雷达信号频率的测量

1、第2章 雷达信号频率的测量第第2章章 雷达信号频率的测量雷达信号频率的测量 2.1 概述概述2.2 频率搜索接收机频率搜索接收机2.3 比相法瞬时测频接收机比相法瞬时测频接收机2.4 信道化接收机信道化接收机2.5 压缩接收机压缩接收机2.6 声光接收机声光接收机第2章 雷达信号频率的测量2.1 概概 述述 2.1.1 雷达信号频率测量的重要性 雷达侦察系统的使命在于确定敌方雷达的存在与否,并测定其各种特征参数。在雷达的各种特征参数中,频域参数是最重要的参数之一,它反映了雷达的功能和用途,雷达的频率捷变范围和谱宽是度量雷达抗干扰能力的重要指标。 第2章 雷达信号频率的测量 在现代电磁环境下,为

2、了有效干扰,必须首先对信号进行分选和威胁识别,雷达的频率信息是信号分选和威胁识别的重要参数之一。雷达的频域参数包括载波频率、频谱和多普勒频率等。本章只讨论对雷达信号载波频率的测量。第2章 雷达信号频率的测量 2.1.2 测频系统的主要技术指标 1.测频时间 测频时间是接收机从截获信号到输出测频结果所用的时间。对侦察接收机来说,一般要求瞬时测频(IFM)。对于脉冲信号来说,应在脉冲持续时间内完成测频任务,输出频率测量值fRF。为了实现这个目标,首先必须有宽的瞬时频带,如一个倍频程,甚至几个倍频程;其次要有高的处理速度,应采用快速信号处理。 第2章 雷达信号频率的测量 测频时间直接影响到侦察系统的

3、截获概率和截获时间。截获概率是指在给定的时间内正确地发现和识别给定信号的概率。截获概率既与辐射源特性有关,也与电子侦察系统的性能有关。如果在任一时刻接收空间都能与信号空间完全匹配,并能实时处理,就能获得全概率,即截获概率为1,这种接收机是理想的电子侦察接收机。实际的侦察接收机的截获概率均小于1。第2章 雷达信号频率的测量 频域的截获概率,即通常所说的频率搜索概率。对于脉冲雷达信号来说,根据给定时间不同,可定义为单个脉冲搜索概率、脉冲群搜索概率以及在某一给定的搜索时间内的搜索概率。单个脉冲的频率搜索概率为121rIFfPff(21)第2章 雷达信号频率的测量 式中,fr为测频接收机的瞬时带宽;f

4、2-f1为测频范围,即侦察频段。譬如fr=5MHz,f2-f1=1GHz,则PIF1=510-3,可见是很低的。若能在测频范围内实现瞬时测频,即fr=f2-f1,于是PIF1=1。第2章 雷达信号频率的测量 截获时间是指达到给定截获概率所需要的时间。它也与辐射源特性及侦察系统的性能有关。对于脉冲雷达信号来说,在满足侦察基本条件的情况下，若采用非搜索的瞬时测频,单个脉冲的截获时间 tIF1Tr+tth (22) 式中,Tr为脉冲重复周期;tth为电子侦察系统的通过时间,即信号从接收天线进入到终端设备输出所需要的时间。第2章 雷达信号频率的测量 2.测频范围、瞬时带宽、频率分辨力和测频精度 测频范

5、围是指测频系统最大可测的雷达信号频率范围;瞬时带宽是指测频系统在任一瞬间可以测量的雷达信号频率范围;频率分辨力是测频系统所能分开的两个同时到达信号的最小频率差。宽开式晶体视频接收机的瞬时带宽与测频范围相等,因此对单个脉冲的频率截获概率为1,可是频率分辨力却很低。而窄带扫频超外差接收机,瞬时带宽很窄,其频率分辨力等于瞬时带宽,对单个脉冲截获概率虽很低,但其频率分辨力却很高。 第2章 雷达信号频率的测量 可见,传统的测频接收机在频率截获概率和频率分辨力之间存在着矛盾。目前,信号环境中的信号日益密集、频率跳变的速度与范围越来越大,这就迫切要求研制新型的测频接收机,使之既在频域上宽开,截获概率高,又要

