雷达原理 魏青 笔记 第二章 雷达发射机原理

雷达发射机原理与任务

一、 引言：从概论到发射机

在上节课中，我们完成了第一章内容的学习，主要涵盖了雷达概论，包括雷达测距、测角、测速的原理，雷达成像的各个方面，以及基本的雷达方程。我们了解到，雷达的工作过程是：发射机产生电磁波，经天线辐射到空间照射目标，目标反射回波信号被雷达接收机接收，进而对目标信息进行处理。

这节课我们将进入第二章的学习——雷达发射机。发射机是雷达系统中极其重要的组成部分。本章将重点讲解雷达发射机的工作原理。

二、 雷达发射机的任务与基本组成 (2.1节)

首先，我们探讨雷达发射机的核心任务。归纳起来，其主要任务可以概括为一句话：

产生大功率、特定调制的射频信号。

这句话包含三个关键要素：射频信号、大功率、特定调制。下面我们将逐一进行详细解析。

1. 射频信号 (RF Signals)

雷达发射机发射的必然是射频信号（Radio Frequency），即雷达电磁波在空间传播时所承载的高频频率。

• 发射与接收的一致性：

  • 发射机发射射频信号到空间，照射目标后反射回来，接收机在天线口面接收到的信号依然是射频信号。

• 信号处理流程：

  • 由于射频信号频率过高（如 10GHz），若直接进行数字处理，根据奈奎斯特采样定理（采样频率需大于信号最高频率的2倍），现有的硬件水平难以实现如此高的采样率（如 20GHz）。

  • 解决方案：通过混频装置将射频信号下变频到中频（IF）（例如几十 MHz），便于采样；再经过包络检波得到视频信号。这对应了第一章讲过的“射频 -> 中频 -> 视频”的处理流程。

2. 大功率 (High Power)

为什么发射机需要具备大功率？这需要回顾雷达方程：

3. 特定调制 (Specific Modulation)

所谓的“特定调制”，主要包含振幅调制和频率调制两个方面。

(1) 振幅调制

对于雷达而言，最典型的振幅调制分为两类：

(2) 频率调制

除了发射简单的脉冲，为了满足特殊需求，雷达往往还需要对信号频率进行调制。常见的频率调制方式包括：

1. 不调制（固定载频）：最简单的形式，脉冲内频率固定。

2. 频率分集：对同一目标发射不同载频的信号进行探测。

3. 频率编码/相位编码：

   • 频率编码：将一个宽脉冲分为若干子脉冲，每个子脉冲的载频不同。

   • 相位编码：将宽脉冲分为若干子脉冲，每个子脉冲的初始相位发生变化。

4. 线性调频 (LFM / Chirp)

时频分布图

傅里叶变换

1. 频率捷变 (Frequency Agility)

雷达与干扰机的工作机制

雷达通过发射电磁波照射目标，并接收回波来探测目标。当存在干扰机时，其工作原理如下：

• 雷达的操作：雷达发射电磁波到目标，然后接收反射回来的信号以分析目标信息。

• 干扰机的作用：干扰机试图向雷达发送非目标反射的信号，以混淆雷达的真实信号。干扰机有自己的天线，用于发射电磁波，这些电磁波通过特定方向图函数对准雷达。

• 雷达接收到的两种信号：

  • 真实的回波信号（PR），这是雷达方程中提到的目标反射回来的信号。
  • 干扰信号（PG），由干扰机发出，意图掩盖或欺骗雷达系统。

雷达在处理这两种信号时，真实回波信号更易于分析目标的各种性质；而混杂了干扰信号的数据则难以分析。

为了对抗这种干扰，雷达采用以下策略：

• 使用特定射频频率：雷达有固定的发射频率FR。例如，3公分雷达的实际载频为10GHz左右。如果干扰信号不在雷达接收机的通带范围内（比如50MHz范围），那么干扰信号将无法进入雷达接收机。

• 抗干扰措施：干扰机需要准确测量雷达的发射频率才能有效干扰。为此，干扰机会配备侦察天线，用来接收并分析雷达发射的电磁波，从而确定雷达的发射频率，并据此发出干扰信号。

为了进一步增强抗干扰能力，雷达可以采取“频率节变”技术，即每个脉冲发射不同的频率信号，使得干扰机难以准确测量和追踪雷达的真实载频。这种方法能够有效地增加对方侦测系统的难度，从而达到抗干扰的目的。

雷达信号的相参性与发射机组成

1. 信号的截取与相参性的概念

我们首先来看一下信号的时间关系。假设这里有一个连续的振荡信号，我们按照脉冲宽度 $\tau$ 对其进行截取，也就是把这一段时间的信号保留下来。接着，经过一个脉冲重复周期 $T_R$ 后，我们再截取一段信号。以此类推，后面的时间段也同样处理。

现在大家看，我们得到的信号（图示中红框内的部分）中间有空白间隔，只包含了被截取出来的脉冲部分。从波形外观上看，如果忽略中间的空白，这个被截取的信号与我们之前提到的普通脉冲信号看起来非常类似。

但是，实际上这两个信号有着本质的区别：

• 相位相参信号：刚才通过截取连续波得到的信号，其脉冲与脉冲之间是耦合的、有联系的。也就是说，如果我们知道了第一个脉冲的相位，后续脉冲的相位是可以唯一计算出来的。这种信号，我们称之为相位相参信号。

• 非相参信号：看似波形相同，但如果脉冲之间的相位没有确定的关系，无法互相推导，则是非相参信号。

2. 雷达发射机的两大基本组成形式

接下来我们要讲第二个大问题，即雷达发射机的两种主要组成形式，它们分别对应产生上述两种不同的信号：

1. 单级振荡式发射机：

   • 它主要用于产生非相参（老师口误为“飞翔仓”）的脉冲发射信号。

   • 特点：实现起来比较简单，只要求频率相等，对精度的要求不高。

2. 主振放大式发射机：

   • 它用于产生相位相参信号。

   • 特点：实现难度更大，比单级振荡式复杂得多。它要求有一个非常稳定的固态微波源，只有这样才能把相位牢牢地“卡住”（锁定），保证相位的稳定性。

   • 优势：虽然复杂且精度要求高，但它便于后续进行各种复杂的信号处理。

3. 为什么需要相位相参？（以多普勒测速为例）

为了理解为什么我们需要复杂的相参体制，我们回顾一下上节课讲过的利用多普勒效应探测目标速度的原理。

多普勒效应的测速过程如下：

1. 雷达发射信号出去，经过一段时间延迟后，接收到目标的回波。

2. 我们在数学处理上，是通过对发射信号的相位对时间 $t$ 求导，再除以 $2\pi$，从而计算出发射信号的瞬时频率（老师口误为“损失频率”）。

3. 同样地，我们将回波信号的相位对时间 $t$ 求导，除以 $2\pi$，计算出回波信号的频率。

4. 比较这两个频率的差值，就是多普勒频率。

大家注意，这个概念的核心在于：整个过程随时都在涉及相位信息，需要对相位进行求导等运算。

这就意味着，相位必须是精确可知的。

• 如果是非相参系统（单级振荡式），它在不同时刻的初始相位是变化的。而且这种变化往往是随着当时的随机噪声在变。由于噪声本身是一个随机变量，我们根本无法预知它在不同时刻的具体数值。

• 因此，对于像多普勒测速这样复杂的、依赖相位信息的系统，非相参体制是无法满足要求的，必须采用相位相参的体制。