雷達(dá)信號(hào)及其監(jiān)測(cè)研究

　　雷達(dá)(radar)是“無(wú)線電探測(cè)與定位(radio detecting and ranging)”的縮寫，其基本任務(wù)是探測(cè)感興趣的目標(biāo)，測(cè)定目標(biāo)的距離、方問(wèn)、速度等狀態(tài)參數(shù)。

雷達(dá)的基本工作原理

　　雷達(dá)的基本工作原理是:雷達(dá)發(fā)射機(jī)產(chǎn)生足夠的電磁能量，經(jīng)過(guò)收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)傳送給天線;天線將這些電磁能量輻射至大氣中，集中在某一個(gè)很窄的方向上形成波束，向前傳播;電磁波遇到波束內(nèi)的目標(biāo)后，將沿著各個(gè)方向產(chǎn)生反射，其中的一部分電磁能量反射回雷達(dá)的方向，被雷達(dá)天線獲取;天線獲取的能量經(jīng)過(guò)收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)送到接收機(jī)，形成雷達(dá)的回波信號(hào)。由于在傳播過(guò)程中電磁波會(huì)隨著傳播距離而衰減，雷達(dá)回波信號(hào)非常微弱，幾乎被噪聲所淹沒。接收機(jī)放大微弱的回波信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理機(jī)，可提取出包含在回波中的信息，并在顯示器上表示出目標(biāo)的距離、方向、速度等。

　　1.1 測(cè)量距離

　　為了測(cè)定目標(biāo)的距離，雷達(dá)準(zhǔn)確測(cè)量從電磁波發(fā)射時(shí)刻至接收到回波時(shí)刻的延遲時(shí)間，即電磁波從發(fā)射機(jī)到目標(biāo)，再由目標(biāo)返回雷達(dá)接收機(jī)的傳播時(shí)間。根據(jù)電磁波的傳播速度，可以確定目標(biāo)的距離為:S=CT/2。

　　其中:S為目標(biāo)距離，T為電磁波從雷達(dá)到目標(biāo)的往返傳播時(shí)間，C為光速。

　　1.2 確定方向

　　雷達(dá)測(cè)定目標(biāo)的方向是利用天線的方向性來(lái)實(shí)現(xiàn)的。兩坐標(biāo)雷達(dá)只能測(cè)定目標(biāo)的方位角，三坐標(biāo)雷達(dá)可以測(cè)定方位角和俯仰角。

　　1.3 測(cè)定速度

　　測(cè)定目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度是雷達(dá)的一個(gè)重要功能，雷達(dá)測(cè)速利用了物理學(xué)中的多普勒原理。當(dāng)目標(biāo)和雷達(dá)之間存在著相對(duì)位置運(yùn)動(dòng)時(shí)，目標(biāo)回波的頻率就會(huì)發(fā)生改變，頻率的改變量稱為多普勒頻移，用于確定目標(biāo)的相對(duì)徑向速度。通常，具有測(cè)速能力的雷達(dá)，要比一般雷達(dá)復(fù)雜得多，例如脈沖多普勒雷達(dá)。

技術(shù)參數(shù)

　　根據(jù)波形來(lái)區(qū)分，雷達(dá)主要分為脈沖雷達(dá)和連續(xù)波雷達(dá)兩大類。當(dāng)前常用的雷達(dá)大多數(shù)是脈沖雷達(dá)，常規(guī)脈沖雷達(dá)會(huì)周期性地發(fā)射高頻脈沖。

　　雷達(dá)的技術(shù)參數(shù)主要包括工作頻率（波長(zhǎng)）、脈沖重復(fù)時(shí)間、脈沖寬度、發(fā)射功率、天線波束寬度、天線波束掃描方式、接收機(jī)靈敏度等。如果掌握了雷達(dá)的技術(shù)參數(shù)，就可在一定程度上識(shí)別出雷達(dá)的種類。

　　* 脈沖寬度: 脈沖包絡(luò)前沿和后沿上0.5A之間的間隔，如圖1中的b-f（見圖1）。


圖1 雷達(dá)技術(shù)參數(shù)的定義

　　* 脈沖重復(fù)時(shí)間（或脈沖間隔）PRF:第一個(gè)脈沖前沿0.5A和第二個(gè)脈沖前沿0.5A點(diǎn)之間的間隔，如圖1中的b-h。

　　* 脈沖峰值功率(PP):是指脈沖期間射頻振蕩的平均功率（不是脈沖包絡(luò)的最大瞬時(shí)功率Pf0）。

　　* 脈沖平均功率（Pav）:是指脈沖重復(fù)周期內(nèi)輸出功率的平均值。

　　* 脈沖上升時(shí)間:脈沖包絡(luò)前沿0.1A和0.9A之間的時(shí)間，如圖1中的a-c。

　　* 脈沖下降時(shí)間:脈沖包絡(luò)后沿0.1A和0.9A之間的時(shí)間，如圖1中的e-g。

　　一般的雷達(dá)信號(hào)由脈沖基帶信號(hào)對(duì)RF載波信號(hào)進(jìn)行幅度調(diào)制而得。調(diào)制后的雷達(dá)信號(hào)與脈沖基帶信號(hào)的頻譜特征一致，只是雷達(dá)信號(hào)的頻譜漂移到RF載波信號(hào)頻率的兩旁。所以我們只需研究脈沖基帶信號(hào)的頻譜特征，便可知道雷達(dá)信號(hào)的頻譜特征。

　　方波信號(hào)可由一個(gè)正弦波與其奇次諧波組合而成，方波信號(hào)的頻率與正弦波信號(hào)的頻率一致。而矩形脈沖則由一個(gè)正弦波與其奇偶次諧波組合而成，只是各信號(hào)的幅度和相位有所不同。

