導彈制導系統(tǒng)原理詳解演示文稿

導彈制導系統(tǒng)原理詳解演示文稿當前1頁，總共136頁。優(yōu)選導彈制導系統(tǒng)原理當前2頁，總共136頁。第七章運動目標檢測及測速

7.1多普勒效應及其在雷達中的應用7.2動目標顯示雷達的工作原理及主要組成7.3盲速、盲相的影響及其解決途徑7.4速度測量當前3頁，總共136頁。7.1多普勒效應及其在雷達中的應用

7.1.1多普勒效應

DopplerEffect

多普勒效應是指當發(fā)射源和接受者之間有相對徑向運動時,接收到的信號頻率將發(fā)生變化。當前4頁，總共136頁。

多普勒效應首先在聲學上由物理學家克里斯頓·多普勒于1842年發(fā)現(xiàn)。1930年左右開始將這一規(guī)律應用到電磁波范圍。雷達應用日益廣泛及對其性能要求更加提高，推動了利用多普勒效應來改善雷達工作質(zhì)量的進程?？死锼诡D·多普勒當前5頁，總共136頁。GRIFO-7火控雷達

雷達具有良好的電子對抗能力；在脈沖多普勒和脈波重復頻率波形模式下，具有完整的下視上視能力，并可比對地面測距；可從平視顯示器上顯示相關(guān)信息。殲-7E和殲-7MG也可采用相似于GRIFO-7的雷達。當前6頁，總共136頁。英“空中閃光”空空彈道

制導體制是純粹跟蹤目標雷達回波從MG型的平視顯示器看到的景象

殲7家族的成功改型成都殲7MG戰(zhàn)斗機多普列雷達當前7頁，總共136頁?！帮w豹”脈沖多普勒雷達的平面狹縫天線，對地性能優(yōu)于蘇30的雷達。飛豹戰(zhàn)機起飛返航歸來的飛豹A當前8頁，總共136頁。1.雷達發(fā)射連續(xù)波的情況s(t)=Acos(ω0t+φ)式中,ω0為發(fā)射角頻率,φ為初相;A為振幅。雷達波發(fā)射源這時發(fā)射信號可表示為

當前9頁，總共136頁。雷達波雷達波發(fā)射后會逐漸擴散當前10頁，總共136頁。在雷達發(fā)射站處接收到由目標反射的回波信號sr(t)為(7.1.1)

式中,tr=2R/c,為回波滯后于發(fā)射信號的時間,其中R為目標和雷達站間的距離;c為電磁波傳播速度,在自由空間傳播時它等于光速;k為回波的衰減系數(shù)。當前11頁，總共136頁。

如果目標固定不動,則距離R為常數(shù)。回波與發(fā)射信號之間有固定相位差ω0tr=2πf0·2R/c=(2π/λ)2R,它是電磁波往返于雷達與目標之間所產(chǎn)生的相位滯后。當前12頁，總共136頁。主波回波A型顯示器J型顯示器主波回波主波回波A/R型顯示器不同顯示器中主波與會波當前13頁，總共136頁。雷達回波圖雷達回波測距.

當前14頁，總共136頁。

當目標與雷達站之間有相對運動時,則距離R隨時間變化。設(shè)目標以勻速相對雷達站運動,則在時間t時刻,目標與雷達站間的距離R(t)為R(t)=R0-vrt

式中，R0為t=0時的距離；vr為目標相對雷達站的徑向運動速度。當前15頁，總共136頁。

由上式可知在t時刻接收到的波形sr(t)上的某點,是在t-tr時刻發(fā)射的。由于通常雷達和目標間的相對運動速度vr遠小于電磁波速度c,故時延tr可近似寫為(7.1.1)當前16頁，總共136頁?；夭ㄐ盘柋绕鸢l(fā)射信號來,高頻相位差是時間t的函數(shù),在徑向速度vr為常數(shù)時,產(chǎn)生頻率差為

(7.1.3)這就是多卜勒頻率,它正比于相對運動的速度而反比于工作波長λ。當前17頁，總共136頁。

當目標飛向雷達站時,多卜勒頻率為正值,接收信號頻率高于發(fā)射信號頻率,而當目標背離雷達站飛行時,多卜勒頻率為負值,接收信號頻率低于發(fā)射信號頻率。

當前18頁，總共136頁。

多卜勒頻率可以直觀地解釋為:振蕩源發(fā)射的電磁波以恒速c傳播,如果接收者相對于振蕩源是不動的,則他在單位時間內(nèi)收到的振蕩數(shù)目與振蕩源發(fā)出的相同,即二者頻率相等。如果振蕩源與接收者之間有相對接近的運動,則接收者在單位時間內(nèi)收到的振蕩數(shù)目要比他不動時多一些,也就是接收頻率增高；當二者作背向運動時,結(jié)果相反。多卜勒頻率當前19頁，總共136頁。2.窄帶信號時的多卜勒效應

常用雷達信號為窄帶信號(帶寬遠小于中心頻率)。其發(fā)射信號可以表示為Re表示取實部u(t)為調(diào)制信號的復數(shù)包絡(luò)ω0為發(fā)射角頻率當前20頁，總共136頁。同連續(xù)波發(fā)射時的情況相似,由目標反射的回波信號sr(t)可以寫成(7.1.4)

