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雷达只要能够测量出回波信号的多卜勒频移fd,就可以确定目标与雷达站之间的相对速度。
,fd为多卜勒频移,Vr为雷达与目标之间的径向速度,λ为载波波长。
4.某雷达发射机峰值功率为800KW,矩形脉冲宽度为3微妙,脉冲重复频率为1000Hz,求该发射机的平均功率和工作比。
解:
重复周期:
,平均功率:
工作比:
5、雷达中心频率f0=3000MHz,回波信号相对发射信号的延迟时间为1000微妙,回波信号频率为3000.01MHz,目标运动方向与目标所在的方向的夹角为60度,求目标距离、径向速度和线速度。
目标距离:
波长,多卜勒频率径向速度,线速度第二章作业
一部脉冲雷达,(a)要获得60nmi(海里)的最大非模糊距离,雷达的脉冲重复频率应是多少?
(1海里=1852米)
(b)当目标处于最大非模糊距离上,则雷达信号往返的时间是多长?
(c)如果雷达的脉冲宽度为1.5us,则在距离坐标上脉冲能量在空间的范围(用m表示)是多少?
(d)两个相等尺寸的目标如果要被1.5us的脉冲宽度完全分辨出来,则二者必须相距多远(m)?
(e)如果雷达的峰值功率为800kW,则平均功率是多少?
(f)这部雷达的占空因子是多少?
P27
由题目最大非模糊距离为60nmi=60*1852=111120m,脉冲的重复频率为fr=c/2Rmax=1.349khz。
脉冲的重复时间Tr=2*Rmax/c=2*111120/3*108=740.8us。
如果脉宽为1.5us,则在距离坐标上脉冲能量在空间的范围是D=c*τ=3*108*1.5us=450m。
如果相等尺寸的两个目标要被1.5us的脉冲宽度完全分辨出来,则二者必须相距225m
如果峰值功率为800kW,则
Pav=Pt*τ/Tr=Pt*τ*fr=8*105*1.5*10-6*1.349*103=1.62kW。
D=τ*fr=1.5*10-6*1.349*103=2.025*10-3
第三章作业
(a)—部由噪声系数为1.4、增益为15的低噪声射频放大器,变频损耗为6。
0dB,噪声温度比为1。
2的混频器和噪声系数为1。
0的中频放大器组成的超外差接收机,求其总的噪声系数。
(b)如果射频低噪声放大器的增益为30而不是15,那么(a)中的接收机噪声系数为多大?
(c)如果(a)中的中频放大器噪声系数为30而不是1。
0,那么接收机总的噪声系数应为多大?
F1=1.4,G1=15,
tc=F2*G2,10logG2=-6=>
G2=10^(-0.6)=1/4=0.25,=>
F2=tc/G2=4.8
试推导教材p58式(3。
28)。
P58
两个单元电路级联时,F1、F2和G1、G2分别表示第一、二级电路的噪声系数和额定功率增益。
为了计算总噪声系数F0,先求实际输出的额定噪声功率No=kT0BnG1G2F0,No由两部分组成:
一部分是由第一级的噪声在第二级输出端呈现的额定噪声功率No12,其数值为kT0BnF1G1G2,第二部分是由第二级所产生的噪声功率ΔN2=(F2-1)kT0BnG2,从而有No=kT0BnG1G2F0=kT0BnG1G2F1+(F2-1)kT0BnG2。
同理得总噪声系数即,雷达接收机的高、中频部分增益为
,代入得到接收机总噪声系数为。
什么是噪声系数、等效噪声温度、相对噪声温度,它们的物理意义分别是什么?
