雷达信号频率的测量

第2章雷达信号频率的测量第2章雷达信号频率的测量2.1概述2.2频率搜索接收机2.3比相法瞬时测频接收机2.4信道化接收机2.5压缩接收机2.6声光接收机第2章雷达信号频率的测量2.1概述2.1.1雷达信号频率测量的重要性雷达侦察系统的使命在于确定敌方雷达的存在与否,并测定其各种特征参数。在雷达的各种特征参数中,频域参数是最重要的参数之一,它反映了雷达的功能和用途,雷达的频率捷变范围和谱宽是度量雷达抗干扰能力的重要指标。第2章雷达信号频率的测量在现代电磁环境下,为了有效干扰,必须首先对信号进行分选和威胁识别,雷达的频率信息是信号分选和威胁识别的重要参数之一。雷达的频域参数包括载波频率、频谱和多普勒频率等。本章只讨论对雷达信号载波频率的测量。第2章雷达信号频率的测量2.1.2测频系统的主要技术指标1.测频时间测频时间是接收机从截获信号到输出测频结果所用的时间。对侦察接收机来说,一般要求瞬时测频(IFM)。对于脉冲信号来说,应在脉冲持续时间内完成测频任务,输出频率测量值fRF。为了实现这个目标,首先必须有宽的瞬时频带,如一个倍频程,甚至几个倍频程;其次要有高的处理速度,应采用快速信号处理。第2章雷达信号频率的测量测频时间直接影响到侦察系统的截获概率和截获时间。截获概率是指在给定的时间内正确地发现和识别给定信号的概率。截获概率既与辐射源特性有关,也与电子侦察系统的性能有关。如果在任一时刻接收空间都能与信号空间完全匹配,并能实时处理,就能获得全概率,即截获概率为1,这种接收机是理想的电子侦察接收机。实际的侦察接收机的截获概率均小于1。第2章雷达信号频率的测量频域的截获概率,即通常所说的频率搜索概率。对于脉冲雷达信号来说,根据给定时间不同,可定义为单个脉冲搜索概率、脉冲群搜索概率以及在某一给定的搜索时间内的搜索概率。单个脉冲的频率搜索概率为121rIFfPff(2―1)第2章雷达信号频率的测量式中,Δfr为测频接收机的瞬时带宽;f2-f1为测频范围,即侦察频段。譬如Δfr=5MHz,f2-f1=1GHz,则PIF1=5×10-3,可见是很低的。若能在测频范围内实现瞬时测频,即Δfr=f2-f1,于是PIF1=1。第2章雷达信号频率的测量截获时间是指达到给定截获概率所需要的时间。它也与辐射源特性及侦察系统的性能有关。对于脉冲雷达信号来说,在满足侦察基本条件的情况下，若采用非搜索的瞬时测频,单个脉冲的截获时间tIF1≤Tr+tth(2―2)式中,Tr为脉冲重复周期;tth为电子侦察系统的通过时间,即信号从接收天线进入到终端设备输出所需要的时间。第2章雷达信号频率的测量2.测频范围、瞬时带宽、频率分辨力和测频精度测频范围是指测频系统最大可测的雷达信号频率范围;瞬时带宽是指测频系统在任一瞬间可以测量的雷达信号频率范围;频率分辨力是测频系统所能分开的两个同时到达信号的最小频率差。宽开式晶体视频接收机的瞬时带宽与测频范围相等,因此对单个脉冲的频率截获概率为1,可是频率分辨力却很低。而窄带扫频超外差接收机,瞬时带宽很窄,其频率分辨力等于瞬时带宽,对单个脉冲截获概率虽很低,但其频率分辨力却很高。第2章雷达信号频率的测量可见,传统的测频接收机在频率截获概率和频率分辨力之间存在着矛盾。目前,信号环境中的信号日益密集、频率跳变的速度与范围越来越大,这就迫切要求研制新型的测频接收机,使之既在频域上宽开,截获概率高,又要保持较高的分辨力。测频误差是指测量得到的信号频率值与信号频率的真值之差,常用均值和方差来衡量测频误差的大小。按起因,可将测频误差分为两类:系统误差和随机误差。系统误差是由测频系统元器件局限性等因素引起的,它通常反映在测频误差的均值上,通过校正可以减小;随机误差是噪声等随机因素引起的,它通常反映在测频误差的方差上,第2章雷达信号频率的测量可以通过多次测量取平均值等统计方法减小。一般,把测频误差的均方根误差称为测频精度,测频误差越小,测频精度越高。