當目標固定不動時,回波信號的復包絡(luò)有一固定遲延,而高頻則有一個固定相位差。GLC-20C波段全相參多普勒氣象雷達.當前21頁，總共136頁。

當目標相對雷達站勻速運動時,按式(7.1.2)近似地認為其延遲時間tr為當前22頁，總共136頁。

由回波信號表示式說明,回波信號比起發(fā)射信號來講,復包絡(luò)滯后tr,而高頻相位差φ=-ω0tr=-2π(2/λ)(R0-vrt)是時間的函數(shù)。當速度vr為常數(shù)時,φ(t)引起的頻率差為當前23頁，總共136頁。上式φ(t)引起的頻率差稱為多卜勒頻率,即回波信號的頻率比之發(fā)射頻率有一個多卜勒頻移。多普勒頻移當前24頁，總共136頁。

已經(jīng)知道,回波信號的多卜勒頻移fd正比于徑向速度，而反比于雷達工作波長λ,即

多卜勒頻移的相對值正比于目標速度與光速之比,fd的正負值取決于目標運動的方向。7.1.2多卜勒信息的提取當前25頁，總共136頁。1.連續(xù)波多卜勒雷達

為取出收發(fā)信號頻率的差頻,可以在接收機檢波器輸入端引入發(fā)射信號作為基準電壓,在檢波器輸出端即可得到收發(fā)頻率的差頻電壓,即多卜勒頻率電壓。這時的基準電壓通常稱為相參(干)電壓,而完成差頻比較的檢波器稱為相干檢波器。其上的多普勒雷達，有具備地形跟蹤、地形.當前26頁，總共136頁。圖7.1連續(xù)波多卜勒雷達原理框圖(a)組成框圖;(b)多卜勒頻率差拍矢量;(c)頻譜圖當前27頁，總共136頁。

發(fā)射機產(chǎn)生頻率為f0的等幅連續(xù)波高頻振蕩,其中絕大部分能量從發(fā)射天線輻射到空間,很少部分能量耦合到接收機輸入端作為基準電壓。混合的發(fā)射信號和接收信號經(jīng)過放大后,在相位檢波器輸出端取出其差拍電壓,隔除其中直流分量,得到多卜勒頻率信號送到終端指示器。

當前28頁，總共136頁。

對于固定目標信號,由于它和基準信號的相位差φ=ω0tr保持常數(shù),故混合相加的合成電壓幅度亦不改變。當回波信號振幅Ur遠小于基準信號振幅U0時,從矢量圖上可求得其合成電壓為(7.1.12)當前29頁，總共136頁。

包絡(luò)檢波器輸出正比于合成信號振幅。對于固定目標,合成矢量不隨時間變化,檢波器輸出經(jīng)隔直流后無輸出。而運動目標回波與基準電壓的相位差隨時間按多卜勒頻率變化。即回波信號矢量圍繞基準信號矢量端點以等角速度ωd旋轉(zhuǎn),這時合成矢量的振幅為

經(jīng)相位檢波器取出二電壓的差拍,通過隔直流電容器得到輸出的多卜勒頻率信號為(7.1.13)當前30頁，總共136頁。

當水面上的小蟲子在原地擺動它的肢體時，會產(chǎn)生以它為圓心向四方散開的水波

若是波速恰好等於波源移動的速率時，則會產(chǎn)生如下的圖形

當前31頁，總共136頁。超音速飛機飛行時所形成震波的圓錐形區(qū)域

右上圖中A雖然已經(jīng)看到飛機，但是卻尚未聽到飛機所產(chǎn)生的震波（剛傳到B處）當前32頁，總共136頁。

脈沖雷達是最常用的雷達工作方式。當雷達發(fā)射脈沖信號時,和連續(xù)發(fā)射時一樣,運動目標回波信號中產(chǎn)生一個附加的多卜勒頻率分量。所不同的是目標回波僅在脈沖寬度時間內(nèi)按重復周期出現(xiàn)。

2.脈沖工作狀態(tài)時的多卜勒效應JL-7A型單脈沖火控雷達.當前33頁，總共136頁。圖7.2利用多卜勒效應的脈沖雷達(a)原理方塊圖;(b)主要波形圖;(c)A顯畫面(對消前)當前34頁，總共136頁。圖7.2利用多卜勒效應的脈沖雷達(a)原理方塊圖;(b)主要波形圖;(c)A顯畫面(對消前)當前35頁，總共136頁。圖7.2利用多卜勒效應的脈沖雷達(a)原理方塊圖;(b)主要波形圖;(c)A顯畫面(對消前)當前36頁，總共136頁。

和連續(xù)波雷達的工作情況相類比:發(fā)射信號按一定的脈沖寬度τ和重復周期Tr工作。由連續(xù)振蕩器取出的電壓作為接收機相位檢波器的基準電壓,基準電壓在每一重復周期均和發(fā)射信號有相同的起始相位,因而是相參的。

