连续波雷达自跟踪动目标模拟器原理与实现
fmcw 雷达原理
fmcw 雷达原理FMCW雷达原理FMCW（Frequency Modulated Continuous Wave）雷达是一种基于频率调制连续波的雷达技术。
它通过调制发射信号的频率，并测量回波信号的频率差来实现目标检测与距离测量。
FMCW雷达在民用和军用领域都有广泛的应用，例如气象雷达、车载雷达和航空雷达等。
FMCW雷达的工作原理是通过连续地发射和接收调制频率的信号，并分析回波信号的频率差来获取目标的距离和速度信息。
具体来说，FMCW雷达发射一种连续而带有频率调制的信号。
这个信号的频率会连续地改变，通常是线性地增加或减少。
当这个信号发射并传播到目标物体后，部分信号会被目标反射回来。
接收器会接收到这些回波信号，并与发射信号进行比较。
由于目标物体的运动会导致回波信号的频率发生变化，所以回波信号的频率差可以用来计算目标物体的距离和速度。
根据多普勒效应，当目标靠近雷达时，回波信号的频率会增加；当目标远离雷达时，回波信号的频率会减小。
通过测量回波信号的频率差，可以确定目标物体与雷达之间的距离和速度信息。
FMCW雷达相比传统的脉冲雷达具有许多优势。
首先，FMCW雷达可以提供连续的测量结果，而脉冲雷达只能提供离散的测量点。
这使得FMCW雷达在目标跟踪和运动检测方面更加精确和灵活。
其次，FMCW雷达的脉冲宽度可以非常短，因此它具有更高的分辨率和精度。
此外，FMCW雷达还可以通过改变调制信号的带宽来调整测量距离和速度的范围。
FMCW雷达的应用非常广泛。
在气象雷达中，FMCW技术可以用于测量降水的强度和位置，从而提供天气预报和水文预警等重要信息。
在车载雷达中，FMCW雷达可以用于自动驾驶系统中的障碍物检测和跟踪。
在航空雷达中，FMCW雷达可以用于飞行控制和目标识别。
尽管FMCW雷达具有许多优点，但也存在一些挑战和限制。
首先，FMCW雷达受到多径效应的影响，即回波信号可能经过不同路径到达接收器，导致测量误差。
其次，FMCW雷达的信号处理和数据分析需要较高的计算能力和复杂的算法。
连续超声波位置跟踪器的设计原理及其在虚拟现实系统中的应用实现
位置跟踪器是虚拟现实和其它人机实时交互系统中最重要的输入设备之一，它实时地测量用户身体或其局部的位置和方向并作为用户的输入信息传递给虚拟现实系统的主控计算机，从而根据用户当前的视点信息刷新虚拟场景的显示.基于连续调幅超声波相位差相干测距方法实现快速、高分辨率的动/静态方法测量的原理，本文着重阐述了以连续超声波相位差相干测量法实现三维动态位置测量的原理、系统设计、实验结果，并利用上述跟踪器研究了具有三维实时交互控制能力的虚拟现实系统样机.关键词:位置跟踪器；超声波测距器；虚拟现实系统；虚拟场景Design of Position Tracker Using Continuous Ultrasonic Wave and Its Application in Virtual RealityHUA Hong,WANG Yong-tian,CHANG Hong(Dept.of Opto-Electronics Engineering,Beijing Institute of Technology,P.O.Box 327,Beijing 100081,China)Abstract:Position tracker is one of the most critical input devices for human-machine i nterface utilities in virtual reality and other human-machine interaction systems.It determine s the position and orientation of an object of interest (such as the user's head) and passes the information to the host computer in real time,which redraws the virtual world on the basis of the current visual point of the user.A dynamic position tracker based on continu ous amplitude-modulated ultrasonic wave is developed by means of the interferometric tech niques.Its principles,technical implementation and experimental results are discussed.A proto type