雷达对抗技术022015

第2章雷达信号频率的测量2.1概述2.2频率搜索接收机2.3比相法瞬时测频接收机2.4信道化接收机2.5压缩接收机1/632．1概述要点：l雷达信号频率测量的重要性l测频系统的主要技术指标l现代测频技术分类2/632.1.1雷达信号频率测量的重要性雷达侦察系统的使命在于测定雷达等辐射源的坐标和特征，而反映其特征的各种信息均包含在雷达辐射的信号之中。因此，我们必须对雷达信号进行分析和测量。重要性：•1．频率是雷达功能和用途的反映•2．频率是选择分选和识别雷达信号的重要参数•3．频率对准是有效干扰的有效保证3/632.1.2测频系统的主要技术指标1、测频时间定义：从信号到达至测频输出所需时间，是确定或随机的。要求：瞬时测频（IFM），即在雷达脉冲持续时间内完成载波频率测量。重要性：直接影响侦察系统的截获概率和截获时间。4/63测频时间(续)•频域截获概率:即频率搜索概率，单个脉冲的频率搜索概率定义为――测频接收机瞬时带宽，f2-f1是测频范围，即侦察频率范围•截获时间:达到给定的截获概率所需的时间，如果采用瞬时测频接收机，则单个脉冲的截获时间为其中Tr是脉冲重复周期，tth是侦察系统的通过时间。121fffPrIFrf1IFrthtTt5/632、测频范围、瞬时带宽、频率分辨力、测频误差和测频精度•测频范围：测频系统最大可测的雷达信号的频率范围；•瞬时带宽：测频系统在任一瞬间可以测量的雷达信号的频率范围；•频率分辨力：测频系统所能分开的两个同时到达信号的最小频率差；•测频误差：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。•测频精度：把测频误差的均方根误差称为测频精度6/63不同测频系统的差异•宽开式晶体视频接收机：测频范围等于瞬时带宽，频率截获概率＝1，但频率分辨率很低。•窄带扫频超外差接收机：瞬时带宽很窄，频率截获概率很低，但频率分辨率很高。最大测频误差为：瞬时带宽越宽，测频精度越低，测频误差越大。rff21max7/633、测频的信号形式现代雷达信号可以分成脉冲和连续波。脉冲信号：低工作比脉冲信号高工作比的脉冲多普勒信号重频滑变和参差信号编码信号宽脉冲线性调频信号测频系统允许的最窄脉宽尽可能窄——重要指标。8/634、同时到达信号的分离能力同时到达信号按照两个脉冲前沿的时差分成两类：第1类同时到达信号：t10ns第2类同时到达信号：10nst120ns要求测频接收机能够对同时到达信号的频率分别进行精确的测定，而且不丢失其中的弱信号。9/635、灵敏度和动态范围灵敏度是测频接收机检测弱信号能力的象征，是保证正确的发现和测量信号的前提。它与接收机体制和接收机的噪声电平有关。minFnSNkTfD10/63动态范围是指保证测频接收机精确测频条件下信号功率的变化范围，它包括：•噪声限制动态范围：保证测频精度条件下的强信号与弱信号的功率之比。•瞬时动态范围：保证测频精度条件下的强信号与寄生信号的功率之比。11/63•无虚假信号动态范围maxmaxSFDR=()bbiSNGSN10lg()bdrFNNBNG12/632.1.3现代测频技术分类搜索超外差接收机射频调谐晶体视频接收机多波段晶体视频接收机信道化接收机比相法瞬时测频接收机声光卷积测频收机压缩接收机声光接收机数字傅立叶变换接收机搜索频率窗毗邻频率窗相关/卷积器傅立叶变换频率取样变换法测频技术图2-1现代测频技术分类13/632.2频率搜索接收机要点：l搜索式超外差接收机l射频调谐晶体视频接收机l频率搜索形式l频率搜索速度的选择14/632.2.1搜索式超外差接收机预选器混频器滤波器放大器本振天线fcflfi至处理器图2-2搜索式超外差接收机原理图15/63•优点：•1）灵敏度高，选择性好；幅度失真小。•2）能检测宽脉冲线性调频信号和相位编码信号，且易于实现。