CN1052953A - 相干雷达 - Google Patents

Abstract

相干雷达包括磁控管，调制器，本机振荡器、混频 器，中频振荡器和相敏检波器。按照本发明，磁控管 的振荡分两步锁相于外来信号。它是这样实现的：在 磁控管触发之前，将来自稳定的本机振荡器的信号送 到其调谐腔。磁控管触发后，在磁控管已经起振而未 达到其最终振幅时，立即中断所述信号馈送，代之以 将具有磁控管发送频率的信号加到调谐腔。于是，磁 控管的振荡锁相于由稳定的振荡装置产生的信号。

Description

本发明涉及相干雷达，所述雷达包括：（1）磁控管;（2）调制器，用它驱动磁控管来产生及发送高频脉冲;（3）稳定的本机振荡器，用它来产生中频信号，即，通过该本机振荡器频率和由发射脉冲引起的回波脉冲混频来产生频率相应于所述本机振荡器频率与发射脉冲引起的回波脉冲混频来产生频率相应于所述本机振荡器频率与发射脉冲频率之差的中频信号;及（4）工作于中频的振荡器。所述中频振荡器的输出信号与所述混频后的中频信号一起送到相敏检波器，以便检出回波脉冲并产生所谓双极性视频信号，它尤其包含发射与接收的高频信号之间相互相位关系的信息。在滤波处理之后，双极性视频信号可用于（既在单值距离内又在非单值距离处）分开具有相对于雷达站的不同径向速度的目标，例如，用于抑制从固定目标来的回波，以便只显示活动目标。

当磁控管用作这类相干雷达中的高频源时，重要的是：能够使它产生这样一种振荡，即，该振荡具有相对于来自中频振荡器的信号和来自稳定的本机振荡器的信号的混频成分的、逐个脉冲的固定相位关系。

在先前提出的，即，瑞典专利第SE8400140-3号中描述的解决这个问题的方法中，以如下的方式对调制器与中频振荡器进行相互间的定时控制，即，调制器脉冲前沿，从而磁控管脉冲前沿总是出现在中频振荡器输出信号的预定相位位置，此外，在触发磁控管之前，在某时间间隔内，把适当地派生于已经存在的稳定的本机振荡器的相位稳定的信号送到磁控管的调谐腔，即，所谓的“点火”。这种点火意味着，当触发磁控管并开始建立自激振荡时，在磁控管谐振腔中已存在给定的振荡能量。这导致振荡的相位将锁定在派生于连续工作的稳定的振荡器的点火信号。所以就得到磁控管振荡的逐个脉冲的相位连续性。

按照瑞典专利第8400140-3号的解决方法的缺点在于：在整个磁控管脉冲持续期间，磁控管振荡不锁相，在脉冲本身持续期间，所述相位易产生漂移。尽管当短脉冲使用时，活动目标显示（MTI）性能可以相当好，但尤其在延长磁控管脉冲时，将导致MTI性能不好。

本发明的目的就是要改进如开头一节所描述的，按照瑞典专利第8400140-3号那样具有点火控制的类型的相干雷达，使得不管用于短雷达脉冲还是长雷达脉冲，该雷达都具有较好的MTI性能。

按照本发明，通过以下方法实现上述目的，即，该雷达包含用于在磁控管脉冲前沿期间改变所述相位稳定信号的频率的装置，所述频率改变使得脉冲前沿末端的最终频率（在磁控管脉冲持续期间也保持该终点频率）与磁控管的发送频率一致。

频率的变化最好用换向装置、以至少一步的方式分步进行，这就得到容易控制（例如按时间来控制）的简单装置。

本发明涉及以至少两种工作方式来进行相对于其频率相同于磁控管发送频率的外来信号的锁相。第一步是先前提出的点火控制，该步骤在磁控管已经启动但还没达到最终振幅时就中断，即，持续在脉冲前沿持续期间。然后，在最后的工作方式中，出现相对于频率与磁控管发送频率相同的信号的准确的锁相，在磁控管脉冲持续期间保持该锁相信号。由于点火信号和锁相信号都产生于连续工作的稳定的振荡器，所以，点火信号和锁相信号之间的相互相位关系也将恒定，磁制管脉冲将具有从脉冲到脉冲的相位连续性。

由于以至少两种工作方式进行锁相，所以，在磁控管整个脉冲持续期间（即，从脉冲的起点到磁控管脉冲持续部分的末端），与从单一工作方式锁相的情况相比，磁控管振荡的相位将更加恒定。

应当注意，磁控管锁相于具有与磁控管发送频率相同的频率的外来信号的过程是公知的。在这种情况下，磁控管的工作更象放大器而不象自激振荡器;为了得到有效的锁相，必须把可观的外部锁相信号的功率量注入到磁控管。除此之外，在磁控管脉冲开始以后及所产生的振荡的相位稳定以前，需要一定的时间。这时，对长磁控管脉冲来讲，其MTI性能可以比较好，而对短脉冲来讲，其MTI性能将不好。

