雷達實驗報告

1、船用導(dǎo)航雷達系統(tǒng)實驗報告一、實驗?zāi)康?、掌握船用導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)航雷達系統(tǒng)學(xué)習(xí)其工作原理和各主要模塊的功能；2、結(jié)合實用船用導(dǎo)航雷達系統(tǒng)學(xué)習(xí)掌握其操作使用方法；3、應(yīng)用實用船用導(dǎo)航雷達系統(tǒng)測試三個不同方位LI標的距離和方位值。三、船用導(dǎo)航雷達系統(tǒng)工作原理1、基本知識雷達（RADAR）是英文radio detection and rangingv 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

2、的時間來大致估算與LI標之間的位置從而避免碰撞。雷達發(fā)出的射頻電磁波，通過汁算電磁波反射回來所需的時間來確定到達LI 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LI標反射回到天線的時間，就可以訃算出船只到II 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LI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LI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)LI標反射的信號強度遠大于副瓣內(nèi)LI標反射

3、的信號強度，所以 此時雷達探測到的LI標信號可以認為是來自主波束內(nèi)LI標反射的信號，且認定LI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忖標時，如果另一個口標恰好處在天線波束 笫一零點方向上，則回波信號完全來自天線波束最大方向的那個LI標。因此，天線 的分辨率為第一零點波束寬度的一半，即FNBW/2o例如，當天線的FNBW二20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(dǎo)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 LI標回波信號與LI標方位的對應(yīng)關(guān)系。在天線發(fā)射信號經(jīng)標反射回到天線這個時間段

4、中，天線一直是旋轉(zhuǎn)的，這 樣回波信號所對應(yīng)的天線角度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LI標距離對LI標實際方位角值進行修正。2、船用導(dǎo)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，在自山空間中的傳 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LI標反射回來所用的時 間，那么就可以測量出雷達與LI標之間的距離。假設(shè)電磁波往返傳播時間為t,傳 播速度為光速C , LI標距離為R,則距離可以如下表示：R = Ct2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)?的無雜波區(qū)。當

5、脈沖重復(fù)頻率很高時，對應(yīng)一個發(fā)射脈沖產(chǎn)生的回波可能要經(jīng)過兒 個周期以后才能被收到，如圖1所示。圖中對應(yīng)L1標的真實距離是R,而按照常規(guī) 方法讀出的口標距離是辰，產(chǎn)生的誤差是：R = n 2仁發(fā)射信號接收信號顯示R亠tn n n n .R nnnnnntt圖1測距模糊示意圖上述這種山于忖標回波的延遲時間可能大于脈沖重復(fù)周期，使收、發(fā)脈沖的 對應(yīng)關(guān)系發(fā)生混亂，同一距離讀數(shù)可能對應(yīng)兒個L1標真實距離的現(xiàn)象叫做測距模 糊，距離讀數(shù)陽叫做模糊距離。（2）距離模糊的解決方法U前，擴大測距和測速不模糊范圉的基本方法是對發(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(dǎo)航雷達常用的

6、調(diào)制方 式是多重脈沖重復(fù)頻率測距法。多重脈沖重復(fù)頻率測距法的原理是利用兒種不同的脈沖重復(fù)頻率信號進行測 距。首先順序用各個重復(fù)頻率測出對應(yīng)的模糊距離，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(fù)頻率的悄況為例進行討論。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(shè)雷達交替地以重復(fù)頻率fl 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。及J11N 1Illi收仁i i11 1 1lllllt f9發(fā)仏rIlli收仏41J1丨

7、llllltT圖2雙重復(fù)頻率法解距離模糊示意圖設(shè)重復(fù)頻率分別為frl和fr2,它們都不能滿足不模糊測距的要求。frl和 fr2具有公約頻率，其為frf -fr_ fr2r N一 N + a和為正整數(shù)，常選d二1,使N和N+a為互質(zhì)數(shù)。先根據(jù)發(fā)射機占空比要求 和最小作用距離要求初步設(shè)定脈寬和一個距離模糊的fr,雷達以frl和fr2的重 復(fù)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(fù)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U標的真實距離。JrJ r2nl、n2分別為用frl和仕2測距時的模糊數(shù)。當&二1時，nl和n2的關(guān)系

8、可 能有兩種，即nl=n2或nl=n2+l,此時可算得$ =_，2口2L fn-fr2t +1 fh如果按前式算出tR為負值，則應(yīng)用后式。3、船用導(dǎo)航靂達系統(tǒng)的系統(tǒng)技術(shù)指標船用導(dǎo)航雷達系統(tǒng)的系統(tǒng)技術(shù)指標如表1所示。表1船用導(dǎo)航雷達系統(tǒng)技術(shù)指標序號參數(shù)指標1探測距離5m15km2方位掃描角0036003測量目標參數(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(dǎo)縫隙陣9極化方式水平極化10副瓣電平主瓣內(nèi)10021dB11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222圈/分鐘4、船用導(dǎo)航雷達系

9、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，山定時器確定發(fā)射脈沖和接 收脈沖之間的關(guān)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LI 標距離。船用導(dǎo)航雷達系統(tǒng)的組成如圖所示。圖3船用導(dǎo)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(guān)與接收支路的T/R開關(guān)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(zé)在收發(fā)

10、公用天線時的收 發(fā)信號分離；天線負責(zé)導(dǎo)行波與空間電磁波的轉(zhuǎn)換；接收機將LI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(zé)LI標測距運算、LI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。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(dǎo)航雷達基本操作簡介1. 1開機和關(guān)機按【電源】鍵開啟或關(guān)閉雷達。靂達開機后，鍵盤背光燈亮起，同時屏幕上出現(xiàn)預(yù)熱時間倒數(shù)，從1： 3

11、0到 0:01為止。1.2發(fā)射開機并預(yù)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，但是在有需要時乂要馬上啟動時，可以按【發(fā)射】 鍵將雷達恢復(fù)到待機狀態(tài)。這時畫面顯示“待機”字樣以及其它導(dǎo)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(dǎo)航數(shù)據(jù)或根據(jù)彩帶設(shè)置進入省電模式。1.4選擇量程再將量程山小到大調(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(fù)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，其它的項口則

12、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LI標的發(fā)現(xiàn)及應(yīng)對緊急情況；在開闊水域應(yīng)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?！驹鲆妗啃o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

13、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LI標的回波會丟 失，因為背景噪聲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?！竞＠艘种啤砍霈F(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(shè)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

14、的 回波不會丟失且能夠區(qū)分開來。如果調(diào)的太小，LI標將會被海浪干擾遮蓋；如果調(diào) 的太高，海浪干擾和LI標都將從顯示屏上消失。在大多數(shù)情況下，調(diào)整這個旋鈕到 下風(fēng)向的海浪干擾消失，而逆風(fēng)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】旋鈕到小口標能夠辨別而少量海浪干擾依然可見?！居暄┮种啤坷走_天線的垂直波瓣寬度是設(shè)訃好的，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)鞑ァ？墒沁@個設(shè)訃也造成了設(shè)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LI標到本船的距離，使用固定距標、游標和活動距 標。通過固定距標訃算從本船到H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)