6、保持较高的分辨力。 测频误差是指测量得到的信号频率值与信号频率的真值之差,常用均值和方差来衡量测频误差的大小。按起因,可将测频误差分为两类:系统误差和随机误差。系统误差是由测频系统元器件局限性等因素引起的,它通常反映在测频误差的均值上,通过校正可以减小;随机误差是噪声等随机因素引起的,它通常反映在测频误差的方差上, 第2章 雷达信号频率的测量 可以通过多次测量取平均值等统计方法减小。一般,把测频误差的均方根误差称为测频精度,测频误差越小,测频精度越高。对于传统的测频接收机,最大测频误差主要由瞬时频带fr决定,即max12rff (23) 可见,瞬时带宽越宽,测频精度越低。对于超外差接收机来说,

7、它的测频误差还与本振频率的稳定度、调谐特性的线性度以及调谐频率的滞后量等因素有关。 第2章 雷达信号频率的测量 3.测频的信号形式 现代雷达的信号种类很多,可分为两大类:脉冲信号和连续波信号。在脉冲信号中,有常规的低工作比的脉冲信号、高工作比的脉冲多普勒信号、重频抖动信号、各种编码信号以及各种扩谱信号;强信号频谱的旁瓣往往遮盖弱信号,引起频率测量模糊,使频率分辨力降低。对于扩谱信号,特别是宽脉冲线性调频信号的频率测量和频谱分析,不仅传统测频接收机无能为力,而且有些新的测频接收机也有困难,这有待于新型的数字化接收机来解决。第2章 雷达信号频率的测量 允许的最小脉冲宽度min要尽量窄。被测信号的脉

8、冲宽度上限通常对测频性能影响不大,而脉冲宽度的下限往往限制测频性能。脉冲宽度越窄,频谱越宽,频率模糊问题越严重,截获概率和输出信噪比越小。第2章 雷达信号频率的测量 4. 同时到达信号的分离能力 对于脉冲信号来说,两个以上的脉冲前沿严格对准的概率是很小的,因而理想的同时到达信号是没有实际意义的。这里所说的同时到达信号是指两个脉冲的前沿时差t10ns或10nst0.5(f2-f1) (26) 其中,fi、f1、f2分别为接收机的中频、侦收波段的最低频率和最高频率。这种方法用提高中频频率的代价换得调谐电路简化,特别是使接收机的带宽摆脱了窄带预选器的限制,可以构成宽带超外差接收机。第2章 雷达信号频

9、率的测量 采用镜频抑制混频器。它是一种双平衡混频器,在主信道上,两个混频器输出同相相加;在镜像信道上,反相相减,实现单信道接收。 (2) 采用零中频技术。 把中频降到零,使镜像信道与主信道重合,变成单一信道。这种零中频技术使中频电路简单化（中放变成视放）,如果采用正交双通道处理,则更易于采用数字技术进行记录和仔细分析。 第2章 雷达信号频率的测量 (3)采用逻辑识别。 主信道与镜频信号频率相差两倍中频频率,对于某个辐射源,如果有两次接收,且频差为两倍中频,则其中必有一个是镜像干扰。这种方法的缺点是不能实现单脉冲测频。第2章 雷达信号频率的测量 2.几种典型超外差接收机 1) 窄带超外差接收机

10、它的工作原理见图22,在接收机的工作波段内,窄带微波预选器与本振统调而实现顺序调谐,对每个分辨单元逐个侦察。这种接收机以加长截获时间为代价换取了高频率分辨力,降低了截获概率,难以检测频率捷变信号和线性调频等扩谱信号。它除具有频率分辨力高的优点外,还具有灵敏度高,抗干扰能力强,输出信号流密度低,对处理机速度要求可以放宽等优点。第2章 雷达信号频率的测量 2) 宽带超外差接收机 窄带超外差接收机的射频带宽受到微波预选器的限制,一般在2060MHz。如果将带宽展开到100200MHz,再与宽带中放连接,便可以构成宽带超外差接收机。与窄带超外差接收机相比,它有如下优点: (1)能检测和识别宽带雷达信号