P55-P58
噪声系数是接收机输入端信号噪声比与输出端信号噪声比的比值。
它的物理意义是表示由于接收机内部噪声的影响,使接收机输出端的信噪比相对其输入端的信噪比变差的倍数。
为了更直观地比较内部噪声与外部噪声的大小,可以把接收机内部噪声在输出端呈现的额定噪声功率ΔN等效到输入端来计算,这时内部噪声可以看成是天线电阻RA在温度Te时产生的热噪声。
温度Te称为等效噪声温度。
它的物理意义是把接收机内部噪声看成是“理想接收机”的天线电阻RA在温度Te时所产生的,此时实际接收机变成“理想接收机”。
相对噪声温度有时简称为噪声比tc,其意义为实际输出的中频额定噪声功率(FckT0BnGc)与仅由等效损耗电阻产生的输出额定噪声功率(kT0Bn)之比,噪声比tc表示有源四端网络中除损耗电阻以外的其它噪声源的影响程度。
4.下图中馈线、接收机放电器、限幅器增益均为0.9,低噪声高放增益为20dB,噪声系数为3,混频器增益为0.2,相对噪声温度为2,中放增益为120dB,噪声系数为4,求总噪声系数。
如果去掉低噪声高放,则总噪声系数为多少?
无源总损耗,混频器噪声系数总噪声系数去掉低噪声高放5。
减小最小可检测信号功率可以采用哪些措施?
P59
为了提高接收机的灵敏度,即减少最小可检测信号功率Simin,应做到:
①尽量降低接收机的总噪声系数F0,所以通常采用高增益、低噪声高放;
②接收机中频放大器采用匹配滤波器,以便得到白噪声背景下输出最大信号噪声比;
③式中的识别系数M与所要求的检测质量、天线波瓣宽度、扫描速度、雷达脉冲重复频率及检测方法等因素均有关系。
在保证整机性能的前提下,尽量减小M的数值。
6。
什么叫接收机的增量增益?
要使接收机不丢失目标对增量增益有何要求?
什么是接收机的动态范围?
P70
接收机的增量增益是接收机放大器振幅特性曲线上某点的斜率,描述叠加在干扰上的回波信号的放大量。
只要接收机中某一级的增量增益Kd≤0,接收机就会发生过载,即丢失目标回波信号。
动态范围D来表示接收机抗过载性能的好坏,它是当接收机不发生过载时允许接收机输入信号强度的变化范围。
7.简述并图示平衡式收发开关的原理,图示开关同相相加和反相相消的过程。
平衡式收发开关的原理图如图所示。
图中TR1、TR2是一对宽带的接收机保护放电管。
在这一对气体放电管的两侧,各接有一个3dB裂缝波导桥,整个开关的四个波导口的连接如图所示。
3dB裂缝桥的特性为:
在四个端口中,相邻两端(例如端口1和2)是相互隔离的,当信号从其一端输入时,从另外两端输出的信号大小相等而相位相差90°
。
平衡式收发开关原理图
(a)发射状态;
(b)接收状态
8、简述分支线收发开关的原理,说明四分之一波长开路线和短路线的作用;
画出原理图说明。
发射时:
气体放电管TR(称为“接收机保护放电器”)和ATR(称为“发射机隔离放电器”)被电离击穿,对高频短路。
它们到主馈线的距离约为1/4波长,因此在主馈线aa′和bb′处呈现的输入阻抗为无穷大,发射的高功率信号能顺利送至天线。
因为此时TR短路,发射能量不能进入接收机。
分支线型收发开关原理图
接收时:
TR和ATR都不电离放电。
此时ATR支路的1/4波长开路线在主馈线aa′呈现短路,aa′与接收支路bb′处相距1/4波长,从bb′端向发射机看去的阻抗相当于开路,所以从天线来的回波信号全部进入接收机。
由于分支线型收发开关带宽较窄,承受功率能力较差,通常已被平衡式收发开关所代替。
9.根据雷达接收机高、中频部分的框图和所给的参数,推导接收机的总噪声系数;
若不采用高放,直接用混频器作为接收机的第一级,再推导其总噪声系数。
为什么接收机要采用高增益低噪声高放?
