雷达系统的分类和波段 - 雷达可以分为路基、机载、星载、舰载雷达系统,也可以按照雷达的具体特征分成多种类别,例如根据使用的频带、天线类型和使用的波形等来分类。
高频HF和甚高频VHF雷达A和B频带:超视距雷达
超高频UHF雷达C波段:多功能相控阵雷达
L波段雷达D波段:空中交通管制雷达
S波段雷达E和F波段:机场监视雷达
C波段雷达G波段:火控雷达
X和Ku波段雷达I和J波段:合成孔径雷达
K和Ka波段雷达J和K波段:地面活动监视雷达
毫米波MMW雷达V和W波段:汽车工业雷达
雷达系统 - 雷达系统通常包括以下部分组成:天线,发射机,接收机,信号处理机,终端显示设备,伺服系统和同步设备。在不同种类的雷达可能是由其中不同的一部分或者几部分组成,其典型单基地收发共用的脉冲雷达的实现结构的基本框图如下:
图 简单雷达系统框图
雷达发射机 - 雷达发射机是雷达系统中发射电磁波信号的设备。雷达发射机通过对设计的脉冲或者连续波信号利用高稳定度的本地振荡器(Local Oscillator, LO)进行上变频后馈送到天线,经天线辐射到空间中。而依据实现方式的不同,雷达的发射机可以分为直接振荡式和主振放大式(功率放大式)。前者通过直接控制本振的通断来实现高频信号的产生,而后者通过对基带信号进行上变频来实现。主振放大式具有可通过设计产生复杂波形、频率稳定度高、回波信号相参等优点。同时主振放大式的信号产生流程与通信系统的发射机类似,是通信雷达一体化中雷达发射机组成的主要研究对象之一。
雷达接收机 - 雷达接收机是雷达系统中接受到返回电磁波的装置,主要由前端的放大器、混频器和相应的处理模块组成。接收机的主要任务是检测微弱回波信号,并将回波信号加以放大。由此可见,作为接收部分的第一级装置,雷达接收机的内部噪声应该尽可能小,从而降低级联对噪声的放大。同时需要说明的是,在雷达接收机部分也进行着一部分雷达信号的处理,例如:对接收信号的匹配滤波。雷达系统的接收机与通信系统的接收机没有本质区别,但是由于雷达系统的接收机接受到回波信号强度一般比较微弱,通常需要比通信系统接收机更好的信号检测灵敏度。
雷达天线系统 - 雷达的天线采用具有很强方向性的天线,此类天线的选择与雷达测距、测角的精度要求是分不开的。通常雷达的天线方向性越强,其测角精度、分辨力也就越高。雷达波束的运动可以通过伺服系统来进行机械的控制也可以通过日益成熟的相控阵列来进行控制。相比于伺服控制的机械扫描方式,相控阵由电子计算机进行控制具有速度快、精度高、机动灵活、可小型化等优势。雷达的扫描方向是多种多样的,可以是锥形、圆周、也可以是螺旋形扫描。同时随着波束成形技术的发展和研究,雷达波束的形状也是灵活多变的。
雷达信号处理系统 - 信号处理是雷达重要的研究课题和技术,雷达信号处理也是雷达技术的难点之一。与通信系统不同的是,雷达系统的信号处理旨在消除杂波、噪声干扰对雷达系统的影响,并在此基础上提取出有用的信号,同时利用相应信号进行对系统的控制。雷达信号处理通常包括动目标检测、复杂信号脉冲压缩、多普勒效应分析与处理等。
雷达终端 - 雷达终端指的是除了上述设备外雷达的其他设备,主要包括了实现同步的同步装置(系统时钟)、供电装置以及雷达的显示器。但是随着现代计算机技术与计算机图像学的发展,雷达终端已经不再局限与传统的显示设备,有了更多的显示选择。
雷达脉冲宽度 - 雷达脉冲宽度指雷达发送的脉冲信号的时间长度,即脉冲的持续时间。一般用微秒(μs)或纳秒(ns)来表示,不同雷达系统的脉冲宽度可在几纳秒至几毫秒之间。雷达脉冲宽度决定了雷达的空间分辨率:脉冲必须短于信号在目标之间传播所需的时间;否则,脉冲会在接收器中重叠。
