雷达信号及其监测研究

admin

雷达(radar)是“无线电探测与定位(radiodetectingandranging)”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<0.1PRF。只要满足RBW＜＜PRF，则离散谱的幅度不会随RBW而改变，但如果不满足此条件，改变RBW，则离散谱的幅度就会跟着变化。当改变频谱仪扫描时间时，线分量的间隔也随着改变。为了准确方便地测量射频脉冲信号的脉冲重复时间（PRT），可人工设置扫描时间，使线分量间隔更容易读取，这时，利用频谱仪的marker和deltamarker两点间的时间差就可直接测得脉冲的PRT参数。
    将频谱分析仪的中心频率设置为雷达的发射频率，扫描带宽设置为合适的位置，将分辨带宽设置为手动，并依次降低，直至清晰地显示出脉冲谱（如图4所示），测量脉冲谱的主波瓣宽度，利用如下公式计算出脉冲宽度:

    图4  频域中脉冲宽度的测量

    脉冲宽度(&tau;)=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“zerospan”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zerospan，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deltamarker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flattop的中间，然后把deltamarker调整到比marker低6dB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