virtual reality system using the ultrasonic position tracker as an input device is also constructed and presented in the paper.Key words:position tracker;ultrasonic rangefinder;virtual reality system;virtual world一、引言灵境技术，又称“虚拟现实”(Virtual Reality,简称VR)，是80年代在美国等科技先进国家发展起来的一项新技术，是以浸没感、交互性和构想为基本特征的高级人机界面，它综合计算机仿真技术、图像处理与模式识别技术、智能接口技术、人工智能技术、多媒体技术、计算机网络技术、并行处理技术和多传感器等电子技术模拟人的视觉、听觉、触觉等感官功能，使人能够沉浸在计算机创造的虚拟场景中，并能够通过多种感官渠道与虚拟世界的多维化信息环境进行实时交互［1］.从广义上讲，虚拟现实系统由虚拟场景发生器、输入设备和输出设备组成.用于VR系统的输入设备分为两大类：交互设备和方位跟踪设备.交互设备使得用户在虚拟境界中漫游时能操纵虚拟物体，而方位跟踪设备可以实时地测量并跟踪用户身体或其局部的物理位置和方向，使得他能够在虚拟境界中漫游［1］.由此可见方位跟踪设备是创建虚拟现实系统的硬件基础.在VR技术中，目前有机电式、电磁式、声学式、光电式和惯性式五种常用的方位跟踪器［2］，其中以Polhemus Inc.和Asension Technology Corporation两家公司的电磁跟踪器和Logitech公司的超声波跟踪器最为著名，但这些产品不仅价格昂贵，而且存在着一些明显不足之处.例如电磁跟踪器对应用环境的电磁特性有苛刻的要求.Logitech的超声波跟踪器克服了电磁跟踪器的上述缺点，但它采用的T.O.F(Time of Flight)方法［3］虽然具有原理简单、易于实现的优点，但方位刷新频率受到脉冲传播时间的限制，在有六个测量通道、2m测量范围的条件下，方位刷新频率仅为二十几Hz,这样的刷新频率不能满足虚拟现实头盔显示器系统中对方位跟踪器的要求，另外，多通道的距离数据非同步获取，在目标连续运动的情况下，必然给测量结果带来较大误差［4，5］.为了克服T.O.F方法的缺点，本文利用连续超声波相位差测距原理实现多通道同步测量，刷新频率不再受声波传播时间的制约，多通道测量结果是同步相干数据，能够实现快速、高分辨率的动/静态方位测量.再结合声学式跟踪器具有干扰源少、测量精度较高以及研制成本低等突出优点，因而在虚拟现实系统(如头盔显示器、数据手套)、机器人技术、武器系统、人机交互设备(如3D鼠标)等领域具有广泛的应用前景.二、跟踪器原理1.位置测量原理根据刚体动力学的分析［6］，能够用运动物体上参考点的坐标表示该物体的位置坐标，并通过测量该参考点到空间三个静止的非共线点之间的距离唯一确定.设在静止参考坐标系Cξηζ中，T是运动物体上的参考点，其位置坐标用T(Tξ,Tη,Tζ)表示，R1、R2和R3是分布在边长为2a的等边三角形顶点处的三个非共线固定点，它们与参考坐标系的关系如图1所示，等边三角形的重心与原点C重合，三角形所在平面与Cζ轴垂直，CR1与Cη轴重合，R2R3与Cξ轴平行，它们的空间坐标依次为R1(0,2a/3,0)、R2(-a,-a/3,0)和R3(a,-a/3,0).图1参考点的分布示意图设点T到R1、R2和R3三点的距离分别为L1、L2和L3，如图1所示，则可列出以下方程组：(1)求得T的位置坐标为：(2)由此可以推知，当在T点固定超声波发射器，在R1、R2和R3处分别固定超声波接收器，根据发射信号与接收信号之间的相位关系分别测量三个接收器和发射器之间的距离［7，8］，将测量所得到的距离和接收器的分布参数代入式(2)即可求出发射器的三维位置坐标，即运动物体的位置坐标.由于超声波测距系统的快速响应特征，通过一定采样频率的连续测量即可实现运动物体位置坐标的快速动态测量.2.接收器分布边长2a的设计原理根据前面的位置测量原理分析，接收器的分布边长2a是一个至关重要的设计参数，在其它系统参数相同的情况下，它直接影响到坐标分辨率和测量误差的大小.分析表明，分布边长2a与测距单元的测量范围、测量精度、传感器的发散锥角等物理参数以及用户对坐标测量系统的测量范围、分辨率和精度的要求密切相关，设换能器的发散角为α，测距单元的距离测量范围为要求发射器最大测量高度满足hmax H，坐标分辨率满足误差满足，则2a应该分别满足式(3)～(6)(3)(4)2a2dLmax/ε(5)2a dLmax/δ(6)3.测距原理在充分权衡传统T.O.F方法、相位差法和多普勒频移法的优缺点的基础上，本文提出了一种新的测距方案：用一个音频信号TM调制超声载波TU，由超声波换能器发射振幅被调制的连续式超声波.