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第6章 雷达的应用(2)

6.转换器的主要要求

在现代雷达中,雷达接收机的视频信号常常要通过A/D转换器转换成数字信号。

转换器与接收机相关的参数主要有位数(有时称比特数)、有效位、采样频率及输入信号的带宽等,与之相应的量化噪声、信噪比及动态范围也是A/D转换器的重要特征。此外,时钟孔径的抖动,与模拟信号的接口也是设计A/D转换器时常需考虑的因素。

7.波形质量和发射激励性能

在现代雷达中,一般都采用全相参体制。这样,雷达波形和发射激励往往由接收系统来完成,为了提高雷达的抗干扰性能和辨别能力,雷达的波形也会被设计成各种各样,有时一部雷达中还需要用多种波形捷变。这时波形和发射激励就需要在接收系统的研制中认真考虑并设计。88

波形质量和发射激励的性能可以从频域和时域两个方面来检测。从频域的角度来判定,主要是观测波形和发射激励信号的频谱特性,例如,一个具有单载频的矩形脉冲,其频谱应该是标准的辛克函数;从时域的角度来判定,信号的质量主要包括调制信号包络的前后沿和顶部起伏,以及内部载频调制频率和相位特性,对于发射激励信号,还要经常用频谱仪测量其稳定性及其所对应的改善因子。

8.抗干扰能力

抗干扰能力也是现代雷达接收机的主要性能要求。干扰可能是因海浪、雨雪、地物反射引起的杂波干扰,或是友邻雷达无意造成的干扰以及敌方干扰机施放的干扰等。这些干扰会妨碍对目标的正常观测,从而造成判断错误,严重时甚至会完全破坏接收机的正常工作。因此,为使抗干扰性能良好,一方面要提高雷达接收机本身的抗干扰性能,如提高系统的频率和幅相稳定性,采用宽带自适应跳频体制等;另一方面还需加装各种抗干扰电路,如抗过载电路,抗噪声调制干扰电路等。

雷达天线

在雷达中,天线的作用是将发射机产生的波导场转换为空间辐射场,在电波传输的过程中完成从“波导”或“传输线”到“空间”的转换;然后接收目标反射的空间回波,将回波能量转换成导波场,完成电磁波从“空间”再到“波导”或“传输线”的环节,并馈送给雷达接收机。

一、概况

天线的前一个作用称为发射,后一个作用称为接收。有的雷达采用两部天线,分别用做发射和接收,但绝大多数雷达都采用一部收、发共用天线。雷达一般还要求天线实现以下主要功能:89

发射时,像探照灯一样,将辐射能量集中照射目标方向;

接收时,收集指定方向返回的目标微弱回波,在天线接收端产生可检测的电压信号,同时抑制其他方向来的杂波或干扰;

分辨不同目标并测量目标的距离和回波的方向。与一般电子设备(通信、广播、导航、对抗)的天线相比,雷达天线一般要满足高功率和高分辨力两个要求,因而增加了天线设备的复杂性、难度和造价。

天线将辐射能量集中照射在某个方向的能力用增益来表示。增益与天线的孔径面积成正比,与工作波长的平方成反比。在工作频率一定的情况下,天线的孔径尺寸越大,天线的增益越高;同样,在孔径尺寸一定时,工作频率越高增益越大。在雷达系统中,在其他条件不变的情况下,天线增益越高就意味着有更远的作用距离。雷达天线接收时,其收集目标回波的能力用天线的有效孔径面积表示。大的有效孔径面积等效于高的天线增益。在很多情况下,天线的接收能力也用增益表示。根据收、发天线的互易定理,一部天线如果不含非互易器件,那么它发射或接收具有相同的性能,因此,为了研究问题方便,同一部天线一般按照发射增益和接收增益相等来处理。

一般来说,天线都具有方向性,即天线向不同方向辐射的功率密度(场的强度)不同,或接收时对不同方向入射电磁波的响应不同。雷达对目标进行角度测量必须依赖于天线的方向性。天线的方向性可以用天线方向图进行描述。天线的方向图由一些“花辦”似的包络组成,“花辦”的形状即是天线波束形状,天线波束的扫描使雷达在空间上形成覆盖。

二、典型的雷达天线

雷达天线分为光学天线和阵列天线,光学天线又可以分为反射面天线和透镜天线。雷达系统中最常用的是反射面天线和阵列天线,下面分别进行介绍。

1.反射面天线

反射面天线较早在雷达领域得到广泛应用。反射面天线结构简单,低成本,低能耗,应用广泛。

(1)抛物柱面天线

使抛物线沿垂直于焦轴的直线平行运动可得到抛物柱面,在焦轴上配置线阵馈源就构成抛物柱面

天线。

水平抛物柱面天线往往形成方位面窄、垂直面宽的扇形波束。例如,水平抛物柱面天线形成特别适合L波段到米波段的大型远程警戒和搜索雷达天线。90

(2)圆孔径抛物面天线

抛物线绕轴旋转,可以获得圆口径对称反射面,再配上合适的馈源,就得到圆孔径抛物面天线。它可以形成两维聚焦的高增益笔形波束,是最早采用的雷达天线形式之一,应用广泛。适用于各种频段的气象雷达以及要求不太高的火控、跟踪、监视雷达。91

