雷達系統(tǒng)實驗實驗報告

1、船用導航雷達系統(tǒng)實驗一、實驗目的1、掌握船用導航雷達系統(tǒng)的工作原理和各主要模塊的功能；2、掌握船用導航雷達系統(tǒng)的操作使用方法。二、實驗內(nèi)容1、結(jié)合實用船用導航雷達系統(tǒng)學習其工作原理和各主要模塊的功能；2、結(jié)合實用船用導航雷達系統(tǒng)學習掌握其操作使用方法；3、應用實用船用導航雷達系統(tǒng)測試三個不同方位目標的距離和方位值。三、船用導航雷達系統(tǒng)工作原理1、基本知識雷達（RADAR）是英文”radio detection and ranging”的縮寫，意思是“無線電探測和測距”。這一發(fā)明被用于第二次世界大戰(zhàn)。在發(fā)明雷達前，船只在大霧中航行時，只能通過發(fā)出短促汽笛、燈光和敲鐘的方法，利用回聲傳回的時間來大

2、致估算與目標之間的位置從而避免碰撞。雷達發(fā)出的射頻電磁波，通過計算電磁波反射回來所需的時間來確定到達目標的距離，這是在已知雷達波傳播速度是接近恒定的也就是光速的前提下實現(xiàn)的。這樣通過計算雷達波從發(fā)出到從目標反射回到天線的時間，就可以計算出船只到目標的距離。這個時間是往返的時間，將它除以2才是電磁波從船只到達目標的單程距離的時間。這些都是由雷達內(nèi)部的算法來自動完成的。雷達確定目標的方位是通過雷達天線發(fā)射波束在空間的掃描來實現(xiàn)的。雷達天線發(fā)射波束在空間是不均勻分布的，其主波束內(nèi)的功率密度遠大于副瓣內(nèi)的功率密度，因而主波束內(nèi)目標反射的信號強度遠大于副瓣內(nèi)目標反射的信號強度，所以此時雷達探測到的目標信

3、號可以認為是來自主波束內(nèi)目標反射的信號，且認定目標方位處于雷達天線主波束的最大方向上。當天線波束最大方向瞄準某一個目標時，如果另一個目標恰好處在天線波束第一零點方向上，則回波信號完全來自天線波束最大方向的那個目標。因此，天線的分辨率為第一零點波束寬度的一半，即FNBW/2。例如，當天線的FNBW=20時，具有10的分辨率，可用來辨別方位上相距10的兩個目標。船用導航雷達天線是在水平360°方位上勻速轉(zhuǎn)動，將天線方位位置信號實時送入信息處理機，信息處理機就知道了目標回波信號與目標方位的對應關系。在天線發(fā)射信號經(jīng)目標反射回到天線這個時間段中，天線一直是旋轉(zhuǎn)的，這樣回波信號所對應的天線角度

4、將滯后于當前天線的實際角度。為此，信號處理機需根據(jù)天線的旋轉(zhuǎn)速度和已經(jīng)計算出來的目標距離對目標實際方位角值進行修正。2、船用導航雷達系統(tǒng)的脈沖測距原理（1）脈沖測距原理 雷達發(fā)射的電磁波在均勻介質(zhì)中以恒定的速度直線傳播，在自由空間中的傳播速度約等于光速。如果能準確的測量出電磁波從發(fā)射到被目標反射回來所用的時間，那么就可以測量出雷達與目標之間的距離。假設電磁波往返傳播時間為t，傳播速度為光速C ，目標距離為R，則距離可以如下表示：為了提高檢測性能，雷達常采用高重PRF信號，以便在信號頻域獲得足夠?qū)挼臒o雜波區(qū)。當脈沖重復頻率很高時，對應一個發(fā)射脈沖產(chǎn)生的回波可能要經(jīng)過幾個周期以后才能被收到，如圖1

