北京理工大学微波实验报告雷达系统实验大纲.docx
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北京理工大学微波实验报告雷达系统实验大纲
实验四船用导航雷达系统实验
一、实验目的
1、掌握船用导航雷达系统的工作原理和各主要模块的功能；
2、掌握船用导航雷达系统的操作使用方法。
二、实验内容
1、结合实用船用导航雷达系统学习其工作原理和各主要模块的功能；
2、结合实用船用导航雷达系统学习掌握其操作使用方法；
3、应用实用船用导航雷达系统测试三个不同方位目标的距离和方位值。
三、船用导航雷达系统工作原理
1、基本知识
雷达（RADAR）是英文”radiodetectionandranging”的缩写，意思是“无线电探测和测距”。
这一发明被用于第二次世界大战。
在发明雷达前，船只在大雾中航行时，只能通过发出短促汽笛、灯光和敲钟的方法，利用回声传回的时间来大致估算与目标之间的位置从而避免碰撞。
雷达发出的射频电磁波，通过计算电磁波反射回来所需的时间来确定到达目标的距离，这是在已知雷达波传播速度是接近恒定的也就是光速的前提下实现的。
这样通过计算雷达波从发出到从目标反射回到天线的时间，就可以计算出船只到目标的距离。
这个时间是往返的时间，将它除以2才是电磁波从船只到达目标的单程距离的时间。
这些都是由雷达内部的算法来自动完成的。
雷达确定目标的方位是通过雷达天线发射波束在空间的扫描来实现的。
雷达天线发射波束在空间是不均匀分布的，其主波束内的功率密度远大于副瓣内的功率密度，因而主波束内目标反射的信号强度远大于副瓣内目标反射的信号强度，所以此时雷达探测到的目标信号可以认为是来自主波束内目标反射的信号，且认定目标方位处于雷达天线主波束的最大方向上。
当天线波束最大方向瞄准某一个目标时，如果另一个目标恰好处在天线波束第一零点方向上，则回波信号完全来自天线波束最大方向的那个目标。
因此，天线的分辨率为第一零点波束宽度的一半，即FNBW/2。
例如，当天线的FNBW=20时，具有10的分辨率，可用来辨别方位上相距10的两个目标。
船用导航雷达天线是在水平360°方位上匀速转动，将天线方位位置信号实时送入信息处理机，信息处理机就知道了目标回波信号与目标方位的对应关系。
在天线发射信号经目标反射回到天线这个时间段中，天线一直是旋转的，这样回波信号所对应的天线角度将滞后于当前天线的实际角度。
为此，信号处理机需根据天线的旋转速度和已经计算出来的目标距离对目标实际方位角值进行修正。
2、船用导航雷达系统的脉冲测距原理
（1）脉冲测距原理
雷达发射的电磁波在均匀介质中以恒定的速度直线传播，在自由空间中的传播速度约等于光速。
如果能准确的测量出电磁波从发射到被目标反射回来所用的时间，那么就可以测量出雷达与目标之间的距离。
假设电磁波往返传播时间为t，传播速度为光速C，目标距离为R，则距离可以如下表示：
为了提高检测性能，雷达常采用高重PRF信号，以便在信号频域获得足够宽的无杂波区。
当脉冲重复频率很高时，对应一个发射脉冲产生的回波可能要经过几个周期以后才能被收到，如图1所示。
图中对应目标的真实距离是R，而按照常规方法读出的目标距离是Ra，产生的误差是：
图1测距模糊示意图
上述这种由于目标回波的延迟时间可能大于脉冲重复周期，使收、发脉冲的对应关系发生混乱，同一距离读数可能对应几个目标真实距离的现象叫做测距模糊，距离读数Ra叫做模糊距离。
（2）距离模糊的解决方法
目前，扩大测距和测速不模糊范围的基本方法是对发射信号进行某种形式的调制，在接收到信号进行解调时，通过运算消除模糊，船用导航雷达常用的调制方式是多重脉冲重复频率测距法。
多重脉冲重复频率测距法的原理是利用几种不同的脉冲重复频率信号进行测距。
首先顺序用各个重复频率测出对应的模糊距离，再将这些测量值加以比较或计算处理，最后得到无模糊的真实距离。
这种方法的优点是测距精度高，在杂波附近的目标检测能力强。
为简单起见，下面以两个脉冲重复频率的情况为例进行讨论。
若采用3个或更多的PRF可以使无模糊距离的范围进一步扩大。
假设雷达交替地以重复频率f1和f2工作。
记忆比较装置，把两次的发射脉冲与发射脉冲重合，接收脉冲与接收脉冲重合，如图2所示。
图2双重复频率法解距离模糊示意图