n级电路级联时接收机的总噪声系数,将图中所标的各级的额定功率增益和噪声系数代入上式,其中前面三级只贡献增益不贡献噪声,得到接收机总噪声系数为。
若不采用高放,直接用混频器作为接收机的第一级,得,合并得其中=。
第四章作业
1.简述并图示动圈式平面位置显示器中光电变换法产生方位刻度的原理。
有机械和电子的两类。
固定电子方位刻度是在荧光屏上产生一系列等方位角的径向亮线。
每条亮线对应一特定的方位。
为了产生这些方位刻度,应在天线每转一特定角度Δθ时,就产生一个方波,并加在示波管栅极或阴极上。
方波宽度应等于一个或几个距离扫掠重复周期。
显然,在0°
、Δθ、2Δθ、……及nΔθ(n=1,2,3,…)方位上出现方位刻度。
用光电变换法产生方位刻度的原理如图4.20所示。
刻度盘上每隔Δθ开有一个小孔,与天线同步转动,在它的两边有光源和光电变换器。
光电变换器由光电二极管VD1,光电放大器V1和钳位二极管VD2组成。
光电二极管VD1被反向偏置,并作为晶体管V1的基极电阻。
第五章作业
教材雷达方程两种基本关系式(5。
8)、(5。
9)给出的与波长关系是相反的。
试解释其原因。
P129
式(5。
9)是雷达距离方程的两种基本形式,它表明了作用距离Rmax和雷达参数以及目标特性间的关系。
8)Rmax与λ1/2成反比,而在式(5。
9)Rmax与λ1/2成正比。
这是由于当天线面积不变、波长增加时天线增益下降,导致作用距离减小;
而天线增益不变,波长增加时要求的天线面积亦相应增大,有效面积增加,其结果是作用距离加大。
什么叫虚警和漏警?
虚警概率、漏警概率、发现概率、正确不发现概率四者满足什么数学关系?
P133
门限电压检测时如果有信号而误判为没有信号称为漏警,只有噪声时误判为有信号称为虚警。
存在目标时,判为有目标,这是一种正确判断,称为发现,它的概率称为发现概率Pd;
存在目标时,判为无目标,这是错误判断,称为漏报,它的概率称为漏报概率Pla;
不存在目标时判为无目标,称为正确不发现,它的概率称为正确不发现概率Pan;
不存在目标时判为有目标,称为虚警,这也是一种错误判断,它的概率称为虚警概率Pfa。
四种概率存在以下关系:
Pd+Pla=1,Pan+Pfa=1。
3.某雷达要求虚警时间为2小时,接收机带宽为1MHz,求虚警概率和虚警数。
若要求虚警时间大于10小时,问门限电平应取多少?
虚警时间满足虚警数由于,所以4。
球体截面积按波长分为几个区?
在这几个分区的雷达目标分别有什么特点?
P142
球体截面积与波长的关系分区:
当球体周长2πr<
<
λ时,称为瑞利区,这时的截面积正比于λ-4,处于瑞利区的目标,决定它们截面积的主要参数是体积而不是形状,
;
当波长减小到2πr=λ时,就进入振荡区,截面积在极限值之间振荡,这个区的目标尺寸与波长相近,在这个区中,截面积随波长变化而呈振荡,最大点较光学值约高5。
6dB,而第一个凹点的值又较光学值约低5。
5dB。
实际上雷达很少工作在这一区域;
2πr>
>
λ的区域称为光学区,截面积振荡地趋于某一固定值,它就是几何光学的投影面积πr2,这个区域的大小与该点的曲率半径ρ成正比。
曲率半径越大,反射区域越大。
5。
试说明复杂目标回波起伏的原因。
P147
复杂目标的雷达截面积,是视角和工作波长的复杂函数。
尺寸大的复杂反射体常常可以近似分解成许多独立的散射体,每一个独立散射体的尺寸仍处于光学区,各部分没有相互作用,在这样的条件下,总的雷达截面积就是各部分截面积的矢量和。
对于复杂目标,各散射单元的间隔是可以和工作波长相比的,因此当观察方向改变时,在接收机输入端收到的各单元散射信号间的相位也在变化,使其矢量和相应改变,这就形成了起伏的回波信号。
6.