5、所示。圖中對應目標的真實距離是R，而按照常規(guī)方法讀出的目標距離是Ra，產(chǎn)生的誤差是：Rttt發(fā)射信號接收信號顯示RaR圖1 測距模糊示意圖上述這種由于目標回波的延遲時間可能大于脈沖重復周期，使收、發(fā)脈沖的對應關系發(fā)生混亂，同一距離讀數(shù)可能對應幾個目標真實距離的現(xiàn)象叫做測距模糊，距離讀數(shù)Ra叫做模糊距離。（2）距離模糊的解決方法目前，擴大測距和測速不模糊范圍的基本方法是對發(fā)射信號進行某種形式的調(diào)制，在接收到信號進行解調(diào)時，通過運算消除模糊，船用導航雷達常用的調(diào)制方式是多重脈沖重復頻率測距法。多重脈沖重復頻率測距法的原理是利用幾種不同的脈沖重復頻率信號進行測距。首先順序用各個重復頻率測出對應的模糊

6、距離，再將這些測量值加以比較或計算處理，最后得到無模糊的真實距離。這種方法的優(yōu)點是測距精度高，在雜波附近的目標檢測能力強。為簡單起見，下面以兩個脈沖重復頻率的情況為例進行討論。若采用3個或更多的PRF 可以使無模糊距離的范圍進一步擴大。假設雷達交替地以重復頻率f1和f2工作。記憶比較裝置，把兩次的發(fā)射脈沖與發(fā)射脈沖重合，接收脈沖與接收脈沖重合，如圖2所示。發(fā)fr1收fr1發(fā)fr2收fr2ttttT圖2 雙重復頻率法解距離模糊示意圖 設重復頻率分別為fr1和fr2，它們都不能滿足不模糊測距的要求。fr1和fr2具有公約頻率，其為frN和a為正整數(shù)，常選a=1，使N和N+a為互質(zhì)數(shù)。先根據(jù)發(fā)射機占

7、空比要求和最小作用距離要求初步設定脈寬和一個距離模糊的fr，雷達以fr1和fr2的重復頻率交替發(fā)射脈沖信號。通過記憶重合裝置，將不同的fr發(fā)射信號進行重合，重合后的輸出是重復頻率fr的脈沖串。同樣也可得到重合后的接收脈沖串，二者之間的時延代表目標的真實距離。n1、n2分別為用fr1和fr2測距時的模糊數(shù)。當a=1時，n1和n2的關系可能有兩種，即n1=n2或n1=n2+1，此時可算得 或 如果按前式算出tR為負值，則應用后式。3、船用導航雷達系統(tǒng)的系統(tǒng)技術指標船用導航雷達系統(tǒng)的系統(tǒng)技術指標如表1所示。表1 船用導航雷達系統(tǒng)技術指標序號參數(shù)指標1探測距離15m15km2方位掃描角0036003測

8、量目標參數(shù)目標距離、方位角4距離分辨力12m5方位分辨力半功率波束角為2度6雷達工作頻率3GHz7接收機中頻60MHz8天線形式波導縫隙陣9極化方式水平極化10副瓣電平主瓣內(nèi)100<21dB11波束形狀水平波束<40、垂直波束20012掃描方式一維水平掃描13掃描周期22±2圈/分鐘4、船用導航雷達系統(tǒng)的組成與各模塊功能雷達系統(tǒng)功能的實現(xiàn)依賴于脈沖的發(fā)射和接收，由定時器確定發(fā)射脈沖和接收脈沖之間的關系，據(jù)此確定發(fā)射脈沖與接收到的回波信號之間的時延，并求出目標距離。船用導航雷達系統(tǒng)的組成如圖所示。T/R開關接收機信號處理機數(shù)據(jù)處理機顯示器功率放大器頻率源定時器、脈沖源天線伺

