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远距离搜索雷达设计.docx

发布时间：2022-06-16 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.89M 资料格式：docx 举报 版权申诉
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    一种地基脉冲搜索雷达 1. 雷达任务、性能指标 本文旨在设计一部能实现搜索功能的地面雷达。雷达工作在 X 波段，工作频率 f=10Ghz。雷达扫描范围为 360°覆盖，扫描速率为 180°/s，搜索范围为 50km-100km， 能检测到飞行高度在 5km-10km 内的目标。目标最大径向速度为 150m/s。在搜索模式下， 当出现多个检测目标时，要求雷达能分辨最小间距 30m 的两个目标，即距离分辨率达 到 30m。假定噪声系数为 6dB，接收机损失因子为 9dB，检测门限 SNR=12dB。另外探究 雷达在杂波存在时的工作性能。根据《雷达原理》中给出的雷达截面积参考数值，假定 目标的 RCS 为 4m2。 2. 设计 图 1 脉冲雷达框图
    图 2 设计流图
    2.1雷达基本参数的计算 雷达带宽与距离分辨率的关系如下式：∆R=2= 2 将距离分辨率∆R=50m 带入，有： B= 2∆R=3×108 2×30=5MHz τ=1= 15×106=2μs (1) (2) (3) 图 3 雷达搜索范围示意图 图 4 雷达盲区示意图
    根据雷达方程 如上图所示，在目标的飞行高度处于 5-10km 之间时，可计算出雷达扫描的最小和 最大俯仰角为： 故可以计算出雷达搜索区域球面度： (4) (5) =0.788（球面度）(6) 考虑使用具有扇形波束的天线，抛物面天线。在孔径选择上，考虑到制作成本及作 用于 雷达上的各种载荷，例如风载荷、冰雪载荷、自重载荷、惯性载荷等等，天线孔径不宜 过大，本设计中选用天线孔径 Ae=1m2。 由于天线增益 5100 =4.12° θmin=arctan θmax=arctan 1050 =11.31° Ω=360× （θmax−θmin） =360× （11.31−4.12） （180 ）2 （57.296）2 =42 = 4×1 0.032 =13962 =10log13962=41.45dB R=[ 22 (4)3]14 22 (4)300]14 R=[ (7) 8 (9) 将展开带入，得出使用最小信噪比（检测因子）表示的雷达方程： (10) 其中为雷达脉冲功率，为天线增益，为工作波长，为目标雷达散射截面积，为玻 尔兹曼常数，一般取＝1.38×10−23，0为标准室温，一般取0=290K，为接收机 噪声带宽，在采用简单脉冲信号时，可认为=1/τ，为接收机噪声系数，本设计中 =6dB，0为检测因子，即最小检测 SNR，本设计中0=12dB。另外=9dB，为 (11) (12) (13) (14) = = 0 22 (4)300]14 将（11）带入（10）有： R=[ 即单个脉冲能量为： =[ 4 300(1)(R)4 22 将检测因子0=12dB 带入(13)中有： 1396220.032×4 = 4 3(1.38×10−23)(290)(100.6)(101.2)(100.9)105 4 =0.567 接收机损失因子。 对于脉冲雷达，使用信号能量代替脉冲功率，有： ] 故，单个脉冲检测要求的峰值功率为：
    == 0.567 2×10−6=284kW (15) 2.2脉冲积累 由（15）式看出，在使用脉冲信号时，搜索模式下发射峰值功率要求接近 300kW， 对发射管的峰值功率以及传输线功率容量都提出了极高的要求，势必会造成成本增大和 资源浪费。 由于使用的雷达类型为脉冲雷达，当目标在单次扫描期间位于雷达波束内时，它可 能反射回不止一个脉冲，通过把此目标在单次扫描期间的所有脉冲回波相叠加，可以得 到更高的 SNR。 脉冲积累方式分为相参和非相参两种方式。非相参积累的效果不如相参积累，但在 本设计中的情况下，目标为运动的，目标回波的起伏将明显破坏相邻回波信号的相位参 考性，因此即使在雷达收发系统相参性很好的条件下，起伏回波也难以实现理想的相参 积累。另外，非相参积累在工程上实现较为简单，所以本设计采用非相参积累进行脉冲 累积。 图 5 脉冲积累示意图 如上图所示，非相参脉冲积累原理就是先对信号进行检波，再累加。这样能大大减 少单个脉冲所需要达到的 SNR 及峰值功率。 对于本设计，可以计算出目标单次扫描期间能返回的脉冲数为： 定理想状态下 k=1，有： 为天线方位面 3dB 波束宽度，根据天线增益经验公式，有： = (16) 其中为方位面上天线扫描速率，本设计中为 180°/s，为雷达的脉冲重复频率。 =k 4 (17) 其中分别为天线俯仰面和方位面半功率波束宽度，系数 k≤1 取决于物理形状，假 =4G (18) 且天线俯仰面 3dB 功率宽度 θe=θmax−θmin=7.19° (19) 7.19180π ×13962×180π =0.41° 4 (20) 将（19）带入（18）中，求得天线方位面 3dB 波束宽度为： =4G=