接收器的输出信号经过解调后得到调制信号RM，接收调制信号RM与发射调制信号TM之间的相位差ΔΦM正比于发射器到接收器之间的距离L.只要调制信号的频率足够低，使得它的波长大于最大测距范围，相位差ΔΦM就一定小于2π.利用数字鉴相器测量ΔΦM，设声音在空气中的传播速度为v，数字鉴相器的插值频率为f1，鉴相器的计数结果为NM，则距离L1为：L1=NMv/f1(7)但由于音频调制信号的频率较低，相位差ΔΦM的测量精度受到数字鉴相器分辨力和其它信号处理电路分辨力的限制，导致L的分辨力受到限制.为此，在保证L1的分辨率高于超声载波波长λc的前提下，从接收到的AM调制信号中提取载波信号RU，用数字鉴相器测量发射载波信号TU和接收载波信号RU之间的ΔΦC，数字鉴相器的插值频率为f2，鉴相器的计数结果为NC，则距离L可以表示为：L=int(L1/λC)+NCv/f2其中int(L1/λC)表示L1/λC的取整运算(8)和传统的连续超声波相位差测距法相比较，上述连续调幅超声波测距法不仅继承了测量范围大、刷新频率高、测距精度高等优点，而且克服了处理电路复杂和需要粗测基准的缺点.它也不同于音频测距法，不会受到环境声音的干扰，也不会造成环境声音污染.三、跟踪器设计1.测距单元设计测距单元由超声波发射机和接收机两个模块构成，两个模块的原理框图如图2和图3所示.图2发射器电路原理框图图3接收器电路原理框图数字鉴相器的工作波形如图4所示.图4数字鉴相器的工作波形图至于该测距系统的电路设计、实验结果和性能分析请参考文献［7］.2.位置跟踪器设计利用超声波测距原理，分别测量出发射器到三个接收器之间的距离L1、L2和L3，根据式(2)即可计算出发射器T在定坐标系Cξηζ中的位置坐标(Tξ，Tη，Tζ).因此，超声波三自由度位置测量跟踪系统的设计框图如图5所示，其中三个测距单元由一个共同的超声波发射机和三个独立的超声波接收机构成，其设计原理框图分别参见图2和图3.图5超声波位置跟踪器的原理框图四、实验结果与分析图6所示的曲线是该测距单元的测量值与基准标称值之间的关系，它反应了该测距系统具有良好的线性度，在1.5m的测量范围内测距精度和分辨率可达±3mm，动态刷新频率达150Hz.图6测距结果与标称距离的比较实验中使用发散角α=60°的换能器，测距单元的距离测量范围为30cm L150cm，限定发射器最大测量高度满足hmax120cm，要求坐标分辨率满足ΔTξ=ΔTη=ΔTζ1cm、误差满足eξ=eη=eζ1cm的条件下，接收器的分布边长设计为2a=80cm，在此条件下，位置跟踪器的坐标测量范围为(80cm,80cm,120cm).表1是当发射器(即被跟踪目标)仅沿Cξ轴移动时位置跟踪器的测量值与基准标称值之间的对应关系.表2是当发射器(即被跟踪目标)仅沿Cη轴移动时位置跟踪器的测量值与基准标称值之间的对应系，表3是当发射器(即被跟踪目标)仅沿Cζ轴移动时位置跟踪器的测量值与基准标称值之间的对应关系，它们反应了该位置测量系统具有良好的线性度和测量精度，能够满足虚拟场景人机交互设备的要求.表1沿Cξ轴移动时跟踪器的基准标称坐标与测量坐标表2沿Cη轴移动时跟踪器的基准标称坐标与测量坐标表3沿Cζ轴移动时跟踪器的基准标称坐标与测量坐标五、应用在以REND386开发的虚拟场景平台上，用上述位置测量跟踪系统作为一种方位跟踪设备进行用户位置跟踪，从而构成了一个三维实时虚拟漫游系统，其设计框图如图7所示，主要由三个超声波测距单元、PC机数据采集单元、空间坐标位置算法、虚拟场景生成程序和三自由度空间坐标跟踪器与虚拟场景发生器的接口驱动程序构成.图7三维实时虚拟现实漫游系统原理框图图8(a)是虚拟场景的初始位置，图8(b)是视点的相对位置坐标从(0，0，0)变化到(50，20，50)时经过刷新的场景图像.图8(a)虚拟场景的(0，0，0)位置(b)虚拟场景的(50，20，50)位置六、结论以超声波三自由度位置跟踪器作为一个用REND386创建的虚拟场景的数据输入设备，构成一个完整的三维人机交互式虚拟现实演示系统.实验表明，该位置测量跟踪系统的测量精度、分辨率以及动态刷新频率能够满足虚拟场景三维数据输入的需求，图形刷新与数据刷新能够很好同步，没有明显的图像滞后，而且运动平滑，图像没有明显的抖动或者跳动感，是一个具有进一步开发潜力的样机系统.。
调频连续波雷达（FMCW）测距测速原理，看完这篇基本就懂了！
调频连续波雷达（FMCW）测距测速原理，看完这篇基本就懂了！调频连续波雷达Frequency Modulated Continuous Wave, FMCW雷达按照发射信号种类分成脉冲雷达和连续波雷达两⼤类，常规脉冲雷达发射周期性的⾼频脉冲，连续波雷达发射的是连续波信号。
连续波雷达发射的信号可以是单频连续波(CW)或者调频连续波(FMCW)，调频⽅式也有多种，常见的有三⾓波、锯齿波、编码调制或者噪声调频等。