法國幻影ⅢE戰(zhàn)斗機在座艙下方加裝有一具馬可尼公司的連續(xù)波多普勒導航雷達當前37頁，總共136頁。YLC-15是全相參脈沖多普勒防空雷達

以色列獅式戰(zhàn)斗機

主要機載設(shè)備EL/M2032多模態(tài)脈沖多普勒雷達當前38頁，總共136頁。

相位檢波器輸入端所加電壓有兩個:連續(xù)的基準電壓uk，uk=Uksin(ω0t+φ0′),其頻率和起始相位均與發(fā)射信號相同;回波信號ur,ur=Ursin［ω0(t-tr)+φ0′］,當雷達為脈沖工作時,回波信號是脈沖電壓,只在信號來到期間即tr≤t≤tr+τ時才存在,其它時間只有基準電壓Uk加在相位檢波器上。經(jīng)過檢波器的輸出信號為(7.1.14)當前39頁，總共136頁。

對于固定目標來講,相位差φ是常數(shù),

合成矢量的幅度不變化,檢波后隔去直流分量可得到一串等幅脈沖輸出。對運動目標回波而言,相位差隨時間t改變,其變化情況由目標徑向運動速度vr及雷達工作波長λ決定。當前40頁，總共136頁。

合成矢量為基準電壓Uk以及回波信號相加,經(jīng)檢波及隔去直流分量后得到脈沖信號的包絡(luò)為(7.1.15)即回波脈沖的包絡(luò)調(diào)制頻率為多普勒頻率。[上圖]車子朝著無線電波方向前進，其反彈的率頻會增加

[下圖]車子朝著無線電波傳送的反方向前進，其反彈的率頻會減小當前41頁，總共136頁。

這相當于連續(xù)波工作時的取樣狀態(tài),在脈沖工作狀態(tài)時,回波信號按脈沖重復周期依次出現(xiàn),信號出現(xiàn)時對多普勒頻率取樣輸出。脈沖工作時,相鄰重復周期運動目標回波與基準電壓之間的相位差是變化的,其變化量為當前42頁，總共136頁。圖7.3相位檢波器輸出波形當前43頁，總共136頁。

相鄰重復周期延遲時間的變化量Δtr=2ΔR/c=2vrTr/c是很小的數(shù)量,但當它反映到高頻相位上時,Δφ=ω0Δtr就會產(chǎn)生很靈敏的反應。相參脈沖雷達利用了相鄰重復周期回波信號與基準信號之間相位差的變化來檢測運動目標回波,相位檢波器將高頻的相位差轉(zhuǎn)化為輸出信號的幅度變化。殲-8Ⅱ機頭雷達罩有脈沖多普勒雷達特有的防雷條。

當前44頁，總共136頁。一種X波段多普勒天氣雷達設(shè)備組成圖當前45頁，總共136頁。

脈沖雷達工作時,單個回波脈沖的中心頻率亦有相應的多卜勒頻移,但在fd<<1/τ的條件下(這是常遇到的情況),這個多普勒頻移只使相位檢波器輸出脈沖的頂部產(chǎn)生畸變。這就表明要檢測出多卜勒頻率需要多個脈沖信號。只有當fd＞1/τ時,才有可能利用單個脈沖測出其多普勒頻率。對于運動目標回波,其重復周期的微小變化ΔTr=(2vr/c)Tr通常均可忽略。當前46頁，總共136頁?！帮w豹”脈沖多普勒雷達的平面狹縫天線，對地性能優(yōu)于蘇30的雷達。攜帶4枚反艦導彈的飛豹當前47頁，總共136頁。無線電回波測距原理示意圖當前48頁，總共136頁。8.1.3盲速和頻閃

當雷達處于脈沖工作狀態(tài)時,將發(fā)生區(qū)別于連續(xù)工作狀態(tài)的特殊問題,即盲速和頻閃效應。

E3—3和其上的AN/APY-1型S波段脈沖多普勒雷達當前49頁，總共136頁。

所謂盲速,是指目標雖然有一定的徑向速度vr,但若其回波信號經(jīng)過相位檢波器后,輸出為一串等幅脈沖,與固定目標的回波相同，此時的目標運動速度稱為盲速。而頻閃效應則是當脈沖工作狀態(tài)時,相位檢波器輸出端回波脈沖串的包絡(luò)調(diào)制頻率Fd,與目標運動的徑向速度vr不再保持正比關(guān)系。此時如用包絡(luò)調(diào)制頻率測速時將產(chǎn)生測速模糊。當前50頁，總共136頁。用矢量和波形圖說明盲速和頻閃(a)盲速說明;(b)頻閃說明;(c)Fa的變化規(guī)律當前51頁，總共136頁。圖8.6高速目標(fd＞1/τ)的多卜勒效應(a)波形;(b)頻譜當前52頁，總共136頁。

當脈沖雷達利用多普勒效應來鑒別運動目標回波和固定目標回波時,與普通脈沖雷達的差別是必須在相位檢波器的輸入端加上基準電壓(或稱相參電壓),該電壓應和發(fā)射信號頻率相參并保存發(fā)射信號的初相,且在整個接收信號期間連續(xù)存在。7.2.1基本工作原理7.2動目標顯示雷達的工作原理及主要組成當前53頁，總共136頁。