•缺点：•1）存在寄生信道干扰；•2）比晶体视频接收机复杂；•3）搜索时间长，对短时间出现的信号频率截获概率低。16/631．接收机中的变频干扰作用到混频器上的信号无非是本振信号、有用信号、干扰信号和噪声四种。它们之间的任意两种或多种信号都有可能互相组合而产生干扰频率，不同原因产生的变频干扰在接收机中有特定的名称。图2-3为变频干扰的分类及其产生原因示意图。17/6318/63•1.1组合频率干扰产生干扰的条件是•其中为本振信号频率，为有用信号频率，为中频信号载频，为落在中频信号通带内的频率值()lcipfqffF1cipffqplfcfififF减少干扰哨声的方法是合理地选择中频频率。19/63•1.2寄生通道干扰lmipfqff1mlipfffqq在寄生通道干扰中，有两种干扰信号我们要重点分析，一是中频干扰，另一种是镜频干扰。20/6321/63•1.3互相调制（互调）干扰•互调干扰通常是回波信号在通过混频器或存在非线性失真的模拟器件时，多个干扰信号之间相互作用引起的。22/63•通常用三阶麦克劳林展开式来表示接收机的传输特性，即23123()()()()oiiiVtaVtaVtaVt23/6324/6325/6326/63•1.4交叉调制（交调）干扰•交调干扰是由混频器或接收系统中各级电路的非线性特性造成的。221313()()()12()()2noiiiiutastastVetet交调干扰仅与干扰信号的幅度有关，而与其频率无关，当干扰信号是调幅信号时，其调制包络将转移到回波中频信号的振幅中去，因而是一种危害性更大的干扰。减小交调干扰的方法是尽量提高接收系统的选择性。27/63•1.5本振噪声干扰和倒易混频干扰这两种干扰都是由于本振信号频谱纯度不够而引起的。减小这两种干扰的唯一方法是减小本振噪声。28/63六种变频干扰中，组合频率干扰、寄生通道干扰、本振噪声干扰和倒易混频干扰是混频电路所特有的；而交调干扰和互调干扰在接收系统具有非线性传输特性的各级电路中都有可能产生。29/632.几种典型超外差接收机1)窄带超外差接收机采用微波预选器与本振统调，对每个分辨单元顺序搜索。射频带宽：20～60MHz优点：频率分辨率高、灵敏度高、抗干扰能力强、输出信号密度低、对信号处理要求低。缺点：截获时间长，截获概率低，不能检测频率捷变、线性调频、编码信号。30/632)宽带超外差接收机瞬时带宽：100～200MHz优点：能检测频率捷变、线性调频、编码信号；截获时间缩短。3)宽带预选超外差接收机采用宽带预选器和高中频，扩展瞬时带宽。31/632.2.2射频调谐晶体视频接收机•射频调谐（RFT）晶体视频接收机是一种最简单的接收机。•优点：技术简单，工作可靠，体积小，重量轻，成本低•缺点：灵敏度低，测频分辨力和精度不高。图2-7射频调谐晶体视频接收机原理图32/632.2.3频率搜索方式1)连续搜索Nff2f1f0rftTftfNff2f1f0tTf单程搜索双程搜索图2-8连续搜索时间图33/632)步进搜索搜索范围：搜索周期：Tf接收时间：tf脉冲群时间：Nff2f1f0t等间隔搜索ff2f1f0t灵巧式搜索12ff图2-9步进式频率搜索时间图34/632.2.4频率搜索速度的选择频率搜索速度有几种方式：1.频率慢速可靠搜索频率慢速可靠搜索（全概率）的条件为：a)接收机在一个雷达照射时间（脉冲群）扫过整个侦察频带，即其中为脉冲群内脉冲数，为脉冲重复周期。b)接收机扫过一个瞬时带宽的时间内收到的脉冲数满足信号处理和显示所需的脉冲数Z，即21rffrftTZTfffNNrTZTNZrTrfft35/632.频率快速可靠搜索在一个脉冲宽带内，接收机搜索完整个侦察频带，即fT图2-10频率快速可靠搜索时间图频率搜索速度应满足2121ffffffvT36/63图2-11线性扫频接收机的输出电压波形(a)慢速扫频(b)快速扫频慢速扫频：随着扫频速度的提高，脉冲幅度不变，但脉冲宽度减小。