其中，单频连续波雷达仅可⽤于测速，⽆法测距，⽽FMCW雷达既可测距⼜可测速，并且在近距离测量上的优势⽇益明显。
FMCW雷达在扫频周期内发射频率变化的连续波，被物体反射后的回波与发射信号有⼀定的频率差，通过测量频率差可以获得⽬标与雷达之间的距离信息，差频信号频率较低，⼀般为KHz，因此硬件处理相对简单、适合数据采集并进⾏数字信号处理。
FMCW雷达收发同时，理论上不存在脉冲雷达所存在的测距盲区，并且发射信号的平均功率等于峰值功率，因此只需要⼩功率的器件，从⽽降低了被截获⼲扰的概率；其缺点是测距量程较短，距离多普勒耦合以及收发隔离难等缺点。
FMCW雷达具有容易实现、结构相对简单、尺⼨⼩、重量轻以及成本低等优点，在民⽤/军事领域均得到了⼴泛的应⽤。
FMCW雷达框图调频连续波雷达如要由收发器和带微处理器的控制单元组成，收发器如果使⽤单个天线进⾏同时发射和接收，FMCW雷达需要铁氧体环形器来分离发射和接收信号，对隔离度要求较⾼。
当然，若使⽤收发分离的贴⽚天线，成本会相对低⼀点。
⾼频信号由压控振荡器(VCO)产⽣，通过功率分配器将⼀部分经过额外放⼤后馈送⾄发射天线，另⼀部分耦合⾄混频器，与接收的回波混频、低通滤波，得到基带差频信号，经过模数转换后送⾄微处理器处理。
FMCW雷达的测距/测速原理以三⾓波调频连续波为例来简单介绍雷达的测距/测速原理。
如下图，红⾊为发射信号频率，绿⾊为接收信号频率，扫频周期为T，扫频带宽为B，发射信号经过⽬标发射，回波信号会有延时，在三⾓形的频率变化中，可以在上升沿和下降沿两者上进⾏距离测量。
雷达系统工作原理
雷达系统工作原理
雷达系统工作原理主要包括脉冲雷达和连续波雷达两种类型。
这两种雷达系统在原理上有一些不同，但都是通过向目标发射微波信号并接收回波来实现目标检测和跟踪的。
脉冲雷达系统利用脉冲信号的特性来进行测量。
它通过向目标发送短暂的高功率脉冲微波信号，然后等待接收目标反射回来的回波信号。
脉冲雷达通过测量回波的时间延迟来计算目标离雷达的距离。
由于脉冲雷达系统的工作原理是基于发送和接收之间的时间差，所以它对目标距离的测量精度相对较高。
连续波雷达系统则是通过连续地发射和接收微波信号来实现目标探测和跟踪的。
它向目标发送一定频率的持续微波信号，并接收目标反射回来的信号。
连续波雷达通过测量接收到的信号的频率变化来计算目标的速度。
由于连续波雷达系统的工作原理是基于信号频率的变化，所以它对目标速度的测量精度相对较高。
不论是脉冲雷达还是连续波雷达，雷达系统都需要利用天线来发射和接收微波信号。
雷达系统会向天空或水平面发射微波信号，并接收由目标反射回来的信号。
接收回波信号经过放大、滤波等信号处理后，会对信号进行分析和解调，从而得到目标的距离、速度、方位等信息。
总而言之，雷达系统工作的主要原理是利用发射和接收微波信号来探测目标并获取目标信息。
无论是脉冲雷达还是连续波雷达，它们都通过测量回波的时间延迟和频率变化来计算目标的
距离和速度。
雷达系统广泛应用于军事、航空、气象等领域，发挥着重要的作用。
雷达综合训练模拟器的设计与实现
雷达综合训练模拟器的设计与实现引言雷达技术作为现代军事的重要组成部分，其应用范围非常广泛。
为了提高军事人员对雷达技术的理解和应用能力，需要开发出一种高效的雷达综合训练模拟器。
本文主要介绍了一种基于计算机技术的雷达综合训练模拟器的设计与实现。
需求分析为了提高雷达技术的理解和应用能力，需要开发一种基于计算机技术的雷达综合训练模拟器。
经过需求分析，该雷达综合训练模拟器需要实现以下功能：1.雷达系统的基本原理及工作流程的模拟；2.雷达系统的参数调节及实验结果的显示；3.雷达目标识别、跟踪、攻击等实验；4.雷达系统的对抗实验；5.基于网络技术的多人在线模拟实验。
功能设计根据需求分析，我们将设计出一个具有如下功能的雷达综合训练模拟器：模拟雷达系统的基本原理及工作流程为了让军事人员更好地理解雷达技术，我们将模拟雷达系统的基本原理和工作流程。
具体而言，我们将展示雷达系统的发射、接收、信号处理等过程，并演示雷达系统的工作原理。
实现雷达系统的参数调节及实验结果的显示我们将为用户提供调节雷达系统参数的界面，包括发射频率、极化方式、占空比等参数。
同时，用户可以观察并记录雷达系统实验结果，包括反射强度、接收信号等数据。
实现雷达目标识别、跟踪、攻击等实验为了提高用户的实际操作能力，我们将提供雷达目标识别、跟踪、攻击等实验。
用户可以在模拟器中设置不同的目标参数，以测试雷达系统的识别、跟踪和攻击能力。
实现雷达系统的对抗实验除了单独测试雷达系统的性能外，我们还将提供雷达系统的对抗实验。
具体而言，我们将提供多个雷达系统，并要求用户通过选择不同的雷达参数和战术，对抗其他雷达系统。
