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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)達(da)(da)通常(chang)有兩種基本類型(xing):連(lian)(lian)續波(CW)雷(lei)達(da)(da)和脈(mo)(mo)沖雷(lei)達(da)(da)。CW 雷(lei)達(da)(da)發(fa)射(she)(she)連(lian)(lian)續波,并且(qie)發(fa)射(she)(she)的同時(shi)可以接(jie)(jie)收反(fan)射(she)(she)的回(hui)波信號(hao)(hao),即收發(fa)可同時(shi)進行。脈(mo)(mo)沖雷(lei)達(da)(da)間歇(xie)式發(fa)射(she)(she)脈(mo)(mo)沖周期信號(hao)(hao),并且(qie)在發(fa)射(she)(she)間隔接(jie)(jie)收反(fan)射(she)(she)的回(hui)波信號(hao)(hao),即收發(fa)間隔進行。

 

1. 脈沖雷達的優勢

雷(lei)達在工作過程(cheng)中,發射信(xin)號(hao)(hao)泄漏(lou)會(hui)對接收(shou)機(ji)(ji)造(zao)(zao)成干(gan)擾(rao),情況主要有兩種:一種是(shi)大(da)信(xin)號(hao)(hao)干(gan)擾(rao)使得接收(shou)機(ji)(ji)壓縮增益或出現飽和,甚(shen)至(zhi)造(zao)(zao)成接收(shou)機(ji)(ji)阻塞,通常可以(yi)通過將收(shou)發天線進(jin)行物理隔離來解決(jue);另一種是(shi)發射信(xin)號(hao)(hao)的邊(bian)帶噪聲將微弱的回(hui)波信(xin)號(hao)(hao)淹沒,對接收(shou)機(ji)(ji)的目標檢測造(zao)(zao)成影響。

 

直接(jie)的信號泄(xie)漏(lou)通(tong)常可以(yi)采用收(shou)發天線(xian)隔(ge)離和頻率分離相結合的方(fang)法得到解決。在多(duo)普勒導航器(qi)中,多(duo)普勒頻移可以(yi)提供足夠(gou)的頻率間隔(ge),以(yi)保證發射信號不對接(jie)收(shou)機造成干擾。

 

對于機載雷(lei)達(da),每(mei)個發射(she)(she)機不(bu)可避(bi)免的都會(hui)產(chan)(chan)生噪聲(sheng),并且會(hui)調(diao)制到發射(she)(she)機的輸(shu)出(chu),產(chan)(chan)生調(diao)制的邊帶(dai)噪聲(sheng),覆蓋了發射(she)(she)頻率(lv)(lv)左右(you)很寬的頻帶(dai)。盡管這些邊帶(dai)噪聲(sheng)的功率(lv)(lv)極小(xiao),但(dan)是仍然比來自目(mu)標的回(hui)波信號強(qiang)很多(duo)個數量級(ji)。

 

為了防止發(fa)(fa)射(she)(she)機(ji)邊帶噪聲干擾(rao)接收(shou)信號,必須將(jiang)接收(shou)機(ji)與發(fa)(fa)射(she)(she)機(ji)隔離。采(cai)用獨立(li)的發(fa)(fa)射(she)(she)機(ji)和(he)接收(shou)機(ji),并且發(fa)(fa)射(she)(she)機(ji)和(he)接收(shou)機(ji)采(cai)用各自獨立(li)的天線(xian),從而實現(xian)發(fa)(fa)射(she)(she)機(ji)和(he)接收(shou)機(ji)的隔離。地面和(he)艦載連續波雷達就是如此(ci)。

 

但是,機(ji)(ji)載(zai)雷達(da)因(yin)為空間受限,通常收發要共用一副(fu)天線(xian),因(yin)此,發射機(ji)(ji)輸出的邊帶噪(zao)聲不可避免地會通過天線(xian)進入到接收機(ji)(ji)。脈沖體制雷達(da)則可以有效避免出現發射機(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(tong)常(chang)不(bu)是(shi)常(chang)數,而是(shi)為了滿足(zu)專門的(de)系統或操作需要(yao)以不(bu)同的(de)方(fang)式變(bian)化的(de)。從一個脈(mo)沖(chong)到下(xia)一個脈(mo)沖(chong),載(zai)波(bo)頻率(lv)可能(neng)增大或減(jian)小。在一個脈(mo)沖(chong)內(nei)部,載(zai)波(bo)頻率(lv)也(ye)可能(neng)隨(sui)機地(di)或者按(an)照專門方(fang)式改變(bian),這被稱為脈(mo)內(nei)調制。

 

脈沖寬度

脈(mo)沖寬度是指脈(mo)沖持(chi)續的(de)(de)時間(jian),根據雷達(da)的(de)(de)不同(tong)用途(tu),脈(mo)沖寬度可以從微秒(miao)級到幾(ji)千毫秒(miao)。

 

當雷達(da)用未經調制(zhi)的(de)脈沖(chong)(chong)去分辨兩個(ge)被(bei)測目(mu)(mu)標(biao),兩個(ge)目(mu)(mu)標(biao)的(de)距離(li)(li)間隔必須能(neng)夠滿足(zu)條件:即發射脈沖(chong)(chong)下降沿(yan)離(li)(li)開較近距離(li)(li)目(mu)(mu)標(biao)的(de)時間,要先(xian)于(yu)來自較遠距離(li)(li)目(mu)(mu)標(biao)回波脈沖(chong)(chong)的(de)上(shang)升(sheng)沿(yan)到達(da)較近距離(li)(li)目(mu)(mu)標(biao)的(de)時間。

 

