雷達(dá)系統(tǒng)實驗實驗報告

1、船用導(dǎo)航雷達(dá)系統(tǒng)實驗一、實驗?zāi)康?、掌握船用導(dǎo)航雷達(dá)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(dá)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(dá)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(dá)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(dá)系統(tǒng)測試三個不同方位目標(biāo)的距離和方位值。三、船用導(dǎo)航雷達(dá)系統(tǒng)工作原理1、基本知識雷達(dá)（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(dá)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(biāo)之間的位置從而避免碰撞。雷達(dá)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(dá)目標(biāo)的距離，這是在已知雷達(dá)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(dá)波從發(fā)出到從目標(biāo)反射回到天線的時間，就可以計算出船只到目標(biāo)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(dá)目標(biāo)的單程距離的時間。這些都是由雷達(dá)內(nèi)部的算法來自動完成的。雷達(dá)確定目標(biāo)的方位是通過雷達(dá)天線發(fā)射波束在空間的掃描來實現(xiàn)的。雷達(dá)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(yuǎn)大于副瓣內(nèi)的功率密度，因而主波束內(nèi)目標(biāo)反射的信號強(qiáng)度遠(yuǎn)大于副瓣內(nèi)目標(biāo)反射的信號強(qiáng)度，所以此時雷達(dá)探測到的目標(biāo)信

3、號可以認(rèn)為是來自主波束內(nèi)目標(biāo)反射的信號，且認(rèn)定目標(biāo)方位處于雷達(dá)天線主波束的最大方向上。當(dāng)天線波束最大方向瞄準(zhǔn)某一個目標(biāo)時，如果另一個目標(biāo)恰好處在天線波束第一零點(diǎn)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(biāo)。因此，天線的分辨率為第一零點(diǎn)波束寬度的一半，即FNBW/2。例如，當(dāng)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(biāo)。船用導(dǎo)航雷達(dá)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(jī)，信息處理機(jī)就知道了目標(biāo)回波信號與目標(biāo)方位的對應(yīng)關(guān)系。在天線發(fā)射信號經(jīng)目標(biāo)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(yīng)的天線角度

4、將滯后于當(dāng)前天線的實際角度。為此，信號處理機(jī)需根據(jù)天線的旋轉(zhuǎn)速度和已經(jīng)計算出來的目標(biāo)距離對目標(biāo)實際方位角值進(jìn)行修正。2、船用導(dǎo)航雷達(dá)系統(tǒng)的脈沖測距原理（1）脈沖測距原理 雷達(dá)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(zhǔn)確的測量出電磁波從發(fā)射到被目標(biāo)反射回來所用的時間，那么就可以測量出雷達(dá)與目標(biāo)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 ，目標(biāo)距離為R，則距離可以如下表示：為了提高檢測性能，雷達(dá)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(dāng)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)過幾個周期以后才能被收到，如圖1

5、所示。圖中對應(yīng)目標(biāo)的真實距離是R，而按照常規(guī)方法讀出的目標(biāo)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(biāo)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)幾個目標(biāo)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(kuò)大測距和測速不模糊范圍的基本方法是對發(fā)射信號進(jìn)行某種形式的調(diào)制，在接收到信號進(jìn)行解調(diào)時，通過運(yùn)算消除模糊，船用導(dǎo)航雷達(dá)常用的調(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幾種不同的脈沖重復(fù)頻率信號進(jìn)行測距。首先順序用各個重復(fù)頻率測出對應(yīng)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(diǎn)是測距精度高，在雜波附近的目標(biāo)檢測能力強(qiáng)。為簡單起見，下面以兩個脈沖重復(fù)頻率的情況為例進(jìn)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(jìn)一步擴(kuò)大。假設(shè)雷達(dá)交替地以重復(fù)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(fù)頻率法解距離模糊示意圖 設(shè)重復(fù)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(jī)占