　　對(duì)脈沖序列進(jìn)行傅立葉變換（見圖2）得到:



圖2 傅立葉變換

　　頻譜具有離散性、諧波性和收斂性。離散性:頻譜由頻率離散而不連續(xù)的譜線組成。諧波性:各次諧波分量的頻率都是基波頻率的整數(shù)倍，f為1/T的整數(shù)倍。收斂性:譜線幅度隨諧波頻率的增大而衰減。頻譜包絡(luò)服從抽樣函數(shù)sinx/x。

　　當(dāng)f等于1/τ的整數(shù)倍時(shí)，頻譜分量為零。

　　用此脈沖信號(hào)對(duì)一射頻載波進(jìn)行幅度調(diào)制，射頻頻譜的特征不變，只是以射頻載波頻率為中心，脈沖信號(hào)的頻譜在其兩邊對(duì)稱分布。

　　頻譜隨參數(shù)的變化見圖3。


圖3 頻譜隨參數(shù)變化

　　當(dāng)脈沖重復(fù)時(shí)間T變大（PRF增大）時(shí)，零分量頻率不變，譜線間距減小，譜線變密，譜線振幅減小，變化緩慢。

　　當(dāng)脈沖寬度t增大時(shí)，譜線間距相等，零分量頻率減小，有效譜帶內(nèi)諧波分量減少，譜線振幅較大，減小變化急速。

雷達(dá)信號(hào)的監(jiān)測(cè)

　　對(duì)雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，是我們無(wú)線電監(jiān)測(cè)工作的重要組成部分。掃頻式頻譜分析儀就是分析脈沖雷達(dá)信號(hào)的基本儀器，實(shí)際上，頻譜分析儀最初就是為了監(jiān)測(cè)雷達(dá)信號(hào)而發(fā)明的。

　　3.1 頻域中脈沖重復(fù)時(shí)間（PRT）的測(cè)量

　　要想在頻譜儀中顯示雷達(dá)信號(hào)的離散譜，分辨率帶寬RBW必須小于雷達(dá)的PRF，最好使得RBW<0.1PRF。只要滿足RBW＜＜PRF，則離散譜的幅度不會(huì)隨RBW而改變，但如果不滿足此條件，改變RBW，則離散譜的幅度就會(huì)跟著變化。當(dāng)改變頻譜儀掃描時(shí)間時(shí)，線分量的間隔也隨著改變。為了準(zhǔn)確方便地測(cè)量射頻脈沖信號(hào)的脈沖重復(fù)時(shí)間（PRT），可人工設(shè)置掃描時(shí)間，使線分量間隔更容易讀取，這時(shí)，利用頻譜儀的marker和delta marker兩點(diǎn)間的時(shí)間差就可直接測(cè)得脈沖的PRT參數(shù)。

　　將頻譜分析儀的中心頻率設(shè)置為雷達(dá)的發(fā)射頻率，掃描帶寬設(shè)置為合適的位置，將分辨帶寬設(shè)置為手動(dòng)，并依次降低，直至清晰地顯示出脈沖譜（如圖4所示），測(cè)量脈沖譜的主波瓣寬度，利用如下公式計(jì)算出脈沖寬度:


圖4 頻域中脈沖寬度的測(cè)量

　　脈沖寬度(τ)=1/(主瓣寬度/2) ，

　　其中頻率的單位為赫茲，時(shí)間的單位為秒。

　　注意:當(dāng)RBW設(shè)置過(guò)大時(shí)，脈沖頻譜的sin(x)/x包絡(luò)形象將消失（如圖5）。


圖5 RBW設(shè)置對(duì)脈沖頻譜的影響

　　除了頻域測(cè)量，頻譜分析儀還可用“zero span”功能進(jìn)行時(shí)域測(cè)量，這時(shí)，頻譜儀就成為一個(gè)調(diào)諧在固定頻率上的接收機(jī)，相當(dāng)于一個(gè)示波器。為達(dá)到穩(wěn)定的波形顯示，現(xiàn)代頻譜儀都有多種不同的觸發(fā)模式。利用延遲觸發(fā)功能可以較方便地測(cè)量脈沖寬度、峰值功率、占空比、上升時(shí)間等在頻域里很難測(cè)量的參數(shù)。

　　3.2 時(shí)域中脈沖重復(fù)時(shí)間（PRT）的測(cè)量

　　將頻譜分析儀的中心頻率設(shè)置為雷達(dá)的發(fā)射頻率，掃寬設(shè)置為zero span，調(diào)整頻譜儀的掃描時(shí)間，使得兩個(gè)脈沖信息顯示在屏幕中，用marker和delta marker分別置于兩脈沖的相同位置，則可直接讀取兩脈沖之間的時(shí)間差，再計(jì)算得出PRT。

　　3.3 時(shí)域中脈沖寬度的測(cè)量

　　測(cè)量前，必須把頻譜儀的顯示點(diǎn)數(shù)設(shè)置為最大，這樣可以盡量提高測(cè)量的時(shí)間分辨率。另外，RBW要設(shè)置得盡可能大（通常取最大RBW），使得RBW濾波器的脈沖響應(yīng)不至于影響測(cè)量。適當(dāng)設(shè)置頻譜儀，使得在屏幕中間顯示一個(gè)脈沖信號(hào)，先把marker設(shè)到脈沖flat top的中間，然后把delta marker調(diào)整到比marker低6 dB處，接著反方向調(diào)整marker的位置，使得兩marker的電平相差為0 dB，這時(shí)，兩marker之間的時(shí)間差即為脈沖寬度。