雷达课堂 (第5讲) 雷达的时间参数

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一、引言

感谢大家前来捧场，我是调皮哥，我希望自己能够坚持把【雷达课堂】这个专题做得越来越完美，让点进来的读者一定要带着收获出去，不然就是纯属浪费大家的宝贵时间。今天是【雷达课堂】 (第5讲) 雷达的时间参数，继续以脉冲雷达为例往下讨论。

二、脉冲重复频率

1.脉冲重复频率

雷达系统的脉冲重复频率（PRF）是指每秒传输的脉冲个数。关于这个定义，其实我们不太常用每秒传输多少个脉冲的思维去理解脉冲重复频率，而是更直接喜欢用脉冲重复周期的倒数去思考，当然，频率的定义的根源就是时间的倒数。

雷达系统在发射时间内以载波频率（或脉冲宽度PW，pluse width）发射每个脉冲信号，在接收或死区时间等待返回的回波信号，然后继续发射下一个脉冲，如图所示。

调皮哥的雷达笔记：关于载波的概念理解，部分从计算机、自动控制等非电子信息专业科班出身的同学，可能有一些困惑，不太明白雷达的信号是如何调制并发射出去的。首先，我们需要了解载波和基带信号（信号），如下图所示（调频波）。

信号本身代表信息的载体，信号必须加载在载波上才能被发射出去，载波相当于一个“运输者”，故而被称为“载”。至于为什么要这样？因为其作用包括：

（1）减小传输中的噪声2）频分复用，即同一频率之间同一信道传输多路信号而不混叠；（3）可传播更远距离，有利于接收等。

至于为什么载波就能减少传输中的噪声，传播更远的距离，有利于接收呢？主要有下面两个原因：

（1）由于要传输的信息基本上都属于低频范围，如果将此低频信号直接发射出去，需要的发射和接收天线尺寸太大，辐射效率太低，不易实现。

（2）如果要传输多个信息而不进行调制，那么它们在空中就会混在一起，相互干扰，接收端就无法将这些信息选择区分开来。若将不同的信息调制到不同但能区分开的高频载波上，就可以实现多路复用，提高频带的利用率。

我想这样基本上可以解释清楚上面的问题了，研究问题就要打破砂锅问到底，物理上打破砂锅问到底的问题诸如：“组成物质的基本单元是什么”？生物学上则为：“人类的起源”？好了，不扯远了，更多关于载波的深层次问题可以阅读“射频”相关的书籍。

一个脉冲开始到下一个脉冲开始之间的时间称为脉冲重复时间（PRT），也叫做脉冲重复周期，等于PRF的倒数，如下所示。 

关于这个公式其实大家都知道，但是里面还有一些细节问题，希望大家能够把握住。无论是脉冲雷达还是FMCW雷达，脉冲重复周期都是比较重要的问题，因为会涉及到雷达的参数指标以及波形的设计。

2.接收时间

通常，接收时间是发射机相邻两个发射脉冲之间的时间，但严格地说起来，并不是完全如此。

接收时间始终小于脉冲重复周期与发射机相邻两个脉冲长度之间的差值，因为也受到所谓的死区时间的限制，在该时间中，接收机在下一个发射脉冲之前已经关闭，因此真实的接收时间是脉冲重复时间减去死区时间。

在某些雷达中，双工器的恢复时间很短，当双工器必须关闭接收器对高发射功率的响应时，就会产生恢复时间。在非常低的发射功率下，也可以在发射脉冲期间接收，这里的接收时间可以包括发射时间在内。

在民用雷达里，大多数都采用FMCW体制雷达，集成式的单芯片雷达也是未来民用消费类智能雷达的发展方向，因此“双工器”这种器件，我们可能会越来越用不到。

3.死区时间

如果接收时间在下一个发射脉冲之前结束，则剩下的是死区时间。

通常，现代雷达在死区期间进行系统控制。例如，使用相控阵天线的雷达就迫切需要这样的死区时间，重新编程天线的移相器，以便为天线波束的下一个方向准备天线，这可能需要长达200us的时间，就是为什么与接收时间相比，死区时间需要更多的原因。在死区时间内，接收机已经关闭，在重新编程期间，天线无法提供接收的信号。

死区时间可以用于在接收路径的模块中执行内部测试程序，这样做是为了验证某些电子电路的运行就绪性，并在必要时进行调整。在此期间，在任何情况下都无法处理任何真实数据。为此，我们可以用已知大小的信号馈送到接收路径中，并监控它们在各个模块中的处理。但终端的视频处理器会阻止这些脉冲信号的处理结果，以便它们不会出现在屏幕上。如果测试结果有必要，可以自动重新配置模块，并且可以编写详细的错误消息。

上述这段的话意思，大概是我们可以利用死区时间进行一些配置和自检，以便于雷达按照我们的想法进行工作。

4.突发模式

死区时间的分布不需要十分均匀。

突发模式可以快速连续地连续发送多个脉冲，每个脉冲在死区时间出现之前都有很短的接收时间。例如，如果几个脉冲周期朝同一方向定向（如脉冲对处理和移动目标检测），则可以不需要死区时间，这对雷达的时间预算具有很大的优势。

在较短的PRT时间里，信号发生器的相位角很难发生随机的变化，因此雷达在距离估计上会更加准确。同时，短时间内的脉冲重复频率越高，速度不模糊测量越好（参见多普勒模糊度原理）。

突发模式主要用于教学雷达，这些雷达在教室内极短的距离内不需要很长的接收时间。但它们需要更长的死区时间才能通过相对窄带的串行电缆将回波信号的数据传输到计算机。

例如，每秒仅传输10个脉冲相当于10 Hz的平均脉冲重复频率，这10个脉冲在200us内发射。用于计算对应于50 kHz脉冲重复频率的明确多普勒频率，死区时间几乎是整整1秒。在此期间，数据通过USB传输，采样率高达280 Mbit/s。

