海军武器工程概论

连续波雷达



工作原理

与脉冲雷达系统不同,连续波(CW)雷达系统始终发射电磁辐射。传统的连续波雷达由于没有测量时延的依据而无法测量距离。回想一下,基本雷达系统产生脉冲,并利用发射和接收之间的时间间隔来确定目标的距离。如果能量是连续传输的,那么这将是不可能的。

连续波雷达可以测量目标距离的瞬时变化率。这是通过直接测量多普勒频移返回的信号。多普勒频移是由发射器、目标或两者的运动引起的电磁波频率的变化。例如,如果发射器正在移动,波长将减少一个分数,该分数与它在传播方向上移动的速度成比例。由于传播速度是恒定的,频率必须随着波长的缩短而增加。最终结果是发射频率向上偏移,称为多普勒频移。

图1.移动发射机的多普勒频移

同样地,如果接收机与传播方向相反地移动,则接收频率将增加。此外,正在移动的雷达目标将同时充当接收器和发射器,每个接收器和发射器都会产生多普勒频移。由发射器/接收器和目标的运动引起的两种效应可以组合成一个频率的净偏移。偏移量将取决于发射器/接收器和它们之间的直线上的目标的组合速度,称为视线(服务水平)。

图2.计算视线中的相对速度。

多普勒频移可以根据发射器/接收器和目标速度的知识来计算,这里指定为s1.和s2.它们的运动方向和视线之间的夹角Q1.Q2.. 视线中的综合速度是

s=s1.余弦Q1.+s码2.余弦Q2..

这个速度也可以解释为范围内的瞬时变化率,或射程速率. 只要问题局限于两个维度,角度也有简单的解释:Q1.=与目标的相对方位。发射机/接收机的航向与目标的真实方位之间的差异。这遵循旧的航海规则:

相对方位=真方位-航向

由于余弦函数的特性,角度是正的还是负的没有区别(严格地说,相对方位总是正的,范围从0到359)0).Q2.=目标角度(发射器/接收器与目标的相对方位)。以与相对方位相同的方式计算,只是目标的航向被用来代替航向,相反的方位被用来代替对目标的真实方位。通过以下公式可得出反向轴承:

反向方位=真方位1800

再说一次,这个结果是正的,是负的,甚至超过360度都不重要0,但正确的结果应在0-359之间0. 假设已知测距率,则返回频率的偏移为

Df=2秒/L

哪里L是原始信号的波长。例如,X波段(10GHz)连续波雷达的多普勒频移在视线内每1英里/小时的综合速度下约为30赫兹。

例如:高速枪。



警察经常用连续波雷达来测量汽车的速度。实际测量的是朝向雷达的总速度的分数。如果运动方向和视线之间有一些差异,就会有误差。幸运的是,测量的速度总是低于实际速度。

连续波雷达系统在军事应用中需要测量距离速率。当然,距离率可以通过测量从一个脉冲到另一个脉冲的探测距离的变化,从基本的脉冲雷达系统中确定。连续波系统测量瞬时距离速率,并与目标保持连续接触。

调频连续波雷达

也可以使用连续波雷达系统来测量距离,而不是通过频率调制(发射频率的系统变化)来测量距离率。这实际上就是在每一个瞬间都在传输的波上加上一个独特的“时间戳”。通过测量返回信号的频率

传输和接收可以被测量,因此像以前一样确定范围。当然,频率调制量必须明显大于预期的多普勒频移,否则结果会受到影响。

调制波的最简单方法是线性增加频率。换句话说,发射频率将以恒定速率变化。

图3.FMCW操作理论。

FMCW系统测量发射和接收频率之间的瞬时差,DF这个差值与时间延迟成正比,Dt、 它利用雷达信号到达目标并返回。从这个范围可以用通常的公式,R=c找到Dt/2.延时如下:

Dt=tDf/(f)2.-f级1.)其中:

F2.=最大频率
F1.=最小频率
T=从f开始的扫描周期1.至f2.,
Df=发送和接收之间的差值。

当扫描重置频率并且频率差变为负值时,会出现一个小问题(如Df与时间)。该系统使用鉴别器将负信号截去,只留下与量程成正比的正信号部分。以下是系统图:图4 FMCW方框图。

把这些方程组合成一个单一的形式

R=2克拉Df/(f)2.-f级1.)

哪里Df是发送频率和接收频率之间的差(当两者都来自同一扫描时,即当其为正时)。

另一种构造FMCW系统的方法是,将发射信号和接收信号解调后的相位差进行比较,以接收扫频信息。该系统不必区分DF然而,在任何一种情况下,最大的无歧义范围仍将由周期决定,即

R联布援助团=cT/2

FMCW系统通常用于雷达高度表,或用于弹头的雷达近炸引信。这些系统不像脉冲系统那样具有最小范围。然而,它们不适合远距离探测,因为它们发射的连续功率水平必须大大低于脉冲系统的峰值功率。你可能还记得脉冲系统的峰值和平均功率与占空比有关,

P大道=直流*功率

对于连续波系统,占空比为1,或者峰值功率与平均功率相同。在脉冲系统中,峰值功率比平均值大很多倍。