度来计算目标距离。
无线电波在空气中传播的速度约为光速的3/4，即每秒约为3×10^8米。
雷达系统通过发射无线电波并接收目标反射回来的信号，然后利用发射和接收的时间差来计算目标距离。
其次，雷达测距的原理是利用无线电波的“发射-接收-回波”过程。
雷达系统首先发射一束无线电波，这些波在空间中传播并遇到目标后被反射回来，形成回波。
雷达系统接收到这些回波并计算发射和接收的时间差，然后根据时间差和无线电波传播速度来计算目标距离。
此外，雷达测距原理还涉及到了雷达系统的工作模式和信号处理。
雷达系统通常采用脉冲式工作模式，即通过间隔一定时间发射短脉冲的无线电波，并在每次发射后等待接收回波。
雷达系统接收到回波后，利用信号处理技术来提取目标信息，并计算目标距离。
最后，雷达测距原理还需要考虑到误差和精度的问题。
由于无线电波在空间传播的速度受到环境条件和天气影响，因此雷达系统在测距时需要考虑这些因素对测距精度的影响，并进行相应的校正和修正。
总的来说，雷达测距原理是利用无线电波的发射、传播和接收来计算目标距离的基本原理。
通过了解雷达测距的原理，我们可以更好地理解雷达技术的工作原理，以及在实际应用中如何提高测距的精度和准确性。
雷达技术的不断发展和应用将为各个领域带来更多的便利和安全保障。
机器人技术中视觉测距的使用方法
机器人技术中视觉测距的使用方法机器人技术的快速发展为我们的生活和工作带来了许多便利。
其中，视觉测距技术在机器人的应用中起着至关重要的作用。
视觉测距技术通过利用摄像头或激光雷达等设备，测量机器人与周围环境物体的距离，从而实现机器人的定位、导航和避障等功能。
本文将介绍机器人技术中视觉测距的使用方法，并探讨其在不同领域的应用。
一、摄像头测距方法：1.单目摄像头测距方法：单目摄像头测距方法是最常见的一种技术。
通过在机器人上安装一个摄像头，利用图像处理算法提取图像中的特征点，然后通过三角测量原理计算出机器人与目标物体之间的距离。
2.双目摄像头测距方法：双目摄像头测距是一种相对精确的测距方法。
它通过在机器人上安装两个摄像头，利用左右两个摄像头拍摄到的图像进行匹配，从而得到物体在图像中的视差值，再通过已知的参数关系计算出距离。
二、激光雷达测距方法：激光雷达是一种高精度的测距装置，其原理是利用激光束发射器发射激光束，当激光束与目标物体相遇时，激光会反射回接收器。
通过计算激光发射与接收之间的时间差，并结合已知的光速，可以计算出目标物体与机器人之间的距离。
三、视觉测距的应用领域：1.智能驾驶：视觉测距技术在无人驾驶领域具有广泛的应用。
通过摄像头或激光雷达等设备实时测量汽车与前方车辆的距离，可以帮助车辆进行智能的停车、避障以及自动跟车等功能，提高行驶安全性。
2.工业自动化：在工业领域中，机器人可以利用视觉测距技术对产品进行精确的定位和测量。
例如，在流水线上，机器人可以通过摄像头或激光雷达对产品的位置进行检测和校准，从而实现自动化生产。
3.医疗辅助：机器人在医疗领域的应用也离不开视觉测距技术。
例如，在手术过程中，机器人可以通过摄像头进行显微镜视觉测距，帮助医生实现精确的手术操作，提高手术的成功率和安全性。
4.智能家居：随着智能家居的发展，家庭机器人的需求越来越大。
视觉测距技术可以帮助家庭机器人实现室内导航、物品辨识和避障等功能。
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设脉冲重复频率分别为fr1和fr2 (fr2>fr1)，它们都不满足无模 糊测距的要求，fr1和fr2具有公约频率为fr=fr1/N=fr2/(N+a)，其 中N, a为正整数。 常选a=1使N和N+a为互质数，且fr的选择应保证无模糊测 距，即0<tR<Tr=N*Tr1=(N+1)*Tr2。这样有 fr2=(N+1)fr=fr1+fr tR=t1+n1/fr1=t2+n2/fr2 则在0<tR<Tr范围内，n1和n2关系只可能有两种可能： n2=n1、n2=n1+1 根据获得的t1, t2值大小，可据下式计算tR及目标距离R=c*tR/2
双脉冲重复频率解模糊
t1<t2, n1=n2=1, tr=4t2-3t1
t1 t 2 n1 2 3 n2 f r1 f r 2 fr 3 4 t 2 f r 2 t1 f r1 1 tr f r 2 f r1 4t 2 3t1 Tr
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脉冲雷达的天线是收发共用的，这需要一个收发转换开关。在发射时，收 发开关使天线与发射机接通，并与接收机断开，以免高功率的发射信号进 入接收机把高放或混频器烧毁。接收时，天线与接收机接通，并与发射机 断开，以免因发射机旁路而使微弱的接收信号受损失。