工程上，基準電壓的頻率常適在中頻。這個基準電壓是相位檢波器的相位基準,各種回波信號均與基準電壓比較相位。從相位檢波器輸出的視頻脈沖,有固定目標的等幅脈沖串和運動目標的調(diào)幅脈沖串。通常在送到終端去之前要將固定雜波消去,故要采用相消設(shè)備或雜波濾波器,濾去雜波干擾而保存運動目標信息。慮波處理慮波處理后的信號回波當前54頁，總共136頁。脈沖雷達進行主動導引

JF-17采用

KLJ-7機載X波段脈沖多普勒雷達當前55頁，總共136頁。JL-7A型單脈沖火控雷達

殲-7D裝JL-7A型單脈沖火控雷達

當前56頁，總共136頁。8.2.2獲得相參振蕩電壓的方法1.中頻全相參動目標顯示

當雷達發(fā)射機采用主振放大器時,每次發(fā)射脈沖的初相由連續(xù)振蕩的主振源控制,發(fā)射信號是全相參的,即發(fā)射高頻脈沖、本振電壓、相參電壓之間均有確定的相位關(guān)系。相位檢波通常是在中頻上進行的,因為在超外差接收機中,信號的放大主要依靠中頻放大器。在中頻進行相位檢波,仍能保持和高頻相位檢波相同的相位關(guān)系。當前57頁，總共136頁。圖7.7中頻全相參(干)動目標顯示雷達方框圖當前58頁，總共136頁。

主振源連續(xù)振蕩的信號為U0cos(ω0t+φ0′),它控制發(fā)射信號的頻率和相位。中頻相參振蕩器的輸出為Uccos(ωct+φc)。本振信號取主振源連續(xù)振蕩信號和相參源的和頻,即

(7.2.1)當前59頁，總共136頁。

回波信號為Urcos［ω0(t-tr)+φ0′］,對于固定目標,tr為常數(shù)。而對于運動目標,tr在每個重復周期均發(fā)生變化?；夭ㄐ盘柵c本振混頻后取出中頻信號:對于運動目標的回波,二者相位差按多卜勒頻率變化。當前60頁，總共136頁。

當雷達發(fā)射機采用自激振蕩器(如磁控管振蕩器)時,它的每一發(fā)射脈沖高頻起始相位是隨機的。因此，為了得到與發(fā)射脈沖起始相位保持嚴格關(guān)系的基準電壓,應該采用鎖相的辦法,也就是使振蕩電壓的起始相位受外加電壓相位的控制。磁控管振蕩器magnetronoscillator

2.鎖相相參動目標顯示當前61頁，總共136頁。

原則上有兩種鎖相的辦法:一種是將發(fā)射機輸出的高頻電壓加到相參振蕩器去鎖相;另一種是將連續(xù)振蕩的相參電壓加到發(fā)射機振蕩器去,以控制發(fā)射脈沖的起始相位。后一種方法要求較大的控制功率,因而在實際中用得較少。未鎖定鎖定當前62頁，總共136頁。一階鎖相環(huán)的相圖當前63頁，總共136頁。

直接用發(fā)射機輸出在高頻進行鎖相存在著實際困難,因為容易實現(xiàn)鎖相和高頻率穩(wěn)定度兩個要求對鎖相振蕩器的實現(xiàn)是互相矛盾的。如果允許的頻偏量Δf相同(Δf的值影響動目標顯示的工作質(zhì)量),則鎖相相參振蕩器工作在中頻時對頻率穩(wěn)定度Δf/fc的要求將明顯降低。加之超外差接收通常在中頻進行主要放大,并將中頻信號送到相位檢波器,因此,典型動目標顯示的相參振蕩器均工作于中頻,在中頻上實現(xiàn)鎖相。當前64頁，總共136頁。圖7.8中頻鎖相的脈沖相參雷達方框圖當前65頁，總共136頁。

鎖相電壓直接由發(fā)射機取出,避免了收發(fā)開關(guān)可能帶來的干擾,以保證鎖相質(zhì)量。高頻鎖相電壓與回波信號用同一本振電壓混頻,然后將混頻所得的中頻鎖相電壓加到相參振蕩器輸入端。用這個鎖相電壓鎖定的中頻相參振蕩器電壓可以作為相位檢波器的基準電壓。發(fā)射信號和本振信號的隨機初相在比較相位時均可以消去。當前66頁，總共136頁。中頻鎖相時,各點電壓及其相位關(guān)系為:

本地振蕩器

(7.2.2)發(fā)射機輸出

(7.2.3)當0≤t≤τ時存在式中,φl及φ0′為初相,通常是隨機量。經(jīng)混頻后取其差頻作為鎖相電壓(7.2.4)當前67頁，總共136頁。

相參振蕩器的初相在每一重復周期均由中頻鎖相電壓決定,而在整個接收回波時間內(nèi)也連續(xù)存在,作為相參接收的相位基準。這時,目標回波信號為(7.2.5)