7、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(dá)以fr1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(jìn)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目標(biāo)的真實距離。n1、n2分別為用fr1和fr2測距時的模糊數(shù)。當(dāng)a=1時，n1和n2的關(guān)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(fù)值，則應(yīng)用后式。3、船用導(dǎo)航雷達(dá)系統(tǒng)的系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)船用導(dǎo)航雷達(dá)系統(tǒng)的系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)如表1所示。表1 船用導(dǎo)航雷達(dá)系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)序號參數(shù)指標(biāo)1探測距離15m15km2方位掃描角0036003測

8、量目標(biāo)參數(shù)目標(biāo)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(dá)工作頻率3GHz7接收機(jī)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)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(dǎo)航雷達(dá)系統(tǒng)的組成與各模塊功能雷達(dá)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(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，并求出目標(biāo)距離。船用導(dǎo)航雷達(dá)系統(tǒng)的組成如圖所示。T/R開關(guān)接收機(jī)信號處理機(jī)數(shù)據(jù)處理機(jī)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(guān)天線圖3 船用導(dǎo)航雷達(dá)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(zhǔn)；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(dá)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(hù)接收機(jī)；環(huán)形器負(fù)責(zé)在收發(fā)公用天線時的收發(fā)信號分離；天線負(fù)責(zé)導(dǎo)行波與空間電磁波的轉(zhuǎn)換；接收機(jī)將目標(biāo)反射回波信號進(jìn)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(jī)進(jìn)行測距運(yùn)算，同時提供干擾信號的限幅保護(hù)，其鏈路系統(tǒng)框圖如圖4所示；數(shù)字處理機(jī)負(fù)責(zé)目標(biāo)測距運(yùn)算、目標(biāo)方位運(yùn)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(biāo)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(guān)環(huán)行器A/D天線圖4 接收機(jī)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(dá)基本操作簡介 1.1 開機(jī)和關(guān)機(jī)按【電源】鍵開啟或關(guān)閉雷達(dá)。雷達(dá)開機(jī)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1：30到0:01為止。1.2 發(fā)射開機(jī)并預(yù)熱完成后，顯示屏上會出現(xiàn)“待機(jī)”字樣。這是，雷達(dá)處于待機(jī)狀態(tài)隨

11、時可以使用，但是沒有雷達(dá)波發(fā)出。按【發(fā)射】鍵發(fā)射，這時一些目標(biāo)的回波會出現(xiàn)在顯示屏上。1.3 待機(jī)如果暫時不想使用雷達(dá)，但是在有需要時又要馬上啟動時，可以按【發(fā)射】鍵將雷達(dá)恢復(fù)到待機(jī)狀態(tài)。這時畫面顯示“待機(jī)”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(jī)”導(dǎo)航數(shù)據(jù)或根據(jù)彩帶設(shè)置進(jìn)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(dá)會自動選擇固定距標(biāo)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，其它的項目則不能通過手動來進(jìn)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(biāo)數(shù)字都隨著你的動作增加或減少。當(dāng)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(biāo)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(yuǎn)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(rèn)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(jī)的音量控制是一樣的，用于擴(kuò)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(biāo)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(yuǎn)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(kuò)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(dá)的性能。當(dāng)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(diǎn)，而小目標(biāo)的回波不會丟失且能夠區(qū)分開來。如果調(diào)的太小，目標(biāo)將會被海浪干擾遮蓋；如果調(diào)的太高，海浪干擾和目標(biāo)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(fēng)向的海浪干擾消失，而逆風(fēng)向的海浪干擾剛好有細(xì)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(biāo)能夠辨別而少量海浪干擾依然可見。 【雨雪抑制】 雷達(dá)天線的垂直波瓣寬度是設(shè)計好的，這樣做是為了保證船只在搖動時仍能保證雷達(dá)波能夠平行海面?zhèn)鞑?。可是這個設(shè)計也造成了設(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(dāng)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(dāng)中分離出去，而僅以一些零星小點(diǎn)的形式出現(xiàn)，以使目標(biāo)易于區(qū)分。 1.6、目標(biāo)距離測量可以通過三種方法測量目標(biāo)到本船的距