实现基于网络技术的多人在线模拟实验为了让用户能够在线上与其他用户进行雷达综合训练，我们将提供一个基于网络技术的多人在线模拟实验功能。
用户可以在该功能下与其他用户进行多人协作实验或对抗竞技。
技术实现为了实现上述功能，我们需要使用到以下技术：1.C++语言：作为程序的编写语言，使用面向对象的编程思想，加强程序的可扩展性和可维护性；2.OpenGL图形库：作为程序的图形库，提供了强大的图形渲染功能；3.UDP网络通信技术：作为程序的网络通信技术，实现模拟器之间的通信；4.多线程技术：提高了程序的并发处理能力，提升程序的性能和用户体验。
调频连续波雷达(FMCW)测距测速原理
调频连续波雷达（FMCW）测距测速原理FMCW雷达的工作原理基于多普勒效应和频率测量。
当发射机发送连续变化的频率调制信号时，信号的频率将会随时间线性变化。
这个频率变化的斜率称为调频斜率。
当发射信号经过天线发射出去，在遇到目标后，信号会被目标散射回来，然后被接收天线接收。
当接收天线接收到返回信号时，会将信号和发射信号进行混频处理，将其与发射信号相乘。
这样做的目的是为了提取目标的频率信息。
由于目标的速度不同，返回信号的频率也会有所不同。
根据多普勒效应的原理，当目标向雷达揭示而来时，频率会比发射信号的频率高；相反，当目标远离雷达时，频率会比发射信号的频率低。
接收到的混频信号将通过低通滤波器进行滤波，以去除不想要的频率成分。
然后，信号将被转换成数字信号，通过快速傅里叶变换(Fourier Transform)进行频谱分析。
频谱的峰值表示目标的频率，根据频率的变化可以计算出目标的速度。
根据多普勒频移的公式，测量得到的频移值与目标的速度成正比。
利用目标的速度与雷达到目标的距离之间的关系，可以通过简单的数学运算得到目标的距离。
由于信号频率的线性变化，可以通过测量信号的起始频率和终止频率，以及相应的时间间隔，计算得到距离。
在FMCW雷达系统中，还需要对信号的回波强度进行测量，以评估目标的反射特性。
这可以通过测量接收信号的功率来实现。
通过分析接收到的功率信号，可以确定目标的散射截面积(Cross Section)，从而估计目标的大小。
总结起来，FMCW雷达的测距测速原理基于多普勒效应和频率测量。
通过发送频率变化的信号，接收并处理返回信号，测量目标的频率和功率，从而得到目标的距离、速度和反射特性。
这种雷达系统具有高精度、高分辨率和广泛测速范围的优势，广泛应用于交通监测、无人驾驶、气象观测等领域。
雷达目标跟踪模拟系统设计实现
１ 引言 近年来 雷达 目标跟踪 模拟 系统通 常被运 用于 雷达相关
人员 的培训和教学 研究 中 。采 用雷 达模拟 系统 培训 雷达操 作人 员 ，可 以在加快 训 练进度 、提高训 练水 平 的同时 大大 减 少对 实际雷达 系统 的损耗 。节 约 了大量 时间 和费用 。同样 ，
Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ Ｒａｄａｒ Ｔａｒｇｅｔ Ｔｒａｃｋｉｎｇ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ
ＭＥＮＧ Ｇｕａｎｇ—ｙｕａｎ，ＣＨＥＮＧ Ｆｅｎｇ，ＹＩＮ Ｂｉｎ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，Ｗｕｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｕｈａｎ Ｈｕｂｅｉ ４３００７２，Ｃｈｉｎａ）
ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｒａｄａｒ ｔｅａｃｈｉｎｇ ａｎｄ ｔｒａｉｎｉｎｇ，ｔｈｅ ｒａｄａ ｒ ｔａ ｒｇｅｔ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｓｉｍｕ ｌａｔｉｏｎ
ｓｙｓｔｅｍ ｎｅｅｄｓ ｔｏ ａｐｐｒｏａｃｈ ｔｈｅ ｒｅａｌ ｒａｄａｒ ｓｙｓｔｅｍ ａｓ ｆａｒ ａｓ ｐｏｓｓｉｂｌｅ ｉｎ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｍｏｄｅ，ｄｉｓｐｌａｙ ｅｆｆｅｃｔ，ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｓｐｅｅｄ
模拟 系统应用在雷 达课程 教学 中，可 以显 著提升 教学 效果 ， 了较大 的工作量 。文献 ［６］实现 了多功 能 的雷 达显示 系统 ， 使学 生迅 速建立起对雷达 的感性认 知 ，加深对课 堂知识 的理 同样提 出了扫描线余辉 和 目标模拟 的方法 ，但 该显示 系统没
解 。同时 ．雷达模拟 系统 的应 用也缩短 了相关雷 达系统研究 的研 制周 期 ，降低 了研发 成本 。
雷达的定位跟踪原理及应用