這里忽略了目標反射引起的相移。ur只當tr≤t≤tr+τ時存在。經(jīng)混頻后得到中頻信號當前68頁，總共136頁。

在相位檢波器中,回波信號ur′與基準電壓比較相位時,初相φl-φ0′可以消去,兩者的相位差只決定于ω0tr。當目標運動時,相鄰重復周期的相位差按多普勒頻率變化。

液位（或料位）是由儲罐頂部的天線發(fā)射的雷達信號測量的，利用回波測距當前69頁，總共136頁。

對磁控管發(fā)射機的雷達,如果后面用數(shù)字信號處理,則接收相參可用圖8.9所示的方式。將發(fā)射信號的隨機相位φt測量出來,并和送到數(shù)字對消器前的接收信號相位φr相減,消去發(fā)射信號隨機相位的影響而獲得等效的接收相參。發(fā)射信號經(jīng)穩(wěn)定本振混頻后獲得中頻發(fā)射脈沖,而后以相參振蕩器(COHO)的電壓為基準,在正交相位檢波器中相參檢波,獲得I與Q兩路基帶輸出,φt的信息包含在基帶輸出中,φt=arctanQ/I。當前70頁，總共136頁。

如果A/D變換器的精度足夠,則這種方式的接收相參所能得到的對消結(jié)果將優(yōu)于通常所用的鎖相相參振蕩器。這是因為連續(xù)工作的相參振蕩器,其頻率穩(wěn)定性比每次發(fā)射脈沖均要被鎖相而處于啟斷工作狀態(tài)的相參振蕩器要好得多。當前71頁，總共136頁。圖7.9相位存儲式接收相參MTI當前72頁，總共136頁。8.2.3消除固定目標回波

由相位檢波器輸出的脈沖包絡(luò)為

u=U0cosφ

式中，φ為回波與基準電壓之間的相位差,1.相消設(shè)備特性當前73頁，總共136頁。

回波信號按重復周期Tr出現(xiàn),將回波信號延遲一周期后,其包絡(luò)為u′=U0cos［ωd(t-Tr)-φ0］(7.2.6)相消器的輸出為兩者相減,(7.2.7)當前74頁，總共136頁。輸出包絡(luò)為一多卜勒頻率的正弦信號,其振幅為

也是多卜勒頻率的函數(shù)。當ωdTr/2=nπ(n=1,2,3…)時,輸出振幅為零。這時的目標速度正相當于盲速。此時，運動目標回波在相位檢波器的輸出端與固定目標回波相同,因而經(jīng)相消設(shè)備后輸出為零,如圖7.10所示。當前75頁，總共136頁。圖7.10遲延相消設(shè)備及其輸出響應(a)組成框圖;(b)速度響應;(c)頻率響應特性當前76頁，總共136頁。

相消設(shè)備也可以從頻率域濾波器的觀點來說明,而且為了得到更好的雜波抑制性能,常從頻率域設(shè)計較好的濾波器來達到。下面求出相消設(shè)備的頻率響應特性。輸出為網(wǎng)絡(luò)的頻率響應特性為

(7.2.8)其頻率響應特性如圖7.10(c)所示。

當前77頁，總共136頁。

相消設(shè)備等效于一個梳齒形濾波器,其頻率特性在f=nfr各點均為零。固定目標頻譜的特點是,譜線位于nfr點上,因而在理想情況下,通過相消器這樣的梳齒濾波器后輸出為零。當目標的多卜勒頻率為重復頻率整數(shù)倍時,其頻譜結(jié)構(gòu)也有相同的特點,故通過上述梳狀濾波器后無輸出。梳齒形濾波器當前78頁，總共136頁。7.3盲速、盲相的影響及其解決途徑

盲速在相鄰兩周期運動目標回波的相位差為2π的整數(shù)倍,即

(7.3.1)7.3.1盲速1.盲速以及消除盲速影響的方法當前79頁，總共136頁。

n=1時為第一盲速,表示在重復周期Tr內(nèi)目標所走過的距離為半個波長。由于處于“盲速”上的運動目標,其回波的頻譜結(jié)構(gòu)和固定雜波相同,經(jīng)過對消器將被消除。因此,動目標顯示雷達在檢測“盲速”范圍內(nèi)的運動目標時,將會產(chǎn)生丟失或極大降低其檢測能力(這時依靠復雜目標反射譜中的其他頻率分量)。如果要可靠地發(fā)現(xiàn)目標,應保證第一盲速大于可能出現(xiàn)的目標最大速度。當前80頁，總共136頁。

但在均勻重復周期時,盲速和工作波長λ以及重復頻率fr的關(guān)系是確定的,這兩個參數(shù)的選擇還受到其他因素的限制。以3cm雷達為例,如果最大測距范圍為30km,則其重復頻率fr應小于5kHz,由這個參數(shù)決定的第一盲速值vr01=(λ/2)fr=75m/s,這個速度遠低于目前超音速目標的速度,也就是說,如果不采取措施,在目標運動的速度范圍內(nèi),將多次碰到各個盲速點而發(fā)生丟失目標的危險。事實上,最大不模糊距離和重復頻率fr的關(guān)系為當前81頁，總共136頁。3CM波長雙通道同時收發(fā)式多普勒偏振天氣雷達我國自行設(shè)計、研制的新一代天氣雷達---“3CM波長雙通道同時收發(fā)式多普勒偏振天氣雷達”近日在蘭州研制成功并通過專家鑒定。當前82頁，總共136頁。