(3)卡赛格伦反射器天线

卡赛格伦反射器天线是双反射器天线,它由旋转抛物面作为主反射面,旋转双曲面作为副反射面,形成针状波束。卡赛格伦天线常常应用于单脉冲精密跟踪测量雷达。

(4)双弯曲反射面天线

简单反射面天线只能产生针状波束或简单扇形波束。双弯曲反射面天线能形成余割平方等赋形波束。双弯曲反射面天线适应许多地面监视雷达,它形成的波束方位面窄,垂直面宽且为余割平方形。92

(5)堆积多波束抛物面天线

三坐标雷达需要通过俯仰面内相邻波束接收信号的幅度比较来测仰角。由此,可以利用一组沿着通过抛物面焦点的某一轨迹排列的喇叭照射抛物面(指向抛物面中心),产生一组相互错开且部分重叠的多个波束。这类波束被形象地称为堆积多波束,而相应的天线称为多波束天线。

2.阵列天线

阵列天线由数目相当多的辐射单元组成,单元(偶极波导喇叭或其他)按照一定的方式排列(线阵或面阵)。它们的振幅和相位分布服从一定规律,以得到所需要的方向图和波束指向。一个阵列最少要有两个辐射单元,最多可达几千辐射单元。93

早期的阵列天线大多是矩形面阵,随着电控移相器或开关的出现,出现了相位控制阵列天线。采用控制阵列天线实现电扫描的雷达称为相控阵雷达。94

雷达显示器

雷达显示器用来显示雷达所获得的目标信息和情报,显示的内容包括目标的位置及其运动情况、目标的各种特征参数等。对于常规的警戒雷达和引导雷达的显示器,基本任务是发现和测定目标的坐标,有时还需要根据回波的特点及其变化规律来判别目标的性质(如飞机的机型、飞机的架数等),供指挥员全面掌握空情。

一、概况

在现代预警雷达和精密跟踪雷达中,通常采用数字式自动录取设备,雷达终端显示器的主要任务是在搜索状态截获目标,在跟踪状态监视目标运动规律和监视雷达系统的工作状态。

在指挥控制系统中,雷达终端显示器除了显示情报之外,还有综合显示和指挥控制显示。综合显示是把多部雷达站网的情报综合在一起,经过坐标系的变换和归目标数据的融合等加工过程,在指挥员面前形成一幅敌我情况动态形势图像和数据。指挥控制显示还需要在综合显示的基础上加上我方的指挥命令显示。

早期的雷达终端显示器主要采用模拟技术来显示雷达原始图像。随着数字技术的飞速发展,以及雷达系统功能的不断提高,现代雷达的终端显示器除了显示雷达的原始图像之外,还要显示经过计算机处理的雷达数据,例如目标的高度、航向、速度、轨迹、架数、机型、批号、敌我属性等,以及显示人工对雷达进行操作和控制的标志或数据,进行人机对话。

雷达终端显示器主要包括:距离显示器、B型显示器、E型显示器(高度显示器)、平面位置显示器、情况显示器和综合显示器及其各种变形,等等。95

二、距离显示器

距离显示器主要显示目标距离,它可以描绘出接收机输出幅度与距离的关系曲线。

距离显示器中最常见的为A型显示器。A型显示器为直线扫描,扫描线起点与发射脉冲同步,扫描线长度与雷达距离量程相对应,主波与回波之间的扫描线长度代表目标的斜距。A型显示器的画面包括发射脉冲(又称主波)、近区地物回波和目标回波,距离刻度可以是电子式的,也可以是机械式。A型显示器类似于常见的示波器。

三、B型显示器

平面显示器如果用直角坐标显示距离和方位,则称为B式显示器,它以横坐标表示方位,纵坐标表示距离。通常方位角不是取整个360°,而是取其中的某一段,这时的B式就叫做微B显示器。在观察某一波门范围以内的情况时可以用微B显示器。

四、E型显示器

高度显示器用于测高雷达和地形跟踪雷达系统中,统称为E式显示器,横坐标表示距离,纵坐标表示仰角或高度,表示高度者又称为RHI显示器。在测高雷达中主要用RHI显示器。在精密跟踪雷达中常采用E型显示器,并配合B显示器使用。

五、平面位置显示器

平面位置显示器显示目标的斜距和方位两个坐标,是二维显示器。它用平面上的亮点位置表示目标的坐标,亮点的强度表示目标回波的大小,属于亮度调制显示器。

平面显示器是使用最广泛的雷达显示器。

方位角以正北为基准(零方位角),顺时针方向计量;距离则沿半径计量;圆心是雷达站(零距离)。图的中心部分大片目标是近区的杂波所形成的,较远的小亮弧则是动目标,大的是固定目标,平面显示器提供了360°范围内的全部平面信息,所以也称为全景显示器或环视显示器,简称PPIq显示器或P显。人工录取目标坐标的时候,通常在P显上进行。P显的原点也可以远离雷达站,以便在给定方向上得到最大的扩展扫描,这种显示器称作偏心PPI显示器。

六、雷达反隐身技术

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