9、服系統(tǒng)f0f0fL0CP、同步脈沖脈沖調(diào)制器環(huán)行器T/R開關天線圖3 船用導航雷達系統(tǒng)組成系統(tǒng)中各模塊功能如下：定時器提供系統(tǒng)時間基準；脈沖源產(chǎn)生同步脈沖；頻率源產(chǎn)生微波載頻連續(xù)波信號；脈沖調(diào)制器將微波載頻連續(xù)波信號經(jīng)同步脈沖調(diào)制為脈沖調(diào)幅連續(xù)波信號；功率放大器將經(jīng)調(diào)幅后的載頻信號放大至滿足雷達測距能力的發(fā)射功率射頻信號，發(fā)射支路的T/R開關與接收支路的T/R開關在同步脈沖控制下保證發(fā)射時不接收，保證收發(fā)支路的隔離度，以便保護接收機；環(huán)形器負責在收發(fā)公用天線時的收發(fā)信號分離；天線負責導行波與空間電磁波的轉(zhuǎn)換；接收機將目標反射回波信號進行放大、下變頻、中頻濾波、中頻放大、檢波、A/D后提供給數(shù)字

10、處理機進行測距運算，同時提供干擾信號的限幅保護，其鏈路系統(tǒng)框圖如圖4所示；數(shù)字處理機負責目標測距運算、目標方位運算和系統(tǒng)中央控制及顯示控制；天線伺服系統(tǒng)在系統(tǒng)中央控制下完成天線轉(zhuǎn)臺驅(qū)動信號生成和轉(zhuǎn)臺位置信號的提取及發(fā)送；顯示器完成目標位置信息的顯示。低噪放x3fLO濾波器中放檢波限幅器T/R開關環(huán)行器A/D天線圖4 接收機鏈路系統(tǒng)框圖四、測試方法與實驗步驟1、 船用導航雷達基本操作簡介 1.1 開機和關機按【電源】鍵開啟或關閉雷達。雷達開機后，鍵盤背光燈亮起，同時屏幕上出現(xiàn)預熱時間倒數(shù)，從1：30到0:01為止。1.2 發(fā)射開機并預熱完成后，顯示屏上會出現(xiàn)“待機”字樣。這是，雷達處于待機狀態(tài)隨

11、時可以使用，但是沒有雷達波發(fā)出。按【發(fā)射】鍵發(fā)射，這時一些目標的回波會出現(xiàn)在顯示屏上。1.3 待機如果暫時不想使用雷達，但是在有需要時又要馬上啟動時，可以按【發(fā)射】鍵將雷達恢復到待機狀態(tài)。這時畫面顯示“待機”字樣以及其它導航數(shù)據(jù)及符號等，但是天線不轉(zhuǎn)也沒有發(fā)射電波。屏幕上顯示“待機”導航數(shù)據(jù)或根據(jù)彩帶設置進入省電模式。1.4 選擇量程再將量程由小到大調(diào)節(jié)時，雷達會自動選擇固定距標量程、發(fā)射脈寬和脈沖重復頻率，以取得最佳的探測效果。能夠通過菜單選擇1.5和3海里量程時的發(fā)射脈寬，其它的項目則不能通過手動來進行選擇，這些數(shù)字顯示在畫面的左上角。選擇量程按【- 量程 +】鍵。畫面左下角的量程書和固定

12、距標數(shù)字都隨著你的動作增加或減少。當船只航行于較窄的水域或繁忙的港口時，選擇較小的量程便于小目標的發(fā)現(xiàn)及應對緊急情況；在開闊水域應選擇較大量程以便在較遠的距離提早發(fā)現(xiàn)航路上面的障礙。1.5 參數(shù)調(diào)整【亮度】鍵用于調(diào)整回波顯示亮度，共有8個等級。按【亮度】鍵選擇亮度等級，每按一次升高一級，到最亮后再按則回到最低亮度，這個操作是循環(huán)的，默認的亮度是6級。 【增益】旋鈕用于調(diào)整接收靈敏度，它的用法和廣播收音機的音量控制是一樣的，用于擴大信號的接收。正確的調(diào)整方法是剛好有背景噪聲出現(xiàn)在顯示屏上。如果調(diào)的太小，弱的回波就會丟失；如果靈敏度調(diào)的過大，則會出現(xiàn)很多的背景噪聲，大目標的回波會丟失，因為背景噪聲

