雷达原理-雷达接收机

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雷达接收机是雷达系统的重要组成部分,主要功能是对雷达天线接收到的微弱信号进行预选、放大、变频、滤波、解调和数字化处理,同时抑制外部的干扰杂波以及机内噪声,使回波信号尽可能多的保持目标信息,以便进一步信号处理和数据处理。
接收机前端主要包括接收机保护器射频放大器,射频滤波器和混频器。
采用频率合成器的雷达又称为全相参雷达。
本地振荡器是雷达接收机的重要组成部分,在非相参雷达中,本振是一个自由振荡器,通过自动频率控制(AFC)电容将本振的频率f2
自动调谐到接受射频信号所要求的频率上。
灵敏时间控制和自动增益控制是雷达接收机抗过载、扩展动态范围和保持接收机增益稳定的重要措施。灵敏时间控制也称为近程增益控制,它是某些探测雷达使用的一种随作用用距离R减小而降低接收灵敏度的技术,基本原理是将接收机的增益作为时间(或对应距离R)的函数来实现控制。但它降低了接收机在近距离的灵敏度,从而降低了在近距离检测小信号目标的能力。
自动增益控制是一种增益反馈技术,他用来调整接收机的增益,以保证接收机在适当的增益范围内工作,它对保持接收机在宽温度和宽频带范围中稳定功能工作有重要作用。
中频放大器的成本比射频放大器低,它的增益高,稳定性好,而且容易实现信号的匹配滤波,对于不同频率和不同频带的接收机,都可以通过变换本地频率形成固定中频和带宽的中频信号。

1.接收前端
因为对于具有一定射频带宽的雷达接收机,一次变频的镜像频率,一般都会落在信号频率带宽之内,只有通过提高中频频率才能使镜像频率落在信号频带之外。镜像频率的信号和噪声是不需要的,它会使接收机的噪声系数变高,必须通过射频滤波器滤除。
RFSTC表示射频灵敏时间控制。
零中频鉴相的优点是电路简单,缺点是I/Q的正交度和振幅平衡度较差。
数字脉压最大的优点是精度高、能进行波形捷变,而波形捷变则是现代雷达抗干扰的重要措施。
频率源主要是具有一定频率稳定度的本机振荡器、相干振荡器和自动频率控制(AFC)电路组成。
全相参雷达频率源主要由基准源、频率合成器、波形产生器和发射激励器等部分组成。
频率合成器是全相参频率源的核心部分,它可以用直接合成和间接合成的方法来实现。
2.雷达接收机的主要质量指标
(1)灵敏度和噪声系数
灵敏度表示接收机接收微弱信号的能力,接收机的灵敏度越高,能接收到的信号就越微弱,因而雷达作用的距离就越远。
接收机的灵敏度通常用最小可检测信号功率:这里写图片描述

噪声系数F的定义是:接收机输入端的信号噪声比(这里写图片描述)与输出端信号噪声功率比(这里写图片描述)的比值,其表达式为

屏幕快照 2019-01-08 下午1.16.51

噪声系数是表示接收机内部噪声的一个重要指标。实际的F总是大于1的,如果F=1,则说明接收机内部没有噪声,这就是“理想接收机”。
接收机灵敏度这里写图片描述与噪声系数的关系如下: 

屏幕快照 2019-01-08 下午1.17.25

式中,k表示玻尔兹曼常数,屏幕快照 2019-01-08 下午1.18.19,,M为识别系数,M的取值应根据不同体制的雷达要求而定,当取M=1时,接收机的灵敏度称为“临界灵敏度”。 M的取值应根据不同体制的雷达要求而定,当取M=1时,接收机的灵敏度称为“临界灵敏度”。

(2)接收机的工作频带宽度表示接收机的瞬时工作频率范围。即滤波特性。
(3)动态范围表示接收机工作时所允许的输入信号强度变化的范围。
增益表示对回波信号的放大能力。
接收机具有大的动态范围,以保证信号不论强弱都能正常接收。
为了防止接收机饱和、扩展动态范围和保持接收机增益的稳定性应增加灵敏度时间控制(STC)和自动增益控制(AGC)。
(4)频率源的频率稳定度主要是短期频率稳定度,短期频率稳定度常用单边带相位噪声功率密度来计量。
频谱纯度主要是频率源的杂波抑制度和谐波抑制度。
(5)幅度和相位稳定性主要包括常温稳定性、宽温稳定性、宽频带稳定性及在振动平台上的稳定性等。
在单脉冲跟踪雷达中,幅度和相位不稳定性直接影响高低角和方位角的测角精度;在多波束三坐标雷达及频率扫描和相位扫描三坐标雷达中,幅度和相位的不稳定性直接影响测量精度。在相控阵雷达中,收发组件的幅度和相位误差会使相控阵天线的副瓣电平增大。
(6)正交鉴相器的正交度。它是同时提取回波信号的幅度信息和相位信息的有效方法。
正交鉴相器的正交度表示鉴相器保持信号幅度和相位信息的准确程度。由于鉴相器的不正交产生的幅度误差和相位误差,将导致信号失真。在频域中,幅度和相位误差间产生镜像频率,影响雷达系统的动目标改善因子,在时域中,幅度和相位失真将会使脉冲压缩信号的主副瓣比变坏。
接收机中频实信号为: 

屏幕快照 2019-01-08 下午1.19.56

模拟正交鉴相器的优点是可以处理较宽的基带信号。但主要的缺点是难以实现I,Q通道良好的幅度平衡和相位正交。
影响正交的主要原因是相干振荡器输出的不正交性和视频放大器的零漂。
(7)A/D变换器的技术参数:A/D变换器与接收机相关的参数主要有位数、采样频率及输入信号的带宽,与此对应的量化噪声、信噪比以及动态范围也是A/D变换器的重要参数。
(8)抗干扰能力,当雷达系统用频率捷变方式抗有源干扰时,接收机的频率源输出的本振频率应与发射机频率同步跳变,同时接收机应有足够大的动态范围,以保证后面的信号处理有较高的处理精度。
(9)频率源和发射激励性能
从频域角度,主要是检测波形和发射激励信号的频谱特性;从时域角度,信号的质量主要是调制信号的前沿、后沿和顶部起伏,以及调至载频的频率和相位特性。对于发射激励信号,还需要用频谱仪测量其稳定性及对应的系统改善因子。
(10)微电子化、模块化和系列化
对于不同频段和各种不同用途的雷达接收机而言,除了天线结构、微波馈线结构和频率源以外,基本上都是由接收机前端、线性中放、对数中放、I/Q正交鉴相及A/D转换器等基本模块组成的。

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