11、,即频率捷变、宽脉冲线性调频和相位编码信号。 (2)由于瞬时带宽的增加,缩短了给定频率范围的扫描时间。第2章 雷达信号频率的测量 对于窄带信号,经过幅度检波和视放,直接送入处理机。对于宽带扩谱信号,则经过频率和相位解调,再经过视放送入处理机。 3)宽带预选超外差接收机 若采用宽带预选器和高中频,便可以进一步展宽超外差接收机的瞬时带宽。为了使一部接收机覆盖更宽的频率范围,可以采用预选开关滤波器组。预选开关由本振同步控制。 上面所述三种接收机的微波预选器、调谐器均可以用一种YIG滤波器来实现。它的核心器件是单晶铁氧体钇铁石榴石材料做成的小球。 第2章 雷达信号频率的测量 这种滤波器与机械调谐滤波器

12、相比,其优点是,调谐速度快,范围宽,线性度好;主要缺点是,存在动态磁滞频差和延时效应,且调谐速度越快,影响越大,损耗比较大,对环境温度比较敏感,谐振频率随温度变化而变化;不过,经过对温度稳定轴定向后,可以减小其影响。第2章 雷达信号频率的测量 2.2.2 射频调谐晶体视频接收机 从工作原理来说,射频调谐(RFT)晶体视频接收机是一种最简单的接收机,其原理图如图24所示。首先,微波预选器在侦察频段内调谐,选择所需要的信号,抑制不需要的信号和干扰;经过选择的信号被送入微波检波器,取出信号包络,再将视频脉冲加到视频放大器,经过视频放大后送入信号处理机。根据预选器的频率设置可以得到被测信号的频率。 R

13、FT晶体视频接收机的频率分辨力由预选器的瞬时带宽确定,带宽越窄,频率分辨力越高。第2章 雷达信号频率的测量图24 射频调谐晶体视频接收机原理图第2章 雷达信号频率的测量 为了提高RFT晶体视频接收机的灵敏度,可以在微波检波器前加入宽带低噪声射频放大器,在射频放大器后加带通滤波器。它们分别被称为“前选器”和“后选器”,可以抑制射频放大器的噪声和混频器的交调分量,使调谐频带以外的信号大大衰减。RFT晶体视频接收机与搜索式超外差接收机相比,其优点是技术简单,工作可靠,体积小,重量轻,成本低等;主要缺点是灵敏度低,测频分辨力和精度不高。第2章 雷达信号频率的测量 2.2.3 频率搜索形式 频率搜索有两

14、种形式:连续搜索和步进搜索,在连续搜索中又分为单程搜索和双程搜索,如图25所示。图中符号意义如下:|f2-f1|为频率搜索范围;Tf为频率搜索周期;tf为频率搜索时的接收时间,即搜索过一个侦察接收机带宽fr所用的时间;f0为信号中心频率,N为脉冲群持续时间。第2章 雷达信号频率的测量图25 单程搜索和双程搜索时间图 (a)单程搜索；(b)双程搜索第2章 雷达信号频率的测量 连续搜索的优点是扫描电路简单,便于和模拟式频率显示器连用构成全景接收机。其缺点是不便于采用数字指示。若采用步进式搜索,便可以克服连续搜索的这一缺点。步进式搜索的最简单方式是采用等间隔逐步跳跃,如图26（a）所示。还有一种灵巧

15、式步进搜索,如图26(b)所示,在密集频段,逐步跳跃,在雷达空白频段,大步越过,这样便缩短了搜索周期,提高了搜索概率。宽带预选超外差接收机可以采用这种灵巧式的搜索方式。第2章 雷达信号频率的测量图26 步进式频率搜索时间图 (a)等间隔步进；(b)灵巧式步进第2章 雷达信号频率的测量 2.2.4 频率搜索速度的选择 1.频率慢速可靠搜索 所谓频率慢速可靠搜索,就是在雷达脉冲群存在期间,侦察接收机搜索完整个测频范围,即脉冲群宽度N大于或等于搜索周期Tf,即 TfN=ZNTr (27) 其中,ZN为脉冲群内脉冲数;Tr为脉冲重复周期。 同时,在接收机扫过一个瞬时带宽fr的时间tf内所收到的脉冲数应