T1、T2：雷达系统探测脉冲的重复周期。Np1、Np2分别为周期取T1、 T2时所对应的积累脉冲数。
RT 发射天线Tx
对双基地雷达，计算RT+RR有两种方法：
直接法：
间接法：
单基地：R=cT/2
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对双基地雷达，具体计算RT或RR需要目标角度信息，如利用 目标的接收视线角，则计算公式为：
还有其他多种目标定位方法，具体可参考：
M.I. Skolnik, Radar Handbook: Ch25 Bistatic Radar, 2nd edition, McGraw-Hill, 1990
1、大气密度、温度、湿度等参数随时间、 地点而变化，导致大气传播介质的导磁 系数和介电常数发生相应改变，引起电 波传播速度c变化。
昼夜间大气中温度、气压及湿度的起伏 变化所引起的传播速度变化为：
c c 105
丁鹭飞，雷达原理，西电出版社，1995
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——利用大气波导
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雷达测距的实现方法
物理解释：
一般地说单载频的连续波雷达没有测距能力，这与其发射信号带宽 太窄有关。若必须测量距离，则需要在连续波发射信号上加上某些定时 标志以识别发射的时间和回波时间。标志越尖锐、鲜明，则传输时间的 测量越准确。由傅立叶变换知：定时标志越尖锐，则发射信号的频谱越 宽。因此为了测量传输时间或距离，则必须扩展单载频连续波的频谱。
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10Leabharlann 017/12/30哈尔滨工业大学电子工程系
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微波超视距雷达
利用海上大气波导(大气超折射和对流层非均匀散射)传播效应是此系 统在微波段实现超视距探测的基础，分别对应主动、被动工作方式。
dn/dh比正常值更负时， 电波更加向地面弯曲。
详细分析：见《电磁波传播特性》章节。
如果雷达重复频率 f r 1 Tr 选得过高(如在脉冲多普勒雷达中为了保证无 测速模糊)，测距有可能出现多值性。此时无模糊测距、无模糊测速又成 为一对矛盾(MTI 、PD雷达各有侧重点)。 测距模糊解释及示意图如下：
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脉冲法测距的优缺点
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脉冲雷达
常规脉冲雷达是幅度调制的一个例子，其发射波形是单载频的矩形脉冲 ，按一定的(单重复周期)或交错的重复周期(参差重复周期)工作，发射一 个短脉冲相当于对电磁波打上标记以测往返时间。
单载频信号
B.R. Mahafza et al, Matlab simulations for radar systems design, Chapman & Hall/CRC, 2004
蓝虚线 黑虚线 红虚线
t1 t 2时, n2 n1 1 t t 2 f r 2 t1 f r1 R f r 2 f r1
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t1 t 2时, n2 n1 1 t t 2 f r 2 t1 f r1 1 R f r 2 f r1
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地基/舰载雷达实现超视距探测的主要手段有： 高频地波超视距雷达High Frequency Surface Wave OTH Radar 高频地波超视距雷达正是利用高频(3~30MHz)垂直极化电磁波沿海面 绕射的特性探测超视距的海面舰船和低空飞机，沿海面绕射300~400km。
脉冲重复频率PRF (Pulse Repetition Frequency) ——f r 1 Tr
Tr
峰值功率Pt与平均功率Pav —— P av
Pt Tr
典型中程防空雷达参数： 1s, Tr 1ms, Pt 1MW， 则占空比为1 1000，P av 1KW
