一、測頻系統的主要技術指標
1、頻率測量範圍、瞬時頻寬、頻率分辨力、頻率測量精度
頻率測量範圍:是指測頻系統最大可測的雷達訊號頻率範圍;
瞬時頻寬:是指測頻系統在任一瞬間可以測量的雷達訊號頻率範圍;
測頻誤差:是指測量得到的訊號頻率值與訊號頻率的真值之差,常用均值和方差來衡量測頻誤差的大小。按起因,可將測頻誤差分為兩類:系統誤差和隨機誤差。系統誤差是由測頻系統元器件侷限性等因素引起的,它通常反映在測頻誤差的均值上,通過校正可以減小;隨機誤差是雜訊等隨機因素引起的,它通常反映在測頻誤差的方差上,可以通過多次測量取平均值等統計方法減小。一般,把測頻誤差的均方根誤差稱為測頻精度,測頻誤差越小,測頻精度越高。對於傳統的測頻接收機,最大測頻誤差主要由瞬時頻帶δfr決定,即
可見,瞬時頻寬越寬,測頻精度越低。對於超外差接收機來說,它的測頻誤差還與本振頻率的穩定度、調諧特性的線性度以及調諧頻率的滯後量等因素有關。
2、無模糊頻譜分析範圍、頻譜分辨力、頻譜分析誤差
無模糊頻譜分析範圍:是指頻譜分析系統最大可無模糊分析的訊號頻譜範圍;
頻譜分辨力:是指輸出相鄰譜線的最小頻率間隔;
頻譜分析誤差:是指分析值與頻譜真值之間的誤差。
3、靈敏度和動態範圍
靈敏度:是指頻率測量和頻譜分析系統正常工作時所需要的最小輸入訊號功率,是測頻接收機檢測弱訊號能力的象徵。正確地發現訊號是測量訊號頻率的前提,要精確地測頻,特別是數字式精確測頻,被測訊號必須比較乾淨,即有足夠高的訊雜比。如果接收機檢波前的增益足夠高,則靈敏度是由接收機前端器件的雜訊電平確定的,通常稱之為雜訊限制靈敏度。如果檢波器前的增益不夠高,則檢波器和視放的雜訊對接收機輸出端的訊雜比影響較大,這時接收機的靈敏度稱為增益限制靈敏度。
動態範圍:是指在保證精確測頻條件下輸入訊號功率的變化範圍。在測頻接收機中,被測訊號的功率變化會影響測頻精度,訊號過強會使測頻精度下降,過弱則被測訊號訊雜比低,也會使測頻精度降低。我們把這種強訊號輸入功率和弱訊號輸入功率之比稱為雜訊限制動態範圍。如果在強訊號的作用下,測頻接收機內部所產生的寄生訊號遮蓋了同時到達的弱訊號,這就會妨礙對弱訊號的測頻。這時,強訊號輸出功率與寄生訊號的輸出功率之比稱為瞬時動態範圍。它的數值的大小,也是測頻接收機處理同時到達訊號能力的一種量度。
4、最小測頻和頻譜分析脈寬、頻譜分析時間、時頻分辨力
最小測頻和頻譜分析脈寬:是指系統可以進行測頻和頻譜分析的最小輸入訊號脈寬;
時頻分辨力:是指相鄰兩次頻譜分析之間的最小時間間隔。
5、測頻時間、頻域截獲概率、頻域截獲時間
頻域截獲概率:是指在給定的時間內正確地發現和識別給定訊號的概率。截獲概率既與輻射源特性有關,也與電子偵察系統的效能有關。如果在任一時刻接收空間都能與訊號空間完全匹配,並能實時處理,就能獲得全概率,即截獲概率為1,這種接收機是理想的電子偵察接收機。實際的偵察接收機的截獲概率均小於1。頻域的截獲概率,即通常所說的頻率搜尋概率。對於脈衝雷達訊號來說,根據給定時間不同,可定義為單個脈衝搜尋概率、脈衝群搜尋概率以及在某一給定的搜尋時間內的搜尋概率。單個脈衝的頻率搜尋概率為
式中,δfr為測頻接收機的瞬時頻寬;f2-f1為測頻範圍,即偵察頻段。譬如δfr=5mhz,f2-f1=1ghz,則pif1=5×10-3,可見是很低的。若能在測頻範圍內實現瞬時測頻,即δfr=f2-f1,於是pif1=1。
式中,tr為脈衝重複週期;tth為電子偵察系統的通過時間,即訊號從接收天線進入到終端裝置輸出所需要的時間。
6、對大同時到達訊號的頻率測量和頻譜分析能力
對同時到達訊號的頻率測量和頻譜分析能力是指在有兩個或者兩個以上不同頻率的訊號同時到達測頻系統時,系統能夠按照指標同時測量這些訊號的能力和效能。
