第5章相控陣雷達

1、第四章小結(jié)第四章小結(jié)1.雷達距離分辨率與雷達信號帶寬 雷達信號TB積的概念 普通脈沖雷達信號的時寬(T)帶寬(B)積是一個常量(約為1)，矩形脈沖的帶寬是時寬的倒數(shù)。 要增加帶寬只有減小脈沖時寬一條道。要進一步減小時寬有一定的難度。要有足夠大的作用距離就要有足夠大的平均功率。因此，減小脈寬就得增加脈沖功率?，F(xiàn)在的峰值功率已經(jīng)非常大，給設備的耐壓，防止高壓打火，體積和重量提出了高要求。2.脈沖壓縮 產(chǎn)生一個這樣的脈沖，它的TB積遠大于1，一般在20100之間。作用距離以T為標準，距離分辨率以B為標準，兩者兼顧。3.雷達距離分辨率：Bcr24.壓縮比D5.脈沖壓縮的優(yōu)點：時寬帶寬互相基本獨立，可選

2、擇較寬的脈沖寬度，有較大的作用距離。有較高的距離分辨率。有較好的抗干擾能力。脈沖壓縮的缺點：由于加大了“T”，最小作用距離增加了。信號處理復雜。存在距離旁瓣存在一定的測距模糊和測速模糊。TBBTD/16.脈沖壓縮的實現(xiàn)：發(fā)射脈沖應按一定規(guī)則編碼，以獲得較大帶寬。接收機中應有一個壓縮網(wǎng)絡，脈沖壓縮網(wǎng)絡實際上是一個匹配濾波器。脈沖壓縮常用的四種7.調(diào)制方式：線性調(diào)頻脈沖壓縮非線性調(diào)頻相位編碼脈沖壓縮時間頻率編碼脈沖壓縮調(diào)制類型帶寬分辨率偽隨機二進制序列比特率1/比特率線性調(diào)頻掃描|f2-f1|1/|f2-f1|非線性調(diào)頻掃描|f2-f1|1/|f2-f1|噪聲B1/B8.能夠進行脈沖壓縮的波形：9

3、.脈沖壓縮原理: 設信號函數(shù)為s(t),對應的匹配濾波器的沖激響應為： h(t)=s*(t0-t) 經(jīng)過匹配濾波器的輸出信號y(t)為： 當t=t0時，y(t)達到最大，實現(xiàn)了脈沖壓縮。dttssthtsty)()()(*)()(0*10.線性調(diào)頻脈沖壓縮線性調(diào)頻脈沖壓縮 線性調(diào)頻信號為線性調(diào)頻信號為式中幅度已經(jīng)歸一化，f0中心頻率，T為脈沖寬度，B為帶寬。其零中頻信號為：11.失配加權(quán)失配加權(quán) 線性調(diào)頻信號的包絡是一個矩形，其經(jīng)過頻譜濾波器輸出信號的包絡為sinc函數(shù)。見p124圖4.13。最大副瓣為13分貝。在實際應用中，要求副瓣電平低于30dB至45dB。 2t Re220TetsttT

4、Bfj 2t 2TetstTBj 2t 2TethtTBj海明函數(shù)為：加權(quán)以后的失配濾波器的沖激響應為： 海明加權(quán)以后，失配將導致主瓣信噪比增益下降，主瓣寬度增加等。12.壓縮濾波器壓縮濾波器 匹配濾波器可用數(shù)字方法實現(xiàn)，結(jié)果就是一個橫向濾波器。線性調(diào)頻信號還可以在頻域進行壓縮。2t )(cos92. 008. 0)(2TTttw)()()(0twttsth13.相位編碼脈沖壓縮相位編碼脈沖壓縮 線性調(diào)頻信號是連續(xù)變化的編碼信號。相位編碼是離散型編碼信號。 常用的按兩個相位變化，在0o和180o兩者之間編碼，相位只取這兩個值。主要有巴克碼、M序列碼、L序列碼和互補編碼等。巴克碼見p142。 另