设重复频率分别为fr1和fr2，它们都不能满足不模糊测距的要求。
fr1和fr2具有公约频率，其为fr
N和a为正整数，常选a=1，使N和N+a为互质数。
先根据发射机占空比要求和最小作用距离要求初步设定脉宽和一个距离模糊的fr，雷达以fr1和fr2的重复频率交替发射脉冲信号。
通过记忆重合装置，将不同的fr发射信号进行重合，重合后的输出是重复频率fr的脉冲串。
同样也可得到重合后的接收脉冲串，二者之间的时延代表目标的真实距离。
n1、n2分别为用fr1和fr2测距时的模糊数。
当a=1时，n1和n2的关系可能有两种，即n1=n2或n1=n2+1，此时可算得
或
如果按前式算出tR为负值，则应用后式。
3、船用导航雷达系统的系统技术指标
船用导航雷达系统的系统技术指标如表1所示。
表1船用导航雷达系统技术指标
序号
参数
指标
1
探测距离
15m～15km
2
方位扫描角
00～3600
3
测量目标参数
目标距离、方位角
4
距离分辨力
12m
5
方位分辨力
半功率波束角为2度
6
雷达工作频率
3GHz
7
接收机中频
60MHz
8
天线形式
波导缝隙阵
9
极化方式
水平极化
10
副瓣电平
主瓣内100<21dB
11
波束形状
水平波束<40、垂直波束200
12
扫描方式
一维水平扫描
13
扫描周期
22±2圈/分钟
4、船用导航雷达系统的组成与各模块功能
雷达系统功能的实现依赖于脉冲的发射和接收，由定时器确定发射脉冲和接收脉冲之间的关系，据此确定发射脉冲与接收到的回波信号之间的时延，并求出目标距离。
船用导航雷达系统的组成如图所示。
图3 船用导航雷达系统组成
系统中各模块功能如下：
定时器提供系统时间基准；脉冲源产生同步脉冲；频率源产生微波载频连续波信号；脉冲调制器将微波载频连续波信号经同步脉冲调制为脉冲调幅连续波信号；功率放大器将经调幅后的载频信号放大至满足雷达测距能力的发射功率射频信号，发射支路的T/R开关与接收支路的T/R开关在同步脉冲控制下保证发射时不接收，保证收发支路的隔离度，以便保护接收机；环形器负责在收发公用天线时的收发信号分离；天线负责导行波与空间电磁波的转换；接收机将目标反射回波信号进行放大、下变频、中频滤波、中频放大、检波、A/D后提供给数字处理机进行测距运算，同时提供干扰信号的限幅保护，其链路系统框图如图4所示；数字处理机负责目标测距运算、目标方位运算和系统中央控制及显示控制；天线伺服系统在系统中央控制下完成天线转台驱动信号生成和转台位置信号的提取及发送；显示器完成目标位置信息的显示。
图4 接收机链路系统框图
四、测试方法与实验步骤
1、船用导航雷达基本操作简介
1.1开机和关机
按【电源】键开启或关闭雷达。
雷达开机后，键盘背光灯亮起，同时屏幕上出现预热时间倒数，从1：
30到0:
01为止。
1.2发射
开机并预热完成后，显示屏上会出现“待机”字样。
这是，雷达处于待机状态随时可以使用，但是没有雷达波发出。
按【发射】键发射，这时一些目标的回波会出现在显示屏上。
1.3待机
如果暂时不想使用雷达，但是在有需要时又要马上启动时，可以按【发射】键将雷达恢复到待机状态。
这时画面显示“待机”字样以及其它导航数据及符号等，但是天线不转也没有发射电波。
屏幕上显示“待机”导航数据或根据彩带设置进入省电模式。
1.4选择量程
再将量程由小到大调节时，雷达会自动选择固定距标量程、发射脉宽和脉冲重复频率，以取得最佳的探测效果。
能够通过菜单选择1.5和3海里量程时的发射脉宽，其它的项目则不能通过手动来进行选择，这些数字显示在画面的左上角。
选择量程按【-量程+】键。
画面左下角的量程书和固定距标数字都随着你的动作增加或减少。
当船只航行于较窄的水域或繁忙的港口时，选择较小的量程便于小目标的发现及应对紧急情况；在开阔水域应选择较大量程以便在较远的距离提早发现航路上面的障碍。
1.5参数调整
【亮度】键用于调整回波显示亮度，共有8个等级。
按【亮度】键选择亮度等级，每按一次升高一级，到最亮后再按则回到最低亮度，这个操作是循环的，默认的亮度是6级。
【增益】旋钮用于调整接收灵敏度，它的用法和广播收音机的音量控制是一样的，用于扩大信号的接收。
正确的调整方法是刚好有背景噪声出现在显示屏上。