如果在单一步骤变化中通过具有不同频率的两个信号的转换来实现频率变化的话（其中，具有第一频率的第一信号在磁控管激励之前馈送到磁控管，而具有等于最终频率的第二频率的第二信号在磁控管振荡达到其全幅度之前，在磁控管脉冲前沿期间输送到磁控管），那么，当按照本发明的最佳实施例，上述两种频率都产生于已有的相位稳定的振荡器（即，稳定的本机振荡器和中频振荡器）时，就得到最简单的装置。

合适的方法是：具有第二频率或最终频率的信号可以由混频器产生，在所述混频器中，本机振荡器的输出信号与中频振荡器的输出信号混频;而具有第一频率的信号则由来自本机振荡器自身的输出信号产生。因此，在磁控管脉冲前沿持续期间注入到磁控管调谐腔的二个频率之间的差额将等于系统的中频。

在另一实施例中，第一频率的信号也可以产生于混频器。在所述混频器中，来源于本机振荡器的信号与来源于中频振荡器通过变换级，例如分频器的信号混频。因此，在磁控管脉冲前沿期间注入到磁控管调谐腔的二个频率的差额将偏离中频。

如果由调制器或调制器的控制装置来实行控制，就可以获得对转换装置简单而准确的控制，如果需要的话，还可以通过延时器，以便转换装置的起动与磁控管的触发瞬间将具有给定的时间关系。

下面将借助于实施例并参考附图来说明本发明，在附图中：

图1示出按照本发明的以磁控管为高频源的雷达的方块图，

图2示出解释本发明的时间图，以及

图3示出本发明的第二实施例。

按照图1，来自调制器MOD的短电压脉冲驱动磁控管MAG，然后，所产生的高频HF脉冲通过环流器CIRC及收发转换开关TR到达用于发射脉冲的天线ANT。由发射的雷达脉冲引起的反射目标的回波脉冲由同一根天线ANT接收，然后，经由收发转换开关TR到达混频器B₁，在那里与来自稳定的本机振荡器STALO的输出信号组合。例如，借助于机械锁定装置或步进马达将磁控管调整到固定的发送频率。磁控管的发送频率f_MAG与稳定的本机振荡器频率f_STALO之差为所选择的标称中频频率f_MFO。于是，从混频器B₁获得具有所述标称值f_MFO的中频f_ME的回波脉冲。所述中频信号由中频放大器MF放大再到达相敏检波器D，后者还接收来自连续工作的振荡器MFO的输出信号。所述振荡器的工作频率为选定的标称中频f_MFO，然后，从相敏检波器D获得称为双极性视频信号的V_bip，其所以称为双极性是因为它既可以呈现正值也可以呈现负值。双极性视频信号除了表示回波信号的强度以外，还表示发射与接收的HF信号之间的相互相位位置。如果雷达设备与反射目标之间的距离随时间而变，则双极性视频信号V_bip将根据距离变化而随频率而变，换句话说，对于从发射设备到反射目标的每半波长的距离变化，所述双极性信号将走完一个360°的序列。然后，所述双极性信号在例如MTI滤波器（该滤波器原理上是高通滤波器）受滤波处理，以便抑制来自固定目标的回波，或者在非单值距离情况下进行速度分隔。

为了保证双极性视频信号V_bip能有效地表示发射与接收信号之间的相互相位关系，要采用以下步骤：

首先，将磁控管振荡器锁相于由两个稳定的振荡器STALO及MFO产生的稳定的信号，该锁定信号更接近于上述两个振荡器的输出信号馈送到混频器B₂所获得的信号。来自混频器B₂的该信号经由通断型第一转换器SW₁，第二转换器SW₂（可能还有放大器AMP）及环流器CIRC馈送到磁控管的调谐腔。所述转换器SW₂受控于调制器MOD的控制单元PRF，其方式为：通常它是开路的，但正好在磁控管被触发前的瞬间闭合，并且，在整个磁控管的脉冲持续期间保持闭合。相位锁定是以两个步骤进行的，因此在触发磁控管以前以及在磁控管脉冲上升阶段的第一部分期间，不是所述来自混频器B₂的输出信号而是来自稳定的本机振荡器STALO的输出信号馈送到磁控管的调谐腔。所述两种信号的转换是借助于转换器SW₁来实现的，在位置1时，该开关将来自振荡器STALO的输出信号传送到磁控管的调谐腔，而在第二位置0时，该开关将来自混频器B₂的输出信号传送到所述谐振腔。转换器SW₁由调制器的控制单元PRF来控制（也可能经由延时器DEL），其方式为：在触发磁控管之前将其放在第一位置，而当磁控管已经起振但还没有到达终值振幅时，即，磁控管脉冲前沿期间，放在第二位置0。