5、外，還有四相碼，取0o, 90o, 180o, 270o四個相位點。相位編碼脈沖壓縮仍有副瓣抑制的問題。 四相碼應用較少。習題：線性調(diào)頻信號的帶寬B為1MHz，時寬T為100s，零中頻，t0=0。采樣頻率fs=B。1 畫出線性調(diào)頻信號實部和虛部的時域圖形。2 畫出線性調(diào)頻信號的頻譜圖(FFT變換后取模，0頻率在坐標中間)。3 畫出無加權(quán)的脈沖壓縮波形，計算最大副瓣電平，三分貝脈沖寬度。4 畫出海明加權(quán)的脈沖壓縮波形，計算最大副瓣電平，三分貝脈沖寬度。第五章第五章 相控陣雷達相控陣雷達5.1概述概述 相控陣： 相位可控的陣列。相控陣天線是由許多輻射單元排列組成的，每個單元的饋電相位均可靈活控制，

6、改變波陣面。 相控陣的概念很明確、很簡單，但它與其他許多技術(shù)有關(guān)，研究較早，發(fā)展較慢。目前處于迅速發(fā)展、激烈變化的時期。相控陣采用的高技術(shù)： 計算機技術(shù) 固態(tài)技術(shù) 信號處理技術(shù) 光電子技術(shù) 新材料技術(shù) 以及器件、結(jié)構(gòu)、工藝的發(fā)展相控陣雷達的特點：波束捷變多目標跟蹤遠作用距離高數(shù)據(jù)率自適應抗干擾快速識別目標高可靠性天線共形5.2相控陣列的基本原理相控陣列的基本原理 相控陣天線的陣元一般在100-10000個，每個陣元后接一個可控移相器。改變每個移相器的移相量就改變了陣元間的相對饋電相位，改變了天線輻射電磁波的波陣面指向。 ddddsin()圖5.1陣列天線示意圖波陣面 0 1 2 N-1 天線陣

7、元之間的間距為d，目標方位(不一定是波束指向)與天線陣面法矢量夾角為。相鄰陣元回波相位差為，波程差為()，由波程差引起的相位差為：考慮遠場情況(補充遠場、近場的概念)，設N個天線陣元等間隔分布，等幅饋電，在方向某點輻射場矢量和：如果各陣元饋電相位差均為0，上式可用于研究陣列天線的方向圖。假設0為波束指向，利用等比級數(shù)求和公式，歐拉公式和(5-1)，得歸一化天線方向圖(p154)：sin2d10)(NkjkeEE sinsinsinsindNdaNF Fa()稱為陣列因子或陣因子。如果天線陣元不是向空間所有角度均勻輻射的，方向圖為Fe()，陣列方向圖變?yōu)椋篎e()稱為陣元因子。關(guān)于陣列天線的柵瓣

8、陣列因子圖： eaFFF-/2 0 /2 3/2 2 圖5-2陣列因子圖主瓣 柵瓣 柵瓣 由圖5-2可以看出，主瓣是我們感興趣的，所有柵瓣應去掉。不出現(xiàn)柵瓣的條件： ，或d/1 結(jié)論：1. 陣元間距越大，陣元數(shù)越多，角度分辨率越高。2. 陣元間距過大，天線方向圖將會出現(xiàn)副瓣。-/2 0 /2 3/2 2 圖5-2陣列因子圖主瓣 柵瓣 柵瓣sindsin2dNsind二、相控陣天線掃描二、相控陣天線掃描 在圖5.3中，陣列天線饋電相位按0遞減，則波束指向為0。改變0，就能實現(xiàn)相控陣掃描。饋電相位差與等價波程差關(guān)系：00sin2d0ddddsin(0)圖5.3陣列天線掃描示意圖波陣面ej0 e-j