如第一盲速點vr0′=(1/2)λfr,則最大不模糊距離R0max和第一盲速vr0′的關(guān)系為R0maxvr0′=(c/4)λ,當工作波長λ選定后,兩者的乘積為一常數(shù),不能任意選定。通常在地面雷達中,常選擇其重復頻率fr使之滿足最大作用距離的要求,保證測距無模糊,而另外設(shè)法解決盲速問題。大型地面雷達

當前83頁，總共136頁。

解決盲速問題在原理上并不困難,因為在產(chǎn)生“盲速”時,滿足vrTr1=n(λ/2),如果這時將重復周期略為改變而成為Tr2,則vrTr2≠n(λ/2),不再滿足“盲速”的條件,動目標顯示雷達就能檢測到這一類目標。因此,當雷達工作時,采用兩個以上不同重復頻率交替工作(稱為參差重復頻率),就可以改善“盲速”對動目標顯示雷達的影響。當前84頁，總共136頁。

設(shè)雷達采用兩種脈沖重復頻率fr1和fr2交替工作,而fr1和fr2均滿足最大不模糊測距的要求,則在一次對消器的輸出端其響應分別為2u｜sin(πfdTr1)｜和2u｜sin(πfdTr2)｜,只有在兩種重復頻率上均出現(xiàn)盲速而輸出為零時,才等效于參差后的“盲速”vr0′,它所對應的多卜勒頻率為fd0′,這時要滿足:

2.參差重復頻率對動目標顯示性能的影響當前85頁，總共136頁。式中,n1、n2為整數(shù)。所以

如果選擇Tr1=aΔT,Tr2=bΔΤ,且a、b互為質(zhì)數(shù),則合成第一盲速點產(chǎn)生于n1=a,n2=b點處?？梢宰鞒霰容^:當不采用參差重復頻率時,其平均重復周期Tr=(Tr1+Tr2)/2,這時第一盲速值和其相應的多卜勒頻率值fd0為當前86頁，總共136頁。采用參差后,第一盲速對應的多卜勒頻率值為

(7.3.2)

這時,可求得采用參差頻率后,第一等效“盲速”提高的倍數(shù)為(7.3.3)當采用N個參差重復頻率,且其重復周期的比值為互質(zhì)數(shù)(a1,a2,a3,…,aN)時,第一等效“盲速”提高的倍數(shù)為(7.3.4)當前87頁，總共136頁。

在實際工作中,不僅要求第一等效盲速值要盡可能覆蓋目標可能出現(xiàn)的速度范圍,而且要求在該速度范圍內(nèi)響應曲線比較平坦。這兩個要求實現(xiàn)起來常有矛盾,需要選擇合適的參差數(shù)和最佳的參差比來解決。以兩個重復頻率參差的情況來說,盲速提高倍數(shù)愈多,則合成曲線愈不平坦,特別是第一凹點深度愈大,這是不希望的。改進的辦法是采用三個以上重復頻率的參差及好的參差比來得到較好的速度響應特性。當前88頁，總共136頁。圖7.12參差周期時的速度響應曲線(a)二參差;(b)三參差當前89頁，總共136頁。圖7.13參差PRI時的MTI濾波器當前90頁，總共136頁。

圖7.12畫出了幾種不同情況下的速度響應,橫坐標為歸一化的速度響應vr/vr0,k表示合成盲速比原盲速增大的倍數(shù),參差比不同時,k的值是不同的。當前91頁，總共136頁。

在下圖中,當Tr1/Tr2=2/3時,盲速提高為原來的2.5倍,而當Tr1/Tr2=7/8時,盲速提高為原來的7.5倍,但在原來第一盲速處輸出較小,速度響應不平坦。圖7.12(b)是三參差周期,其比值為31∶32∶33的速度響應。可以看出，三參差可較二參差獲得較平坦的響應曲線。如果選用合適參差比的四參差時,其速度響應將更為平坦。當前92頁，總共136頁。

由濾波器組成原理圖示。濾波器對N-1個重復周期的信號進行濾波處理,在參差重復周期時,ti-ti-1=Ti(i=1,2,…，N-1)各不相等,其輸出式中，下標k表示距離單元數(shù)；wn為權(quán)值。濾波器的頻率響應Y(f)可求得為

式中

當前93頁，總共136頁。

速度響應主要取決于參差比值的選擇,與權(quán)值wi也有一些關(guān)系。在等重復周期條件下,多級對消器串接時,其權(quán)值服從二項式。采用參差重復頻率不僅可以較好地解決盲速問題(使第一合成盲速大于最大目標速度),而且可以改變參差數(shù)及其比值的辦法來獲得不同的速度響應(等效MTI濾波器響應)。MTi是一款微型的測量姿態(tài)和航向的系統(tǒng)（AHRS）。