其次，由中频信号振荡器MFO经由控制装置PRF对调制器MOD进行时间控制，其方式为：磁控管脉冲前沿总是与中频振荡器MFO输出信号的给定的相位位置（例如，在给定方向的零转变）相重合。

在内部产生脉冲重复频率prf的实施例中，所述控制装置PRF可以包含计数器，它用来记录中频振荡器输出信号的正或负的零转变次数，并且，使每个第n次零转变启动所述调制器。另外的作法是，可通过通向控制装置PRF的控制导体EXT_prf来从外部产生脉冲重复频率，如图1中用虚线表示的那样。在该情况下，控制装置PRF可以包含“与”门，它在其输入端之一通过控制导体EXT_prf接收来自外部prf发生器的信号。在第二个输入端，所述与门可以接收中频振荡器的输出信号中的表示零转变的脉冲。于是，在从外部发生器接收prf信号后，调制器（从而磁控管）将在给定方向的第一个零转变处被启动。

所述功能是：在触发磁控管之前一段紧接着的时间间隔中，稳定的本机振荡器STALO的输出信号的一小部分被馈送到磁控管的谐振腔。所以，当磁控管被触发时，在磁控管谐振腔中存在少量的具有稳定振荡器的频率的能量。按照前面所述，该频率可写成：

f_STALO＝f_MAG-f_MFO

式中，f_MAG是磁控管的发送频率，f_STALO及f_MFO是两个稳定的振荡器STALO及MFO的频率。

因为所述振荡能量来源于连续工作稳定的振荡器，所以，它具有从脉冲到脉冲的相位连续性;所述振荡能量影响当触发磁控管时在该管中建立的自激振荡的相位。当振荡的振幅达到一定值、但是还不大时具有所述振荡频率f_STALO的能量的传送就中断，而代之以把来自混频器B₂的混频成分馈送到磁控管谐振腔。来自混频器B₂的混频成分之一为：

f_STALO+f_MFO＝f_MAG

已经由外部信号相控的磁控管振荡现在锁相于具有频率f_MAG的信号。频率f_MAG的混频成分也具有从脉冲到脉冲的相位连续性，因为，它来源于两个连续工作的稳定的振荡器。显然，在整个磁控管脉冲期间，当分两个步骤锁相时，相位比只用一个步骤时更加稳定。

图2中借助于时间图说明所述功能，其中，a）表示来自调制器的电压V_C，它同时表示作为时间t的函数的阴极电压，b）表示作为时间的函数的阴极电流I_C，c）表示高频电压（即所产生的磁控管脉冲）V_HF的包络，d）表示馈送到转换器SW₂的控制脉冲V₂，以及e）表示馈送到转换器SW₁的控制脉冲V₁。在图2d中，电平0表示转换器SW₂处在位置0，即开路，而电平1表示所述转换器处在1，即闭合。在图2e中，电平0表示转换器SW₁置于位置0，这时，混频器B₂的输出信号注入磁控管的谐振腔，而电平1表示转换器SW₁置于位置1，这时，本机振荡器STALO的输出信号注入磁控管。

在t₁瞬间，开始由调制器MOD提供的送到磁控管阴极的电压脉冲V_C，然后阴极电压很快上升到接近其终值。在时间间隔t₁到t₂内，磁控管内电容充电。在t₂瞬间（在此瞬间之后，阴极电压紧接着到达其终值），磁控管开始产生高频振荡。在给出的实施例中，在位于t₁瞬间前面的t₀瞬间，两个转换器SW₂及SW₁都置于位置1。这意味着，在触发磁控管以前的所述时间间隔内，来自本机振荡器STALO的输出信号馈送到磁控管谐振腔。在t₃瞬间，转换器SW₁回到位置0，这意味着，本机振荡器中止向磁控管谐振腔传送输出信号，而代之以将混频器B₂的输出信号馈送到磁控管。t₃瞬间必须出现在磁控管启动的t₂瞬间以后。而且，t₃瞬间应该出现在高频振荡达到其最后幅度的t₄瞬间以前。在给出的实施例中，t₃瞬间非常靠近t₂瞬间，这有利于通过将混频器B₂的输出信号注入磁控管谐振腔来进行锁相。t₀瞬间必须出现在t₂瞬间以前，并且，必须例如不迟于t₁瞬间。在t₅瞬间，转换器SW₂复位到位置0，从而，中断锁相信号的注入。t₅瞬间出现在磁控管脉冲已中断之后，这意味着在整个磁控管脉冲期间维持锁相信号的注入。