雷达的定位跟踪原理及应用1. 引言雷达（Radar）是一种利用电磁波进行探测的技术。
雷达可以通过发送一束电磁波并接收其反射回来的信号，来判断目标物体的距离、方向和速度等信息。
雷达技术广泛应用于军事、航空、天文学、气象学以及交通等领域。
本文将介绍雷达的定位跟踪原理以及其应用。
2. 雷达的定位原理雷达的定位原理基于电磁波的特性。
雷达发送一束高频电磁波，该电磁波会在物体上发生反射，然后被雷达接收器接收。
根据电磁波的传播速度和接收时间，可以计算物体与雷达的距离。
2.1 接收到的信号处理当雷达接收到反射回来的信号时，该信号会经过一系列的处理。
首先，将接收到的信号进行放大，以增强信号的强度。
然后，对信号进行滤波以去除噪声。
最后，使用数字信号处理技术对信号进行分析和处理。
2.2 多普勒效应雷达还利用多普勒效应来确定目标物体的速度。
多普勒效应是当物体靠近或远离雷达时，接收到的频率会发生变化。
根据接收到的频率变化，可以计算物体的速度。
3. 雷达的跟踪原理除了定位目标物体的位置，雷达还能够跟踪目标物体的运动。
雷达的跟踪原理主要基于两个方面：连续探测和数据处理。
3.1 连续探测雷达通过不断发送电磁波来探测目标物体的位置和速度。
雷达发送一束连续的电磁波，并持续接收反射信号。
通过比较连续接收到的信号，可以计算目标物体的移动速度和方向。
3.2 数据处理雷达接收到的信号经过放大、滤波和数字信号处理等步骤后，会生成一系列目标物体的位置和速度数据。
这些数据可以通过算法进行处理，以确定目标物体的准确位置和轨迹。
4. 雷达的应用雷达技术在各个领域都有广泛的应用。
以下是几个典型的雷达应用领域：4.1 军事应用雷达在军事领域中被广泛应用于目标探测、导航、目标跟踪等方面。
军事雷达可以用于监测和探测敌方飞机、舰艇或导弹等，帮助军方进行战略部署和作战。
4.2 航空应用雷达在航空领域中用于飞行控制和空中交通管制。
航空雷达可以检测到飞机的位置、速度和高度等信息，帮助飞行员和空管员进行空中交通管理和协调。
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２００８，正 第１９卷 １０月
第５期 装备指挥技术学院学报
Ｊ ｏｕｒｎａｌ ０ｆ ｔｈｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏ｛Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｃｏｍｍａｎｄ＆．Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｏｃｔｏｂｅｒ ２００８
Ｖｏ１．１９ ＮＯ．５
连续波雷达自跟踪动目标模拟器原理与实现 梁允峰， 王 智， 孙雪梅， （６３７１ ７部队） 张润杰， 许仁军
摘 要：根据多模单喇口／＼角跟踪系统的工作原理，分析了连续波雷达和、差 信号的特征，研究了和差信号的模拟方法，给出了研制连续波雷达自跟踪动目标模拟 器的方法。
关 键 词：连续波雷达；自跟踪；动目标模拟器 中图分类号：Ｖ ４４８．２ 文章编号：１６７３—０１２７（２００８）０５—０１０９—０４ 文献标识码：Ａ Ｄ０Ｉ：１０．３７８３／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３—０１２７．２００８．０５．０２６
Ｔｈｅ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ Ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｓｉｍｕｌａｔｏｒ ｏｆ Ｓｅｌｆ—ｔｒａｃｋｉｎｇ Ｍｏｖｉｎｇ Ｔａｒｇｅｔ ｆｏｒ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ Ｒａｄａｒ Ｉ ＩＡＮＧ Ｙｕｎｆｅｎｇ． ＷＡＮＧ Ｚｈｉ． ＳＵＮ Ｘｕｅｍｅｉ， ＺＨＡＮＧ Ｒｕｎｊｉｅ，ＸＵ Ｒｅｎｊｕｎ （６３７１ ７ Ｔｒｏｏｐｓ。Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ ｈｏｒｎ ｍｕｌｔｉ—ｐａｔｔｅｒｎ ａｎｇｌｅ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｎａｌｙｚｅｓ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒ—ｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ∑ａｎｄ△ｓｉｇｎａ１ ｏｆ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｗａｖｅ ｒａｄａｒ，ａｎｄ ｓｔｕｄｉｅｓ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ∑ａｎｄ△ｓｉｇｎａ１．