第六讲 综合实例

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1、第六讲数字中频系统应用实例 二次雷达天线原理介绍二次雷达雷达方程式介绍二次雷达位置测量原理介绍二次雷达收发射机基本结构介绍二次雷达数据录取和目标显示原理介绍单脉冲二次雷达二次雷达存在的一些问题和相应解决方法典型二次雷达系统设备组成 二次雷达原理介绍 二次雷达简介 二次雷达最初的设计目的是用于战时的敌我识别 60年代初ICAO制定了二次雷达系统的国际标准 1969年提出了单脉冲技术 但直到1983年整套系统才真正投入实际应用 80年代中 国际民航组织给出了S模式的技术标准 二次雷达的一次目标定位通过两次有源辐射来完成 它能提供目标识别码 高度 方位 距离等重要参数 二次雷达天线原理介绍 二次雷达

2、天线原理介绍 天线的功能是通过建立一个把能电信号转变成电磁波的结构来实现的 天线通过时变电流在其周围产生一个电磁场来实现电信号传输 接收天线的工作过程正好相反 在许多场合需要使用方向性图较尖锐和增益较高的天线 如点对点通信和雷达 解决的方法是用某种弱方向性的天线按一定的方式排列起来组成天线阵 天线阵又称为阵列天线或离散天线 用以组成天线阵的天线叫做天线元 由于离散阵列天线各单元的间距 激励幅度和相位可以进行控制以满足不同的方向性需求 如形成所需的方向图 实现扫描或其他的特殊功能 因此得到广泛应用 航管二次雷达就是采用阵列天线 二次雷达天线原理介绍 现代二次雷达天线多采用大口径垂直天线LVA L

3、argeVerticalApertureAntenna 属开放式阵列天线结构 阵面的孔径为8米 1 8米 主要由35个架构于铝质脊梁上的辐射振子组成 射频馈线和功率分配网络密封于脊梁中 垂直辐射振子之间的寄生辐射柱起机械支撑和聚焦前向辐射的作用 每一根辐射振子包含了一个印刷电路板 该印刷电路板上刻了12个偶极子以及用于控制发射和接收信号的幅度和相位的分配网络 这些振子通过汇电环组件 以中心振子 第18根 为对称 两两连接 背面辐射柱由4个偶极子组成 它与中心振子一起 共同形成控制波束 汇电环采用微带线技术制作的 用于以1060MHz波长的1 4为步进进行延迟 选择1060MHz是因为它是103

4、0MHz和1090MHz的中间值 二次雷达天线原理介绍 二次雷达天线原理介绍 振子分为两组 外围部分和中置部分 在中置部分 从第10个振子到第26个振子 以第18个振子 中心振子 为对称 两两使用一个汇电环 比如17和19使用一个汇电环 16和20使用一个汇电环 一共有8个这样的汇电环 它们包含于中心分路器中 CentreSplitter 中置部分的振子分配了更大部分的功率 主要负责和询问波束的形成 外围部分的振子包括左右两处 分别是1到9和27到35 它们分别接到两个外分路器中 OuterSplitter 最后通过同一个汇电环连接 外围部分的振子分配的功率比中置部分的振子要小 作用是使得主波

5、束的旁瓣尽可能小 另外还有一个相对小点的作用是改善控制波束的形状 询问 和波瓣用于发射P1 P3脉冲 在半功率水平波束宽度为2 45 峰值增益至少27dB 旁瓣低于峰值功率26dB以上 二次雷达天线原理介绍 处于中心位置的第18个振子用于形成控制波束 它有自己的连接网络 控制波束是由装于天线背面的屏蔽器里的4个偶极子和中心垂直辐射振子来产生的 除主瓣方向有一个迅速的凹陷外 基本成一圆形波束形状 还有一小部分控制波束能量通过外分路器送到外围垂直振子 它的相位与主波束的信号相位相反 作用是使控制波束在主波束方向的凹陷更迅速 二次雷达天线原理介绍 二次雷达雷达方程式介绍 雷达的最基本任务是探测目标并