9、0 e-j20 e-j(N-1)0主瓣方向此時，天線方向圖為。 (5-7)無柵瓣的條件： 00sinsinsinsinsinsindNdaNF0sin11d結(jié)論：1 相控陣天線一維主瓣方向由陣元饋電相位差決定。2 當陣元間距d太大時，將出現(xiàn)與主瓣等幅度的柵瓣。有兩個克服方法：限制陣元間距， 。限制陣元天線方向圖，使陣元主瓣內(nèi)不出現(xiàn)柵瓣。3 天線掃描時，0增大，波束要展寬。4 天線掃描時，0增大，天線增益要下降。 可以采用非均勻分布的陣列天線，見P156 表51。以上分析的是相控陣一維陣列天線分析，二維天線的分析方法相同。00sin2d0sin11d5.3相控陣雷達的組成相控陣雷達的組成相控陣雷

10、達的組成方案很多，根據(jù)是否有源可分為兩類：1.有源相控陣列雷達每個天線陣元用一個接收機和發(fā)射功率放大器天線陣列發(fā)射接收陣列激勵器數(shù)據(jù)處理波控計算機顯示控制圖5.4有源相控陣雷達框圖 2.無源相控陣列雷達共用一個和幾個接收機和發(fā)射功，其余與有源相控陣列雷達相同。！天線陣列移相陣列發(fā)射機數(shù)據(jù)處理，接收機波控計算機顯示控制圖5.5有源相控陣雷達框圖5.4相位掃描系統(tǒng)的組成及工作原理相位掃描系統(tǒng)的組成及工作原理陣列組態(tài)陣列組態(tài)目前，相控陣天線的陣面大都為平面陣目前，相控陣天線的陣面大都為平面陣(p158)均勻排列若干輻射源均勻排列若干輻射源(陣元陣元)。常見的輻射源：。常見的輻射源：半波振子半波振子喇

11、叭口喇叭口縫隙振子縫隙振子微帶偶極子微帶偶極子移相器移相器1 二極管移相器二極管移相器這是一個這是一個4位移相器。步長為位移相器。步長為22.5o。 輸入 22.5o 45o 90o 180o 輸出圖5.6 二極管移相器移相器由延遲線實現(xiàn)，22.5o采用十六分之一波長延遲線。因而，帶寬有限。移相器還可以用電感、電容實現(xiàn)，或其他方式延遲線。二極管起一個開關(guān)的作用，加正向偏置導通，反向偏置截止。體積小，重量輕，開關(guān)時間短(50ns-2s)，驅(qū)動功率小，溫度系數(shù)小，適用于固態(tài)集成電路。2鐵氧體移相器鐵氧體移相器結(jié)構(gòu)如圖5.7。其中，鐵氧體上的線圈未畫出。利用線圈對每段鐵氧體獨立充磁，改變各段磁化狀態(tài)，從而改變波導中的相位移。速度慢、體積大、功率大 移相的量化誤差。鐵氧體(4段) 波導圖5.7鐵氧體移相器波束形成網(wǎng)絡波束形成網(wǎng)絡波束形成分發(fā)射波束形成、接收波束形成，一般指接收波束形成。射頻波束形成中頻波束形成數(shù)字波束形成多波束形成5.5有源相控陣雷達有源相控陣雷達 每個陣元有一個收發(fā)組件5.6相控陣雷達的有缺點及發(fā)展趨勢相控陣雷達的有缺點及發(fā)展趨勢特點：特點：p182有有8個特點個特點發(fā)展：戰(zhàn)術(shù)相控陣和戰(zhàn)略相控陣小結(jié)1.相控陣雷達的基本概念2.與相控陣雷達相關(guān)的技術(shù)3.相控陣雷達的特點4.陣因子和陣元因子5.遠場和近場6.柵瓣和克服柵瓣的方法7.相控陣雷達掃描與角分辨率8.相控陣雷達