海军武器工程导论
先进的雷达系统
径向速度歧视
在许多情况下，知道目标的范围和径向速度是有益的。由于相对径向速度是范围速率，因此可以使用径向速度的测量来预测在不久的将来的目标范围。例如，它允许预测目标在武器系统的有效范围内。径向速度辨别也可用于消除显示器的不必要的目标。例如，海杂乱或建筑物。使用三种方法可以同时测量范围和范围率。
分化
这个系统只是以固定的间隔测量量程，并计算两次测量之间的变化率。例如，如果第一次测量时目标在1500米，1秒后再次测量时目标在1492米，距离速率为-8米/秒。光探测和测距(LIDAR)系统使用这种方法。通过多次快速测量和计算平均变化率，提高了精度。但是，间隔不能选择得太小，因为目标必须能够在测量间隔期间改变范围。
移动目标指示器(MTI)
该系统测量返回信号的阶段的变化以确定目标的运动。为了测量阶段，将发射器脉冲的样本送入a阶段比较器,哪一个也采样返回信号。相位比较器的输出用来调制显示信息。当它们处于同阶段时，返回值将是最大的和正的;当它们处于非同阶段时，返回值将是最大的负值。
图1.相位比较
输出。
当目标的范围正在发生变化时，相位比较输出将在其极值之间变化，以及在范围内移动。随着雷达的一半波长的范围改变，完成相移的一个完整周期。这是因为雷达信号行进到目标，从而使雷达脉冲行进的变化总距离变为两倍。对于3cm的典型雷达波长，显然相位比较输出将对范围变化的目标快速变化。
图2。五个连续的
从脉冲比较输出返回。
静止目标具有相位差的固定值的事实可以被利用以从显示器中删除它们。这是通过取消电路完成的。MTI处理器从相位比较输出中取样并将其平均在几个周期上。移动目标将平均为零，而固定目标将具有非零平均值。然后在显示之前从输出中减去平均信号，从而取消静止目标。
图3.取消
MTI处理器电路。
静止目标指的是那些在距离上不变的回报。当然，对于移动的发射器，从地面上固定的物体返回的信号会在距离上发生变化，因此会显示出来。移动变送器的MTI系统必须向相位比较器提供一个修改过的输入，其中包括与变送器的运动相关联的相位超前。
脉冲多普勒雷达
该系统为基本的脉冲雷达系统增加了额外的处理设备。发送信号的一个样本被定向到混频器，混频器也对接收机的输出进行采样。混频器的输出是多普勒频移，D多普勒频移被传递到相应修改显示信息的滤波器。
图4.脉冲多普勒雷达
系统。
最常见的应用程序是在PPI显示屏上彩色返回信息。Doppler Shift分类为类别，例如正，零和负，然后与颜色相关联。在此示例中，仅使用三种颜色：白色，灰色和黑色。
脉冲多普勒雷达系统被用于许多军事应用。它们也是全国标准的天气雷达。脉冲多普勒雷达可以探测和图形化显示风暴单体内部风的相对运动信息，在探测龙卷风方面已被证明是有用的。龙卷风的多普勒速度显示将显示两种颜色，它们对应着相反的运动方向并排显示。
图5.脉冲多普勒
显示。
限制
MTI和脉冲多普勒雷达系统无法测量超过一定值的速度，即第一盲速度或最大明确速度。有两种方法来理解这一现象。对于MTI系统，当脉冲之间的变化范围正好是波长的一半时，就会出现第一个盲速度。这改变了相位360度0这与0相同0，或者根本没有相移。以第一盲速移动的目标将看起来是静止的，并从显示中取消。由于这种情况只是暂时的，所以没有关系。
在脉冲多普勒系统中，径向速度不能在第一盲速度以上测量。考虑脉冲多普勒雷达系统的频谱。将有一个主波瓣以雷达载波频率为中心。主瓣带宽(BW)由脉冲宽度(PW)决定，由基本关系可知:
BW = 1 / (2 pw)。
因为这个周期是以等于PRF的频率重复的，所以在载波频率的两边，在PRF的多个间隔处会有主瓣的额外副本。事实上，返回的所有信息都将在PRF的间隔内重复，包括多普勒位移返回。
图6.频谱
脉冲多普勒雷达。
这个频谱唯一可用的部分是主波瓣和f处的第一次谐波之间的间隔c+脉冲重复频率。因此，只有在这个范围内的多普勒频移可以被明确地测量。因此，当多普勒频移等于PRF时，就定义了可以测量的最大明确的速度。由此我们得出了最大明确的速度:
Df = 2s /l=脉冲重复频率
年代unamb..＝lPRF / 2.
