科普:脉冲雷达基础知识

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雷达通常有两种基本类型:连续波(CW)雷达和脉冲雷达。CW 雷达发射连续波,并且发射的同时可以接收反射的回波信号,即收发可同时进行。脉冲雷达间歇式发射脉冲周期信号,并且在发射间隔接收反射的回波信号,即收发间隔进行。 
 
1. 脉冲雷达的优势
 
雷达在工作过程中,发射信号泄漏会对接收机造成干扰,情况主要有两种:一种是大信号干扰使得接收机压缩增益或出现饱和,甚至造成接收机阻塞,通常可以通过将收发天线进行物理隔离来解决;另一种是发射信号的边带噪声将微弱的回波信号淹没,对接收机的目标检测造成影响。 
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直接的信号泄漏通常可以采用收发天线隔离和频率分离相结合的方法得到解决。在多普勒导航器中,多普勒频移可以提供足够的频率间隔,以保证发射信号不对接收机造成干扰。 
 
对于机载雷达,每个发射机不可避免的都会产生噪声,并且会调制到发射机的输出,产生调制的边带噪声,覆盖了发射频率左右很宽的频带。尽管这些边带噪声的功率极小,但是仍然比来自目标的回波信号强很多个数量级。 
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为了防止发射机边带噪声干扰接收信号,必须将接收机与发射机隔离。采用独立的发射机和接收机,并且发射机和接收机采用各自独立的天线,从而实现发射机和接收机的隔离。地面和舰载连续波雷达就是如此。 
 
但是,机载雷达因为空间受限,通常收发要共用一副天线,因此,发射机输出的边带噪声不可避免地会通过天线进入到接收机。脉冲体制雷达则可以有效避免出现发射机干扰接收机的问题。 
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2. 脉冲雷达的波形参数
 
如果雷达采用脉冲体制,收发不同时,则发射信号的泄露不再是一个问题。脉冲工作模式的另一优点是可以简化距离测量。如果脉冲间隔足够宽,通过测量发射脉冲与接收到该脉冲的回波脉冲之间的时间差,即可精确地测出目标的距离。
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载波频率
载波频率通常不是常数,而是为了满足专门的系统或操作需要以不同的方式变化的。从一个脉冲到下一个脉冲,载波频率可能增大或减小。在一个脉冲内部,载波频率也可能随机地或者按照专门方式改变,这被称为脉内调制。
 
脉冲宽度
脉冲宽度是指脉冲持续的时间,根据雷达的不同用途,脉冲宽度可以从微秒级到几千毫秒。 
 
当雷达用未经调制的脉冲去分辨两个被测目标,两个目标的距离间隔必须能够满足条件:即发射脉冲下降沿离开较近距离目标的时间,要先于来自较远距离目标回波脉冲的上升沿到达较近距离目标的时间。 
 
脉冲重复频率
脉冲重复频率(PRF)是雷达脉冲发射的速度,即雷达每秒发射脉冲的个数。机载雷达的 PRF 可以从几百 Hz 到几百 kHz,并且在雷达工作过程中可以改变。 
 
另一种测量脉冲重复频率的方法是测量它的倒数,即一个脉冲的起始沿到下一个脉冲的起始沿之间的周期,称之为脉冲重复间隔(PRI),有时候也叫脉冲周期。例如, PRF 为 100Hz,那么 PRI 就是 1/100=0.01s,或者 10,000。 
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PRF 的选择很重要,这是因为,它决定了雷达是否会产生距离模糊和多普勒频率模糊,以及模糊的程度。上图说明当雷达不能直接确定回波脉冲与哪个发射脉冲相对应时,就会出现距离模糊。 
 
3. 输出功率和发射能量
 
在讨论脉冲发射对输出功率和发射能量的影响之前,先来看看功率和能量的关系。简单地说,功率是单位时间内能量的多少,能量是功率在时间上的积分。雷达脉冲发射的能量等于输出功率乘以发射脉冲持续的时长。 
 
一般来说,对于脉冲雷达输出功率,有两种不同的测量方法可得到两种不同功率:峰值功率和平均功率。 
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峰值功率
如果脉冲为方波,那么每一个脉冲的功率值从其上升沿至下降沿是一个常数,即当发射机打开或发射时,其峰值功率就是输出功率。峰值功率用 P 表示。在单个传输路径(比如波导)上峰值功率有上限值的。 
 
峰值功率和脉冲宽度决定了发射脉冲传输的能量大小。如果脉冲是方波,每个脉冲能量就等于其峰值功率乘以脉冲宽度。 
 
平均功率
雷达的平均发射功率,是指在一个 PRI 内发射脉冲功率的平均值。如果雷达脉冲是方波,平均功率等于峰值功率乘以脉冲宽度与 PRI 的比值。 
 
例如,一个雷达的峰值功率为 100kW,脉冲宽度为 1,在 PRI 为 2000 内的平均功率为 100=0.05kW 或 50W。 
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脉宽与周期的比被称为发射机的占空比,表示雷达工作过程中发射持续时间所占的比例。举例来说,如果一个雷达的脉冲宽度为 0.5,而 PRI 为 100,那么占空比为 0.5 雷达发射时间即为其工作时间的 5/1000,就可以说雷达发射机的占空比为 0.5%。 
 
雷达平均输出功率之所以重要,是因为它可决定雷达潜在的可探测距离。在给定的周期内,雷达发射的总能量等于平均功率乘以脉冲周期。 
 
为了使探测距离最大化,可以通过三种途径来提高平均功率:提高 PRF、加大脉冲宽度以及增加峰值功率。 
 
平均功率还关系到其他的一些因素。它与发射机效率一起,决定了因为发射机发热损耗所必须消散的能量,反过来说,这也决定了所需的冷却量。因此,平均功率越高,发射机就会越大、越热。
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