對於脈衝訊號來說,兩個以上的脈衝前沿嚴格對準的概率是很小的,因而理想的同時到達訊號是沒有實際意義的。這裡所說的同時到達訊號是指兩個脈衝的前沿時差δt
<10ns或10ns
<120ns,稱前者為第一類同時到達訊號,後者為第二類同時到達訊號。由於訊號環境的日益密集,兩個以上訊號在時域上重疊概率日益增大,這就要求測頻接收機能對同時到達訊號的頻率進行分別精確測量,而且不得丟失其中弱訊號。
7、測頻的訊號形式
現代雷達的訊號種類很多,可分為兩大類:脈衝訊號和連續波訊號。在脈衝訊號中,有常規的低工作比的脈衝訊號、高工作比的脈衝都卜勒訊號、重頻抖動訊號、各種編碼訊號以及各種擴譜訊號;強訊號頻譜的旁瓣往往遮蓋弱訊號,引起頻率測量模糊,使頻率分辨力降低。對於擴譜訊號,特別是寬脈衝線性調頻訊號的頻率測量和頻譜分析,不僅傳統測頻接收機無能為力,而且有些新的測頻接收機也有困難,這有待於新型的數位化接收機來解決。
允許的最小脈衝寬度τmin要盡量窄。被測訊號的脈衝寬度上限通常對測頻效能影響不大,而脈衝寬度的下限往往限制測頻效能。脈衝寬度越窄,頻譜越寬,頻率模糊問題越嚴重,截獲概率和輸出訊雜比越小。
二、雷達訊號測頻技術
對於雷達訊號頻率測量技術的基本分類如下圖所示。
對雷訊號頻率的測量可以採用模擬接收機、數字接收機和模擬/數字混合接收機以及訊號處理技術實現。
第一類測頻技術是直接在頻域進行,叫頻域取樣法,其中包括搜尋頻率窗和毗鄰頻率窗。
搜尋頻率窗為搜尋法測頻,是通過接收機的頻帶掃瞄,連續對頻域進行取樣的,是一種順序測頻。其主要優點是:原理簡單,技術成熟,裝置緊湊。其嚴重缺點是頻率截獲率和頻率分辨力的矛盾難以解決。
毗鄰頻率窗為非搜尋法測頻,較好地解決了截獲概率和頻率分辨力的矛盾,但為了獲得足夠高的頻率分辨力,須增加通道路數。現代整合技術的發展使通道化接收機得到了迅速推廣並具有較好的前景。
第二類測頻技術不是直接在頻域進行的,是將訊號頻率單調製換到相位、時間、空間等其它物理域(其中包括相關/卷積器和傅利葉變換),在通過對變換域訊號的測量得到原訊號頻率。這些方法的共同特點是:既能獲得寬瞬時頻寬,實現高截獲概率,又能獲得高頻率分辨力,較好地解決了截獲概率和頻率分辨力之間的矛盾。由於對訊號的載波頻率的測量是在包絡檢波器之前進行的,這就對器件的工作頻率和運算速度提出了苛刻要求。這類接收機主要包括用chirp變換處理機構成的壓縮接收機,用聲光互作用原理和空間傅利葉變換處理機構成的聲光接收機,它們不僅解決了截獲概率和頻率分辨力之間的矛盾,而且對同時到達訊號的分離能力很強。
在時域利用相關器或卷積器也可以構成測頻接收機。其中利用微波相關器構成的瞬時測頻接收機,成功地解決了瞬時測頻範圍和測頻精度之間的矛盾,使得傳統的測頻接收機大為遜色。由於能夠單脈衝測頻,故稱為瞬時測頻接收機。
隨著超高速大規模積體電路的發展,數字式接收機已經成為可能。它通過對射頻訊號的直接或間接取樣,將模擬訊號轉變成數碼訊號,實現訊號的存貯和再現,能夠充分利用數字訊號處理的優點,盡可能多地提取訊號的資訊。比如,利用fft演算法組成的數字式快速傅利葉變換處理機構成高效能測頻接收機,不僅能解決截獲概率和頻率分辨力之間的矛盾,對同時到達訊號的濾波效能也很強,而且測頻精度很高,使用靈活。
三、雷達訊號頻譜分析技術
對雷達訊號的頻譜分析主要採用數字接收機和訊號處理技術實現,所以對雷達訊號頻譜分析技術能力比較受取樣率和數字訊號處理速率的影響。
下圖為雷達訊號頻譜分析數字接收機的基本組成,接收天線收到的雷達訊號經過低雜訊放大器和帶通濾波器後送到混頻器,與頻率為fl的調諧本振訊號混頻,輸出固定中頻頻率的基帶中頻訊號,分別送到包絡檢波/對數視放電路和adc取樣電路,最後送給數字訊號機進行調製分析。
雷達對抗 頻率測量與頻譜分析 頻率搜尋與測頻技術
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