【正文】 第六講 數(shù)字中頻系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例 電子科技大學(xué)：王洪 ? 二次雷達(dá)天線原理介紹 ? 二次雷達(dá)雷達(dá)方程式介紹 ? 二次雷達(dá)位置測(cè)量原理介紹 ? 二次雷達(dá)收發(fā)射機(jī)基本結(jié)構(gòu)介紹 ? 二次雷達(dá)數(shù)據(jù)錄取和目標(biāo)顯示原理介紹 ? 單脈沖二次雷達(dá) ? 二次雷達(dá)存在的一些問題和相應(yīng)解決方法 ? 典型二次雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)備組成 二次雷達(dá)原理介紹 二次雷達(dá)簡(jiǎn)介 ? 二次雷達(dá)最初的設(shè)計(jì)目的是用于戰(zhàn)時(shí)的敵我識(shí)別。 ? 60年代初 ICAO制定了二次雷達(dá)系統(tǒng)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。1969年提出了單脈沖技術(shù)，但直到 1983年整套系統(tǒng)才真正投入實(shí)際應(yīng)用。 80年代中，國(guó)際民航組織給出了 S模式的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。 ? 二次雷達(dá)的一次目標(biāo)定位通過兩次有源輻射來完成。它能提供目標(biāo)識(shí)別碼，高度，方位，距離等重要參數(shù)。 二次雷達(dá)天線原理介紹 Control Rear Radiator Support Yoke Lifting Eye Radiator 1 of 35 8 m 二次雷達(dá)天線原理介紹 ? 天線的功能是通過建立一個(gè)把能電信號(hào)轉(zhuǎn)變成電磁波的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的，天線通過時(shí)變電流在其周圍產(chǎn)生一個(gè)電磁場(chǎng)來實(shí)現(xiàn)電信號(hào)傳輸，接收天線的工作過程正好相反。在許多場(chǎng)合需要使用方向性圖較尖銳和增益較高的天線，如點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信和雷達(dá)，解決的方法是用某種弱方向性的天線按一定的方式排列起來組成天線陣。 ? 天線陣又稱為陣列天線或離散天線，用以組成天線陣的天線叫做天線元。由于離散陣列天線各單元的間距、激勵(lì)幅度和相位可以進(jìn)行控制以滿足不同的方向性需求，如形成所需的方向圖、實(shí)現(xiàn)掃描或其他的特殊功能，因此得到廣泛應(yīng)用，航管二次雷達(dá)就是采用陣列天線 二次雷達(dá)天線原理介紹 ? 現(xiàn)代二次雷達(dá)天線多采用大口徑垂直天線 LVA（ Large Vertical Aperture Antenna），屬開放式陣列天線結(jié)構(gòu)，陣面的孔徑為 8米 。主要由 35個(gè)架構(gòu)于鋁質(zhì)脊梁上的輻射振子組成，射頻饋線和功率分配網(wǎng)絡(luò)密封于脊梁中，垂直輻射振子之間的寄生輻射柱起機(jī)械支撐和聚焦前向輻射的作用。每一根輻射振子包含了一個(gè)印刷電路板，該印刷電路板上刻了 12個(gè)偶極子以及用于控制發(fā)射和接收信號(hào)的幅度和相位的分配網(wǎng)絡(luò)。這些振子通過匯電環(huán)組件，以中心振子（第18根）為對(duì)稱，兩兩連接。背面輻射柱由 4個(gè)偶極子組成，它與中心振子一起，共同形成控制波束。匯電環(huán)采用微帶線技術(shù)制作的，用于以 1060MHz波長(zhǎng)的 1/4為步進(jìn)進(jìn)行延遲，選擇 1060MHz是因?yàn)樗?030MHz和 1090MHz的中間值。 二次雷達(dá)天線原理介紹 二次雷達(dá)天線原理介紹 ? 振子分為兩組，外圍部分和中置部分。