15、離，使用固定距標(biāo)、游標(biāo)和活動距標(biāo)。 通過固定距標(biāo)計算從本船到目標(biāo)之間的固定距標(biāo)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(biāo)距本船最近的點(diǎn)到與它最近的距標(biāo)圈的距離，就可以大概測出本船到目標(biāo)的距離。 通過游標(biāo)按方向鍵移動游標(biāo)使游標(biāo)的十字交叉點(diǎn)與目標(biāo)距本船最近的位置重合，這時目標(biāo)到本船的距離會顯示在屏幕的下方。 通過可變距標(biāo)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(biāo)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(biāo)1，可變距標(biāo)2，會依次出現(xiàn)。2）按【EBL/VRM選擇】鍵使一個可變距標(biāo)圈可以通過方向鍵控制。3）控制方向鍵使可變距標(biāo)圈

16、移動到被測目標(biāo)上。4）在屏幕右下角會看到可變距標(biāo)所處位置的距離數(shù)據(jù)。5）要固定可變距標(biāo)，按【EBL/VRM控制】鍵。要消除可變距標(biāo)，按住【EBL/VRM控制】鍵3秒鐘。1.7、目標(biāo)方位測量有兩種方法可以用來測量目標(biāo)方位，分別是使用游標(biāo)和電子方位線。 使用游標(biāo)通過4個方向鍵操縱游標(biāo)與目標(biāo)中心點(diǎn)重合，這是目標(biāo)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(fù)按此鍵一次顯示電子方位線1，電子方位線2，可變距標(biāo)1，可變距標(biāo)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(biāo)。4）在屏幕左下部分會

17、讀出目標(biāo)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(yù)測雷達(dá)目標(biāo)碰撞和測量兩個目標(biāo)之間的距離和方位。 2、實驗方法與操作（1）將雷達(dá)放置于開闊地面，開機(jī)啟動。（2）顯示“待機(jī)”字樣時，按下【發(fā)射】鍵發(fā)射，這時一些目標(biāo)的回波會出現(xiàn)在顯示屏上。（3）通過旋鈕適當(dāng)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(biāo)清晰可見。（4）按方向鍵移動游標(biāo)使游標(biāo)的十字交叉點(diǎn)與待測目標(biāo)距中心點(diǎn)最近的位置重合，這時目標(biāo)到測試點(diǎn)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(fù)上面

18、的步驟，測量另一個不同方位不同距離的目標(biāo)，通過方向鍵移動游標(biāo)來測量另外兩個目標(biāo)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(jī)”字樣。五、實驗報告內(nèi)容1、實驗用船用導(dǎo)航雷達(dá)系統(tǒng)中發(fā)射機(jī)/接收機(jī)的各個組成部分及其功能。1）、定時器提供系統(tǒng)時間基準(zhǔn)；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(dá)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(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(hù)接收機(jī)；7）環(huán)形器負(fù)責(zé)

19、在收發(fā)公用天線時的收發(fā)信號分離；8）天線負(fù)責(zé)導(dǎo)行波與空間電磁波的轉(zhuǎn)換；9）數(shù)字處理機(jī)負(fù)責(zé)目標(biāo)測距運(yùn)算、目標(biāo)方位運(yùn)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(biāo)位置信息的顯示。2、船用導(dǎo)航雷達(dá)系統(tǒng)目標(biāo)方位、距離確定原理。1）距離確定雷達(dá)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(dá)目標(biāo)的距離，這是在已知雷達(dá)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(dá)波從發(fā)出到從目標(biāo)反射回到天線的時間，就可以計算出船只到目標(biāo)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(dá)目標(biāo)的單程距離的時間。這些都是由雷達(dá)內(nèi)部的算法來自動完成的。2）目標(biāo)方位確定雷達(dá)確定目標(biāo)的方位是通過雷達(dá)天線發(fā)射波束在空間的掃描來實現(xiàn)的。雷達(dá)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(yuǎn)大于副瓣內(nèi)的功率密度，因而主波束內(nèi)目標(biāo)反射的信號強(qiáng)度遠(yuǎn)大于副瓣內(nèi)目標(biāo)反射的信號強(qiáng)度，所以此時雷達(dá)探測到的目標(biāo)信號可以認(rèn)為是來自主