PD雷达脉冲重复间隔最优化选择

摘 要:为了取得最大无模糊距离和最大无模糊速度,脉冲多普勒雷达必须选择合适的一系列脉冲重复间隔值。从理论上探讨了脉冲多普勒雷达最大无模糊距离和最大无模糊速度的制约因素,研究了对脉冲重复间隔进行最优化选择的方法。研究结果表明,对于带宽典型值为3 kHz,脉冲宽度典型值为3 μs的X波段雷达,最佳脉冲重复间隔PRI为31.6 μs。当脉冲重复间隔必须在若干个值之间转换,以便探测目标并消除模糊时,脉冲重复间隔可以近似为该值。

关键词:脉冲多普勒;脉冲重复间隔;动目标指示;雷达

中图分类号:TP95 文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2009)21-035-02

Optimization Choice of Pulse Doppler Radar′s Pulse Repetition Interval

LI Donghai,ZHANG Xinghua

(91 Branch,Navy Unit 91404,Qinhuangdao,066001,China)

Abstract:A series appropriate Pulse Repetition Interval(PRI)must be choosed to gain max non-illegibility distance and max non-illegibility velocity in PD radar.The restrict factors to max non-illegibility distance and max non-illegibility velocity of PD radar are discussed in theory and the method to the optimization choice of Pulse Repetition Interval is researched.The research result indicates that the best PRI is 31.6μs for X band radar of 3 kHz bandwidth,3 μs PW.The best PRI may approximate this value when PRI must be changed between several values to detective target and avoid distance illegibility.

Keywords:pulse doppler;pulse repetition interval;MTI;radar

现代多功能雷达系统在对目标进行探测时,在一次照射中一般使用多个脉冲重复间隔值(Pulse Repetition Interval,PRI)。这是当今脉冲多普勒雷达的一个要求,即在每个相干处理间隔内,脉冲重复间隔保持不变[1]。对于动目标指示雷达(Moving Target Indicating,MTI)设计而言,为了取得最大无模糊距离和最大无模糊速度,必须选择合适的一系列脉冲重复间隔值,而且它们必须在一个处理间隔内完成。这个重复的脉冲序列称为重频参差序列,参差序列的总周期称为稳定和。

1 MTI雷达的最大无模糊距离和速度

动目标指示雷达的工作原理是雷达将一个脉冲重复间隔的回波与下一个脉冲重复间隔的回波在振幅和相位上相减。固定目标具有相同的相位和振幅,因此可以对消。来自动目标的回波通常具有不同的振幅和相位,因此不能对消[2]。在一个固定的脉冲重复间隔中,如果目标移动的距离是雷达半波长的整数倍,第二个回波的相位将比第一个回波相移360°的整数倍,因而回波也被消除。这些速度称为盲速,改变脉冲重复间隔将改变盲速。

脉冲重复间隔序列应选择成能够探测到目标,并且在探测距离和目标速度指标上选择最大无模糊值。雷达的探测距离和脉冲重复间隔成正比,雷达探测到的目标速度与脉冲重复间隔成反比。为了在距离模糊和速度模糊之间权衡,需要使用多个脉冲重复间隔,并且还要使因发射脉冲或发射频谱而遮盖的目标距离和速度变得可见[2]。

对于固定脉冲重复间隔和射频,最大无模糊距离(Ru)和最大无模糊速度(Vu)由以下公式给出[3]:

Ru=c•PRI2

(1)

Vu=c2•RF•PRI

(2)

举例说明:当RF=10 GHz时:

PRI=1 000 μs,Ru=150 km,Vu=15 m/s;

PRI=100 μs,Ru=15 km,Vu=150 m/s;

PRI=10 μs,Ru=1.5 km,Vu=1 500 m/s。

可以看到,脉冲重复间隔变小,无模糊距离变小,无模糊速度变大,无模糊距离和速度的乘积是一个常量。这意味着总的模糊度是固定的,脉冲重复间隔的变化可以提高无模糊距离,却降低了无模糊速度,反之亦然。这个常量可以表示为:

RuVu=c24•RF

(3)

可以看出,降低雷达载频,可以提高此常量值。乘积RuVu可以大到使用低工作频率要求的程度,然而低频会使天线因体积变大而变得不实用。

脉冲重复间隔捷变的另一个原因是,如果雷达至目标的距离是无模糊距离的任意整数倍,则不能接收到正在发射脉冲的返回回波。同样,如果多普勒频移是脉冲重复频率(PRF=1/PRI)的任意整数倍,那么发射频谱和固定杂波的回波将使目标回波变得模糊,因而接收不到来自目标的回波[4]。PD雷达必须选择使雷达在所有感兴趣的距离和速度上都能进行正常探测的脉冲重复间隔序列。

