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雷达信号及其监测研究

发布时间:2020-01-14 14:40:10阅读:来源:恒思盛大仪器

雷达(radar)是“无线电探测与定位(radio detecting and ranging)”的缩写,其基本任务是探测感兴趣的目标,测定目标的距离、方问、速度等状态参数。

雷达的基本工作原理

雷达的基本工作原理是:雷达发射机产生足够的电磁能量,经过收发转换开关传送给天线;天线将这些电磁能量辐射至大气中,集中在某一个很窄的方向上形成波束,向前传播;电磁波遇到波束内的目标后,将沿着各个方向产生反射,其中的一部分电磁能量反射回雷达的方向,被雷达天线获取;天线获取的能量经过收发转换开关送到接收机,形成雷达的回波信号。由于在传播过程中电磁波会随着传播距离而衰减,雷达回波信号非常微弱,几乎被噪声所淹没。接收机放大微弱的回波信号,经过信号处理机,可提取出包含在回波中的信息,并在显示器上表示出目标的距离、方向、速度等。

1.1 测量距离

为了测定目标的距离,雷达准确测量从电磁波发射时刻至接收到回波时刻的延迟时间,即电磁波从发射机到目标,再由目标返回雷达接收机的传播时间。根据电磁波的传播速度,可以确定目标的距离为:S=CT/2。

其中:S为目标距离,T为电磁波从雷达到目标的往返传播时间,C为光速。

1.2 确定方向

雷达测定目标的方向是利用天线的方向性来实现的。两坐标雷达只能测定目标的方位角,三坐标雷达可以测定方位角和俯仰角。

1.3 测定速度

测定目标的运动速度是雷达的一个重要功能,雷达测速利用了物理学中的多普勒原理。当目标和雷达之间存在着相对位置运动时,目标回波的频率就会发生改变,频率的改变量称为多普勒频移,用于确定目标的相对径向速度。通常,具有测速能力的雷达,要比一般雷达复杂得多,例如脉冲多普勒雷达。

技术参数

根据波形来区分,雷达主要分为脉冲雷达和连续波雷达两大类。当前常用的雷达大多数是脉冲雷达,常规脉冲雷达会周期性地发射高频脉冲。

雷达的技术参数主要包括工作频率(波长)、脉冲重复时间、脉冲宽度、发射功率、天线波束宽度、天线波束扫描方式、接收机灵敏度等。如果掌握了雷达的技术参数,就可在一定程度上识别出雷达的种类。

* 脉冲宽度: 脉冲包络前沿和后沿上0.5A之间的间隔,如图1中的b-f(见图1)。

图1 雷达技术参数的定义

* 脉冲重复时间(或脉冲间隔)PRF:第一个脉冲前沿0.5A和第二个脉冲前沿0.5A点之间的间隔,如图1中的b-h。

* 脉冲峰值功率(PP):是指脉冲期间射频振荡的平均功率(不是脉冲包络的最大瞬时功率Pf0)。

* 脉冲平均功率(Pav):是指脉冲重复周期内输出功率的平均值。

* 脉冲上升时间:脉冲包络前沿0.1A和0.9A之间的时间,如图1中的a-c。

* 脉冲下降时间:脉冲包络后沿0.1A和0.9A之间的时间,如图1中的e-g。

一般的雷达信号由脉冲基带信号对RF载波信号进行幅度调制而得。调制后的雷达信号与脉冲基带信号的频谱特征一致,只是雷达信号的频谱漂移到RF载波信号频率的两旁。所以我们只需研究脉冲基带信号的频谱特征,便可知道雷达信号的频谱特征。

方波信号可由一个正弦波与其奇次谐波组合而成,方波信号的频率与正弦波信号的频率一致。而矩形脉冲则由一个正弦波与其奇偶次谐波组合而成,只是各信号的幅度和相位有所不同。

对脉冲序列进行傅立叶变换(见图2)得到:

图2 傅立叶变换

频谱具有离散性、谐波性和收敛性。离散性:频谱由频率离散而不连续的谱线组成。谐波性:各次谐波分量的频率都是基波频率的整数倍,f为1/T的整数倍。收敛性:谱线幅度随谐波频率的增大而衰减。频谱包络服从抽样函数sinx/x。

当f等于1/τ的整数倍时,频谱分量为零。

用此脉冲信号对一射频载波进行幅度调制,射频频谱的特征不变,只是以射频载波频率为中心,脉冲信号的频谱在其两边对称分布。

频谱随参数的变化见图3。

图3 频谱随参数变化

当脉冲重复时间T变大(PRF增大)时,零分量频率不变,谱线间距减小,谱线变密,谱线振幅减小,变化缓慢。

当脉冲宽度t增大时,谱线间距相等,零分量频率减小,有效谱带内谐波分量减少,谱线振幅较大,减小变化急速。

雷达信号的监测

对雷达信号进行监测,是我们无线电监测工作的重要组成部分。扫频式频谱分析仪就是分析脉冲雷达信号的基本仪器,实际上,频谱分析仪最初就是为了监测雷达信号而发明的。

3.1 频域中脉冲重复时间(PRT)的测量

要想在频谱仪中显示雷达信号的离散谱,分辨率带宽RBW必须小于雷达的PRF,最好使得RBW

图4 频域中脉冲宽度的测量

脉冲宽度(τ)=1/(主瓣宽度/2) ,

其中频率的单位为赫兹,时间的单位为秒。

注意:当RBW设置过大时,脉冲频谱的sin(x)/x包络形象将消失(如图5)。

图5 RBW设置对脉冲频谱的影响

除了频域测量,频谱分析仪还可用“zero span”功能进行时域测量,这时,频谱仪就成为一个调谐在固定频率上的接收机,相当于一个示波器。为达到稳定的波形显示,现代频谱仪都有多种不同的触发模式。利用延迟触发功能可以较方便地测量脉冲宽度、峰值功率、占空比、上升时间等在频域里很难测量的参数。

3.2 时域中脉冲重复时间(PRT)的测量

将频谱分析仪的中心频率设置为雷达的发射频率,扫宽设置为zero span,调整频谱仪的扫描时间,使得两个脉冲信息显示在屏幕中,用marker和delta marker分别置于两脉冲的相同位置,则可直接读取两脉冲之间的时间差,再计算得出PRT。

3.3 时域中脉冲宽度的测量

测量前,必须把频谱仪的显示点数设置为最大,这样可以尽量提高测量的时间分辨率。另外,RBW要设置得尽可能大(通常取最大RBW),使得RBW滤波器的脉冲响应不至于影响测量。适当设置频谱仪,使得在屏幕中间显示一个脉冲信号,先把marker设到脉冲flat top的中间,然后把delta marker调整到比marker低6 dB处,接着反方向调整marker的位置,使得两marker的电平相差为0 dB,这时,两marker之间的时间差即为脉冲宽度。

作者:李坤 来源:中国无线电管理 声明:除非本站原创文章,其它转载和投稿的文章版权均归原作者所有,且不代表本站赞同其观点和看法。如版权人或相关方存在异议,请联系网站编辑:wanglq@

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