民用毫米波教学雷达其实是一个非常有教育意义的研究课题，目前国内对于这个方面的研究还没有一个很好的产品提供给雷达初学者进行学习。希望在未来，我们能够具备一个非常友好的民用毫米波教学雷达，支持实时显示、原始数据读取与灌输、算法模块化、界面友好可交互、具备丰富的演示实验。

三、占空比

1.峰值功率和平均功率

由于发射机连续运行，因此可以很容易地计算出连续波雷达传输的能量。

但是，脉冲雷达发射机打开和关闭的，为每个脉冲提供距离定时信息。该波形中的能量很重要，因为最大检测距离与发射机输出功率直接相关。雷达系统传输的能量越多，目标探测距离就越大。

脉冲的能量等于脉冲的峰值（最大）功率水平乘以脉冲宽度。然而，用于测量雷达系统中功率的仪器需要在比脉冲宽度更长的时间段内计算，脉冲重复时间包含在发射机的功率计算中，因此在一段时间内测量的功率称为平均功率。

2.占空比

下列公式中脉冲宽度（τ）和脉冲重复频率（PRF）作为脉冲周期（Τ）的倒数的乘积称为雷达系统的占空比，占空比是系统处于“活动”状态的时间分数。其中，   

占空比特别用于以下情况：

（1）占空比是组件，设备或系统运行的时间比例。

假设发射器运行 1us，关闭 99 us，然后再次运行 1us，以此类推。发射器的运行时间为100us中的1us，即时间的1/100，因此其占空比为1/100，即1%。

（2）占空比用于计算雷达系统的峰值功率和平均功率。

四、每次扫描的驻留时间和命中数

脉冲雷达中的大多数过程都是瞬态的，我们采用驻留时间和每次扫描的命中数来描述这种时间的依赖性。

1.驻留时间

天线波束在目标上花费的时间称为驻留时间   ，二维搜索雷达的驻留时间主要取决于

（1）天线水平波束宽度  ；

（2）天线的旋转速度 n（每分钟旋转一次，下面公式的60是60秒）。

驻留时间可使用以下等式计算： 

 2.每次扫描的命中次数

每次扫描的命中次数m表示在每次天线旋转期间每个目标接收到多少回波信号。

例如，命中数代表带有旋转天线的搜索雷达用于每个天线旋转时单个目标的接收到的回波脉冲数，而驻留时间   和脉冲重复时间 PRT 决定了每次扫描的命中次数。

为了足够准确地评估雷达系统中的目标位置，需要设置从1到20的命中次数（设置依据取决于雷达系统的工作原理），每次扫描的命中次数越多，角度测量就越准确，MTI的性能越好。

对于雷达的模拟显示器，屏幕上目标字符的大小和亮度也取决于目标每次扫描收到的命中次数。目标的精确方位角的测量仍然在这里定义在屏幕上的光点的中心（距离是在此光点的前边缘测量的)。

许多雷达在雷达信号处理中使用脉冲积累来区分目标信号与噪声和干扰脉冲，如果每次扫描的命中次数太少，由于存在干扰，我们可以通过增加的阈值的方法来抑制。具有单脉冲天线的雷达只需要一个脉冲即可进行精确的方位角测量。然而，单脉冲雷达通常还需要两个、三个或更多脉冲来检测运动目标。

五、脉冲雷达的时间参数

雷达的参数，如每分钟天线旋转次数、驻留时间、最大不模糊距离、脉冲重复频率（PRF）、每个目标的最大命中次数是密切相关的。其他的雷达特性，如距离和方位角分辨率、盲速等，都可以从这些基本的时序考虑中得出。

ATC（空中管制雷达）作为传统雷达，即不使用单脉冲技术的雷达，需要不到5秒的数据更新时间，这限制了接收时间和最大不模糊距离，如下所示：

由于这种监视雷达中的雷达处理仍然是实时的（具有相对较低但恒定的延迟），因此数据更新时间取决于天线的旋转时间。为了在5秒后以相同的方位角进行定向，以便雷达可以再次测量坐标，天线必须至少每分钟转动12次。

驻留时间，即天线波束在目标上花费的时间，主要取决于水平波束宽度的天线和天线的旋转速度。

我们假设一个设计良好的抛物面天线的波束宽度为1.6度，那么360度对应360°/1.6°=225个不同的方向，5秒除以225得到5 s / 225 = 22.22毫秒的驻留时间。

每次扫描需要给定的命中次数，作为雷达的参数是十分有必要的，因为可以通过积累不同脉冲周期的信号（参见脉冲积累原理），以便更好地将信号与噪声区分开，以及测量准确的角度。

假设，每次扫描需要20次命中次数，则最大脉冲周期需要1毫秒的时间。

假设，接收时间小于1毫秒，ATC雷达的最大不模糊距离小于150公里。如果雷达在雷达信号处理中使用参差脉冲重复频率来避免盲速，则最小周期给出了距离估计的基础。

因此，我们必须以大约0.8 ms的周期进行计算。因此，给定ATC雷达的最大不模糊距离为120公里。

所以我们可以看到，雷达的时间调度非常重要！此后在设计雷达系统时必须严格考虑时间的问题。

通常无法对仰角进行额外的测量，但为了保证更高的范围，雷达信号处理需要根本性的改变，就像单脉冲技术或数字波束成形一样，即使每次扫描所需的命中次数发生微小变化（作为增加接收时间以实现更好的不模糊距离可能的替代方案）也会对雷达的检测概率产生负面的影响。

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