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科普:脈沖雷達基礎知識
點擊次數:1449 更新時間:2021-03-25

 

雷(lei)(lei)達通常有兩種(zhong)基本類型:連續(xu)波(bo)(CW)雷(lei)(lei)達和(he)脈(mo)(mo)沖雷(lei)(lei)達。CW 雷(lei)(lei)達發(fa)射連續(xu)波(bo),并且發(fa)射的(de)同時(shi)可以接收(shou)(shou)反(fan)射的(de)回(hui)波(bo)信(xin)號(hao),即收(shou)(shou)發(fa)可同時(shi)進行(xing)。脈(mo)(mo)沖雷(lei)(lei)達間歇(xie)式(shi)發(fa)射脈(mo)(mo)沖周期信(xin)號(hao),并且在發(fa)射間隔接收(shou)(shou)反(fan)射的(de)回(hui)波(bo)信(xin)號(hao),即收(shou)(shou)發(fa)間隔進行(xing)。

 

1. 脈沖雷達的優勢

雷達在工(gong)作過程中,發(fa)射(she)信(xin)號(hao)泄(xie)漏會對接收(shou)機(ji)造(zao)(zao)成干(gan)擾(rao),情況主要(yao)有(you)兩種(zhong):一(yi)種(zhong)是(shi)大信(xin)號(hao)干(gan)擾(rao)使(shi)得接收(shou)機(ji)壓縮增益(yi)或出現(xian)飽和,甚至造(zao)(zao)成接收(shou)機(ji)阻塞,通(tong)常(chang)可以通(tong)過將收(shou)發(fa)天線進(jin)行物理隔離來解決;另(ling)一(yi)種(zhong)是(shi)發(fa)射(she)信(xin)號(hao)的(de)邊帶噪聲將微(wei)弱的(de)回(hui)波信(xin)號(hao)淹沒,對接收(shou)機(ji)的(de)目標(biao)檢測造(zao)(zao)成影(ying)響。

 

直(zhi)接(jie)的信號泄漏通(tong)常可以采用收發天(tian)線隔(ge)離和頻(pin)(pin)率(lv)分離相結合的方(fang)法(fa)得到解決。在多(duo)普勒導航器中,多(duo)普勒頻(pin)(pin)移(yi)可以提供足夠(gou)的頻(pin)(pin)率(lv)間隔(ge),以保(bao)證發射(she)信號不(bu)對接(jie)收機(ji)造成干擾。

 

對于機載雷達,每(mei)個(ge)發射機不可(ke)避免(mian)的(de)(de)都會產(chan)生噪聲,并且會調制到發射機的(de)(de)輸出(chu),產(chan)生調制的(de)(de)邊帶噪聲,覆蓋了發射頻(pin)(pin)率左右很(hen)(hen)寬(kuan)的(de)(de)頻(pin)(pin)帶。盡管這些(xie)邊帶噪聲的(de)(de)功(gong)率極(ji)小(xiao),但是仍然比(bi)來(lai)自(zi)目標的(de)(de)回波信號強很(hen)(hen)多(duo)個(ge)數量級。

 

為了(le)防止發(fa)射機邊帶噪聲干擾接(jie)收(shou)信(xin)號,必須(xu)將(jiang)接(jie)收(shou)機與發(fa)射機隔(ge)離(li)。采用獨(du)立的發(fa)射機和接(jie)收(shou)機,并且(qie)發(fa)射機和接(jie)收(shou)機采用各(ge)自獨(du)立的天線,從而(er)實現發(fa)射機和接(jie)收(shou)機的隔(ge)離(li)。地面(mian)和艦載連(lian)續波(bo)雷達就是如此。

 

但是,機(ji)(ji)載雷達因(yin)為空(kong)間(jian)受(shou)限,通常收發要(yao)共(gong)用一副天(tian)線(xian),因(yin)此,發射機(ji)(ji)輸出的邊帶噪聲不可避(bi)免(mian)地(di)會通過天(tian)線(xian)進入到(dao)接收機(ji)(ji)。脈沖體制(zhi)雷達則可以有效(xiao)避(bi)免(mian)出現發射機(ji)(ji)干擾接收機(ji)(ji)的問題。

