雷達(dá)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、船用導(dǎo)航雷達(dá)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)報(bào)告一、實(shí)驗(yàn)?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(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、結(jié)合實(shí)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(shí)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(shí)用船用導(dǎo)航雷達(dá)系統(tǒng)測(cè)試三個(gè)不同方位LI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(shí)雷達(dá)（RADAR）是英文radio detection and rangingv 的縮寫，意思是 “無(wú)線電探測(cè)和測(cè)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(shí)，只能通過(guò)發(fā)出短促汽笛、燈光和敲鐘 的方法，利用回聲傳回

2、的時(shí)間來(lái)大致估算與LI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(guò)汁算電磁波反射回來(lái)所需的時(shí)間來(lái)確定到達(dá)LI 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(shí)現(xiàn)的。 這樣通過(guò)計(jì)算雷達(dá)波從發(fā)出到從LI標(biāo)反射回到天線的時(shí)間，就可以訃算出船只到II 標(biāo)的距離。這個(gè)時(shí)間是往返的時(shí)間，將它除以2才是電磁波從船只到達(dá)LI標(biāo)的單程 距離的時(shí)間。這些都是由雷達(dá)內(nèi)部的算法來(lái)自動(dòng)完成的。雷達(dá)確定LI標(biāo)的方位是通過(guò)雷達(dá)天線發(fā)射波束在空間的掃描來(lái)實(shí)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)LI標(biāo)反射的信號(hào)強(qiáng)度遠(yuǎn)大于副瓣內(nèi)LI標(biāo)反射

3、的信號(hào)強(qiáng)度，所以 此時(shí)雷達(dá)探測(cè)到的LI標(biāo)信號(hào)可以認(rèn)為是來(lái)自主波束內(nèi)LI標(biāo)反射的信號(hào)，且認(rèn)定LI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(gè)忖標(biāo)時(shí)，如果另一個(gè)口標(biāo)恰好處在天線波束 笫一零點(diǎn)方向上，則回波信號(hào)完全來(lái)自天線波束最大方向的那個(gè)LI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/2o例如，當(dāng)天線的FNBW二20時(shí)， 具有10的分辨率，可用來(lái)辨別方位上相距10的兩個(gè)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(dòng)，將天線方位位置信號(hào)實(shí) 時(shí)送入信息處理機(jī)，信息處理機(jī)就知道了 LI標(biāo)回波信號(hào)與LI標(biāo)方位的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在天線發(fā)射信號(hào)經(jīng)標(biāo)反射回到天線這個(gè)時(shí)間段

4、中，天線一直是旋轉(zhuǎn)的，這 樣回波信號(hào)所對(duì)應(yīng)的天線角度將滯后于當(dāng)前天線的實(shí)際角度。為此，信號(hào)處理機(jī)需 根據(jù)天線的旋轉(zhuǎn)速度和已經(jīng)計(jì)算出來(lái)的LI標(biāo)距離對(duì)LI標(biāo)實(shí)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(cè)距原理(1)脈沖測(cè)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，在自山空間中的傳 播速度約等于光速。如果能準(zhǔn)確的測(cè)量出電磁波從發(fā)射到被LI標(biāo)反射回來(lái)所用的時(shí) 間，那么就可以測(cè)量出雷達(dá)與LI標(biāo)之間的距離。假設(shè)電磁波往返傳播時(shí)間為t,傳 播速度為光速C , LI標(biāo)距離為R,則距離可以如下表示：R = Ct2為了提高檢測(cè)性能，雷達(dá)常采用高重PRF信號(hào)，以便在信號(hào)頻域獲得足夠?qū)?的無(wú)雜波區(qū)。當(dāng)