对于传统的测频接收机,最大测频误差主要由瞬时频带Δfr决定,即max12rff(2―3)可见,瞬时带宽越宽,测频精度越低。对于超外差接收机来说,它的测频误差还与本振频率的稳定度、调谐特性的线性度以及调谐频率的滞后量等因素有关。第2章雷达信号频率的测量3.测频的信号形式现代雷达的信号种类很多,可分为两大类:脉冲信号和连续波信号。在脉冲信号中,有常规的低工作比的脉冲信号、高工作比的脉冲多普勒信号、重频抖动信号、各种编码信号以及各种扩谱信号;强信号频谱的旁瓣往往遮盖弱信号,引起频率测量模糊,使频率分辨力降低。对于扩谱信号,特别是宽脉冲线性调频信号的频率测量和频谱分析,不仅传统测频接收机无能为力,而且有些新的测频接收机也有困难,这有待于新型的数字化接收机来解决。第2章雷达信号频率的测量允许的最小脉冲宽度τmin要尽量窄。被测信号的脉冲宽度上限通常对测频性能影响不大,而脉冲宽度的下限往往限制测频性能。脉冲宽度越窄,频谱越宽,频率模糊问题越严重,截获概率和输出信噪比越小。第2章雷达信号频率的测量4.同时到达信号的分离能力对于脉冲信号来说,两个以上的脉冲前沿严格对准的概率是很小的,因而理想的同时到达信号是没有实际意义的。这里所说的同时到达信号是指两个脉冲的前沿时差Δt10ns或10nsΔt120ns,称前者为第一类同时到达信号。后者为第二类同时到达信号。由于信号环境的日益密集,两个以上信号在时域上重叠概率日益增大,这就要求测频接收机能对同时到达信号的频率进行分别精确测量,而且不得丢失其中弱信号。第2章雷达信号频率的测量5.灵敏度和动态范围灵敏度是测频接收机检测弱信号能力的象征。正确地发现信号是测量信号频率的前提,要精确地测频,特别是数字式精确测频,被测信号必须比较干净,即有足够高的信噪比。如果接收机检波前的增益足够高,则灵敏度是由接收机前端器件的噪声电平确定的,通常称之为噪声限制灵敏度。如果检波器前的增益不够高,则检波器和视放的噪声对接收机输出端的信噪比影响较大,这时接收机的灵敏度称为增益限制灵敏度。第2章雷达信号频率的测量测频接收机的动态范围是指在保证精确测频条件下输入信号功率的变化范围。在测频接收机中,被测信号的功率变化会影响测频精度,信号过强会使测频精度下降,过弱则被测信号信噪比低,也会使测频精度降低。我们把这种强信号输入功率和弱信号输入功率之比称为噪声限制动态范围。如果在强信号的作用下,测频接收机内部所产生的寄生信号遮盖了同时到达的弱信号,这就会妨碍对弱信号的测频。这时,强信号输出功率与寄生信号的输出功率之比称为瞬时动态范围。它的数值的大小,第2章雷达信号频率的测量也是测频接收机处理同时到达信号能力的一种量度。除上述主要指标外,还有可靠性、设备量以及成本等。在实际工作中,上述各项指标可能彼此矛盾,必须根据战术要求统筹考虑解决。在ESM系统中,着重强调测频的实时性以及截获概率和频率分辨力;而在ELINT系统中却着重强调测频精度、测频范围和对多种信号的处理能力。第2章雷达信号频率的测量2.1.3现代测频技术分类由于信号频率的测量是在侦察接收机的前端进行的,被测信号与各种干扰混叠在一起,故测频是信号的一种预处理。在雷达系统中,雷达接收机可以采用匹配滤波器对回波信号进行预处理,把有用信号和干扰分开。而在电子对抗系统中,侦察接收机接受的各种信号彼此差别很大,对它们的先验知识往往很少,难以采用类似雷达中的匹配滤波。尽管如此,侦察接收机为了在频域中把各种信号从干扰中分离出来,也必须采用匹配滤波。第2章雷达信号频率的测量因此,测频接收机虽然千差万别,但归根结底来说,它们都是宽频域滤波器。若能把各种模拟、数字信号处理技术与传统的侦察接收机融为一体,就能研制出各种新型的测频接收机。现代测频技术分类如图2―1所示。第2章雷达信号频率的测量图2―1现代测频技术分类第2章雷达信号频率的测量从图上可以看出，一类测频技术是直接在频域进行的，叫频域取样法，其中包括搜索频率窗和毗邻频率窗。搜索频率窗为搜索法测频，是通过接收机的频带扫描，连续对频域进行取样的，是一种顺序测频。