在中置部分，從第 10個(gè)振子到第 26個(gè)振子，以第 18個(gè)振子（中心振子）為對(duì)稱，兩兩使用一個(gè)匯電環(huán)，比如 17和 19使用一個(gè)匯電環(huán)， 16和 20使用一個(gè)匯電環(huán)，一共有 8個(gè)這樣的匯電環(huán)，它們包含于中心分路器中（ Centre Splitter）。中置部分的振子分配了更大部分的功率，主要負(fù)責(zé)和詢問波束的形成。 ? 外圍部分的振子包括左右兩處，分別是 1到 9和 27到 35，它們分別接到兩個(gè)外分路器中（ Outer Splitter），最后通過同一個(gè)匯電環(huán)連接。外圍部分的振子分配的功率比中置部分的振子要小，作用是使得主波束的旁瓣盡可能小，另外還有一個(gè)相對(duì)小點(diǎn)的作用是改善控制波束的形狀。詢問 /和波瓣用于發(fā)射 P P3脈沖，在半功率水平波束寬度為176。 ，峰值增益至少 27dB，旁瓣低于峰值功率 26dB以上。 二次雷達(dá)天線原理介紹 ? 處于中心位置的第 18個(gè)振子用于形成控制波束，它有自己的連接網(wǎng)絡(luò)。控制波束是由裝于天線背面的屏蔽器里的 4個(gè)偶極子和中心垂直輻射振子來產(chǎn)生的。除主瓣方向有一個(gè)迅速的凹陷外，基本成一圓形波束形狀。還有一小部分控制波束能量通過外分路器送到外圍垂直振子，它的相位與主波束的信號(hào)相位相反，作用是使控制波束在主波束方向的凹陷更迅速 。 二次雷達(dá)天線原理介紹 二次雷達(dá)雷達(dá)方程式介紹 ? 雷達(dá)的最基本任務(wù)是探測(cè)目標(biāo)并測(cè)量其坐標(biāo)，作用距離是雷達(dá)的重要性能指標(biāo)，作用距離取決于雷達(dá)本身的性能，其中有發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、天線等分機(jī)的參數(shù)，同時(shí)又和目標(biāo)的性質(zhì)及環(huán)境因素有關(guān)，雷達(dá)方程集中反映了與雷達(dá)探測(cè)距離有關(guān)的因素或環(huán)境特性變化時(shí)相對(duì)距離變化的規(guī)律。和一次雷達(dá)不同，二次雷達(dá)是靠?jī)纱斡性摧椛洌ㄔ儐枡C(jī)和應(yīng)答機(jī)）完成目標(biāo)定位，所以每個(gè)輻射源屬于單程傳輸，同樣的輻射功率，它比一次雷達(dá)作用距離遠(yuǎn)，二次雷達(dá)方程分成上行（詢問）方程和下行（應(yīng)答）方程。 二次雷達(dá)雷達(dá)方程式介紹 ? 上行方程 設(shè)地面詢問機(jī)的發(fā)射功率為 PI，二次雷達(dá)天線的詢問波瓣的增益為GI，則距離地面詢問機(jī)天線斜距 R處的功率密度為： 上述方程應(yīng)考慮到如下的損耗： ? 詢問機(jī)的發(fā)射功率向天線傳輸過程的損耗 L，它主要包括傳輸電纜和旋轉(zhuǎn)鉸鏈的損耗。 ? 天線波束在 3dB點(diǎn)之間假設(shè)為高斯型波束，由于天線增益不同引起的天線調(diào)制損耗 La。 ? 大氣吸收衰減 Lp，大氣的吸收衰減和大氣的密度以及傳播的距離有關(guān)。 paIII LLLRGPS24 ??二次雷達(dá)雷達(dá)方程式介紹 ? 應(yīng)答機(jī)天線截獲功率的有效面積為 At，則應(yīng)答機(jī)天線接收功率 Pt=AtSI，由于 其中 Gt為應(yīng)答機(jī)天線增益， λI為詢問機(jī)工作波長(zhǎng)，于是： 如果將應(yīng)答機(jī)天線傳輸?shù)浇邮諜C(jī)之間的電纜的損耗折合到應(yīng)答機(jī)天線的增益G中去，代表折合的天線增益式為： ??42 GtIAt ?paIII LLLR GPS24??paIIILLLRGtGPPt222)4( ???二次雷達(dá)雷達(dá)方程式介紹 ? 二次雷達(dá)的距離方程為： ? 當(dāng) Pt最小值時(shí)得到作用距離 Rmax，而 Pt最小相當(dāng)應(yīng)答機(jī)接收機(jī)輸入端的最小觸發(fā)電平 ，所以可得： patrtIIILLLPGGPR /4 ?? ??patrtIIILLLPGGPRmin/4m a x ?? ??