射频易商城-雷达的软件定义无线电用例

小编 2年前 (2022-07-12) 0 999+

射频易商城 - 雷达的软件定义无线电用例

软件定义无线电 (SDR)因其精度、灵活性、可靠性和简化的设计流程而成为许多无线电应用的最佳选择。在本文中，我们将讨论 SDR 在雷达中的应用。尽管过去主要由模拟电路组成，但现代雷达依靠强大的数字信号处理来运行。航空和海上导航、天气/气象跟踪、地面穿透评估、军用导弹制导和地球表面测绘是一些应用示例。此外，雷达技术包括各种不同的配置，例如连续波 (CW) 雷达、多普勒雷达、脉冲雷达、调频连续波 (FMCW) 雷达和相控阵雷达。尽管技术多种多样，但所有雷达配置都需要大量信号处理才能正常工作，因此，SDR 是这些设备的支柱。

一、基本操作

扔进池塘的石头会产生在水中传播的涟漪。如果这些涟漪找到障碍物，反射波将返回原点，携带有关障碍物的信息。雷达（无线电探测和测距）使用相同的基本原理，但使用电磁 (EM) 波：天线向周围环境发送射频辐射并测量反射的 EM 场。有了这些信息，雷达可以评估物体的大小、速度和距离。例如，由于光速是恒定的，因此可以通过脉冲之间的延迟来估计接收器和目标之间的距离。因此，雷达可用于任何需要对物体进行远程检测和监控的应用。

现代雷达由三个基本部分组成：天线、硬件前端和信号处理模块。天线负责发送询问电磁信号和测量反射波。天线的尺寸、形状和位置在很大程度上取决于应用：天线可以安装在船上、飞机机头内部、集成到雷达枪中以及空中交通管制 (ATC) 塔顶。硬件前端一般执行信号传输、（自适应）阻抗匹配、放大、抗混叠滤波和信号数字化。信号处理模块从接收到的信号中提取所需的信息并显示测量结果。此步骤随所使用的雷达技术而有很大差异：例如，在多普勒雷达中接收信号的频率偏差可以与被检测物体的速度相关联（图 1）。因此，多用途雷达需要一个灵活的处理单元。

2. 频段

雷达工作在不同的频段。每个频段都有自己的特点和局限性：例如，高频允许使用更小的天线，因此它们在机载应用中更可取。另一方面，低频应用不太容易出现衰减，这会导致覆盖面积更大，但需要更大的天线。RF 频段由监管机构控制，因此允许雷达在预定义的频谱范围内运行。主要雷达频段如下表所示。

海洋应用通常能够实现大型天线，因此它们使用 X、C 和 S 波段，这在天线尺寸和传播损耗之间提供了很好的折衷。气象雷达频段受限于衰减和天线尺寸之间的权衡：S 频段（2.7 - 2.9 GHz）用于传播损耗高的地区，例如大雨的热带地区，C 频段（5.6 - 5.65 GHz）用于应用于监测衰减率较小的地区，X波段（9.3-9.5GHz）仅限于短程水文气象监测，如城市、山谷水文等。

航空频段针对不同的应用在不同的频谱中实施，例如用于导航或仪表着陆系统 (ILS) 的一次/二次雷达。机载雷达包括多普勒雷达、气象雷达和地面测绘雷达。使用的频段是Ka（31.8 - 33.4 GHz）、Ku（多普勒 13.25 - 13.4 GHz 和天气雷达 15.4 - 15.7 GHz）、X（多普勒 8.75 - 8.85 GHz 和天气雷达 9 - 9.5 GHz）和C（5 .50 - 5.47 GHz）。陆地雷达也在航空电子设备中实施，以监测交通和天气，使用S（2.7 - 3.3 GHz 用于气象雷达）和L 波段（1.215 - 1.4 GHz 用于初级监视，1.02 - 1.04 GHz 用于二级监视）。由于吸水性，通常不使用K 波段。

