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科普：脈沖雷達(dá)基礎(chǔ)知識(shí)

時(shí)間：2020-10-14 09:04:29
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[導(dǎo)讀]雷達(dá)通常有兩種基本類型：連續(xù)波(CW)雷達(dá)和脈沖雷達(dá)。CW雷達(dá)發(fā)射連續(xù)波，并且發(fā)射的同時(shí)可以接收反射的回波信號(hào)，即收發(fā)可同時(shí)進(jìn)行。脈沖雷達(dá)間歇式發(fā)射脈沖周期信號(hào)，并且在發(fā)射間隔接收反射的回波信號(hào)，即收發(fā)間隔進(jìn)行。

雷達(dá)通常有兩種基本類型：連續(xù)波(CW)雷達(dá)和脈沖雷達(dá)。CW雷達(dá)發(fā)射連續(xù)波，并且發(fā)射的同時(shí)可以接收反射的回波信號(hào)，即收發(fā)可同時(shí)進(jìn)行。脈沖雷達(dá)間歇式發(fā)射脈沖周期信號(hào)，并且在發(fā)射間隔接收反射的回波信號(hào)，即收發(fā)間隔進(jìn)行。

1. 脈沖雷達(dá)的優(yōu)勢(shì)

雷達(dá)在工作過(guò)程中，發(fā)射信號(hào)泄漏會(huì)對(duì)接收機(jī)造成干擾，情況主要有兩種：一種是大信號(hào)干擾使得接收機(jī)壓縮增益或出現(xiàn)飽和，甚至造成接收機(jī)阻塞，通?？梢酝ㄟ^(guò)將收發(fā)天線進(jìn)行物理隔離來(lái)解決；另一種是發(fā)射信號(hào)的邊帶噪聲將微弱的回波信號(hào)淹沒(méi)，對(duì)接收機(jī)的目標(biāo)檢測(cè)造成影響。

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直接的信號(hào)泄漏通常可以采用收發(fā)天線隔離和頻率分離相結(jié)合的方法得到解決。在多普勒導(dǎo)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(hào)不對(duì)接收機(jī)造成干擾。

對(duì)于機(jī)載雷達(dá)，每個(gè)發(fā)射機(jī)不可避免的都會(huì)產(chǎn)生噪聲，并且會(huì)調(diào)制到發(fā)射機(jī)的輸出，產(chǎn)生調(diào)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(biāo)的回波信號(hào)強(qiáng)很多個(gè)數(shù)量級(jí)。

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為了防止發(fā)射機(jī)邊帶噪聲干擾接收信號(hào)，必須將接收機(jī)與發(fā)射機(jī)隔離。采用獨(dú)立的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，并且發(fā)射機(jī)和接收機(jī)采用各自獨(dú)立的天線，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的隔離。地面和艦載連續(xù)波雷達(dá)就是如此。

但是，機(jī)載雷達(dá)因?yàn)榭臻g受限，通常收發(fā)要共用一副天線，因此，發(fā)射機(jī)輸出的邊帶噪聲不可避免地會(huì)通過(guò)天線進(jìn)入到接收機(jī)。脈沖體制雷達(dá)則可以有效避免出現(xiàn)發(fā)射機(jī)干擾接收機(jī)的問(wèn)題。

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2. 脈沖雷達(dá)的波形參數(shù)

如果雷達(dá)采用脈沖體制，收發(fā)不同時(shí)，則發(fā)射信號(hào)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(cè)量。如果脈沖間隔足夠?qū)?，通過(guò)測(cè)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，即可精確地測(cè)出目標(biāo)的距離。

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載波頻率

載波頻率通常不是常數(shù)，而是為了滿足專門(mén)的系統(tǒng)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(nèi)部，載波頻率也可能隨機(jī)地或者按照專門(mén)方式改變，這被稱為脈內(nèi)調(diào)制。

脈沖寬度

脈沖寬度是指脈沖持續(xù)的時(shí)間，根據(jù)雷達(dá)的不同用途，脈沖寬度可以從微秒級(jí)到幾千毫秒。

當(dāng)雷達(dá)用未經(jīng)調(diào)制的脈沖去分辨兩個(gè)被測(cè)目標(biāo)，兩個(gè)目標(biāo)的距離間隔必須能夠滿足條件：即發(fā)射脈沖下降沿離開(kāi)較近距離目標(biāo)的時(shí)間，要先于來(lái)自較遠(yuǎn)距離目標(biāo)回波脈沖的上升沿到達(dá)較近距離目標(biāo)的時(shí)間。

脈沖重復(fù)頻率

脈沖重復(fù)頻率（PRF）是雷達(dá)脈沖發(fā)射的速度，即雷達(dá)每秒發(fā)射脈沖的個(gè)數(shù)。機(jī)載雷達(dá)的PRF可以從幾百Hz到幾百kHz，并且在雷達(dá)工作過(guò)程中可以改變。

另一種測(cè)量脈沖重復(fù)頻率的方法是測(cè)量它的倒數(shù)，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，稱之為脈沖重復(fù)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。

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PRF的選擇很重要，這是因?yàn)?，它決定了雷達(dá)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(dāng)雷達(dá)不能直接確定回波脈沖與哪個(gè)發(fā)射脈沖相對(duì)應(yīng)時(shí)，就會(huì)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(duì)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(nèi)能量的多少，能量是功率在時(shí)間上的積分。雷達(dá)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(shí)長(zhǎng)。

一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于脈沖雷達(dá)輸出功率，有兩種不同的測(cè)量方法可得到兩種不同功率：峰值功率和平均功率。

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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(shù)，即當(dāng)發(fā)射機(jī)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(dǎo)）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(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(dá)的平均發(fā)射功率，是指在一個(gè)PRI內(nèi)發(fā)射脈沖功率的平均值。如果雷達(dá)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(dá)的峰值功率為100kW，脈沖寬度為1，在PRI為2000內(nèi)的平均功率為100=0.05kW或50W。

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脈寬與周期的比被稱為發(fā)射機(jī)的占空比，表示雷達(dá)工作過(guò)程中發(fā)射持續(xù)時(shí)間所占的比例。舉例來(lái)說(shuō)，如果一個(gè)雷達(dá)的脈沖寬度為0.5，而PRI為100，那么占空比為0.5雷達(dá)發(fā)射時(shí)間即為其工作時(shí)間的5/1000，就可以說(shuō)雷達(dá)發(fā)射機(jī)的占空比為0.5%。

雷達(dá)平均輸出功率之所以重要，是因?yàn)樗蓻Q定雷達(dá)潛在的可探測(cè)距離。在給定的周期內(nèi)，雷達(dá)發(fā)射的總能量等于平均功率乘以脈沖周期。

為了使探測(cè)距離最大化，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(jī)效率一起，決定了因?yàn)榘l(fā)射機(jī)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(jī)就會(huì)越大、越熱。

來(lái)源：雷達(dá)通信電子戰(zhàn)

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