2 高中低脉冲重复频率选择分析

一般来说,雷达可工作于三种脉冲重复频率体制中的一种:低脉冲重复频率、高脉冲重复频率和中脉冲重复频率。以下对三种脉冲重复频率的使用效果进行简要分析:

低脉冲重复频率意味着在发射下一个脉冲之前,在所有感兴趣距离上的目标回波都已返回,前提是距离测量是无模糊的。这种方式通常用于远程搜索雷达和各种简单测距雷达。脉冲重复频率的实际值取决于雷达探测目标的距离,因此对于低脉冲重复频率没有特定的数值。对于典型的低脉冲重复频率设计,脉冲重复频率一般为几百赫兹[5]。对于这种雷达,感兴趣的速度通常产生数倍于脉冲重复频率的多普勒频移,因此具有严重的速度模糊。当然,如果雷达工作频率足够低,那么感兴趣的多普勒频移可以小于脉冲重复频率,可以提供足够大的无模糊速度和距离。

高脉冲重复频率意味着,所有感兴趣速度的目标回波都具有小于脉冲重复频率的多普勒频移,因此速度的测量总是无模糊的[6]。脉冲重复频率的值由射频和感兴趣的速度决定。对于典型的设计,脉冲重复频率可以为几十万赫兹[7]。这通常用于机载雷达,这种雷达根据多普勒滤波从杂波中区分目标。对于大多数感兴趣的距离,回波的延迟时间是脉冲重复间隔的许多倍,因此具有严重的距离测量模糊。

中脉冲重复频率意味着在目标回波返回时,已过去若干个脉冲重复间隔,并且大多数速度的多普勒频移将比脉冲重复频率大好几倍,最终结果往往是距离和速度测量值都是模糊的。

3 PD雷达的PRI最优化选择

一部PD雷达可以具有全部这三种工作模式[8]。如果是高脉冲重复频率,那么不仅距离测量是模糊的,而且回波可能被发射脉冲遮盖。遮盖的距离部分由脉冲宽度与脉冲重复间隔之比给出。即使对距离本身不感兴趣,雷达设计者也必须确保目标不因遮盖而丢失,因此应使用若干个脉冲重复间隔,以便无论距离是多少,至少用其中几种脉冲重复间隔能够探测到目标。速度上未遮盖的那些部分用式(4)表示[9]。

F1=1-PW/PRI

(4)

对于盲速也可以有类似的说明。有若干个带宽(Be)处于数倍脉冲重复频率的中心左右,在该带宽内发射的能量(或地杂波)将使多普勒频移目标回波变得模糊。模糊的速度部分为该带宽与雷达脉冲重复频率之比。距离上未遮盖的那些部分用式(5)表示[2]:

F2=1-Be/PRF

(5)

另外,雷达使用若干种脉冲重复频率,以确保多普勒频移回波在至少几种脉冲重复频率情况下是可见的,这是必要的[10]。为了探测目标,它必须在距离和速度上都是可见的。在任意距离和速度上都可见的目标部分,由速度上未遮盖的那些部分和距离上未遮盖的那些部分之积给出,如下所示:

F=(1-PW/PRI)(1-Be/PRF)

(6)

将PRF=1/PRI代入式(6),F对脉冲重复间隔求微分,有:

F′=d(1-PW/PRI)(1-Be•PRI)/d(PRI)

(7)

设式(7)结果为0,求出最佳脉冲重复间隔等于:

PRI0=(PW/Be)1/2

(8)

X波段上雷达带宽Be的典型值为3 kHz,典型脉冲宽度PW为3 μs,在这种情况下,最佳脉冲重复间隔PRI为31.6 μs,即最佳脉冲重复频率PRF为31.6 kHz。由于脉冲宽度PW是一个标准的电子情报参数,带宽Be可以通过高分辨力的频谱分析仪来估算,所以这个最佳脉冲重复间隔可以通过电子情报分析来估算。

4 结 语

以上分析的是中等脉冲重复频率雷达的典型最优化脉冲重复频率选择。当脉冲重复间隔必须在若干个值之间转换,以便探测目标并消除模糊时,脉冲重复间隔可以近似该值。典型的多模雷达可以在一次探测目标期间使用一组8种脉冲重复间隔。设计这样的脉冲序列的目的是至少可以用8种脉冲重复间隔中的3种探测到目标,而不需考虑目标的距离和速度如何。

参考文献

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作者简介 李东海 男,1975年出生,河北玉田人,工程师。研究方向为雷达对抗。