UHF 频段用于超远距离监视，例如超地平线 (OTH) 雷达，用于监视数百到数千公里的区域。在这些情况下，需要更大的波长来防止衰减，这意味着非常大的天线和强大的旋转系统。

3. 雷达类型和限制

连续波雷达
这种类型通过在传输中使用连续电磁波来工作。主要优点是降低制造复杂性、成本和化发送到目标的总功率。CW雷达被军方用于导弹制导的半主动寻的。调频连续波 (FMCW) 是一种连续波雷达，它应用 FM 调制来精确测量距离。它用于高度计、预警雷达和接近传感器。未调制的连续波雷达无法测量距离。此外，由于发射器和接收器始终在工作，因此需要在天线之间进行适当的隔离，并且发射器的输出功率必须足够低以防止干扰。因此，检测距离受到限制。

脉冲雷达
脉冲雷达以短脉冲传输询问信号。到达目标后，电磁脉冲回波回接收器，回波延迟可用于测量距离。使用脉冲信号有几个优点。首先，一个天线可以用于发送和接收，使用双工开关来交替功能。脉冲雷达还可以更有效地传输功率，这意味着更高的信噪比和测距能力，同时功耗更低。此外，它们不易受到外部检测和信号干扰，尤其是在使用非常短的脉冲时。然而，与 FMCW 雷达相比，脉冲信号提供的距离分辨率较低，并且存在盲点：在接收器关闭期间接收到的信号回波的距离。因此，存在最小检测距离。

移动目标指示和多普勒检测
移动目标指示 (MTI) 是一种使用接收到的脉冲的破坏性和建设性组合来区分移动目标和静止背景的技术。为了避免范围模糊，使用了低重复频率。MTI 用于检测远距离的小目标。多普勒雷达还用于检测移动目标，使用多普勒频移测量速度。与 MTI 不同，多普勒雷达使用高脉冲重复频率来提高分辨率。它还提供了有关速度数据的更好信息，但距离范围更小。

4. 重要的雷达参数

脉冲功率：一个脉冲所包含的功率量。增加输出功率量会增加信噪比和范围，但也会因功率放大器而增加设备重量。
载波：发射信号的主频。它影响几个参数，例如天线尺寸、频带、范围和信号衰减。
脉冲宽度：脉冲的持续时间（图 2）。换句话说，天线传输信号的周期。
脉冲重复间隔（PRI）：也称为脉冲重复时间（PRT），它是两个脉冲之间的总间隔（图2）。因此，它可以计算为脉冲宽度与用于信号接收的“静默期”之和。
占空比：定义为脉冲宽度 (PW) 与 PRI 之间的比率，通常以百分比表示（图 2）。例如，使用 100 微秒的 PW 和 1 毫秒的 PRI，占空比为 10%。它也可以定义为平均发射功率与脉冲功率之比：对于恒定的平均功率，降低占空比意味着增加脉冲功率。
脉冲重复频率 (PRF)： PRI 的倒数，以每秒脉冲数表示。
脉冲压缩：提高距离分辨率和信噪比的技术。它在单个脉冲内对载波应用频率和/或相位调制，添加可以与接收信号相关的另一层信息。它需要更复杂的信号处理，但会提高信息质量和雷达能力。
距离分辨率：雷达可以区分的两个物体之间的最小距离。距离分辨率的程度取决于发射脉冲的宽度、目标的类型和大小以及接收器的效率。
信噪比：信号功率与背景噪声的比值。它可以通过增加输出功率、滤波、信号调制等来增加。
干扰：定义外部信号的有意和意外干扰。该信号可用于使接收器饱和或提供虚假信息，从而危及雷达功能。如前所述，如果发射器和接收器之间的隔离不足，CW 可能会遭受无意干扰。此外，恶意发射器可以检测到雷达并造成故意干扰，这在航空和军事应用中是非常成问题的。