16、满足处理机和显示器所需的脉冲数Z,即第2章 雷达信号频率的测量 因此,侦察频段必须满足下列公式:21rffrftTZTff(28) 21NrZfffZ(29) 在雷达的脉冲群时间内,满足上式的搜索概率为1,故称为可靠搜索。 第2章 雷达信号频率的测量 2. 频率快速可靠搜索 所谓频率快速可靠搜索,是指在脉冲宽度内,侦察接收机要搜索完整个侦察频段,即Tf,故频率搜索速度应满足下式:2121ffffffT（210） 图27示出了快速可靠频率搜索的时间关系,它与慢速可靠搜索一样,都为全概率搜索。脉冲宽度越窄,则要求搜索速度越快。第2章 雷达信号频率的测量 由于接收机的谐振系统有惰性,因而外加信号在系

17、统中建立有一个过程。如果作用时间长,就能建立稳定振荡,如果作用时间短,就不能建立稳定振荡,因此,输出电压波形与频率搜索速度有很大关系。 在窄带超外差接收机中,随着中放级数的增加,其频率响应接近高斯型,即202()20( )bHG e (211) 式中,G0为通带中心频率0处接收机的增益;22(2)4ln2rfb第2章 雷达信号频率的测量图27 频率快速可靠搜索时间图 第2章 雷达信号频率的测量 脉冲响应函数h(t)是H()的傅立叶反变换,即 2 2001( )( )21( )exp()22j th tHedbGh tjtb t积分可得 (212) (213) 第2章 雷达信号频率的测量 对于固

18、定频率的雷达信号,由于本振扫描,混频器输出为一线性调频信号,其复信号形式为2exp01( )()2ifu tUjtjt(214)式中,0为信号的中心频率;vf为本振的扫描速度(rad/s)。接收机中放的输出为输入信号和脉冲响应函数的卷积,即2 220022( )() ( )1exp()exp122()2()2oiffffu tu thdtUG bjtjtbjbj(215) 第2章 雷达信号频率的测量 输出电压的模为 20242( )exp2(1)1foatUGu taa(216） 式中, 。若考虑系统时延 ,则输出信号幅度可以表示成2fab00ft200242( )exp() 2(1)1foa

19、UGu tttaa(217） 第2章 雷达信号频率的测量 在慢速扫频条件下,即a1时,上式可以简化为20()( )exp2fottau tA(218) 对于给定的接收机带宽fr和三种不同的扫频速度（vf1vf2vf3）,绘出的输出电压波形如图28(a)所示。由于扫描速度不高,在输入脉冲持续时间内,系统能建立起稳定振荡。由图可见,随着扫频速度的提高,脉冲幅度不变,但脉冲宽度减小。其原因是：扫频速度增加,导致信号在接收机频带内停留的时间变短,从而使输出脉冲宽度变窄。第2章 雷达信号频率的测量 在快速扫描条件下,即a1时,则(217)式可以简化为202()( )exp2(1/ )ofAbttu tb

20、(219) 对于给定的接收机带宽和三种不同的扫频速度（vf1vf2vf3）,绘出的输出脉冲波形如图28(b)所示。由于扫频速度高,在脉冲持续时间内,不能够建立起大幅度的稳定振荡。由图可见,随着扫频速度的增大,输出脉冲幅度减小,但输出脉冲宽度几乎保持不变。这是由于在高速扫频条件下,脉冲宽度仅取决于接收机带宽的倒数的缘故。第2章 雷达信号频率的测量图28 线性扫频接收机的输出电压波形 (a)a1; (b)a1第2章 雷达信号频率的测量 3. 频率概率搜索 由于雷达通常处于搜索状态,且发射脉冲信号,因而在侦察天线波束与雷达天线波束重合的条件下,侦察接收机的频带与雷达信号的频谱重合是一个随机事件。其概