6、测量其坐标 作用距离是雷达的重要性能指标 作用距离取决于雷达本身的性能 其中有发射机 接收机 天线等分机的参数 同时又和目标的性质及环境因素有关 雷达方程集中反映了与雷达探测距离有关的因素或环境特性变化时相对距离变化的规律 和一次雷达不同 二次雷达是靠两次有源辐射 询问机和应答机 完成目标定位 所以每个辐射源属于单程传输 同样的辐射功率 它比一次雷达作用距离远 二次雷达方程分成上行 询问 方程和下行 应答 方程 二次雷达雷达方程式介绍 上行方程设地面询问机的发射功率为PI 二次雷达天线的询问波瓣的增益为GI 则距离地面询问机天线斜距R处的功率密度为 上述方程应考虑到如下的损耗 询问机的发射功率

7、向天线传输过程的损耗L 它主要包括传输电缆和旋转铰链的损耗 天线波束在 3dB点之间假设为高斯型波束 由于天线增益不同引起的天线调制损耗La 大气吸收衰减Lp 大气的吸收衰减和大气的密度以及传播的距离有关 二次雷达雷达方程式介绍 应答机天线截获功率的有效面积为At 则应答机天线接收功率Pt At SI 由于其中Gt为应答机天线增益 I为询问机工作波长 于是 如果将应答机天线传输到接收机之间的电缆的损耗折合到应答机天线的增益G中去 代表折合的天线增益式为 二次雷达雷达方程式介绍 二次雷达的距离方程为 当Pt最小值时得到作用距离Rmax 而Pt最小相当应答机接收机输入端的最小触发电平 所以可得 二

8、次雷达雷达方程式介绍 下行方程同样分析的方法 可以得到下行方程 Pt为应答机的发射功率 t为询问机工作波长 而PImin询问接收机输入端的最小触发电平 通常应当保证上行的最大作用距离和下行最大作用距离相匹配 否则当上行距离大于下行距离时 地面站收不到被询问的应答机的应答信号 但是应答机的回答会对它所邻近的地面站成异步干扰 作为航路监视的二次雷达作用距离约为200海里 二次雷达信号在大气传播过程中 由于高度及气压不同 传播的路径引起折射 使二次雷达信号传播向地面弯曲 以至可以收到远距离低于水平面的信号 二次雷达目标位置测量原理介绍 目标距离测量原理 测距物理基础 目标反射 等速直线传播 用脉冲测

9、距法 测的是斜距离R 2R C t可得R C 2 t式中 t 电波在RD与目标间往返传播时间 C 3 108m s 通过测 t就能计算出R 即通过测时来测距 实际在显示器中 已将t与R作好对应 可直读距离 换算关系 1 s 150m 0 15Km 0 081NM12 3 s 1NM 二次雷达距离测量原理介绍 目标方位测量原理 目标方位角指正北到雷达与目标联线之夹角 雷达方位测量的物理基础 直线传播 微波 天线定向接收与发射最大回波法测角 当天线波束扫过目标时 雷达回波在时间顺序上从无到有 从小 大 小 消失 即天线波束形状对雷达回波幅度进行了调制 单脉冲二次雷达方位测量同时还使用了OBA查表修

10、正的方法 故目标方位更为精确 二次雷达距离测量原理介绍 雷达天线是一种定向天线 它在某一瞬间只朝一个方向发射电磁波 而且也只接收同一方向上目标反射的回波 所以 天线波束方位 目标方向 只要保证显示器上的扫描线与天线旋转同步 即扫描线方向 天线方位即扫描线方位 回波方位角度采用度或密位表示 其关系为 360度 6000密位国外常用角度单位为弧度 度与弧度关系为 1弧度 57度 二次雷达距离测量原理介绍 雷达目标速度测量 当目标相对于雷达运动后 R不断变 出现 fD 回波相对于发射ft的频率偏移 此时 目标相对于雷达的径向速度为 VR 1 2 fd式中VR 目标与雷达的相对 径向 速度 m s R

11、D工作波长 m fd 双程多卜勒频率 Hz 二次雷达距离测量原理介绍 目标高度测量原理 二次雷达目标高度主要是由飞机通过气压等高度测量手段测出高度 并通过二次雷达C模式应答码编码后发送回询问机而获得的 C模式编码举例 ALTITUDEA1A2A4B1B2B4C1C2C4D1D2D46800011000001000604069000110000110006060700001100001000060207100011000110000603072000110001000006010 动目标检测原理介绍 首先要说明的是二次雷达中并不使用动目标检测这一手段 动目标检测技术一般使用于一次雷达 天气雷达等