快速扫频：随着扫频速度的提高，脉冲幅度减小，脉冲宽度变化不大。接收机输出:37/633.频率概率搜索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。不满足可靠搜索条件下为概率搜索。由于高速搜索时，接收机输出脉冲幅度减小，因此搜索接收机的扫频速度不宜过大。一般具体实现时都采用压缩接收机。38/632.3比相法瞬时测频接收机•2.3.1组成和主要技术参数1、比相法瞬时测频接收机的组成图2-12比相法瞬时测频接收机的组成39/63•限幅放大器：•1、提高接收机灵敏度；•2、对强信号限幅，减小因信号幅度变化对测频精度的影响。•延时线鉴相器：•实现频率-相位变换•门限检测/定时控制：•1、降低虚警率；•2、降低由于噪声激励而引起的测频误差；•3、减小同时到达信号对测频误差的影响；•4、复位测频系统。•同时到达信号检测：•检测同时到达信号，标记因同时到达信号存在而引起的错误测频，以示频率数据不可靠。•频率编码：•对鉴相器输出的电压进行极性量化，完成编码和校码。40/632、主要技术参数l不模糊带宽F：1个倍频程或者更高l频率分辨单元：可达1MHzl频率精度：1～2MHzl频率截获概率：趋近于1l频率截获时间：1个脉冲重复周期l灵敏度：－40dBm~－50dBml动态范围：50～60dBl测频时间：100～300nsl遮蔽时间：50～70ns41/632.3.2微波鉴相器1.简单微波鉴相器原理如图鉴相输出信号:T是延迟线的延迟时间。K为检波效率。2021cosUKAT图2-13简单微波鉴相器功率分配器延时线加法器检波器42/50微波鉴相器用于实现信号的自相关运算，因此需要考虑以下条件：•相干的基本条件：否则不能进行相关运算。•单值测量条件：这是由最大相移为2决定的，相移与频率的关系为•信号自相关函数输出信号幅度与输入信号功率成正比•简单微波鉴相器的输出信号中有与频率无关的直流分量，应尽量消除其影响。minTTff112Tf243/632.实用的微波鉴相器原理图功率分配延迟线90o电桥检波器差分放大cos2KAUIsin2KAUQ图2-14一种常用的微波鉴相器44/63鉴相输出信号合成矢量的模为相角为合成矢量的相位与载波频率成正比，实现了频-相变换2fT图2-15正交函数的合成矢量TkAUTkAUQIsincos222UKA45/502.3.3极性量化器00,01xxxsign相关器输出是两路正交的正弦电压，把它们加到两个电压比较器上，进行极性判决，称为量化。对输入信号按照极性量化输出对量化区间直接编码2int,2,modnCTf46/63•极性量化直接用于UI、UQ，只能得到n=4•利用三角公式：••有的UI、UQ用不同的进行加权求和，可以得到不同的相位细划和极性量化后的区间细划。•如：=/4，可得到n=8，为3bit量化器•再选=/8，可得到n=16，为4bit量化器sinsincoscoscossincoscossinsincos,sin47/63•以此类推，通过对UI、UQ及其加权系列的极性量化，可以不断提高数字测频的精度。•多bit量化器的频率分辨率与相位分辨率之间满足•其中F是瞬时带宽。单路量化的频率分辨率不高，实际中使用多路量化器。FTf2248/632.3.4多路鉴相器的并行运用为了同时满足测频范围和频率分辨率的要求，采用多路方式，两路鉴相器如图示：功率分配器鉴相器1鉴相器2量化器1(3bit)量化器2(3bit)输入编码T4T49/63•两路都是3bit量化器。第一路延迟线延迟时间为T，第二路延迟时间为4T。短延迟输出频率的高位码，长延迟输出频率的低位码，其频率分辨率为：•如果选择k路鉴相器，相邻迟延比为n，最长迟延支路量化为mbit，其频率分辨率为：••在实际中，一般k=3,4,m=4~6,n=4,8。