21、率不仅取决于接收机的参数,而且还与雷达发射机的参数有关,即对一部给定的侦察接收机来说,对于某些雷达可能满足可靠搜索条件,而对于另一些雷达则不满足可靠搜索条件,即成了概率搜索。其具体分析,在第5章中再详细讨论。第2章 雷达信号频率的测量2.3 比相法瞬时测频接收机比相法瞬时测频接收机 2.3.1 微波鉴相器 图29示出了一个最简单的微波鉴相器。它由功率分配器、迟延线、相加器以及平方律检波器构成。其作用是实现信号的自相关算法,得到信号的自相关函数。具体过程如下: 假设输入信号为复信号:22j tiuAAe(220) 第2章 雷达信号频率的测量图 29第2章 雷达信号频率的测量 功率分配器将输入信号

22、功率等量分配,在“2”点和“3”点的电压均为23j tuuAAe(221) 而“4”点相对于“2”点相移为零,于是u4=u2,而“5”点电压相对“3”点电压有一个时延,即()53jjtguu eAeLTc(222) 第2章 雷达信号频率的测量 T为迟延线迟延时间,L为迟延线长度,cg为迟延线中的电波传输速度。经过相加器,“6”点电压为6456(1)2(1cos )j tjuuuAeeuA(224) (223) 经过平方律检波器,输出视频电压为272(1cos)uKAT(225) 式中,K为检波效率,即开路电压灵敏度,在平方律区域内是一个常数。第2章 雷达信号频率的测量 综上所述,不难看出: (

23、1)要实现自相关运算,必须满足下列不等式:Tmin(min为测量脉冲的最小宽度）,否则不能实现相干。这限制了迟延时间的上限。 (2)由于信号的相关函数为周期性函数,因此,只有在0D。 在实际工作中,除一阶光带以外,往往还有高阶光带,其空间频率为x nsnf 第2章 雷达信号频率的测量 可见,在调相系统中为了避免高阶光带空间位置引起频率模糊,测频范围必须小于一个倍频程。故光带的空间位置为00()nssFTnFnfD (265） 第2章 雷达信号频率的测量 2.6.3 声光接收机的工作原理 声光接收机的工作原理如图226所示,它由三部分组成:接收机前端、频谱分析仪和信号处理部分。接收机的前端为超外

24、差式。侦察天线侦收到的信号经低噪声射频放大器送入混频器,变换到声光换能器的频带范围。在测频过程中,压控振荡器采用步进式扫描,每次跳跃一个带宽,这样就构成了搜索式声光接收机。经过变频的中频信号,通过中放和功放放大,以便给换能器提供足够的激励功率。第2章 雷达信号频率的测量图226 声光接收机的原理图第2章 雷达信号频率的测量 频谱分析仪光学系统有两种基本形式:体光学系统和集成光学系统。体光学系统采用立体元件,譬如气体激光器、体波声光调制器和普通的透镜系统,每个元件都必须独立安装,整个系统必须准直固定在有一定刚度的平台上,因而系统重量和体积都较大。集成光学系统采用平面元件,所利用的光束受内部全反射制约,使它在薄波导中传播。 第2章 雷达信号频率的测量 来自激光源的光束耦合进入光波导,处理后再通过光波导送入光电检测器。光电检测器的功能是把携带信息的光信号有效地转换成电信号,常用的是利用CCD（电荷耦合器件）技术的光电检测器阵。光电检测器阵和计算机之间复用预处理机,它的主要作用是将未加工的检测器阵输出变成数码,对信号作预处理,降低数据率。全部集成光学系统的完成难度很大,目前主要还是采用混合组件。第2章 雷达信号频率的测量 2.6.4 声光接收机的主要特点 1.声光接收机的主要优点 (1)瞬时带宽较宽。声光接收机的瞬时带宽主要受声光调制器的带宽的限制