13、過多造成與想要的回波無法區(qū)分。要調(diào)整靈敏度，先將量程選擇到遠量程（6海里以上），然后調(diào)【增益】旋鈕到剛好有背景噪聲出現(xiàn)在顯示屏上。 【海浪抑制】 出現(xiàn)在顯示中心部分的雜亂回波是很麻煩的，造成這一現(xiàn)象的干擾信號被稱為“海浪干擾”，比較高的頻率和距水面比較高的天線會擴大這種干擾的范圍。海浪干擾出現(xiàn)在顯示屏上時是許多小的回波，這可能會影響雷達的性能。當海浪干擾出現(xiàn)并掩蓋圖像時，調(diào)整【海浪抑制】旋鈕可以減少海浪干擾。正確的設置海浪抑制時，海浪干擾顯示為很弱的不連續(xù)的小點，而小目標的回波不會丟失且能夠區(qū)分開來。如果調(diào)的太小，目標將會被海浪干擾遮蓋；如果調(diào)的太高，海浪干擾和目標都將從顯示屏上消失。在大多數(shù)

14、情況下，調(diào)整這個旋鈕到下風向的海浪干擾消失，而逆風向的海浪干擾剛好有細微的顯示是最好的。 1）確定靈敏度調(diào)整正確，并且發(fā)射在近量程。 2）調(diào)整【海浪抑制】旋鈕到小目標能夠辨別而少量海浪干擾依然可見。 【雨雪抑制】 雷達天線的垂直波瓣寬度是設計好的，這樣做是為了保證船只在搖動時仍能保證雷達波能夠平行海面?zhèn)鞑??？墒沁@個設計也造成了設備可能產(chǎn)生雨雪干擾（雨、雪、雹等），這就需要一些方法來分辨正常的回波。當雨雪干擾遮蓋回波時，調(diào)整【雨雪抑制】鍵，這個調(diào)節(jié)可以識別雨雪干擾，并將它們從回波當中分離出去，而僅以一些零星小點的形式出現(xiàn)，以使目標易于區(qū)分。 1.6、目標距離測量可以通過三種方法測量目標到本船的距

15、離，使用固定距標、游標和活動距標。 通過固定距標計算從本船到目標之間的固定距標圈數(shù)，再將這個數(shù)字乘以每圈所代表的距離，再根據(jù)目測估算目標距本船最近的點到與它最近的距標圈的距離，就可以大概測出本船到目標的距離。 通過游標按方向鍵移動游標使游標的十字交叉點與目標距本船最近的位置重合，這時目標到本船的距離會顯示在屏幕的下方。 通過可變距標1）按【EBL/VRM選擇】鍵，到屏幕右下角顯示一個周圍有虛線的可變距標出現(xiàn)，再按【EBL/VRM選擇】鍵選擇電子方位線1，電子方位線2，可變距標1，可變距標2，會依次出現(xiàn)。2）按【EBL/VRM選擇】鍵使一個可變距標圈可以通過方向鍵控制。3）控制方向鍵使可變距標圈

16、移動到被測目標上。4）在屏幕右下角會看到可變距標所處位置的距離數(shù)據(jù)。5）要固定可變距標，按【EBL/VRM控制】鍵。要消除可變距標，按住【EBL/VRM控制】鍵3秒鐘。1.7、目標方位測量有兩種方法可以用來測量目標方位，分別是使用游標和電子方位線。 使用游標通過4個方向鍵操縱游標與目標中心點重合，這是目標方位會出現(xiàn)在畫面左下角。 通過電子方位線1）按【EBL/VRM選擇】鍵選擇一個電子方位線（顯示在屏幕的左下角）。重復按此鍵一次顯示電子方位線1，電子方位線2，可變距標1，可變距標2。2）按【EBL/VRM控制】鍵使電子方位線被方向鍵控制。3）使用方向鍵使電子方位線通過目標。4）在屏幕左下部分會

