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雷達通常有兩種基本類(lèi)型:連續波(CW)雷達和脈沖雷達。CW 雷達發(fā)射連續波,并且發(fā)射的同時(shí)可以接收反射的回波信號,即收發(fā)可同時(shí)進(jìn)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(jìn)行。
1. 脈沖雷達的優(yōu)勢
雷達在工作過(guò)程中,發(fā)射信號泄漏會(huì )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飽和,甚至造成接收機阻塞,通??梢酝ㄟ^(guò)將收發(fā)天線(xiàn)進(jìn)行物理隔離來(lái)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(méi),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(xiàn)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(gè)發(fā)射機不可避免的都會(huì )產(chǎn)生噪聲,并且會(huì )調制到發(fā)射機的輸出,產(chǎn)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(lái)自目標的回波信號強很多個(gè)數量級。
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(xiàn),從而實(shí)現發(fā)射機和接收機的隔離。地面和艦載連續波雷達就是如此。
但是,機載雷達因為空間受限,通常收發(fā)要共用一副天線(xiàn),因此,發(fā)射機輸出的邊帶噪聲不可避免地會(huì )通過(guò)天線(xiàn)進(jìn)入到接收機。脈沖體制雷達則可以有效避免出現發(fā)射機干擾接收機的問(wèn)題。
2. 脈沖雷達的波形參數
如果雷達采用脈沖體制,收發(fā)不同時(shí),則發(fā)射信號的泄露不再是一個(gè)問(wèn)題。脈沖工作模式的另一優(yōu)點(diǎn)是可以簡(jiǎn)化距離測量。如果脈沖間隔足夠寬,通過(guò)測量發(fā)射脈沖與接收到該脈沖的回波脈沖之間的時(shí)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,而是為了滿(mǎn)足專(zhuān)門(mén)的系統或操作需要以不同的方式變化的。從一個(gè)脈沖到下一個(gè)脈沖,載波頻率可能增大或減小。在一個(gè)脈沖內部,載波頻率也可能隨機地或者按照專(zhuān)門(mén)方式改變,這被稱(chēng)為脈內調制。
脈沖寬度
脈沖寬度是指脈沖持續的時(shí)間,根據雷達的不同用途,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(gè)被測目標,兩個(gè)目標的距離間隔必須能夠滿(mǎn)足條件:即發(fā)射脈沖下降沿離開(kāi)較近距離目標的時(shí)間,要先于來(lái)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(shí)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(gè)數。機載雷達的 PRF 可以從幾百 Hz 到幾百 kHz,并且在雷達工作過(guò)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,即一個(gè)脈沖的起始沿到下一個(gè)脈沖的起始沿之間的周期,稱(chēng)之為脈沖重復間隔(PRI),有時(shí)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(huì )產(chǎn)生距離模糊和多普勒頻率模糊,以及模糊的程度。上圖說(shuō)明當雷達不能直接確定回波脈沖與哪個(gè)發(fā)射脈沖相對應時(shí),就會(huì )出現距離模糊。
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(lái)看看功率和能量的關(guān)系。簡(jiǎn)單地說(shuō),功率是單位時(shí)間內能量的多少,能量是功率在時(shí)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)射脈沖持續的時(shí)長(cháng)。
一般來(lái)說(shuō),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(gè)脈沖的功率值從其上升沿至下降沿是一個(gè)常數,即當發(fā)射機打開(kāi)或發(fā)射時(shí),其峰值功率就是輸出功率。峰值功率用 P 表示。在單個(gè)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)射脈沖傳輸的能量大小。如果脈沖是方波,每個(gè)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(gè) 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(gè)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(chēng)為發(fā)射機的占空比,表示雷達工作過(guò)程中發(fā)射持續時(shí)間所占的比例。舉例來(lái)說(shuō),如果一個(gè)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(shí)間即為其工作時(shí)間的 5/1000,就可以說(shuō)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(guò)三種途徑來(lái)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(guān)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(guò)來(lái)說(shuō),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(huì )越大、越熱。
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