雷达截面积RCS - 雷达截面积 (Radar cross-section-RCS),表示为 ,也称为雷达特征(radar signature),是衡量雷达可探测到物体的程度的指标。雷达截面积RCS越大,表示物体越容易被检测到。
脉冲雷达和连续波CW雷达 - 当把波形类型用作雷达系统的分类特征时,这里有两种雷达:脉冲和连续波雷达系统。连续波波形可以看成余弦函数形式的纯正弦波。脉冲重复频率PRF:将雷达分为抵重频、中重频和高重频雷达。脉冲之间的周期IPP为T,脉冲宽度为t,IPP通常被标位脉冲重复周期PRI, PRI的倒数就是PRF,PRF用fr表示。
雷达模糊图 - 由模糊函数的数学表达式,在三维坐标系中画出这个西数的图形,它就是一个立体实心图,这个图既有主峰,又由边锋和小突起。一般称这个三维立体图为模糊图。
模糊图中除主峰外的起他边锋和小突起统称为“白身杂波”,这个杂波不是由目标周国的其他散射体引起的,而是由信号本身特性决定的。
脉冲信号 - 脉冲信号是一种周期性很短的信号,其频谱特性具有一定的复杂性。脉沖信号的频谱主要包括两个部分:基波和谐波。基波是脉沖信号中最低频率的成分,其频率等于脉冲信号的重复频率。而谐波则是基波的倍频,频率为n倍的基波频率,n为正整数。脉沖信号中的谐波成分数量与脉冲信号的上升时间、下降时间以及脉冲宽度有关。
脉冲重复频率 -(英文 Pulse Repetition Frequency - PRF)即脉冲重复频率,每秒钟发射的脉冲数目,是脉冲重复间隔(pulse repetition interval, PRI)的倒数。脉冲重复间隔就是一个脉冲和下一个脉冲之间的时间间隔。脉冲重复频率的1/2称为尼奎斯特频率极限,如果多普勒频移值超过这一极限,脉冲多普勒所检出的频率改变就会出现大小和方向的伪差,称为频率失真。脉冲重复频率(PRF)是脉冲雷达信号最重要的特征参数之一。脉冲重复频率是发射脉冲或脉冲组的速率。通常来讲,脉冲重复频率就是每秒发射脉冲的数量,用赫兹(Hz)表示。
PRT(脉冲重复时间)- 雷达发射脉冲串中单个脉冲的时间。
PRI(脉冲重复间隔)- 雷达发射脉冲之间的时间间隔。
巴克码 - 巴克码,也被称为Barker序列,是一种特殊的数字序列,具有独特的性质,广泛应用于通信系统,尤其是雷达和无线通信中。7位巴克码和13位巴克码是其中两个常用的长度。它是一个非周期序列,一个n位的巴克码{X1,X2,X3,···Xn。),每个码元只可能取值+1或-1。
距离分辨率 - 距离分辨率是雷达的一种量度,用于描述雷达分别探测出相邻目标的能力。雷达系统通常设计成在最小距离和最大距离之间工作。通常情况下,为了提高雷达性能,雷达用户和设计者都在搜寻把距离分辨率做到最小的方法。如果要获得良好的距离分辨率则必须减小脉冲宽度。但是,这样会降低平均发射功率,增加工作带宽。使用脉冲压缩技术可以在保持足够的平均发射功率的同时获得良好的距离分辨率。
距离单元长度 - 雷达距离单元是指在雷达系统中用来测量目标与雷达之间的距离的最小量度。雷达距离单元是雷达波长在空气中传播时的一半,也被称为“半波长”。因为在雷达测距中,波长和距离之间存在一定的关系,所以使用半波长作为距离单元可以使雷达系统的距离测量更加准确。在雷达系统中,距离测量是基于回波信号的时间差测量原理实现的。当雷达向目标发射出一束电磁波后,目标将会回波并被雷达接收。通过测量回波信号的时间差可以计算出目标与雷达之间的距离。而雷达距离单元就是用来表示这个距离的最小量度。
多普勒雷达:利用多普勒效应来探测运动目标的位置和相对运动速度的雷达。多普勒效应是指当波源和观测者有相对运动时,观测者接收到的波的频率会发生变化。多普勒雷达常用于机载预警、机载截击、机载导航、低空防御、火控、战场侦察、导弹引导、靶场测量、卫星跟踪和气象探测等领域。