图3示出线路实施例，在该实施例中，发射频率与在磁控管启动时传送到磁控管的频率之差与系统中的中频不同。

以和第一个实施例同样的方式，通过把来自稳定的振荡器STALO的输出信号和来自中频振荡器MFO的输出信号在混频器B₂中混频来获得具有发送频率的信号。振荡器STALO调谐于磁控管的发送频率和中频振荡器MFO频率的差额，因此，来自B₂的混频结果具有磁控管的发送频率，该混频结果在转换器SW₁处在位置0时注入磁控管。这是紧接在磁控管脉冲达到其最终振幅之前发生的。在按照图3的实施例中，在启动瞬间送到磁控管的信号是从混频器B₃获得的，在所述混频器中，从混频器B₂来的信号与从振荡器MFO经由分频器F_div引来的具有适当频率的信号混频。在所示实施例中，从分频器F_div来的输出信号也用于控制控制单元PRF。为了系统的正常运行，当调制器MOD被触发后，从振荡器MFO来的信号与从分频器F_div来的信号之间的相位差对于所有脉冲来说都必须相等。如果在分频器F_div中用整数来分割的话，则可用简单的方式来确保这一点，但其它的分割因子也是允许的。但是，调制器不能在来自分频器F_div的输出信号中的任意选定的零转变时刻被触发。

除了借助于来自调制器（或者该调制器的控制单元）的信号按时间控制转换器SW₂外，还可在测量磁控管的参量，如阴极电压，阴极电流或高频包络的基础上来起动转换器SW₂。也可以在磁控管脉冲前沿持续期间用多于两个步骤或扫频的办法来实现锁相。磁控管的发送频率可以稍微偏离注入的锁相信号的最终频率，只要这种偏离保持在与注入频率有关的所谓锁定带宽中即可。注入频率与磁控管自身频率之间允许的偏差一般小于1%。

Claims (7)

1、相干雷达包含：

(1)控制管，

(2)调制器，它用于驱动磁控管来产生和发送高频脉冲，

(3)稳定的本机振荡器，它用于产生中频信号，即，通过所述振荡器输出信号和由发射脉冲引起的回波脉冲的混频来产生频率相应于所述本机振荡器频率和发射脉冲频率之间的差频的信号，以及

(4)工作于中频的振荡器，

所述中频振荡器的输出信号与通过所述混频得到的中频信号一起送到相敏检波器来检出回波脉冲，并产生尤其包含发射与接收的高频信号间相互相位位置信息的信号，以如下方式对调制器及中频振荡器进行相互间的定时控制，即，调制器脉冲前沿，从而磁控管脉冲前沿总是出现在中频振荡器输出信号的预定相位位置，同时，相位稳定的信号在触发磁控管之前某时间间隔内和在磁控管脉冲上升阶段期间，即，在磁控管脉冲前沿持续期间，馈送到磁控管调谐腔，其特征在于还包括：

用于在磁控管脉冲前沿持续期间改变所述相位稳定的信号的频率的装置，所述频率改变使得在脉冲前沿的末端的最终频率大体上与磁控管的发送频率一致，在整个脉冲持续期间也维持这个最终频率。

2、如权利要求1的相干雷达，其特征在于：

通过起动转换装置、以至少一步的方式分步进行所述频率改变。

3、如权利要求2的相干雷达，在以一个步骤通过在两个具有不同频率的信号之间转换的方法来实现所述频率改变的情况下，在磁控管触发前加进具有第一频率的第一信号，而在磁控管脉冲前沿期间、磁控管振荡达到最高振幅之前加进具有第二频率或最终频率的信号，其特征在于：

所述两种频率都产生于已经存在的相位稳定的振荡器，即所述稳定的本机振荡器及中频振荡器。

4、如权利要求3的相干雷达，其特征在于：

具有第二频率或最终频率的信号是由混频产生的，所述本机振荡器的输出信号和所述中频振荡器的输出信号在所述混频器中混频。

5、如权利要求3或4的相干雷达，其特征在于：

具有第一频率的信号是来自所述本机振荡器自身的输出信号，从而，在磁控管脉冲前沿期间送到磁控管调谐腔的两个频率之间的差频等于中频信号的频率。

6、如权利要求3或4的相干雷达，其特征在于：

具有第一频率的信号产生于混频器，来源于本机振荡器的信号与来源于中频振荡器、经由一个变换级（例如分频器）的信号在所述混频器中混频，从而，在磁控管脉冲前沿期间送到磁控管调谐腔的两个频率之间的差频将偏离中频信号的频率。

7、如权利要求2-6中任一项的相干雷达，其特征在于：

所述转换装置受控于调制器或调制器的控制装置，必要时可经由延时器，以便其起动将具有相对于磁控管的触发瞬间的给定的时间关系。

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