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雷达测距原理
测量电磁波往返雷达与目标之间的时间。 对单基地雷达，设光速为c，电磁波往返雷达与目标的时间 为TR，则目标相对雷达的距离R为：
cT R R 2
据上述公式可得1微秒(μs)对应150米(m)，式中数字2表示收 发双程。
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目标 RR 接收天线Rx
最小可测距离——指雷达能测量的最近目标的距离。脉冲雷达收发共用天线，在 发射脉冲宽度时间内，接收机和天线馈线系统间是断开的，不能正常接收目标 回波。发射脉冲过去后天线收发开关恢复到接收状态，也需要一段时间t0。在上述 这段时间内，由于不能正常接收回波信号，雷达是很难进行测距的。因此，雷达 的最小可测距离为：
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雷达测距的物理基础
电磁波恒光速传播 电磁波直线传播(直视距情形)
在均匀大气中电磁波等速直线传播。
沿海面绕射传播(超视距情形)
特殊条件下电磁波沿海面、大气波导曲线传播。
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地球大气层
地球表面的大气层分布是不均匀的。
Rmin
1 c( t 0 ) 2
雷达的最大单值测距范围由其脉冲重复周期决定，即
1 Tr 1 Rmax c(Tr ) Rmax cTr 2 2 当确定了雷达的最大作用距离 Rmax 后，为保证单值测距，通常选取雷达脉冲重复
周期满足下列条件：
2 Tr Rmax c
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雷达测距解模糊的方法
1 R c(mTr t R ) 2
为了得到目标的真实距离R，必须判定测距模糊值m。为了判 别模糊，必须对周期发射的脉冲信号再加上某些可识别的标 志，通常采用的解模糊方法有： 多种脉冲重复频率法
舍脉冲法
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n1=n2=0, tr=t1=t2
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测距模糊：当回波延迟超过脉冲重复周期时，会把远目标误认为近目标， 即目标回波对应的距离为：
t R 为接收的回波信号与最邻近发射脉冲间的延迟。 式中 m 为非负整数，
1 R c(mTr t R ) 2
t0 t R Tr
折射效应对目标位置的影响 电磁波在非均匀大气层中传播时出现的大气折射，将有两方面影响： 1)、改变雷达测量距离，产生测距误差。 2)、引起俯仰角测量误差。 折射的影响可采用等效地球半径法近似说明。《现代雷达原理》P60
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电磁波沿海面的绕射传播
高频地波超视距雷达正是利用高频垂直极化电磁波沿海面绕射的特 性探测超视距的海面舰船和低空飞机。
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美国Raytheon公司高频地波雷达 SWR-503的接收天线阵
澳大利亚Jindaleee 高频天波雷达接收 天线阵
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现代级：136-139 中华现代：168-169 中华神盾：170-171
俄制MINERAL-ME 目标指示/射控雷达 (Bandstand音乐台)
TBMs Out to 700Km
Horizon
Line-of-Sight Propagation
Surface wave Propagation
Antiship Missiles Detection and Fighter and Small Boat Tracking at 37Km Detection and Tracking at 74Km Ship Detection and Tracking at 200Km
2、大气介质分布的不均匀将造成电磁波非直线传播(大气折射)。 折射系数n=c/vp
折射率N=(n-1)x10
h↑—n↓—vp↑ dn/dh<0
分层大气(层内均 匀，越高越稀薄)
射线通过径向分层大气时的途径 [美]杰里L. 伊伏斯等编，现代雷达原理，电子工业出版社，1991.3