Ａｌｓｏ，ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｉｍｐａｒｔｓ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｉｎｇ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｏｒ ｏｆ ｓｅｌｆ—ｔｒａｃｋｉｎｇ ｍｏｖｉｎｇ ｔａｒｇｅｔ ｆｏｒ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｗａｖｅ ｒａｄａｒ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｗａｖｅ ｒａｄａｒ；ｓｅｌｆ—ｔｒａｃｋｉｎｇ；ｍｏｖｉｎｇ ｔａｒｇｅｔ ｓｉｍｕｌａｔｏｒ
对于靶场测量系统而言，“捕得住，跟得稳，测 量精”是根本任务。高精度测量数据必须以捕获 跟踪为前提，而捕获、跟踪搭载卫星、载人飞船等 航天器的操作又是任务执行过程中最关键、最紧 张、最易出问题的环节。由于缺少必要的训练和 模拟设备，除了实时任务和极少数的精度校飞外． 操作手对实际的捕获跟踪很少有锻炼机会。现有 连续波雷达自跟踪调整系统的功能仅限于检验和 调整自跟踪系统的性能与状态，无法真实模拟目 标飞行状态，反映实时情况，也达不到有效锻炼伺 服操作手，提高捕获能力的目的。为达到训练操 作手和检查设备性能的目的，非常有必要对目标 实时飞行状态进行模拟。本文在深入研究分析天 线偏离飞行目标时和、差信号特征的基础上，提出 制作一个盒式的自跟踪动目标模拟器，来真实模 拟任务的动态目标。该模拟器不仅能在现有连续 波雷达设备上使用，而且可在即将投入使用的高 精度测速雷达系统中应用。
１ 多模单喇叭角跟踪系统的工作 原理 目前，我国高精度外测系统主干设备所用到 的连续波雷达自跟踪系统为多模单喇叭角跟踪系 统，该系统所用到的天线为单喇叭多模馈源，其有 ２个模：和模ＴＥｌ１（产生和信号）和差模ＴＥ２１（产 生差信号）。当天线偏离目标时，差模被强烈激 励，产生出的信号相对幅度和相对相位反映出天 线偏离飞行目标角度的大小和方向。该信号经接 收机锁相放大和鉴相检波后．产生反映方位和俯 仰直流误差信息送到伺服系统，经伺服校正放大，
收稿日期：２００８—０４ １７ 作者简介：粱允峰，男，助理工程师．学士．主要研究方向：航天器测量控制．ｙｉｎｇ．１ ２２５＠１６３．ｃｏｒｎ ｌ１０ 装备指挥技术学院学报 ２００８年 控制天线对准目标，实现自动跟踪。 从单喇叭多模馈源输出的和、差信号可以表 示为 ｅ∑一Ｐ （Ｒ）ｓｉｎ ｗｔ （１） ｅ△一 （Ｒ）Ａａｓｉｎ（ｗｔ＋ ＋ ） （２） 式中： 为相对斜率，即偏离单位角后差信号与和 信号的幅度之比；Ｐ （Ｒ）为天线接收距离是Ｒ的 目标信号强度； 为高频和信号支路与高频差信 号支路的相位差，通过移相处理， 应调整为０； 为天线电轴偏离目标产生差信号时的方向角，表 示为和、差信号的相位差，即差信号的相位；△ａ为 天线电轴偏离目标的总误差角。 由于 应调整为０，一般也可将 看成和、差 信号总的相位差，则差信号为 △＝．￡￡Ｐ （Ｒ）△ａｓｉｎ（ ￡＋ ） （３） 和、差信号分别送人接收机和、差通道，经 ５ｋＨｚ调制、锁相环放大、变频后，解调出方位和俯 仰误差电压分别为 ＵＡ—ｇｔ￣＆ａｃｏｓ∞ （４） ＵＥ—Ｋ Ａａｓｉｎ （５） 式中：Ｋ为放大常数，且方位、俯仰放大量基本一 致。将方位、俯仰直流误差电压送给伺服，带动电 机，驱动天线，完成自动跟踪目标的任务。 ２ 自跟踪动目标模拟器系统原理ｎ 本文所设计的连续波雷达自跟踪动目标模拟 器的系统原理，如图１所示。 图１连续波雷达自跟踪动目标模拟器系统原理 工控计算机将伺服送来的实时方位、俯仰角 度与理论方位、俯仰角度进行比对，计算出总误差 角、相位，并将其转换成控制信号送入自跟踪动目 标模拟器，控制差信号的电平和相位。同时将理 论距离转换成控制微波信号源输出的控制信号， 送入自跟踪动目标模拟器。模拟器输出的和、差 信号送人接收机，经接收机调制、放大、解调出方 位、俯仰误差电压后送伺服，经伺服去控制天线位 置。随着计算机时间的变化产生相应的目标空间 位置，使天线位置随之变化，同时得到相应的位置 参数，伺服又实时将角度参数送给工控计算机，实 时角度又与理论信息进行比对，得到控制信号送 入自跟踪动目标模拟器。这样连续不断变化即达 到模拟目标实时飞行状态和实时跟踪的目的，并 且该模拟器配合软件可以根据任务特征，设置任 务特征点，锻炼操作手跟踪捕获能力，达到锻炼伺 服操作手的目的。