當前94頁，總共136頁。

(1)不能消除遠區(qū)雜波的二次回波,因為參差周期時它們在脈沖間不處于同一距離單元上。(2)參差周期時要做好高穩(wěn)定度的發(fā)射機更加困難。(3)由于參差而使雷達的改善因子受到限制。從頻域上分析是因為參差后雜波將在MTI通帶內(nèi)產(chǎn)生分量而不能濾去。

但采用參差重復頻率后也存在一些相應的問題:當前95頁，總共136頁。

相位檢波器輸出經(jīng)一次對消器后,運動目標回波Δu已由式(7.2.7)得到Δu=u′-u=2U0sin(πfdTr)sin(ωdt-πfdTr-φ0)

輸出的振幅值大小為｜2U0sinπfdTr｜,與多卜勒頻率有關(guān),其輸出的振幅受多卜勒頻率調(diào)制。8.3.2盲相

1.點盲相和連續(xù)盲相當前96頁，總共136頁。

在某些點上,輸出幅度為零,這些點稱為盲相,它由相位檢波器的特性決定。從相檢特性上看,如果相鄰兩個回波脈沖的相位相當于相檢特性的a、c二點,其相位差雖不同,但卻是一對相檢器輸出相等的工作點,因此經(jīng)過相消器后,其輸出為零而出現(xiàn)點盲相。檢波器原理圖當前97頁，總共136頁。圖7.15相檢特性和相消器輸出脈沖波形(a)相檢特性;(b)相消器輸出脈沖波形當前98頁，總共136頁。圖7.16用矢量圖說明相位檢波器和相消器輸出(a)動目標單獨存在時;(b)動目標與固定目標疊加;(c)動目標疊加在強雜波上當前99頁，總共136頁。

從相位檢波器的討論中可看出,相位檢波器的輸出是回波矢量在基準電壓方向的投影,而一次對消器的輸出又相當于相鄰重復周期信號差矢量在該方向的投影。當差矢量的方向與基準電壓方向垂直時,則輸出為零,這時就是盲相。如果能在信號處理中,直接取出反射回波的差矢量,則避免了盲相和回波振幅的多卜勒調(diào)制。在檢波前直接用中頻對消,可以取出反射回波的差矢量。2.中頻對消(矢量對消器之一)當前100頁，總共136頁。

對于相參中頻信號,相鄰重復周期的運動目標回波可以分別寫為式中,ωi為中頻頻率;φ0′為初相;ωd為多卜勒頻率;2πfdTr是相鄰周期由于目標運動所引起的回波相位差的變化。相鄰重復周期的中頻信號相減，得到中頻對消輸出為(7.3.7)當前101頁，總共136頁。式中即中頻對消器的輸出也是一個中頻電壓,其振幅為(7.3.8)是多卜勒頻率的函數(shù)。為了保證中頻對消器能消除零速的固定雜波,理論上應滿足fiTr=n,即中頻fi=nfr,是重復頻率的整數(shù)倍。中頻對消器輸出中頻信號的振幅為sin(πfdTr),當fdTr=n時,輸出也為零,這就是盲速,這時多卜勒頻率等于脈沖重復頻率的整數(shù)倍。當前102頁，總共136頁。

盲速是由于脈沖取樣工作方式引起的,采用中頻對消方式不能解決,只有用高重復頻率或參差重復頻率才能在一定范圍內(nèi)解決盲速的影響。脈沖取樣

脈沖雷達物位計當前103頁，總共136頁。圖7.17雙遲延對消的中頻對消器當前104頁，總共136頁。

用中頻延遲線和相減器組成的中頻對消器如圖7.17所示。因為實際上不可能將中頻延遲線的延遲長度準確地做成中頻周期的整數(shù)倍,在線路上就必須對延遲誤差進行補償。補償好的標準是輸出雜波為零。CLC-2脈沖多普勒低空警戒雷達當前105頁，總共136頁。

補償?shù)霓k法如圖7.17所示:在有強雜波的一段距離內(nèi)(例如0~5km),將相位檢波器的輸出加以取樣。設(shè)雜波的多卜勒頻率ωdc=0,則雜波輸出為零的條件為fiTr=n。由于遲延線遲延時間不準確而為Tr′,因而補償延遲誤差的辦法是使信號的中心頻率fi改變?yōu)閒i′=fi+Δfi而滿足以下關(guān)系:當前106頁，總共136頁。7.4速度測量

測定目標運動的速度可以從測量確定時間間隔的距離變化量而定。這種方法測速度需要較長時間，且不能測定其瞬時數(shù)度。當前107頁，總共136頁。

當測出目標回波信號的多卜勒頻移fd后,根據(jù)關(guān)系式fd=2vr/λ和雷達的工作波長λ,即可換算出目標的徑向速度vr。7.4.1連續(xù)波雷達測速美國BUSHNELL雷達測速儀

當前108頁，總共136頁。雷達測速系統(tǒng)示意圖當前109頁，總共136頁。

連續(xù)波雷達測量多卜勒頻率的原理已討論過。相位檢波器輸出經(jīng)低通濾波器取出多卜勒頻率信號送到終端測量和指示。低通濾波器的通頻帶應為Δf到fdmax,其低頻截止端用來消除固定目標回波,同時應照顧到能通過最低多卜勒頻率的信號;濾波器的高頻端fdmax則應保證目標運動時的最高多卜勒頻率能夠通過。連續(xù)波測量時,可以得到單值無模糊的多卜勒頻率值。