高斯滤波器 - 滤波器是一种用来消除干扰信号的器件,对电源信号中特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除,得到一个特定频率的电源信号,或消除一个特定频率后的电源信号。滤波器不仅用于频域,还存在许多其它过滤目标,可以去除某些频率分量的相关性。滤波器可以采用不同的技术构建,相同的传递函数可以通过不同的方式实现,也就是说滤波器的数学性质相同,但物理性质大不相同。
多普勒频率 - Doppler Frequency 雷达使用多普勒频率来提取目标径向速度(距离率),以及分辨杂波、静止物体和运动物体等目标。多普勒现象描述入射波形由于目标相对辐射源的运动而产生的中心频率移动。雷达使用多普勒频率来提取目标径向速度(距离率),以及分辨杂波、静止物体和运动物体等目标。多普勒现象描述入射波形由于目标相对辐射源的运动而产生的中心频率移动。这个频移取决于目标运动的方向,可以是正的也可以是负的。照射到目标上的波形具有间隔为波长的等相位波前。靠近的目标会导致反射的等相位波前相互靠近(较短波长)。反之,一个离开或后退目标(离开雷达运动)将导致反射的等相位波前扩展(较长波长)。
相干性 - 如果任意两个发射脉冲的相位是一致的,则称雷达是相干的;也就是说,从一个脉冲到下一个脉冲信号的相位是连续的,如果雷达能够在一个脉冲末端的等相位波前和下一个脉冲前端的等相位波前之间保持整数个波长,那么这就是相干性。使用稳定本机振荡器可以获得相关性。
脉冲信号 -脉冲信号是一种周期性很短的信号,其频谱特性具有一定的复杂性。脉沖信号的频谱主要包括两个部分:基波和谐波。基波是脉沖信号中最低频率的成分,其频率等于脉冲信号的重复频率。而谐波则是基波的倍频,频率为n倍的基波频率,n为正整数。脉沖信号中的谐波成分数量与脉冲信号的上升时间、下降时间以及脉冲宽度有关。脉冲信号的频谱特征还包括脉冲幅度对频谱的影响。在频率分析中,脉冲信号的频谱通常是由幅度为单位脉冲的频谱相加而成。
脉冲压缩技术 - 通过采用脉冲压缩技术(调制), 发射具有较低峰值功率的宽脉冲 (平均功率高,作用距离大) 却可不牺牲距离分辨率。接收机对接收到的 (宽)脉冲进行脉冲压缩处理,恢复窄脉冲的高距离分辨率并最大程度地扩大探测范围。该模糊图标明了定位精度(横轴)和多普勒频移容限(纵轴)。
相控阵雷达 - 相控阵雷达使用一组天线单元,包括反射单元和接收单元,各天线单元独立调整相位且同步工作,各单元的电磁波信号叠加在一起形成指向预定方向的窄波束。通过电控改变阵列波束指向,而不需要移动天线。相控阵系统通常的工作方式为实时地进行各单元的相位控制,以实现实时波束扫描。
飞行时间法- 飞行时间法 (Time of Right - TOF) 是一种双向测距技术,它通过测量UWB信号在基站与标签之间往返的飞行时间来计算距离。基于TOF的定位方法测距不依赖基站与标签的时间同步,故没有时钟同步偏差带来的误差,但TOF测距方法的时间取决于时钟精度,时钟偏移会带来误差。为了减少时钟偏移量造成的测距误差,通常采用正反两个方向的测量方法,即远端基站发送测距信息,标签接收测距信息并回复,然后再由标签发起测距信息,远端基站回复,通过求取飞行时间平均值,减少两者之间的时间偏移,从而提高测距精度。ToF法是目前量产激光雷达的绝大多数选择,FMCW法仅有极少数厂家可以提供量产产品。
热噪声 - 当温度在绝对零度以上,由于电荷载流子的热运动,所有电阻都有热噪声。热噪声是最基本的一种噪声,可以说是无处不在的。热噪声又称为Johanson或Nyquist噪声,是由电子的热运动产生的。在绝对零度(0 K)以上,就会存在自由电子的热运动。因此,几乎所有的器件/设备,都会产生热噪声。热噪声的功率谱密度不随频率变化,称为白噪声,又因服从Gauss概率密度分布,所以又称为高斯白噪声。
