连续波多普勒雷达

为取出收发信号频率的差频, 可以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, 即多卜勒频率电压。这时的基准电压通常称为相参(干)电压, 而完成差频比较的检波器称为相干检波器。 相干检波器就是一种相位检波器, 在其输入端除了加基准电压外, 还有需要鉴别其差频率或相对相位的信号电压。

图 8.1(a) ~ (c)画出了连续波多卜勒雷达的原理性组成方框图、获取多卜勒频率的差拍矢量图及各主要点的频谱图。

图8.1　连续波多卜勒雷达原理框图
(a) 组成框图; (b) 多卜勒频率差拍矢量; (c) 频谱图
　

发射机产生频率为的等幅连续波高频振荡, 其中绝大部分能量从发射天线辐射到空间, 很少部分能量耦合到接收机输入端作为基准电压。混合的发射信号和接收信号经过放大后, 在相位检波器输出端取出其差拍电压, 隔除其中直流分量, 得到多卜勒频率信号送到终端指示器。

对于固定目标信号, 由于它和基准信号的相位差=保持常数, 故混合相加的合成电压幅度亦不改变。当回波信号振幅远小于基准信号振幅时, 从矢量图上可求得其合成电压为

(8.1.12)

包络检波器输出正比于合成信号振幅。对于固定目标, 合成矢量不随时间变化, 检波器输出经隔直流后无输出。而运动目标回波与基准电压的相位差随时间按多卜勒频率变化。即回波信号矢量围绕基准信号矢量端点以等角速度旋转, 这时合成矢量的振幅为

经相位检波器取出二电压的差拍, 通过隔直流电容器得到输出的多卜勒频率信号为

(8.1.13)

在检波器中, 还可能产生多种和差组合频率, 可用低通滤波器取出所需要的多卜勒频率送到终端指示(例如频率计), 即可测得目标的径向速度值。

有关连续波雷达测速的详细讨论，可参看8.4节。
　

2. 脉冲工作状态时的多卜勒效应
　

脉冲雷达是最常用的雷达工作方式。当雷达发射脉冲信号时, 和连续发射时一样, 运动目标回波信号中产生一个附加的多卜勒频率分量。所不同的是目标回波仅在脉冲宽度时间内按重复周期出现。

图8.2画出了利用多卜勒效应的脉冲雷达方框图及各主要点的波形图, 图中所示为多卜勒频率小于脉冲宽度倒数的情况。

图8.2　利用多卜勒效应的脉冲雷达
(a) 原理方块图; (b) 主要波形图;(c) A显画面(对消前)
　

和连续波雷达的工作情况相类比: 发射信号按一定的脉冲宽度和重复周期工作。由连续振荡器取出的电压作为接收机相位检波器的基准电压, 基准电压在每一重复周期均和发射信号有相同的起始相位, 因而是相参的。

相位检波器输入端所加电压有两个: 连续的基准电压，=sin(t+), 其频率和起始相位均与发射信号相同; 回波信号, = sin［(t-)+］, 当雷达为脉冲工作时, 回波信号是脉冲电压, 只在信号来到期间即tr≤t≤+时才存在, 其它时间只有基准电压加在相位检波器上。经过检波器的输出信号为

(8.1.14)

式中, 为直流分量, 为连续振荡的基准电压经检波后的输出, 而m cos则代表检波后的信号分量。 在脉冲雷达中, 由于回波信号为按一定重复周期出现的脉冲, 因此, m cos表示相位检波器输出回波信号的包络。图8.3给出了相位检波器输出波形图。 对于固定目标来讲, 相位差是常数,

合成矢量的幅度不变化, 检波后隔去直流分量可得到一串等幅脉冲输出。对运动目标回波而言, 相位差随时间t改变, 其变化情况由目标径向运动速度及雷达工作波长λ决定。

合成矢量为基准电压以及回波信号相加, 经检波及隔去直流分量后得到脉冲信号的包络为

(8.1.15)

即回波脉冲的包络调制频率为多卜勒频率。这相当于连续波工作时的取样状态, 在脉冲工作状态时, 回波信号按脉冲重复周期依次出现, 信号出现时对多卜勒频率取样输出。

脉冲工作时, 相邻重复周期运动目标回波与基准电压之间的相位差是变化的, 其变化量为

图8.3　相位检波器输出波形
　

相邻重复周期延迟时间的变化量Δ=2ΔR/c=2/c是很小的数量, 但当它反映到高频相位上时, Δ=Δ就会产生很灵敏的反应。相参脉冲雷达利用了相邻重复周期回波信号与基准信号之间相位差的变化来检测运动目标回波, 相位检波器将高频的相位差转化为输出信号的幅度变化。脉冲雷达工作时, 单个回波脉冲的中心频率亦有相应的多卜勒频移, 但在<<1/的条件下(这是常遇到的情况), 这个多卜勒频移只使相位检波器输出脉冲的顶部产生畸变。这就表明要检测出多卜勒频率需要多个脉冲信号。 只有当＞1/时, 才有可能利用单个脉冲测出其多卜勒频率。 对于运动目标回波, 其重复周期的微小变化Δ= (2/c) 通常均可忽略。