5、脈沖重復(fù)頻率很高時(shí)，對(duì)應(yīng)一個(gè)發(fā)射脈沖產(chǎn)生的回波可能要經(jīng)過(guò)兒 個(gè)周期以后才能被收到，如圖1所示。圖中對(duì)應(yīng)L1標(biāo)的真實(shí)距離是R,而按照常規(guī) 方法讀出的口標(biāo)距離是辰，產(chǎn)生的誤差是：R = n 2仁發(fā)射信號(hào)接收信號(hào)顯示R亠tn n n n .R nnnnnntt圖1測(cè)距模糊示意圖上述這種山于忖標(biāo)回波的延遲時(shí)間可能大于脈沖重復(fù)周期，使收、發(fā)脈沖的 對(duì)應(yīng)關(guān)系發(fā)生混亂，同一距離讀數(shù)可能對(duì)應(yīng)兒個(gè)L1標(biāo)真實(shí)距離的現(xiàn)象叫做測(cè)距模 糊，距離讀數(shù)陽(yáng)叫做模糊距離。（2）距離模糊的解決方法U前，擴(kuò)大測(cè)距和測(cè)速不模糊范圉的基本方法是對(duì)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行某種形式的 調(diào)制，在接收到信號(hào)進(jìn)行解調(diào)時(shí)，通過(guò)運(yùn)算消除模糊，船用導(dǎo)航雷達(dá)常用的

6、調(diào)制方 式是多重脈沖重復(fù)頻率測(cè)距法。多重脈沖重復(fù)頻率測(cè)距法的原理是利用兒種不同的脈沖重復(fù)頻率信號(hào)進(jìn)行測(cè) 距。首先順序用各個(gè)重復(fù)頻率測(cè)出對(duì)應(yīng)的模糊距離，再將這些測(cè)量值加以比較或計(jì) 算處理，最后得到無(wú)模糊的真實(shí)距離。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)距精度高，在雜波附近 的目標(biāo)檢測(cè)能力強(qiáng)。為簡(jiǎn)單起見，下面以兩個(gè)脈沖重復(fù)頻率的悄況為例進(jìn)行討論。若采用3個(gè)或 更多的PRF可以使無(wú)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fl 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。及J11N 1Illi收仁i i11 1 1lllllt f9發(fā)仏rIlli收仏41J1丨

7、llllltT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frl和fr2,它們都不能滿足不模糊測(cè)距的要求。frl和 fr2具有公約頻率，其為frf -fr_ fr2r N一 N + a和為正整數(shù)，常選d二1,使N和N+a為互質(zhì)數(shù)。先根據(jù)發(fā)射機(jī)占空比要求 和最小作用距離要求初步設(shè)定脈寬和一個(gè)距離模糊的fr,雷達(dá)以frl和fr2的重 復(fù)頻率交替發(fā)射脈沖信號(hào)。通過(guò)記憶重合裝置，將不同的fr發(fā)射信號(hào)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(shí)延代表U標(biāo)的真實(shí)距離。JrJ r2nl、n2分別為用frl和仕2測(cè)距時(shí)的模糊數(shù)。當(dāng)&二1時(shí)，nl和n2的關(guān)系

8、可 能有兩種，即nl=n2或nl=n2+l,此時(shí)可算得$ =_，2口2L fn-fr2t +1 fh如果按前式算出tR為負(fù)值，則應(yīng)用后式。3、船用導(dǎo)航靂達(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(hào)參數(shù)指標(biāo)1探測(cè)距離5m15km2方位掃描角0036003測(cè)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)10021dB11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222圈/分鐘4、船用導(dǎo)航雷達(dá)系

9、統(tǒng)的組成與各模塊功能雷達(dá)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)依賴于脈沖的發(fā)射和接收，山定時(shí)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(hào)之間的時(shí)延，并求出LI 標(biāo)距離。船用導(dǎo)航雷達(dá)系統(tǒng)的組成如圖所示。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(shí)器提供系統(tǒng)時(shí)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(hào)；脈沖調(diào)制器將微波載頻連續(xù)波信號(hào)經(jīng)同步脈沖調(diào)制為脈沖調(diào)幅連續(xù)波信 號(hào)；功率放大器將經(jīng)調(diào)幅后的載頻信號(hào)放大至滿足雷達(dá)測(cè)距能力的發(fā)射功率射頻信 號(hào)，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(shí)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)

10、公用天線時(shí)的收 發(fā)信號(hào)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LI標(biāo)反射回波信號(hào)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)字處理機(jī)進(jìn)行測(cè)距 運(yùn)算，同時(shí)提供干擾信號(hào)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)LI標(biāo)測(cè)距運(yùn)算、LI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(tái)驅(qū)動(dòng)信號(hào)生成和轉(zhuǎn)臺(tái)位置信號(hào)的提取及發(fā)送；顯示器完成 目標(biāo)位置信息的顯示。圖4 接收機(jī)鏈路系統(tǒng)框圖四、測(cè)試方法與實(shí)驗(yàn)步驟1、船用導(dǎo)航雷達(dá)基本操作簡(jiǎn)介1. 1開機(jī)和關(guān)機(jī)按【電源】鍵開啟或關(guān)閉雷達(dá)。靂達(dá)開機(jī)后，鍵盤背光燈亮起，同時(shí)屏幕上出現(xiàn)預(yù)熱時(shí)間倒數(shù)，從1： 3

