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科普：脈沖雷達基礎知識
閱讀：1502 發(fā)布時間：2021-3-25
雷達通常有兩種基本類型：連續(xù)波(CW)雷達和脈沖雷達。CW 雷達發(fā)射連續(xù)波，并且發(fā)射的同時可以接收反射的回波信號，即收發(fā)可同時進行。脈沖雷達間歇式發(fā)射脈沖周期信號，并且在發(fā)射間隔接收反射的回波信號，即收發(fā)間隔進行。
1. 脈沖雷達的優(yōu)勢
雷達在工作過程中，發(fā)射信號泄漏會對接收機造成干擾，情況主要有兩種：一種是大信號干擾使得接收機壓縮增益或出現(xiàn)飽和，甚至造成接收機阻塞，通?？梢酝ㄟ^將收發(fā)天線進行物理隔離來解決；另一種是發(fā)射信號的邊帶噪聲將微弱的回波信號淹沒，對接收機的目標檢測造成影響。
直接的信號泄漏通?？梢圆捎檬瞻l(fā)天線隔離和頻率分離相結合的方法得到解決。在多普勒導航器中，多普勒頻移可以提供足夠的頻率間隔，以保證發(fā)射信號不對接收機造成干擾。
對于機載雷達，每個發(fā)射機不可避免的都會產生噪聲，并且會調制到發(fā)射機的輸出，產生調制的邊帶噪聲，覆蓋了發(fā)射頻率左右很寬的頻帶。盡管這些邊帶噪聲的功率極小，但是仍然比來自目標的回波信號強很多個數(shù)量級。
為了防止發(fā)射機邊帶噪聲干擾接收信號，必須將接收機與發(fā)射機隔離。采用獨立的發(fā)射機和接收機，并且發(fā)射機和接收機采用各自獨立的天線，從而實現(xiàn)發(fā)射機和接收機的隔離。地面和艦載連續(xù)波雷達就是如此。
但是，機載雷達因為空間受限，通常收發(fā)要共用一副天線，因此，發(fā)射機輸出的邊帶噪聲不可避免地會通過天線進入到接收機。脈沖體制雷達則可以有效避免出現(xiàn)發(fā)射機干擾接收機的問題。
2. 脈沖雷達的波形參數(shù)
如果雷達采用脈沖體制，收發(fā)不同時，則發(fā)射信號的泄露不再是一個問題。脈沖工作模式的另一優(yōu)點是可以簡化距離測量。如果脈沖間隔足夠寬，通過測量發(fā)射脈沖與接收到該脈沖的回波脈沖之間的時間差，即可j確地測出目標的距離。
載波頻率
載波頻率通常不是常數(shù)，而是為了滿足專門的系統(tǒng)或操作需要以不同的方式變化的。從一個脈沖到下一個脈沖，載波頻率可能增大或減小。在一個脈沖內部，載波頻率也可能隨機地或者按照專門方式改變，這被稱為脈內調制。
脈沖寬度
脈沖寬度是指脈沖持續(xù)的時間，根據(jù)雷達的不同用途，脈沖寬度可以從微秒級到幾千毫秒。
當雷達用未經(jīng)調制的脈沖去分辨兩個被測目標，兩個目標的距離間隔必須能夠滿足條件：即發(fā)射脈沖下降沿離開較近距離目標的時間，要先于來自較遠距離目標回波脈沖的上升沿到達較近距離目標的時間。
脈沖重復頻率
脈沖重復頻率（PRF）是雷達脈沖發(fā)射的速度，即雷達每秒發(fā)射脈沖的個數(shù)。機載雷達的 PRF 可以從幾百 Hz 到幾百 kHz，并且在雷達工作過程中可以改變。
另一種測量脈沖重復頻率的方法是測量它的倒數(shù)，即一個脈沖的起始沿到下一個脈沖的起始沿之間的周期，稱之為脈沖重復間隔（PRI），有時候也叫脈沖周期。例如， PRF 為 100Hz，那么 PRI 就是 1/100=0.01s，或者 10,000。
PRF 的選擇很重要，這是因為，它決定了雷達是否會產生距離模糊和多普勒頻率模糊，以及模糊的程度。上圖說明當雷達不能直接確定回波脈沖與哪個發(fā)射脈沖相對應時，就會出現(xiàn)距離模糊。
3. 輸出功率和發(fā)射能量
在討論脈沖發(fā)射對輸出功率和發(fā)射能量的影響之前，先來看看功率和能量的關系。簡單地說，功率是單位時間內能量的多少，能量是功率在時間上的積分。雷達脈沖發(fā)射的能量等于輸出功率乘以發(fā)射脈沖持續(xù)的時長。
一般來說，對于脈沖雷達輸出功率，有兩種不同的測量方法可得到兩種不同功率：峰值功率和平均功率。
峰值功率
如果脈沖為方波，那么每一個脈沖的功率值從其上升沿至下降沿是一個常數(shù)，即當發(fā)射機打開或發(fā)射時，其峰值功率就是輸出功率。峰值功率用 P 表示。在單個傳輸路徑（比如波導）上峰值功率有上限值的。
峰值功率和脈沖寬度決定了發(fā)射脈沖傳輸?shù)哪芰看笮?。如果脈沖是方波，每個脈沖能量就等于其峰值功率乘以脈沖寬度。
平均功率
雷達的平均發(fā)射功率，是指在一個 PRI 內發(fā)射脈沖功率的平均值。如果雷達脈沖是方波，平均功率等于峰值功率乘以脈沖寬度與 PRI 的比值。
例如，一個雷達的峰值功率為 100kW，脈沖寬度為 1，在 PRI 為 2000 內的平均功率為 100=0.05kW 或 50W。
脈寬與周期的比被稱為發(fā)射機的占空比，表示雷達工作過程中發(fā)射持續(xù)時間所占的比例。舉例來說，如果一個雷達的脈沖寬度為 0.5，而 PRI 為 100，那么占空比為 0.5 雷達發(fā)射時間即為其工作時間的 5/1000，就可以說雷達發(fā)射機的占空比為 0.5%。
雷達平均輸出功率之所以重要，是因為它可決定雷達潛在的可探測距離。在給定的周期內，雷達發(fā)射的總能量等于平均功率乘以脈沖周期。
為了使探測距離 z大化，可以通過三種途徑來提高平均功率：提高 PRF、加大脈沖寬度以及增加峰值功率。
平均功率還關系到其他的一些因素。它與發(fā)射機效率一起，決定了因為發(fā)射機發(fā)熱損耗所必須消散的能量，反過來說，這也決定了所需的冷卻量。因此，平均功率越高，發(fā)射機就會越大、越熱。
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