你会注意到这与MTI系统的情况相同，即当目标在PRT周期内移动1 / 2波长时:
年代瞎的＊PRT =信用证2 s瞎的＝l脉冲重复频率/ 2。
从频谱上看，也很明显，多普勒频移必须大于主波瓣的带宽，才能被探测到。这定义了最小可检测速度:
Df最小值= 2年代最小值/l= 1 / (4 pw)
年代最小值＝l/ (8 pw)。
示例：WSR-88（Nexrad）天气雷达。
该系统工作频率为3ghz (l= 10cm）并在其正常模式下使用325 Hz PRF，找到该系统可以测量的最大明确速度。
年代unamb..= (0.1) (325) / 2
年代unamb..= 16.25米/秒或大约37英里/小时。
有两种方法可以解决这个问题。一是增加PRF。当然，这将相应地减少最大明确的检测范围。二是改变PRF。含糊不清的回报会在范围或速度上有所不同，而准确的回报则不会。这并不能解决问题，但可以用来识别目标距离超过R的条件unamb..或者当目标径向速度超过s时unamb..．
脉冲压缩
这是一种将长脉宽的高能量与短脉宽的高分辨率相结合的方法。对脉冲进行频率调制，为进一步分辨可能有重叠返回的目标提供了一种方法。由于脉冲的每个部分都有唯一的频率，两个返回可以完全分离。脉冲结构如下图所示:
图7。脉冲压缩使用
频率调制。
接收器能够在频率的基础上分离具有重叠返回的两个或更多个目标。这是一个示例返回，显示两个具有比传统范围分辨率少的分离的目标：
图8。重叠的回报
用频率分开。
当以这种方式对脉冲进行频率调制时，调用基于频率的过程或分解目标的过程检测后脉冲压缩或pdpc。接收器改善传统系统的距离分辨率的能力称为脉冲压缩比。例如，一个20:1的脉冲压缩比意味着系统的距离分辨率是传统系统的1/20。另一种方法是给出改进因子的符号PCR，它可以作为范围分辨率公式中的一个数字，现在变成:
Rres= c PW/(2 PCR)
最小范围没有改进的过程。整个脉冲宽度仍然适用于传输，这就要求双工器在整个脉冲过程中保持与发射机的对齐。因此R最小值是不受影响。
合成孔径雷达（SAR）
我们已经知道，角分辨率是由天线的波束宽度决定的。在给定的距离R上，在交叉距离方向上分辨物体的能力，称为横向距离分辨率，由
DR叉= R问
在哪里问是在弧度中表达的波束。这只是由角度扫过的电弧长度问它也是雷达波束在距离r处的宽度。例如，60波束（0.1弧度）将在100米的范围内为10米宽。对于大多数雷达天线，波束宽度足够大，使得横梁分辨率在正常检测范围内相当大。因此，这些系统无法解析他们检测到的对象的细节。
合成孔径雷达(SAR)利用发射机/接收机的运动来产生大的有效孔径。为了做到这一点，系统必须存储天线移动时的几次返回，然后重建它们，就好像它们同时出现一样。如果发射机/接收机在数据采集期间移动了总距离S，在此期间存储了几个返回脉冲，则重建后的有效孔径也为S。
图9.合成孔径。
大型合成孔产生非常窄的波束宽度，其可以通过通常的束宽公式来计算，从而用作物理天线孔的合成孔。新的BeamWidth可用于预测改进的跨距离分辨率：
DR叉Rl/ S (SAR)
其中:R =目标距离，S =发射机/接收机在数据采集过程中走过的距离，l雷达的波长。
SAR最常见的SAR在卫星雷达系统中。因为卫星以高速行驶，所以这些系统的准确性可以非常高。此外，如果目标固定在位置，则可以在不引入显着误差的情况下进行数据收集的时段。因此，卫星SAR用于固定物体的成像，如地形，城市，军用基础等。
逆合成孔径雷达(ISAR)
在不移动发射机/接收机的情况下，也可以实现同样大的合成孔径。如果目标旋转了一小部分，它有相同的效果，如果发射机/接收机在距离r的弧长相等的距离旅行。下图说明了偏航角的这种效果y距离R的一艘船的
图10。等价
SAR和ISAR。
由于效果相同，我们可以接受相同的横梁分辨率结果，但这时间我们替换距离ry光圈。
DR叉= R (l/ Ry)，范围抵消为:
DR叉＝l/y (ISAR)
这是一个显着的结果，因为它与范围无关！
例子:
找到一个ISAR系统在3ghz的横向距离分辨率，该系统在偏航角为6的情况下收集数据0(0.1弧度)。
波长,l= 10厘米，因此横向距离分辨率为
DR叉= 0.1米/ 0.1
DR叉在任何范围内= 1米。
ISAR系统通常用于远距离成像和识别可能的目标。ISAR平台可以是固定的，也可以是移动的。ISAR的最佳目标是在海况中有周期性偏航倾向的船舶。
使用简单天线单元的平面阵列(即偶极天线)可以形成雷达波束。从线性数组开始，最容易将这个系统形象化。
图11。天线的线性排列。
如果所有的天线都是相干驱动的，即在相同的频率和相位上，那么在垂直于阵列轴线的两个方向上就会出现最大的相参干扰情况。现在，如果这个系统被修改为在每个元素的输入上包含一个可变的相移，最大相构干扰的条件可以被改变。
图12。路径长度
偏离轴线的波束差值。
这里我们有一个三元素的线性阵列，都来自一个共同的源，每个元素的相移是可变的。为了通过角度来改变最大建设性干涉的方向，问，必须选择相移，精确地补偿由行进的额外距离产生的相移（问)。相邻元素间相移的条件可由
Df邻接的=（2p / l)d罪(问）
必须注意为相移指定适当的标志。在上述示例中，来自天线元件3的信号的相位必须相对于元件2前进，因此相移是正的。
同样的原理也适用于平面阵列。在这种情况下，相移将在方位角和仰角上引导波束。所需要的相移可以单独计算，也可以用代数方法组合以得到所需的净相移。首先我们必须建立坐标系。当面对数组时，左上角的元素将是坐标(0,0)的引用。这些元素将被分配坐标，第一个数字代表高程，第二个数字代表方位元素。元素的一般坐标为(e,a)，其中:
E =高程元数
a =方位角元素编号。
当提到一个特定元素的相移时，它将参考元素(0,0)。使用这个系统，我们选择在如下方向上为正的角:
图13。平面相控阵。
将光束转向仰角所需的相移F （定义使得向上是积极的）和方位角q (正面左边的正面何时看着阵列）,将
Dfe，A=（2p / l) [e de罪f+ d一个罪问］
在维e和D.一个请分别参见垂直和水平方向中的元素间隔。