其主要优点是：原理简单，技术成熟，设备紧凑。其严重缺点是频率截获率和频率分辨力的矛盾难以解决。毗邻频率窗为非搜索法测频，较好地解决了截获概率和频率分辨力的矛盾,但为了获得足够高的频率分辨力,须增加信道路数。现代集成技术的发展使信道化接收机得到了迅速推广并具有较好的前景。第2章雷达信号频率的测量第二类测频技术不是直接在频域进行的,其中包括相关/卷积器和傅立叶变换。这些方法的共同特点是:既能获得宽瞬时带宽,实现高截获概率,又能获得高频率分辨力,较好地解决了截获概率和频率分辨力之间的矛盾。由于对信号的载波频率的测量是在包络检波器之前进行的,这就对器件的工作频率和运算速度提出了苛刻要求。这类接收机主要包括用Chirp变换处理机构成的压缩接收机;用声光互作用原理和空间傅立叶变换处理机构成的声光接收机,它们不仅解决了截获概率和频率分辨力之间的矛盾,而且对同时到达信号的分离能力很强。第2章雷达信号频率的测量在时域利用相关器或卷积器也可以构成测频接收机。其中利用微波相关器构成的瞬时测频接收机,成功地解决了瞬时测频范围和测频精度之间的矛盾,使得传统的测频接收机大为逊色。由于能够单脉冲测频,故称为瞬时测频接收机。第2章雷达信号频率的测量随着超高速大规模集成电路的发展,数字式接收机已经成为可能。它通过对射频信号的直接或间接采样,将模拟信号转变成数字信号,实现信号的存贮和再现,能够充分利用数字信号处理的优点,尽可能多地提取信号的信息。比如，利用FFT算法组成的数字式快速傅立叶变换处理机构成高性能测频接收机,不仅能解决截获概率和频率分辨力之间的矛盾,对同时到达信号的滤波性能也很强,而且测频精度很高,使用灵活。第2章雷达信号频率的测量2.2频率搜索接收机2.2.1搜索式超外差接收机搜索式超外差接收机的基本组成如图2―2所示。微波预选器从密集的信号环境中选出一定通带内的雷达信号送入混频器,与本振电压差拍变为中频信号;再经过中放、检波器和视放,送给处理器;最后通过改变本振频率实现频率搜索。在搜索过程中,为了始终保持需要的信号频率fR和本振频率fL差一个中频fi,预选器必须和本振统调。第2章雷达信号频率的测量由于中频频率比射频频率低,可以得到良好的选择性和很高的放大量,因此,它的灵敏度高、选择性好;同时,由于中频信号完整地保存了射频信号的频率和相位信息,幅度失真小,能检测宽脉冲线性调频信号和相位编码信号,且便于实现,所以超外差接收机广泛用于频域测量等场合。其主要缺点是:存在寄生信道干扰,比晶体视频接收机复杂,窄带搜索式超外差接收机搜索时间长,对短时间出现的信号频率截获概率低。第2章雷达信号频率的测量图2―2搜索式超外差接收机原理图第2章雷达信号频率的测量1.寄生信道干扰及其消除方法在混频器中,不仅有主信道,还有很多寄生信道,可能造成测频错误。通常称这种干扰为混频器的寄生信道干扰,或混频器组合干扰。如果在混频器的输入端同时加入信号fR和本振信号fL,由于混频器的非线性作用,在输出端可能有许多频率的信号。产生中频信号fi时,其一般关系为fi=mfL+nfR(2―4)第2章雷达信号频率的测量其中m、n为任意整数。在一般情况下,输入射频信号电平比本振电平低得多,所以只考虑其基波分量,即:n=±1;由于本振高次谐波远离中频信号,其作用甚微,故也只考虑m=±1的情况。图2―3为主信道与镜像信道的关系图。设m=1,n=-1时的情况为主信道,即有用信号为fS=fR=fL-fi则m=-1,n=1时的情况为镜像干扰信道,即镜频为fm=fR=fL+fi第2章雷达信号频率的测量图2―3主信道与镜像信道的关系图第2章雷达信号频率的测量在接收机中,通常用镜像抑制比dms来衡量混频器对镜像信道干扰的抑制能力,其定义是:保持输入射频信号幅度不变,主信道输出的信号功率Pso与镜像信道输出的干扰功率Pmo之比称为镜像抑制比,即somsnoPdP(2―5)dms也可以定义为:保持输出幅度不变,镜像信道的输入功