11、0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(huì)出現(xiàn)“待機(jī)”字樣。這是，雷達(dá)處于待機(jī)狀態(tài)隨時(shí)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(shí)一些目標(biāo)的回波會(huì)出現(xiàn)在顯示屏上。1. 3待機(jī)如果暫時(shí)不想使用雷達(dá)，但是在有需要時(shí)乂要馬上啟動(dòng)時(shí)，可以按【發(fā)射】 鍵將雷達(dá)恢復(fù)到待機(jī)狀態(tài)。這時(shí)畫面顯示“待機(jī)”字樣以及其它導(dǎo)航數(shù)據(jù)及符號(hào) 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選擇量程再將量程山小到大調(diào)節(jié)時(shí)，雷達(dá)會(huì)自動(dòng)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(cè)效果。能夠通過(guò)菜單選擇1.5和3海里量程時(shí)的發(fā)射 脈寬，其它的項(xiàng)口則

12、不能通過(guò)手動(dòng)來(lái)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距標(biāo)數(shù)字都隨著你 的動(dòng)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(shí)，選擇較小的量程便 于小LI標(biāo)的發(fā)現(xiàn)及應(yīng)對(duì)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(gè)等級(jí)。按【亮度】鍵選擇亮度 等級(jí)，每按一次升高一級(jí)，到最亮后再按則回到最低亮度，這個(gè)操作是循環(huán)的，默 認(rèn)的亮度是6級(jí)?！驹鲆妗啃o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(hào)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

13、上。如果調(diào)的太小，弱的回 波就會(huì)丟失；如果靈敏度調(diào)的過(guò)大，則會(huì)出現(xiàn)很多的背景噪聲，大LI標(biāo)的回波會(huì)丟 失，因?yàn)楸尘霸肼曔^(guò)多造成與想要的回波無(wú)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?！竞＠艘种啤砍霈F(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(hào)被稱為“海浪干擾”，比較高的頻率和距水面比較高的天線會(huì)擴(kuò)大這種干 擾的范圍。海浪干擾出現(xiàn)在顯示屏上時(shí)是許多小的回波，這可能會(huì)影響雷達(dá)的性 能。當(dāng)海浪干擾出現(xiàn)并掩蓋圖像時(shí)，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(shí)，海浪干擾顯示為很弱的不連續(xù)的小點(diǎn)，而小目標(biāo)

14、的 回波不會(huì)丟失且能夠區(qū)分開來(lái)。如果調(diào)的太小，LI標(biāo)將會(huì)被海浪干擾遮蓋；如果調(diào) 的太高，海浪干擾和LI標(biāo)都將從顯示屏上消失。在大多數(shù)情況下，調(diào)整這個(gè)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】旋鈕到小口標(biāo)能夠辨別而少量海浪干擾依然可見?！居暄┮种啤坷走_(dá)天線的垂直波瓣寬度是設(shè)訃好的，這樣做是為了保證船只 在搖動(dòng)時(shí)仍能保證雷達(dá)波能夠平行海面?zhèn)鞑?。可是這個(gè)設(shè)訃也造成了設(shè)備可能產(chǎn)生 雨雪干擾（雨、雪、雹等），這就需要一些方法來(lái)分辨正常的回波。當(dāng)雨雪干擾遮 蓋回波時(shí)，調(diào)整【雨雪抑制】鍵，這個(gè)調(diào)節(jié)可以識(shí)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(cè)量可以通過(guò)三種方法測(cè)量LI標(biāo)到本船的距離，使用固定距標(biāo)、游標(biāo)和活動(dòng)距 標(biāo)。通過(guò)固定距標(biāo)訃算從本船到H標(biāo)之間的固定距標(biāo)圈數(shù)，再將這個(gè)數(shù)字乘以每圈所代表的距 離，再根據(jù)