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科普：脈沖雷達(dá)基礎(chǔ)知識
閱讀：1227 發(fā)布時間：2021-3-24
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)射的同時可以接收反射的回波信號，即收發(fā)可同時進(jìn)行。脈沖雷達(dá)間歇式發(fā)射脈沖周期信號，并且在發(fā)射間隔接收反射的回波信號，即收發(fā)間隔進(jìn)行。
1. 脈沖雷達(dá)的優(yōu)勢
雷達(dá)在工作過程中，發(fā)射信號泄漏會對接收機(jī)造成干擾，情況主要有兩種：一種是大信號干擾使得接收機(jī)壓縮增益或出現(xiàn)飽和，甚至造成接收機(jī)阻塞，通常可以通過將收發(fā)天線進(jìn)行物理隔離來解決；另一種是發(fā)射信號的邊帶噪聲將微弱的回波信號淹沒，對接收機(jī)的目標(biāo)檢測造成影響。
直接的信號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)射信號不對接收機(jī)造成干擾。
對于機(jī)載雷達(dá)，每個發(fā)射機(jī)不可避免的都會產(chǎn)生噪聲，并且會調(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，但是仍然比來自目標(biāo)的回波信號強(qiáng)很多個數(shù)量級。
為了防止發(fā)射機(jī)邊帶噪聲干擾接收信號，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通過天線進(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)的問題。
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，則發(fā)射信號的泄露不再是一個問題。脈沖工作模式的另一優(yōu)點(diǎn)是可以簡化距離測量。如果脈沖間隔足夠?qū)?，通過測量發(fā)射脈沖與接收到該脈沖的回波脈沖之間的時間差，即可j確地測出目標(biāo)的距離。
載波頻率
載波頻率通常不是常數(shù)，而是為了滿足專門的系統(tǒng)或操作需要以不同的方式變化的。從一個脈沖到下一個脈沖，載波頻率可能增大或減小。在一個脈沖內(nèi)部，載波頻率也可能隨機(jī)地或者按照專門方式改變，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)的時間，根據(jù)雷達(dá)的不同用途，脈沖寬度可以從微秒級到幾千毫秒。
當(dāng)雷達(dá)用未經(jīng)調(diào)制的脈沖去分辨兩個被測目標(biāo)，兩個目標(biāo)的距離間隔必須能夠滿足條件：即發(fā)射脈沖下降沿離開較近距離目標(biāo)的時間，要先于來自較遠(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)工作過程中可以改變。
另一種測量脈沖重復(fù)頻率的方法是測量它的倒數(shù)，即一個脈沖的起始沿到下一個脈沖的起始沿之間的周期，稱之為脈沖重復(fù)間隔（PRI），有時候也叫脈沖周期。例如， PRF 為 100Hz，那么 PRI 就是 1/100=0.01s，或者 10,000。
PRF 的選擇很重要，這是因?yàn)椋鼪Q定了雷達(dá)是否會產(chǎn)生距離模糊和多普勒頻率模糊，以及模糊的程度。上圖說明當(dāng)雷達(dá)不能直接確定回波脈沖與哪個發(fā)射脈沖相對應(yīng)時，就會出現(xiàn)距離模糊。
3. 輸出功率和發(fā)射能量
在討論脈沖發(fā)射對輸出功率和發(fā)射能量的影響之前，先來看看功率和能量的關(guān)系。簡單地說，功率是單位時間內(nèi)能量的多少，能量是功率在時間上的積分。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)的時長。
一般來說，對于脈沖雷達(dá)輸出功率，有兩種不同的測量方法可得到兩種不同功率：峰值功率和平均功率。
峰值功率
如果脈沖為方波，那么每一個脈沖的功率值從其上升沿至下降沿是一個常數(shù)，即當(dāng)發(fā)射機(jī)打開或發(fā)射時，其峰值功率就是輸出功率。峰值功率用 P 表示。在單個傳輸路徑（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 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。
脈寬與周期的比被稱為發(fā)射機(jī)的占空比，表示雷達(dá)工作過程中發(fā)射持續(xù)時間所占的比例。舉例來說，如果一個雷達(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)射時間即為其工作時間的 5/1000，就可以說雷達(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。
為了使探測距離z大化，可以通過三種途徑來提高平均功率：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，反過來說，這也決定了所需的冷卻量。因此，平均功率越高，發(fā)射機(jī)就會越大、越熱。
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