如果调的太小，弱的回波就会丢失；如果灵敏度调的过大，则会出现很多的背景噪声，大目标的回波会丢失，因为背景噪声过多造成与想要的回波无法区分。
要调整灵敏度，先将量程选择到远量程（6海里以上），然后调【增益】旋钮到刚好有背景噪声出现在显示屏上。
【海浪抑制】出现在显示中心部分的杂乱回波是很麻烦的，造成这一现象的干扰信号被称为“海浪干扰”，比较高的频率和距水面比较高的天线会扩大这种干扰的范围。
海浪干扰出现在显示屏上时是许多小的回波，这可能会影响雷达的性能。
当海浪干扰出现并掩盖图像时，调整【海浪抑制】旋钮可以减少海浪干扰。
正确的设置海浪抑制时，海浪干扰显示为很弱的不连续的小点，而小目标的回波不会丢失且能够区分开来。
如果调的太小，目标将会被海浪干扰遮盖；如果调的太高，海浪干扰和目标都将从显示屏上消失。
在大多数情况下，调整这个旋钮到下风向的海浪干扰消失，而逆风向的海浪干扰刚好有细微的显示是最好的。
1）确定灵敏度调整正确，并且发射在近量程。
2）调整【海浪抑制】旋钮到小目标能够辨别而少量海浪干扰依然可见。
【雨雪抑制】雷达天线的垂直波瓣宽度是设计好的，这样做是为了保证船只在摇动时仍能保证雷达波能够平行海面传播。
可是这个设计也造成了设备可能产生雨雪干扰（雨、雪、雹等），这就需要一些方法来分辨正常的回波。
当雨雪干扰遮盖回波时，调整【雨雪抑制】键，这个调节可以识别雨雪干扰，并将它们从回波当中分离出去，而仅以一些零星小点的形式出现，以使目标易于区分。
1.6、目标距离测量
可以通过三种方法测量目标到本船的距离，使用固定距标、游标和活动距标。
●通过固定距标
计算从本船到目标之间的固定距标圈数，再将这个数字乘以每圈所代表的距离，再根据目测估算目标距本船最近的点到与它最近的距标圈的距离，就可以大概测出本船到目标的距离。
●通过游标
按方向键移动游标使游标的十字交叉点与目标距本船最近的位置重合，这时目标到本船的距离会显示在屏幕的下方。
●通过可变距标
1）按【EBL/VRM选择】键，到屏幕右下角显示一个周围有虚线的可变距标出现，再按【EBL/VRM选择】键选择电子方位线1，电子方位线2，可变距标1，可变距标2，会依次出现。
2）按【EBL/VRM选择】键使一个可变距标圈可以通过方向键控制。
3）控制方向键使可变距标圈移动到被测目标上。
4）在屏幕右下角会看到可变距标所处位置的距离数据。
5）要固定可变距标，按【EBL/VRM控制】键。
要消除可变距标，按住【EBL/VRM控制】键3秒钟。
1.7、目标方位测量
有两种方法可以用来测量目标方位，分别是使用游标和电子方位线。
●使用游标
通过4个方向键操纵游标与目标中心点重合，这是目标方位会出现在画面左下角。
●通过电子方位线
1）按【EBL/VRM选择】键选择一个电子方位线（显示在屏幕的左下角）。
重复按此键一次显示电子方位线1，电子方位线2，可变距标1，可变距标2。
2）按【EBL/VRM控制】键使电子方位线被方向键控制。
3）使用方向键使电子方位线通过目标。
4）在屏幕左下部分会读出目标的方位。
5）要固定方位线，按【EBL/VRM控制】键。
要消除电子方位线，按住【EBL/VRM控制】键3秒钟。
——使用电子方位线偏置
电子方位线偏置提供两个功能：
预测雷达目标碰撞和测量两个目标之间的距离和方位。
2、实验方法与操作
（1）将雷达放置于开阔地面，开机启动。
（2）显示“待机”字样时，按下【发射】键发射，这时一些目标的回波会出现在显示屏上。
（3）通过旋钮适当调节雨雪抑制、海浪抑制和增益，使得显示屏上的一些目标清晰可见。
（4）按方向键移动游标使游标的十字交叉点与待测目标距中心点最近的位置重合，这时目标到测试点的距离和方位信息会显示在屏幕的下方。
（5）读取这些值并做记录。
（6）重复上面的步骤，测量另一个不同方位不同距离的目标，通过方向键移动游标来测量另外两个目标的距离方位信息。
（7）测量完毕，再次按下【发射】键等屏幕显示“待机”字样。
五、实验结果
方位（度）
距离（公里）
目标对应的建筑物
1
27.5
0.373
理工科技大厦
2
346
0.529
天作大厦
3
54.6
0.106
理工大学10号教学楼
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