３ 自跟踪动目标模拟器的设计 ３．１ 自跟踪动目标模拟器信号流程 自跟踪动目标模拟器为一个盒式部件，主要 有微波信号源（包括外部信号源和集成信号源）、 分路器、衰减器、移相器等构成。自跟踪动目标模 拟器用工控计算机，根据理论弹道距离远近计算 出电平控制信号，去控制衰减器１输出的微波信 号（衰减器１输入信号可以是外部信源如 ＨＰ８６７２输入的信号，也可以是内部集成信源产 生的信号）的电平，然后将微波信号经分路器分成 分成２路，一路去和支路模拟和信号，另一路再经 过由总误差角产生的控制信号控制衰减器２的电 平，之后通过相位控制信号控制移相器，经过移相 后的信号送入差支路模拟差信号。自跟踪动目标 模拟器信号流程如图２。
磊 医 ＿－ｆ磊ｉ 磊 巡
集成信源 工控计算机 号 电平控制信号 Ｊ ｌ Ｌ 一 总误差角产生的控制信号ｌ ｌ
方向角产生的相位控制信号 赢
图２ 自动跟踪动目标模拟器信号流程 要使自跟踪动目标模拟器能真实模拟动目 标，必须实时计算出天线偏离目标的总误差角 △。、方向角 （即差信号相位）以及和差信号电平 与空间距离的关系，并将其作为控制信息去改变 相应的衰减器和移相器。 ３．２控制信号的推算 前文中已多次提到电平、总误差角、相位３个 控制量，下面就这３个控制量进行推算。 ３．２．１ 和、差信号电平与空间距离的关系 信号电平设计的基本依据是雷达方程。对于 二次雷达（即有应答机配合的雷达）可以分为上行 第５期 梁允峰．等：连续波雷达自跟踪动目标模拟器原理与实现 ｌ１１ 方程和下行方程。其中，下行方程计算｝ｎ的信号 电平即是接收机接收到的电平。其下行信号电平 的数学表达式为 Ｐ （Ｒ）一１０ｌｇ Ｐ、，＋Ｇ、＋ Ｇ一２０１ｇ＿４ｒｃＫＬ （ｄＢｗ） （６）
＾
式中：Ｐ 为应答机转发的功率（单位为Ｗ）；Ｇ 为
应答机发信号天线的增益；Ｇ为雷达接收天线的
增益；２０１ｇ 为信号在空间的衰减； 为丁作波 Ａ
长（单位为ｍ）；Ｌ 为下行信号其他损耗的总和。
般Ｐ—Ｇ 、Ｇ在设计时为已知量．总损耗 Ｌ 根据下行信号传播环境也可进行估算，Ｐ Ｇ 、Ｇ、Ｌ 和Ｔ作波长 代入式（６）．即可得 距离 与电平的关系式。 ３．２．２ 方向角＠与误差角度之间的关系 设目标为Ｐ，Ｐ偏离天线电轴ＯＺ的总误差 角大小为△ａ．方向角为 。偏离电轴的距离为 ＯＰ，ＯＰ在Ｘ０ｙ平面的投影为０Ｐ ，０Ｐ 与Ｘ轴 的夹角即为方向角。以０Ｘ（方位轴）、（）ｙ（俯仰 轴）、ＯＺ（天线电轴）为立方体相邻三边、以（）Ｐ为 对称轴建立一个空间立体坐标系，如图３所示。 则其中 ＣＯＡ为理论方位角度（Ａ）与实时方位 角度（Ａ ）之差． ＣＯＢ为理论俯仰角度（Ｅ）与实 时俯仰角度（Ｅ ）之差。
图３ 目标偏离天线电轴时建立的立体关系 设 ＣＯＡ：△Ａ＝Ａ—Ａ ， ＣＯＢ一△Ｅ—Ｅ— Ｅ ，ＯＰ＝１．一般跟踪状态下△Ａ与△Ｅ都很小。 由 一 ＿ｃ０ｔ 一而ｔａｎ ＡＡｔａｎ ＣＯＢ ｓｉｎ 可 … ｔａｎ△Ｅ’
推导
一ａｒｃｃｏｔ ＡＡ （７）
由于 一ａｒｃｃ。 ＡＡ的范围有限而方向角
的实际范围是０～２ ７【．所以 需要根据△Ａ与△Ｅ
的正负关系来判断具体 的值。 ３．２．３ 总误差角与角度差的关系 由图３，根据几何原理有ＡＣ。＋ＣＢ。一ＣＰ ． 可推 △ 一４－ａｒｃｃＯｓ、／ ＿二干 干 面 （８） 由此得到所需的全部３个控制量，由软件将 其转换成控制信号，送人相应的衰减器、移相器。
４ 自跟踪动目标模拟器的实现 利用监控微机上编写的软件将３个控制量转 换成控制信号送入模拟器，通过单片机，控制相应 的衰减器、移相器，时信号进行衰减或移相，来模 拟接收机接收到的反映动目标实时状态的和、差 信号，达到模拟目标实时飞行状态的目的。 ４．１移相器的选择 在本设计中，无论是数控移相器还是模拟移 相器都可以在设计中应用。数字移相器和以往所 用的模拟移相器相比，可实现较小的相移步进和 精确的相位调整，通过ＴＴＩ 接口和计算机相连， 控制方式快捷简单，可靠性高，环境适应能力强。 模拟移相器相位调节连续，但需要将控制信息转 换成模拟信息，这就需要增加Ｄ／Ａ转换电路。 若数控移相器为８位，控制范围为０～３６０。， 则移相控制精度为△ ＝３６０。／２ ≈１．４。。自跟踪 误差电压的精度可达０．Ｏ１ Ｖ，误差电压一般调整 为１ Ｖ左右，允许误差为０．１ Ｖ，自跟踪调整误差 电压控制在０．０５ Ｖ以内。设数控移相器控制数 增加１，前后相位差为 一 一△ ≈１．４。。 俯仰误差电压之差为 Ｕ２＝Ｋ Ａａｓｉｎ ２一Ｋ Ａａｓｉｎ Ｉ】ｆＩｌ （９） 由于方位误差电压之差为 Ｕ１一Ｋ Ａａｃｏｓ ２一Ｋ Ａａｃｏｓ ｌ— Ｋ △＆（ＣＯＳ ２一ＣＯＳ １） （１０） 跟踪状态下，由于ＫＡａ是较小的值，一般小 于ｌ，所以 Ｕ１＜ＣＯＳ ２一ＣＯＳ ｌ （１１） Ｕ ＜２ｓｉｎ（ ）ｓｉｎ（ ）