(1)如图:
雷达观察同一方向的两个金属圆球,它们的雷达截面积分别为和,离雷达的距离为和,若此时两球的回波功率相等,试证明:
(2)设目标距离为,当标准金属球(截面积为)置于目标方向离雷达/2处时,目标回波的平均强度正好与金属球的回波强度相同,试求目标的雷达横截面积。
根据雷达方程:
7。
规定平均虚警时间间隔为30min,接收机带宽0。
4MHz。
(a)虚警概率是多少?
(b)门限-噪声概率比是多少?
P134
(a)Pfa=1/(Tfa*B)=1/(30min*0.4MHz)=1.39*10-9
(b)由得=20.37
8、推导二次雷达中应答机工作时的雷达方程,简述一次雷达和二次雷达的差别。
设应答机发射功率为,发射天线增益为Gt′,则在距应答机R处的功率密度为
若发射机天线的有效面积为Ar,则其接收功率为
引入关系式
则可得
当接收功率达到应答机的最小可检测信号时,二次雷达系统可能正常工作,亦即当时,雷达有最大作用距离,接收机检测到应答信号。
二次雷达与一次雷达不同,它不像一次雷达那样依靠目标散射的一部分能量来发现目标,二次雷达是在目标上装有应答器(或目标上装有信标,雷达对信标进行跟踪),当应答器收到雷达信号以后,发射一个应答信号,雷达接收机根据所收到的应答信号对目标进行检测和识别。
可以看出,二次雷达中,雷达发射信号或应答信号都只经过单程传输,而不像在一次雷达中,发射信号经双程传输后才能回到接收机。
二次雷达的作用距离与发射机功率、接收机灵敏度的二次方根分别成正、反比关系,所以在相同探测距离的条件下,其发射功率和天线尺寸较一次雷达明显减小。
9、已知雷达视线方向目标入射功率密度为S1,在雷达接收天线处目标反射功率密度为S2,目标与雷达站的距离为R。
(1)求目标在该方向上的雷达截面积
(2)求该视线方向目标等效球体的总散射功率
(3)如果入射功率提高10倍,就雷达截面积的变化
(1)根据RCS的定义:
(2)目标等效球体的总散射功率(3)与入射功率无关,所以不变
第六章作业
简述影响测距精度的因素。
P172
由测距公式可以看出影响测量精度的因素。
Δc为电波传播速度平均值的误差;
ΔtR为测量目标回波延迟时间的误差。
误差按其性质可分为系统误差和随机误差两类。
包括电波传播速度变化产生的误差、因大气折射引起的误差、测读方法误差。
还与测距系统的结构、系统传递函数、目标特性(包括其动态特性和回波起伏特性)、干扰(噪声)的强度等因素有关系。
什么是距离模糊、其产生原因是什么?