12、需要精确测量目标速度的系统中 多卜勒效应当发射源和接收者之间有相对运动时 接收到的信号频率将发生变化 近似表示为 fd 2v 多卜勒信息的提取一般在接收机检波器输入端引入发射信号作为基准电压 在检波器输出端即可得到收发频率的差频电压 动目标检测原理介绍 动目标检测 MTI 雷达与普通雷达的区别是利用多卜勒效应来鉴别运动目标回波和固定目标回波 它主要需要完成以下两项工作 A获得基准电压 或称相参电压 B消除固定目标回波 典型二次雷达系统组成 天线驱动系统询问机系统控制监视系统SiteMonitor系统 模拟应答机 雷达维护监视器 二次雷达收发射机基本结构介绍 在 空中交通管制二次监视雷达设备技术

13、规范MH4010 2005 中对二次雷达的构成作了以下规定 4 1组成二次监视雷达由天线 转台 旋转关节 马达 码盘等 及馈线系统 询问器 点迹录取器和航迹处理器 监控器 维护显示器和测试应答机等组成 4 2系统分类二次雷达监视系统一般分为常规二次监视雷达系统和单脉冲二次监视雷达系统 二次雷达收发射机基本结构介绍 4 3一般要求4 3 1二次监视雷达系统应符合国际民航组织 国际民用航空公约 附件10 航空电信 第四卷第二版 1998年7月 的技术要求 4 3 2组成系统的设备 天馈系统和维护显示器除外 应采用双机配置 能自动切换 设备应能24h连续工作 4 3 3组成系统的设备应采用全固态器件

14、和集成电路 并应有相应的正常与故障监视指示 4 3 4可靠性 可用性和可维护性单通道设备配置的条件下 MTBF应大于1500小时 双通道配置的条件下 MTBCF应大于20000小时 室内设备的MTTR应小于0 5小时 室外设备的MTTR应小于2小时 二次雷达收发射机基本结构介绍 雷声二次雷达基本结构框图 二次雷达收发射机基本结构介绍 THALES二次雷达基本结构框图 二次雷达数据录取和目标显示原理介绍 二次雷达数据处理每一应答的SDR数值将被检查合法性并对应答的SDR平均值进行计算 通过利用站提供的查表 此平均值被转换为偏离轴向方位值 并与此时的天线方位相加得到应答目标的真实方位 从而与应答码

15、一起确定一个有效应答 接着的处理是应答相关 应答相关器处理每个应答 把其与现时波瓣宽度内在先前询问中收到的同一目标的应答进行相关 其主要是通过使用距离 方位 编码和高度信息进行相关 二次雷达数据录取和目标显示原理介绍 在处理后应答信号仍然保留 用于在下一脉冲重复周期内寻找可能的相关 这是初始的应答处理的一部分 混合应答和因多路径信号与宽脉冲应答错误引起的复合应答将被识别和去除多个相关后的同一目标应答将可生成目标报告 在单脉冲二次雷达中三个以上的同一目标相关应答就可构成目标报告 二次雷达数据录取和目标显示原理介绍 当每个应答被提取时都会作以下检测 1 I此应答是否已存目标的更新应答 Yes Ye

16、s 从此处提取并送入目标报告中 No 2 能否与以前未相关的应答进行相关 No 保存于此 并清除此处N次询问而未被相关的应答 应答码 可信度 距离 修正方位 标志等此文件在每个接收周期内生成并在需要时提取 转下表 当在此的目标已被询问了M次 它将与航迹报告进行比较 应答码 可信度 距离 修正方位 标志等 二次雷达数据录取和目标显示原理介绍 二次雷达数据录取和目标显示原理介绍 雷达目标显示 雷达目标显示通常有极坐标系和XY坐标系两种 极坐标通常是指PPI PlanPositionIndicator 显示方式 而我们现在所用的行场扫描方式都是XY坐标系的 在我们的雷达头系统中 其输出数据也分成了极坐标系和XY坐标系两种 如雷声雷达和THALES雷达就采用极坐标系 而ALENIA雷达采用的是XY坐标系 一 二次雷达比较 发射功率干扰杂波对于目标闪烁现象方位精度高度精度提供的信息 传统二次雷达 滑窗检测 传统二次雷达缺点 测角存在偏差 且测角精度不高不能区分真实回波和反射回波存在窜扰时 无法区分三个以上目标的重叠应答 单脉冲技术 单脉冲测角技术能够有效地解决滑窗点迹录取技术的一些问题 主要是通