二次雷達(dá)雷達(dá)方程式介紹 ? 下行方程 同樣分析的方法，可以得到下行方程： Pt為應(yīng)答機(jī)的發(fā)射功率， λt為詢問機(jī)工作波長(zhǎng)，而 PImin詢問接收機(jī)輸入端的最小觸發(fā)電平。 通常應(yīng)當(dāng)保證上行的最大作用距離和下行最大作用距離相匹配，否則當(dāng)上行距離大于下行距離時(shí)，地面站收不到被詢問的應(yīng)答機(jī)的應(yīng)答信號(hào)，但是應(yīng)答機(jī)的回答會(huì)對(duì)它所鄰近的地面站成異步干擾。作為航路監(jiān)視的二次雷達(dá)作用距離約為 200海里，二次雷達(dá)信號(hào)在大氣傳播過程中，由于高度及氣壓不同，傳播的路徑引起折射，使二次雷達(dá)信號(hào)傳播向地面彎曲，以至可以收到遠(yuǎn)距離低于水平面的信號(hào)。 painrtIttLLLPGGPRIm/4m a x ?? ??二次雷達(dá)目標(biāo)位置測(cè)量原理介紹 ? 目標(biāo)距離測(cè)量原理： 測(cè)距物理基礎(chǔ)：目標(biāo)反射 。 等速直線傳播 . 用脈沖測(cè)距法：測(cè)的是斜距離 R. 2R = C △ t 可得 R=C/2 △ t 式中：△ t—— 電波在 RD與目標(biāo)間往返傳播時(shí)間 。 C=3 108 m/s . 通過測(cè)△ t 就能計(jì)算出 R，即 通過測(cè)時(shí)來測(cè)距。實(shí)際在顯示器中，已將 t 與 R作好對(duì)應(yīng)，可直讀距離 .換算關(guān)系： 1μs →150m== →1NM 二次雷達(dá)距離測(cè)量原理介紹 ? 目標(biāo)方位測(cè)量原理： 目標(biāo)方位角指正北到雷達(dá)與目標(biāo)聯(lián)線之夾角。 雷達(dá)方位測(cè)量的物理基礎(chǔ)： ? 直線傳播（微波） ? 天線定向接收與發(fā)射 最大回波法測(cè)角： 當(dāng)天線波束掃過目標(biāo)時(shí)，雷達(dá)回波在時(shí)間順序上從無到有，從小 →大 → 小 → 消失。即天線波束形狀對(duì)雷達(dá)回波幅度進(jìn)行了調(diào)制。 單脈沖二次雷達(dá)方位測(cè)量同時(shí)還使用了 OBA查表修正的方法，故目標(biāo)方位更為精確。 二次雷達(dá)距離測(cè)量原理介紹 ? 雷達(dá)天線是一種定向天線，它在某一瞬間只朝一個(gè)方向發(fā)射電磁波，而且也只接收同一方向上目標(biāo)反射的回波。 所以，天線波束方位 =目標(biāo)方向 . ? 只要保證顯示器上的掃描線與天線旋轉(zhuǎn)同步， 即掃描線方向 =天線方位 即掃描線方位 =回波方位 角度采用度或密位表示 , 其關(guān)系為： 360度 =6000密位 國(guó)外常用角度單位為弧度，度與弧度關(guān)系為： 1弧度 =57度 二次雷達(dá)距離測(cè)量原理介紹 ? 雷達(dá)目標(biāo)速度測(cè)量： 當(dāng)目標(biāo)相對(duì)于 雷達(dá) 運(yùn)動(dòng)后， R不斷變，出現(xiàn) △ fD(回波相對(duì)于發(fā)射 ft 的頻率偏移 )，此時(shí)， 目標(biāo)相對(duì)于 雷達(dá) 的徑向速度為： VR ＝ 1/2* λ* fd 式中 ? VR—— 目標(biāo)與雷達(dá)的相對(duì)（徑向）速度（ m/s） ? λ—— RD工作波長(zhǎng)（ m） ? fd—— 雙程多卜勒頻率（ Hz） 二次雷達(dá)距離測(cè)量原理介紹 ? 目標(biāo)高度測(cè)量原理： 二次雷達(dá)目標(biāo)高度主要是由飛機(jī)通過氣壓等高度測(cè)量手段測(cè)出高度，并通過二次雷達(dá) C模式應(yīng)答碼編碼后發(fā)送回詢問機(jī)而獲得的。 C模式編碼舉例： ALTITUDE A1 A2