简述判断距离模糊的几种方法及其工作原理。
P175-P177
当雷达重复频率的选择不能满足单值测距的要求,如在脉冲多卜勒雷达或远程雷达,目标回波对应的距离为,m为正整数,tR为测得的回波信号与发射脉冲间的时延。
这时将产生测距模糊,。
判距离模糊的方法:
多种重复频率判模糊。
设重复频率分别为fr1和fr2,它们都不能满足不模糊测距的要求。
fr1和fr2具有公约频率。
雷达以fr1和fr2的重复频率交替发射脉冲信号。
通过记忆重合装置,将不同的fr发射信号进行重合,重合后的输出是重复频率fr的脉冲串和重合后的接收脉冲串,二者之间的时延代表目标的真实距离。
“舍脉冲”法判模糊。
当发射高重复频率的脉冲信号而产生测距模糊时,可采用“舍脉冲”法来判断m值。
发射脉冲从A1到AM,其中A2不发射。
与发射脉冲相对应,接收到的回波脉冲串同样是每M个回波脉冲中缺少一个。
只要从A2以后,逐个累计发射脉冲数,直到某一发射脉冲(在图中是AM-2)后没有回波脉冲(如图中缺B2)时停止计数,则累计的数值就是回波跨越的重复周期数m。
调频脉冲法判测距模糊。
简述脉冲法测距、调频法测距的工作原理。
P177
调频发测距的工作原理:
发射机产生连续高频等幅波,其频率在时间上按三角形规律或按正弦规律变化,目标回波和发射机直接耦合过来的信号加到接收机混频器内。
在无线电波传播到目标并返回天线的这段时间内,发射机频率较之回波频率已有了变化,因此在混频器输出端便出现了差频电压。
后者经放大、限幅后加到频率计上。
由于差频电压的频率与目标距离有关,因而频率计上的刻度可以直接采用距离长度作为单位。
P182
脉冲法测距的工作原理:
脉冲调频时的发射信号频率分为正斜率调频、负斜率调频和发射恒定频率。
由于调频周期T远大于雷达重复周期Tr,故在每一个调频段中均包含多个脉冲,回波信号频率变化的规律也在同一图上标出以作比较。
当发射信号的频率变化了A、B、C三段的全过程后,每一个目标的回波亦将是三串不同中心频率的脉冲。
经过接收机混频后可分别得到差频FA、FB和FC,然后按式和即可求得目标的距离R和径向速度Vr。
4。
试述自动距离跟踪系统的组成及其基本工作原理。
P186
目标距离自动跟踪系统主要包括时间鉴别器、控制器和跟踪脉冲产生器三部分。
工作原理:
假设空间目标已被雷达捕获,目标回波经接收机处理后成为具有一定幅度的视频脉冲加到时间鉴别器上,同时加到时间鉴别器上的还有来自跟踪脉冲产生器的跟踪脉冲。
在自动距离跟踪时,跟踪脉冲的另一路和回波脉冲一起加到显示器上,以便观测和监视,
第七章作业
雷达测角的物理基础是什么?
雷达测角性能参数有哪些?
P200
雷达测角的物理基础是电波在均匀介质中传播的直线性和雷达天线的方向性。
雷达测角的性能可用测角范围、测角速度、测角准确度或精度、角分辨力来衡量。
振幅法测角分哪两类?
试简述和差法测角的基本原理。
P205,P207。
振幅法测角可分为最大信号法和等信号法两大类。
用等信号法测量时,波束1接收到的回波信号u1=KF1(θ)=KF(θk-θt),波束2收到的回波电压值u2=KF2(θ)=KF(-θk-θt)=KF(θk+θt)。
其中,θt为目标方向偏离等信号轴θ0的角度。
对u1和u2信号进行处理,可以获得目标方向θt的信息。
和差法的处理方法为:
由u1及u2可求得其差值Δ(θt)及和值Σ(θt),即Δ(θ)=u1(θ)-u2(θ)=K[F(θk-θt)-F(θk+θt)],在等信号轴θ=θ0附近,差值Δ(θ)可近似表达为。
而和信号Σ(θt)=u1(θ)+u2(θ)=K[F(θk-θt)+F(θk+θt)]在θ0附近可近似表示为Σ(θt)≈2F(θ0)k即可求得其和、差波束Σ(θ)与Δ(θ)的归一化的和差值。
因为Δ/Σ正比于目标偏离θ0的角度θt,故可用它来判读角度θt的大小及方向。
雷达扫描常用的波束形状有哪几种?
地面搜索雷达垂直面内的波束形状通常采用什么形状?
为什么?
P209
两种常用的基本波束形状为扇形波束和针状波束。
地面搜索雷达垂直面内的波束形状通常采用余割平方形。
原因是这种波形的功率利用率比较合理,使同一高度不同距离目标的回波强度基本相同。
天线波束电扫描分哪几种?