    图 6 脉冲积累 PRI 与最大不模糊距离关系 如上图所示，一旦反射了一个脉冲，雷达必须等待足够长的时间，使得最大距离处 的反射信号在下一个脉冲发射前返回，从而避免出现不能分辨脉冲 2 的反射信号是由脉 冲 1 在更远处的目标回波还是由脉冲 2 的发射信号在近处的回波产生的情况。因此，为 保证最小搜索距离为 100km，应保证最大不模糊距离大于 100km，即： 故单个脉冲需要达到的 SNR 为 6.14dB。 根据式（12），有： 对于非相参累积，由于累积在检波后实现，所以总会产生一定的损失，称为检波后损失 或者平方律检波损失。Curry 给出了这种损失的近似公式： 取 n=3。 对于非相参积累，累积后的 SNR 和单个脉冲的 SNR 关系如下（由 Curry 给出的公式）： 即脉冲重复频率应满足： 取f=1.5kHz 将f=1.5kHz 代入到（16）式中，得到： (21) (22) (23) (24) 上式中0(1)即为不进行积累时需要达到的 NCR，n 为积累的脉冲数量，0()为在积累 n 个脉冲情况下计算得出单个脉冲需要达到的 SNR 值。将 n=3，0(1)=12dB 带入有： (25) (26) (27) R=2= 2≥105 ≤ 2=1500Hz = =1500×0.41° =3.42 180° 0()=0(1)2 + 0(1)242 +0(1) 0(3)=101.22×3+ （101.2 ）2 +101.23 =6.14dB 4×32 22 4 300(3)]14 R=[ =1+(SNR) (SNR) =1.24=0.93
    将脉冲积累损失因子引入到式（26）中，得到修正过后的雷达方程： 22 4 300(3)]14 R=[ 即单个脉冲能量为：=[ 4 300(3)(R)4 22 将03 =6.14dB 带入(20)中有： = 4 3(1.38×10−23)(290)(100.6)(100.61)(1.24)(100.9)105 4 1396220.0324 == 0.1808 2×10−6=90.4kW 故，单个脉冲检测要求的峰值功率为： ] (28) (29) =0.1808(30) (31) 较之前的设计，即没有脉冲积累的设计，当前设计峰值功率减小为原来的近三分之 一，大大降低了加工成本和对发射机的要求。 2.3 多普勒模糊及消除 脉冲雷达通过发射和接收调制脉冲串进行工作。脉冲雷达波形参数完整定义如下： （1） 载频：根据设计需求和雷达任务确定 （2） 脉冲宽度：确定了带宽，在设计中由距离分辨率决定 （3） 调制方式：通过不同的调制技术增强雷达性能 （4） 脉冲重复频率：PRF 的选择必须避免多普勒和距离模糊。 雷达系统可根据设计要求选用低、中、高 PRF 方案。低 PRF 波形可以提供准确的远距离 不模糊测量，但会产生严重的多普勒模糊。中 PRF 波形会同时产生多普勒模糊和距离模 糊，然而相比低 PRF 提供了足够的发射功率。高 PRF 波形可以提供最大的发射功率，但 距离模糊是最严重的。如下表所示。 PRF 低 中 高 距离模糊 多普勒模糊 无 有 有 有 有 无 表 1 距离模糊、多普勒模糊产生条件 如上表所示，本设计中的脉冲雷达实现的功能为远程搜索，故在选用 PRF 时优先考 虑避免距离模糊，采用了低 PRF 的设计，故应考虑对产生的多普勒模糊进行消除。 假设脉冲串的线谱具有sinx 形状的包络，并且线谱被 PRF()分割，其中为脉冲重复 频率，为目标的多普勒频率。如图 7 所示。
    图 7 发射谱、接收谱及多普勒滤波器组 图（a）为多普勒被正确解出的示意图，图（b）为接收谱线移动到下一个多普勒滤 波器组，导致多普勒模糊的示意图。从图中我们看到，只要预期的多普勒偏移小于单个 则不会产生多普勒模糊。 滤波器带宽的一半，即满足：≥2=2×2 (32) 本设计中为保证不产生距离模糊，采用的脉冲重复频率=1500Hz，假定目标的最大 径向速度为=150/，带入（32）中可得=10kHz，显然会产生多普勒模糊。 现计划在发射脉冲时使用两种 PRF（f1和f2）来解多普勒模糊。如图 6 所示。 为消除多普勒模糊，考虑使用多个 PRF 的办法，提高雷达测多普勒频率的范围，解多普 勒模糊。
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