约翰逊噪声 - Johnson noise,也称作热噪声或奈奎斯特噪声, 是由于热搅动导致导体内部的电荷载体达到平衡状态时的电子噪声,与所施加电压无关。一般用统计物理推导该噪声被称作波动耗散定理,这里用广义阻抗或广义极化率来表征该介质。一个理想电阻器的热噪声接近白噪声,也就是功率谱密度在整个频谱范围内几乎是不间断的(然而在极高频时并不如此)。当限定为有限带宽时,热噪声近似高斯分布。
相参处理间隔 CPI - 相参处理间隔是用于处理相参处理的目标的回波持续时间。相干处理间隔(Coherent Processing Interval - CPI)是脉冲多普勒雷达中发射和接收脉冲列的一部分,这些脉冲列被联合处理,形成一组多普勒滤波。 CPI是雷达系统中一个重要的概念,用于处理和分析雷达信号,以提取目标的速度和距离信息。在相干处理间隔CPI期间,雷达发射一系列脉冲,并收集回波信号。这些回波信号通过多普勒处理或其他相干处理方法进行分析,以形成目标的距离-多普勒图。CPI的长度和脉冲重复频率(PRF)会影响雷达系统的性能和目标检测的准确性。相干处理间隔CPI的概念在雷达信号处理中非常重要,它帮助雷达系统有效地处理和解析反射回来的信号,从而提供关于目标速度和位置的信息。通过相干处理,雷达可以更好地识别和跟踪目标。
窗函数 - 窗函数是通信术语。数字信号处理的主要数学工具是傅里叶变换。而傅里叶变换研究的是整个时间域和频率域的关系。不过,当运用计算机实现工程测试信号处理时,不可能对无限长的信号进行测量和运算,而是取其有限的时间片段进行分析。做法是从信号中截取一个时间片段,然后用截取的信号时间片段进行周期延拓处理,得到虚拟的无限长的信号,然后就可以对信号进行傅里叶变换、相关分析等数学处理。无限长的信号被截断以后,其频谱发生了畸变,原来集中在f(0)处的能量被分散到两个较宽的频带中去了(这种现象称之为频谱能量泄漏)。为了减少频谱能量泄漏,可采用不同的截取函数对信号进行截断,截断函数称为窗函数,简称为窗。窗函数就是时域有限宽的信号。泄漏与窗函数频谱的两侧旁瓣有关,如果两侧瓣的高度趋于零,而使能量相对集中在主瓣,就可以较为接近于真实的频谱,为此,在时间域中可采用不同的窗函数来截断信号。
高斯窗函数 - 高斯窗是一种指数窗。高斯窗谱无负的旁瓣,第一旁瓣衰减达一55dB。高斯富谱的主瓣较宽,故而频率分辨力低.高斯窗函数常被用来截短一些非周期信号,如指数衰减信号等。
分贝的算法 - 分贝dB是一个测量的对数单位,它表示一个物理量与同一类型的特定参考量的比。
动目标显示 - 动目标显示 MTI(Moving Target Indication)是动目标显示雷达,指的是能够提供模糊速度和无模糊距离目标数据并用延迟线对消滤波器从不动的背景中区分出动目标的雷达系统,也就是利用动目标带给回波的多普勒频移来区分动目标和固定目标,从而达到滤除背景杂波的目的。对于地面脉冲雷达,由于地物杂波相对于雷达是静止的,而运动目标相对于雷达是运动的,因此地物杂波在相位检波器中输出的是等幅脉冲串,而运动目标回波输出的是幅度受到多普勒频率调制的脉冲串,所以通过相邻周期回波信号相减的方法,就可以消除地物杂波而保留运动目标信号,这样就达到了抑制地物杂波显示运动目标的目的。运动目标显示MTI的实现一般利用杂波对消器 (MTI 滤波器)来抑制固定杂波,提取运动目标信号。运动目标显示和脉冲多普勒(Pulsed Doppler)处理使用多普勒来抑制杂波并增强对运动目标的检测;较小的目标需要更多的杂波抑制。