 

2. 脈沖雷達的波形參數

如果雷達采用脈沖體制,收發不同時,則發射信號的泄露不再是一個問題。脈沖工作模式的另一優點是可以簡化距離測量。如果脈沖間隔足夠寬,通過測量發射脈沖與接收到該脈沖的回波脈沖之間的時間差,即可j確地測出目標的距離。

 

載波頻率

載(zai)波(bo)頻率(lv)通常(chang)不是(shi)常(chang)數(shu),而是(shi)為了滿(man)足專(zhuan)門的系統或(huo)操作需要以不同的方(fang)式變(bian)化的。從一個脈(mo)沖到下(xia)一個脈(mo)沖,載(zai)波(bo)頻率(lv)可(ke)能增(zeng)大或(huo)減小。在一個脈(mo)沖內(nei)部,載(zai)波(bo)頻率(lv)也(ye)可(ke)能隨機地或(huo)者按照(zhao)專(zhuan)門方(fang)式改變(bian),這被稱為脈(mo)內(nei)調制。

 

脈沖寬度

脈沖(chong)寬(kuan)度是(shi)指(zhi)脈沖(chong)持續的時間,根據雷達的不同用(yong)途,脈沖(chong)寬(kuan)度可以(yi)從(cong)微(wei)秒級到幾千毫秒。

 

當雷(lei)達用未經調制的脈(mo)沖(chong)去分辨兩(liang)個被測目(mu)標(biao),兩(liang)個目(mu)標(biao)的距(ju)離(li)間(jian)(jian)隔必須能夠滿足(zu)條件(jian):即發射脈(mo)沖(chong)下降沿(yan)離(li)開較近距(ju)離(li)目(mu)標(biao)的時間(jian)(jian),要先于來(lai)自較遠(yuan)距(ju)離(li)目(mu)標(biao)回波脈(mo)沖(chong)的上升沿(yan)到達較近距(ju)離(li)目(mu)標(biao)的時間(jian)(jian)。

 

脈沖重復頻率

脈(mo)沖重復頻率(PRF)是雷(lei)達脈(mo)沖發射的速度,即雷(lei)達每秒發射脈(mo)沖的個數。機載雷(lei)達的 PRF 可以從幾(ji)百(bai) Hz 到幾(ji)百(bai) kHz,并且在雷(lei)達工作過程中(zhong)可以改變。

 

另一(yi)種測(ce)量脈(mo)沖(chong)重復頻率的方(fang)法(fa)是(shi)測(ce)量它的倒數,即一(yi)個脈(mo)沖(chong)的起(qi)始(shi)沿到下一(yi)個脈(mo)沖(chong)的起(qi)始(shi)沿之(zhi)(zhi)間(jian)的周期,稱(cheng)之(zhi)(zhi)為脈(mo)沖(chong)重復間(jian)隔(ge)(PRI),有時(shi)候也叫脈(mo)沖(chong)周期。例如, PRF 為 100Hz,那(nei)么 PRI 就是(shi) 1/100=0.01s,或者(zhe) 10,000。

 

PRF 的選(xuan)擇很重要,這(zhe)是(shi)因(yin)為(wei),它(ta)決定了雷達是(shi)否會(hui)產(chan)生距(ju)離(li)模糊(hu)和多普勒頻率模糊(hu),以及(ji)模糊(hu)的程度。上圖說(shuo)明當雷達不能直接確定回(hui)波(bo)脈(mo)沖(chong)與(yu)哪個發射脈(mo)沖(chong)相對應時,就會(hui)出現距(ju)離(li)模糊(hu)。

 

3. 輸出功率和發射能量

在(zai)討論脈(mo)沖發(fa)(fa)射對輸出(chu)功(gong)(gong)率(lv)和發(fa)(fa)射能量的影響之前,先來看看功(gong)(gong)率(lv)和能量的關系。簡單地說(shuo),功(gong)(gong)率(lv)是單位時(shi)間(jian)內(nei)能量的多(duo)少(shao),能量是功(gong)(gong)率(lv)在(zai)時(shi)間(jian)上的積分。雷(lei)達(da)脈(mo)沖發(fa)(fa)射的能量等于輸出(chu)功(gong)(gong)率(lv)乘以發(fa)(fa)射脈(mo)沖持續(xu)的時(shi)長。