17、讀出目標的方位。5）要固定方位線，按【EBL/VRM控制】鍵。要消除電子方位線，按住【EBL/VRM控制】鍵3秒鐘。 使用電子方位線偏置 電子方位線偏置提供兩個功能：預測雷達目標碰撞和測量兩個目標之間的距離和方位。 2、實驗方法與操作（1）將雷達放置于開闊地面，開機啟動。（2）顯示“待機”字樣時，按下【發(fā)射】鍵發(fā)射，這時一些目標的回波會出現(xiàn)在顯示屏上。（3）通過旋鈕適當調(diào)節(jié)雨雪抑制、海浪抑制和增益，使得顯示屏上的一些目標清晰可見。（4）按方向鍵移動游標使游標的十字交叉點與待測目標距中心點最近的位置重合，這時目標到測試點的距離和方位信息會顯示在屏幕的下方。（5）讀取這些值并做記錄。（6）重復上面

18、的步驟，測量另一個不同方位不同距離的目標，通過方向鍵移動游標來測量另外兩個目標的距離方位信息。（7）測量完畢，再次按下【發(fā)射】鍵等屏幕顯示“待機”字樣。五、實驗報告內(nèi)容1、實驗用船用導航雷達系統(tǒng)中發(fā)射機/接收機的各個組成部分及其功能。1）、定時器提供系統(tǒng)時間基準；2）脈沖源產(chǎn)生同步脈沖；3）頻率源產(chǎn)生微波載頻連續(xù)波信號；4）脈沖調(diào)制器將微波載頻連續(xù)波信號經(jīng)同步脈沖調(diào)制為脈沖調(diào)幅連續(xù)波信號；5）功率放大器將經(jīng)調(diào)幅后的載頻信號放大至滿足雷達測距能力的發(fā)射功率射頻信號；6）發(fā)射支路的T/R開關與接收支路的T/R開關在同步脈沖控制下保證發(fā)射時不接收，保證收發(fā)支路的隔離度，以便保護接收機；7）環(huán)形器負責

19、在收發(fā)公用天線時的收發(fā)信號分離；8）天線負責導行波與空間電磁波的轉(zhuǎn)換；9）數(shù)字處理機負責目標測距運算、目標方位運算和系統(tǒng)中央控制及顯示控制；10）天線伺服系統(tǒng)在系統(tǒng)中央控制下完成天線轉(zhuǎn)臺驅(qū)動信號生成和轉(zhuǎn)臺位置信號的提取及發(fā)送；11）顯示器完成目標位置信息的顯示。2、船用導航雷達系統(tǒng)目標方位、距離確定原理。1）距離確定雷達發(fā)出的射頻電磁波，通過計算電磁波反射回來所需的時間來確定到達目標的距離，這是在已知雷達波傳播速度是接近恒定的也就是光速的前提下實現(xiàn)的。這樣通過計算雷達波從發(fā)出到從目標反射回到天線的時間，就可以計算出船只到目標的距離。這個時間是往返的時間，將它除以2才是電磁波從船只到達目標的單程距離的時間。這些都是由雷達內(nèi)部的算法來自動完成的。2）目標方位確定雷達確定目標的方位是通過雷達天線發(fā)射波束在空間的掃描來實現(xiàn)的。雷達天線發(fā)射波束在空間是不均勻分布的，其主波束內(nèi)的功率密度遠大于副瓣內(nèi)的功率密度，因而主波束內(nèi)目標反射的信號強度遠大于副瓣內(nèi)目標反射的信號強度，所以此時雷達探測到的目標信號可以認為是來自主