动目标检测 - 相比于动目标显示MTI来说,动目标检测MTD (Moving Target Detection) 的任务不仅要抑制杂波分离运动目标,而且要增强运动目标。动目标检测MTD的实现利用杂波对消器和多普勒滤波器组来实现。简单来说就是MTD=MTI+FFT。先通过动目标显示MTI来分离运动目标,再利用FFT来增强运动目标,提取多普勒信息,得到运动目标的速度分量,
有源电子扫描阵列(AESA) - AESA (Active Electronically Scanned Array)有源电子扫描阵列, 通常也称为有源相控阵技术。有源电子扫描阵列(AESA)它由一组天线组成,这些天线形成一束无线电波,可以瞄准不同的方向,而无需物理移动天线本身。AESA技术的主要用途是雷达系统。AESA雷达目前用于许多不同的军事平台,包括军用飞机和无人机,以提供卓越的态势感知。
杂波 - 在雷达系统中,杂波是指不需要的反射源,它会干扰雷达的正常工作。杂波的定义很大程度上取决于所希望的目标。雷达杂波是指除感兴趣的目标以外的其他物体的雷达散射回波。
平均功率 - 平均功率(Average power)是雷达完整时间波形(开启时间和关闭时间)的积分功率。如果脉冲宽度和脉冲重复频率不恒定,则积分时间必须足够长以表示脉冲参数的所有可能变化。大多数典型的射频和微波功率计都是平均功率计,并对信号的加热能量作出响应。
峰值功率 - 峰值功率是最大瞬时功率。峰值功率(Peak power)指电源短时间内能达到的最大功率,通常仅能维持30秒左右的时间,峰值功率其实没有什么实际意义的,因为电源一般不能在峰值输出时稳定工作。峰值功率即P.P功率,将额定输出功率中的有效值电压,换算为峰值电压得出的功率。因为峰值电压等于1.414倍有效值电压,所以峰值功率即等于2倍额定功率。
占用带宽 - 占用带宽(Occupied Bandwidth OBW)是通信产品的整个信道发射出来的功率所占用的宽度。针对无线通信产品来说,其的占用带宽是确定的,不能超过其确定的带宽范围,也就是不能占用其它通信产品的频谱资源。一般来说如果占用的宽度过大,会导致自身信道功率超标,占用宽度不够信道功率就会过小,从而实现不了产品的通信功能。
视频带宽 - 视频带宽(Video Bandwidth),指每秒钟电子枪扫描过的总像素数即单位时间每条扫描线上面显示频点数总和。在测量小功率信号时,VBW改善了识别能力和再现性,其测试曲线更加光滑,但扫描时间也相应增加。用最简单的术语来说,功率计视频带宽指示了它能够以多快的速度跟踪峰值功率包络的信号变化。它还指示了可以准确测量的调制带宽。
突发功率 - 突发功率“Burst Power”将测量某一指定脉冲宽度上的平均功率或某一指定阈值上的功率。突发功率测量是一种自动零跨度测量。突发功率测量不是在频域中积分功率(如在信道功率测量中所做的那样),而是在定义的时隙或门上积分功率,本质上相当于前面功率计部分讨论的门控功率测量。
调制域 - 频域是观测随频率广而变化的幅度值,它表明信号功率是如何按频率分市的。但有时候我们关心的并不是信号能量分布的幅度,而是信号每一时间点对应的频率,即频率关于时间的曲线,它反映了频率随时间调制的情况,故称之为调制域。时间、频率和幅度构成了一个空间直角坐标系,其中的频率和幅度构成频域,时间和幅度构成了时域,那么剩下的频率和时间就构成了调制域。
时间旁瓣 - 时间旁瓣是脉冲带宽之外的回波能量的结果。在时域中,这通过回波脉冲的范围(时间)扩展来表示。
这些术语在雷达技术中具有重要的应用和意义,帮助工程师和技术人员更好地理解和分析雷达系统的性能和行为。
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