试述相位电扫描法的基本原理。
给出相位扫描法不出现栅瓣的条件。
P211-P213
根据是实现时所用基本技术的差别,电扫描又可分为相位扫描法、频率扫描法、时间延迟法等。
相位电扫描法的基本原理:
为由N个阵元组成的一维直线移相器天线阵,阵元间距为d。
假定每个阵元为无方向性的点辐射源,所有阵元的馈线输入端为等幅同相馈电,各移相器的相移量分别为0,φ,2φ,…,(N-1)φ,即相邻阵元激励电流之间的相位差为φ。
偏离法线θ方向远区某点的场强,它应为各阵元在该点的辐射场的矢量和。
若以零号阵元辐射场E0的相位为基准,则,φ为相邻阵元激励电流相位差,ψ为由于波程差引起的相邻阵元辐射场的相位差,归一化方向性函数为
φ=0时,也就是各阵元等幅同相馈电时,由上式可知,当θ=0,F(θ)=1,即方向图最大值在阵列法线方向。
若φ≠0,则方向图最大值方向(波束指向)就要偏移,偏移角θ0由移相器的相移量φ决定,满足。
改变φ值,就可改变波束指向角θ0,从而形成波束扫描。
不出现栅瓣的条件为:
相位扫描时,波束扫描指向角的增大对波束宽度、天线增益、天线的带宽影响如何?
P215-P216
在波束扫描时,由于在θ0方向等效天线口径面尺寸等于天线口径面在等相面上的投影(即乘以cosθ0),与法线方向相比,尺寸减小,波束加宽,因而天线增益下降,且随着θ0的增大而加剧。
当扫描角θ0增大时,允许的带宽变小。
什么叫频率波束扫描?
简述其基本工作原理。
P223
改变输入信号频率f,则λg改变,Φ也随之改变,故可实现波束扫描。
这种方法称为频率扫描法。
基本工作原理:
,|Ф|<2π。
当θ0=0,即波束指向法线方向时,设λg=λg0(相应的输入信号频率为f0),此时所有阵元同相馈电,上式中,Ф=0,由此可以确定。
若θ0≠0,即波束偏离法线方向,则当θ=θ0时,相邻阵元之间由波程差引起的相位差正好与传输线引入的相位差相抵消,故有。
d为相邻阵元间距;
λ为自由空间波长(相应输入端信号频率为f)。
λg根据传输线的特性及工作波长而定。
已知λ(或f),并算出λg,可确定波束指向角θ0。
简要介绍常用的多波束形成方法及其工作原理。
P231-P234
常用的多波束形成方法有:
1、射频延迟线多波束形成系统
各阵列元接收到的信号通过水平平行放置的传输波导,再经定向耦合器耦合到倾斜放置的多根相加波导中相加,并分别送到各自的接收通道。
相邻阵元的信号到达相加波导相加时,由于存在路径差Δl,两者间将引入一个相位差Δφ(=2π(Δl-nλg)/λg,n为某个整数,λg为波导波长)。
这就意味着波束偏在某个方向,只有该方向来的回波信号,其波程差引起的相位差才能与Δφ抵消,使各路信号在相加波导中同相相加,接收机输入信号最大。
由于各条相加波导放置的倾斜角β不同,Δl不同,因而各条相加波导所相应的波束指向也就不同。
每个接收通道对应一个波束指向,M根β角不同的相加波导及相应多个接收通道就对应着M个波束。
2、中频延迟多波束形成系统
因为经与同一本振信号源混频后各阵元接收的信号之间的相位差保持不变,再通过中频延迟线,也可以在相邻阵元之间引入所需的相位差。
每个阵列元接收到的信号经变频和中放后,分别激励一条延迟线,从每条延迟线的适当位置抽取信号相加就可合成波束,依靠选定不同的抽头位置即可形成指向不同的多个波束。
3、用移相法获得多波束的系统
每个阵列元接收到的信号经放大后均分成三路通过三个移相器,然后按一定规律三路一组相加,形成三个波束。
三个波束的指向角分别为-θ0,0,θ0,相应于相邻阵元之间引入的相位差。
若相位差
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