脈沖重復頻率

脈沖重復頻率(PRF)是(shi)雷(lei)達(da)脈沖發射的速(su)度(du),即雷(lei)達(da)每秒發射脈沖的個數。機載雷(lei)達(da)的 PRF 可以(yi)從幾百 Hz 到(dao)幾百 kHz,并且在雷(lei)達(da)工作過程中可以(yi)改變(bian)。

 

另一種測(ce)量(liang)脈沖重(zhong)復(fu)頻率的(de)方法是(shi)測(ce)量(liang)它(ta)的(de)倒數(shu),即一個脈沖的(de)起始(shi)沿到下一個脈沖的(de)起始(shi)沿之間(jian)的(de)周期,稱之為(wei)(wei)脈沖重(zhong)復(fu)間(jian)隔(PRI),有時候(hou)也叫脈沖周期。例(li)如, PRF 為(wei)(wei) 100Hz,那么 PRI 就是(shi) 1/100=0.01s,或者 10,000。

 

PRF 的(de)選(xuan)擇很重(zhong)要,這是因為,它決定(ding)了雷達是否會產生(sheng)距(ju)離模(mo)糊(hu)和多普(pu)勒頻率模(mo)糊(hu),以及模(mo)糊(hu)的(de)程度(du)。上圖說明當雷達不(bu)能直接確定(ding)回波脈沖與哪個發射脈沖相對應時,就會出現(xian)距(ju)離模(mo)糊(hu)。

 

3. 輸出功率和發射能量

在討論脈沖(chong)發(fa)(fa)射對輸(shu)出功(gong)率和發(fa)(fa)射能(neng)量的影響之(zhi)前,先來看看功(gong)率和能(neng)量的關系(xi)。簡單(dan)地說(shuo),功(gong)率是單(dan)位時(shi)間(jian)內能(neng)量的多(duo)少,能(neng)量是功(gong)率在時(shi)間(jian)上的積(ji)分。雷達脈沖(chong)發(fa)(fa)射的能(neng)量等(deng)于輸(shu)出功(gong)率乘以發(fa)(fa)射脈沖(chong)持續的時(shi)長。

 

一般來說,對于脈沖雷(lei)達(da)輸出功(gong)(gong)率(lv),有兩種不同(tong)的測量方法可(ke)得到兩種不同(tong)功(gong)(gong)率(lv):峰值功(gong)(gong)率(lv)和(he)平均功(gong)(gong)率(lv)。

 

峰值功率

如果(guo)脈(mo)沖為方波,那(nei)么每一個脈(mo)沖的功率值(zhi)(zhi)(zhi)從(cong)其上升沿(yan)(yan)至下(xia)降沿(yan)(yan)是一個常數,即當(dang)發射(she)機打(da)開或發射(she)時,其峰(feng)值(zhi)(zhi)(zhi)功率就是輸出功率。峰(feng)值(zhi)(zhi)(zhi)功率用 P 表示。在單個傳輸路徑(比如波導)上峰(feng)值(zhi)(zhi)(zhi)功率有上限值(zhi)(zhi)(zhi)的。

 

峰值功率和脈沖寬度決定了發射脈沖傳(chuan)輸(shu)的能量大小(xiao)。如果脈沖是方波,每個脈沖能量就等于(yu)其峰值功率乘(cheng)以(yi)脈沖寬度。

 

平均功率

雷達的平均發射功(gong)(gong)(gong)(gong)率,是指在(zai)一個 PRI 內發射脈沖功(gong)(gong)(gong)(gong)率的平均值。如果雷達脈沖是方波(bo),平均功(gong)(gong)(gong)(gong)率等于峰值功(gong)(gong)(gong)(gong)率乘以脈沖寬度與 PRI 的比值。

 

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

 

脈(mo)寬(kuan)與周期的(de)比(bi)(bi)被(bei)稱為(wei)發射(she)(she)機(ji)的(de)占空(kong)比(bi)(bi),表示雷(lei)(lei)(lei)達(da)工(gong)作過(guo)程中發射(she)(she)持續時(shi)(shi)間所(suo)占的(de)比(bi)(bi)例。舉例來說,如果一個(ge)雷(lei)(lei)(lei)達(da)的(de)脈(mo)沖寬(kuan)度為(wei) 0.5,而 PRI 為(wei) 100,那么占空(kong)比(bi)(bi)為(wei) 0.5 雷(lei)(lei)(lei)達(da)發射(she)(she)時(shi)(shi)間即為(wei)其工(gong)作時(shi)(shi)間的(de) 5/1000,就可(ke)以說雷(lei)(lei)(lei)達(da)發射(she)(she)機(ji)的(de)占空(kong)比(bi)(bi)為(wei) 0.5%。

 

雷達(da)(da)平(ping)均(jun)輸(shu)出功(gong)率(lv)之所以重要,是因(yin)為它(ta)可決(jue)定雷達(da)(da)潛在(zai)(zai)的(de)可探測距離。在(zai)(zai)給定的(de)周(zhou)期內,雷達(da)(da)發射的(de)總能(neng)量(liang)等于平(ping)均(jun)功(gong)率(lv)乘以脈(mo)沖周(zhou)期。

 

為了使探測距離 z大化,可以通過三種途徑(jing)來提(ti)高平均功(gong)率:提(ti)高 PRF、加大脈沖寬度(du)以及增加峰值功(gong)率。

 

平均功率(lv)還關(guan)系到其(qi)他的(de)一些因(yin)(yin)素。它與發射(she)機效率(lv)一起,決(jue)定(ding)(ding)了(le)因(yin)(yin)為發射(she)機發熱損耗所必須消散的(de)能量,反過來說,這(zhe)也決(jue)定(ding)(ding)了(le)所需的(de)冷卻(que)量。因(yin)(yin)此(ci),平均功率(lv)越(yue)(yue)高,發射(she)機就會越(yue)(yue)大、越(yue)(yue)熱。

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