 

一般(ban)來說,對(dui)于脈(mo)沖雷達輸出功率(lv),有兩種(zhong)不同的測量方法可得(de)到(dao)兩種(zhong)不同功率(lv):峰值功率(lv)和平均功率(lv)。

 

峰值功率

如果脈(mo)沖為方(fang)波(bo),那么每一個脈(mo)沖的功(gong)率(lv)值從其(qi)上(shang)升沿至下降沿是一個常數,即(ji)當發(fa)射機(ji)打開或發(fa)射時,其(qi)峰值功(gong)率(lv)就是輸出(chu)功(gong)率(lv)。峰值功(gong)率(lv)用 P 表示。在單(dan)個傳(chuan)輸路(lu)徑(比如波(bo)導)上(shang)峰值功(gong)率(lv)有上(shang)限(xian)值的。

 

峰值功率(lv)和脈沖(chong)寬度(du)決定了發射(she)脈沖(chong)傳輸的能量(liang)大(da)小。如(ru)果(guo)脈沖(chong)是(shi)方波,每個脈沖(chong)能量(liang)就等(deng)于(yu)其(qi)峰值功率(lv)乘(cheng)以脈沖(chong)寬度(du)。

 

平均功率

雷達的(de)(de)平(ping)均(jun)發射功率(lv),是(shi)指在一(yi)個 PRI 內發射脈沖(chong)功率(lv)的(de)(de)平(ping)均(jun)值(zhi)(zhi)。如(ru)果雷達脈沖(chong)是(shi)方波,平(ping)均(jun)功率(lv)等于(yu)峰值(zhi)(zhi)功率(lv)乘(cheng)以脈沖(chong)寬度與(yu) PRI 的(de)(de)比值(zhi)(zhi)。

 

例如,一(yi)個雷達的峰值功(gong)(gong)率為(wei) 100kW,脈沖(chong)寬度為(wei) 1,在 PRI 為(wei) 2000 內的平均功(gong)(gong)率為(wei) 100=0.05kW 或 50W。

 

脈寬與周期(qi)的(de)比(bi)(bi)被稱為(wei)發(fa)射機的(de)占空比(bi)(bi),表示雷達工(gong)作過程中發(fa)射持續時(shi)間(jian)所占的(de)比(bi)(bi)例(li)(li)。舉(ju)例(li)(li)來(lai)說(shuo),如果一個雷達的(de)脈沖(chong)寬度為(wei) 0.5,而(er) PRI 為(wei) 100,那么占空比(bi)(bi)為(wei) 0.5 雷達發(fa)射時(shi)間(jian)即為(wei)其工(gong)作時(shi)間(jian)的(de) 5/1000,就(jiu)可以說(shuo)雷達發(fa)射機的(de)占空比(bi)(bi)為(wei) 0.5%。

 

雷達(da)平(ping)均輸(shu)出功(gong)率之所以(yi)重要,是因為它(ta)可決定(ding)雷達(da)潛在(zai)的可探測距離。在(zai)給定(ding)的周(zhou)期(qi)(qi)內(nei),雷達(da)發射的總能量等于平(ping)均功(gong)率乘以(yi)脈沖周(zhou)期(qi)(qi)。

 

為了使探測距離 z大化,可以(yi)通過(guo)三種途徑(jing)來(lai)提高平均(jun)功率(lv):提高 PRF、加大脈沖寬度以(yi)及(ji)增加峰值功率(lv)。

 

平(ping)均功率(lv)還關系(xi)到其他(ta)的一些因(yin)素。它與發(fa)射機效率(lv)一起,決定了因(yin)為發(fa)射機發(fa)熱損耗所必須(xu)消散(san)的能(neng)量(liang),反過(guo)來說(shuo),這也(ye)決定了所需的冷卻量(liang)。因(yin)此,平(ping)均功率(lv)越高,發(fa)射機就會越大、越熱。

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