1.連續(xù)波雷達測速當前110頁，總共136頁。圖7.39多卜勒頻率測量當前111頁，總共136頁。圖8.40連續(xù)波多卜勒雷達方框圖(超外差式)當前112頁，總共136頁。

限制簡單連續(xù)波雷達(零中頻混頻)靈敏度的主要因素是半導體的閃爍效應噪聲,這種噪聲的功率差不多和頻率成反比,因而在低頻端即大多數(shù)多卜勒頻率所占據(jù)的音頻段和視頻段,其噪聲功率較大。當雷達采用零中頻混頻時,相位檢波器(半導體二極管混頻器)將引入明顯的閃爍噪聲，因而降低了接收機靈敏度。當前113頁，總共136頁。

克服閃爍噪聲的辦法是采用超外差式接收機,將中頻fi的值選得足夠高,使頻率為fi時的閃爍噪聲降低到普通接收機噪聲功率的數(shù)量級以下。超外差式接收機原理圖當前114頁，總共136頁。

連續(xù)波雷達在實用上最嚴重的問題是收發(fā)之間的直接耦合。這種耦合除了可能造成接收機過載或燒毀外,還會增大接收機噪聲而降低其靈敏度。發(fā)射機因顫噪效應、雜散噪聲及不穩(wěn)定等因素，會產(chǎn)生發(fā)射機噪聲,由于收發(fā)間直接耦合,發(fā)射機的噪聲將進入接收機而增大其噪聲。當前115頁，總共136頁。

因此要設(shè)法增大連續(xù)波雷達收發(fā)之間的隔離度。當收發(fā)要共用天線時,可采用混合接頭、環(huán)流器等來得到收發(fā)間的隔離。根據(jù)器件性能和傳輸線工作狀態(tài),一般可得20dB到60dB的隔離度。如果要取得收發(fā)間更高的隔離度,應采用收發(fā)分開的天線并加精心的隔離措施。當前116頁，總共136頁。

如果要測量多卜勒頻率的正負值,則圖中的二次檢波器應采用正交雙通道處理，以避免單路檢波產(chǎn)生的頻譜折疊效應。連續(xù)波多卜勒雷達可用來發(fā)現(xiàn)運動目標并能單值地測定其徑向速度。利用天線系統(tǒng)的方向性可以測定目標的角坐標,但簡單的連續(xù)波雷達不能測出目標的距離。俄羅斯火花雷達測速儀當前117頁，總共136頁。發(fā)射系統(tǒng)簡單,接收信號頻譜集中,因而濾波裝置簡單,從干擾背景中選擇動目標性能好,可發(fā)現(xiàn)任一距離上的運動目標,故適用于強雜波背景條件(例如在灌木叢中蠕動的人或爬行的車輛)。由于最小探測距離不受限制,故可用于雷達信管,或用來測量飛機、炮彈等運動體的速度。這種系統(tǒng)的優(yōu)點是:當前118頁，總共136頁。

跟蹤濾波器的帶寬很窄(和信號譜線相匹配),且當多普勒頻率變化時,濾波器的中心頻率也跟隨變化,始終使多普勒頻移信號通過而濾去頻帶之外的噪聲。2.連續(xù)波多普勒跟蹤系統(tǒng)

1)頻率跟蹤濾波器當前119頁，總共136頁。圖7.41頻率跟蹤濾波器組成當前120頁，總共136頁。

上圖畫出了跟蹤濾波器的組成方框圖,這就是一個自動頻率微調(diào)系統(tǒng)。輸入信號的頻率為fi+fd(fi為固定目標回波的頻率),它與壓控振蕩器輸出信號在混頻器差拍后,經(jīng)過放大器和濾波器送到鑒頻器。如果差拍頻率偏離中頻fz,則鑒頻器將輸出相應極性和大小的誤差控制電壓,經(jīng)低通濾波器后送去控制壓控振蕩器的工作頻率,一直到閉環(huán)系統(tǒng)工作達到穩(wěn)定,這時壓控振蕩器的輸出頻率接近于輸入頻率和中頻之和。壓控振蕩頻率的變化就代表了信號的多卜勒頻率,因而從經(jīng)過處理后的壓控振蕩頻率中即可取出目標的速度信息。當前121頁，總共136頁。

頻率跟蹤濾波器是一個一階有差系統(tǒng),因為系統(tǒng)中沒有積分環(huán)節(jié)。設(shè)輸入信號為Uicos［(ωi+Δωi)t+φi］,其相角增量為θi=Δωi

t+φi;而壓控振蕩器輸出電壓為U0cos［(ω0+Δω0)t+φ0］,其相角增量為θ0=Δω0t+φ0。鑒相器的輸出是輸入相角θi和輸出相角θ0之差的函數(shù),當其相角較小時,可用線性函數(shù)表示,這時輸出電壓u1=Kd(θi-θ0)。

2)鎖相跟蹤濾波器

當前122頁，總共136頁。圖7.42鎖相回路(