雷达考试总结讲解Word文件下载.docx
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1、一次雷达优点：
非协作式：
所有可以反射电磁波的物体都有可能被探测到
独立：
一次雷达不依赖于任何机载设备
3、一次雷达缺点：
所有可以反射电磁波的物体都有可能被探测到，因此，不感兴趣的物体也可能被探测到，如地面反射电磁波所形成的回波
不能获取高度信息
三、任务（R、θ、v）
当雷达探测到目标后,就要从目标回波中提取有关信息:
可对目标的距离和空间角度定位,目标位置的变化率可由其距离和角度随时间变化的规律中得到，并由此建立对目标跟踪;
雷达的测量如果能在一维或多维上有足够的分辨力,则可得到目标尺寸和形状的信息;
采用不同的极化，可测量目标形状的对称性。
原理上，雷达还可测定目标的表面粗糙度及介电特性等。
1、目标斜距的测量（R）
雷达工作时,发射机经天线向空间发射一串重复周期一定的高频脉冲。
如果在电磁波传播的途径上有目标存在,那么雷达就可以接收到由目标反射回来的回波。
由于回波信号往返于雷达与目标之间,它将滞后于发射脉冲一个时间tr。
我们知道电磁波的能量是以光速传播的,设目标的距离为R,则传播的距离等于光速乘上时间间隔,即
式中,R为目标到雷达站的单程距离,单位为m;
tr为电磁波往返于目标与雷达之间的时间间隔,单位为s;
c为光速，c=3×
108m/s
能测量目标距离是雷达的一个突出优点,测距的精度和分辨力与发射信号带宽（或处理后的脉冲宽度）有关。
脉冲越窄,性能越好。
2、目标角位置的测量（θ）
目标角位置指方位角或仰角,在雷达技术中测量这两个角位置基本上都是利用天线的方向性来实现的。
雷达天线将电磁能量汇集在窄波束内,当天线波束轴对准目标时,回波信号最强,如图实线所示。
当目标偏离天线波束轴时回波信号减弱,如图虚线所示。
根据接收回波最强时的天线波束指向,就可确定目标的方向,这就是角坐标测量的基本原理。
天线波束指向实际上也是辐射波前的方向。
图：
角坐标测量
3、相对速度的测量（v）
有些雷达除确定目标的位置外,还需测定运动目标的相对速度,例如测量飞机或导弹飞行时的速度。
当目标与雷达站之间存在相对速度时,接收到回波信号的载频相对于发射信号的载频产生一个频移,这个频移在物理学上称为多卜勒频移,它的数值为
式中,fd为多卜勒频移，单位为Hz;
vr为雷达与目标之间的径向速度，单位为m/s;
λ为载波波长，单位为m。
当目标向着雷达站运动时,vr＞0,回波载频提高;
反之vr＜0,回波载频降低。
雷达只要能够测量出回波信号的多卜勒频移fd,就可以确定目标与雷达站之间的相对速度。
径向速度也可以用距离的变化率来求得,此时精度不高但不会产生模糊。
无论是用距离变化率或用多卜勒频移来测量速度,都需要时间。
观测时间愈长，则速度测量精度愈高。
多卜勒频移除用作测速外,更广泛的是应用于动目标显示（MTI）、脉冲多卜勒（PD）等雷达中，以区分运动目标回波和杂波。
4、目标尺寸和形状
如果雷达测量具有足够高的分辨力,就可以提供目标尺寸的测量。
高分辨力雷达可以获得目标在距离和切向距离方向的轮廓（雷达成像）。
此外,比较目标对不同极化波的散射场,就可以提供目标形状不对称性的量度。
复杂目标的回波振幅随着时间会变化。
四、一次雷达组成
1、雷达发射机
1）作用：
发射机为雷达提供一个载波受到调制的大功率射频信号,经馈线和收发开关由天线辐射出去。
2）组成结构（2种）
（1）单级振荡式发射机
简化版：
复杂版：
特点
✧简单、经济
✧比较轻便
✧无法满足整机对发射机的较高要求
（2）主振放大式发射机
✧具有很高的频率稳定度
✧发射相位相参信号
✧采用频率合成技术
✧能产生复杂波形
●两种发射机比较：
单级振荡式发射机与主振放大式发射机相比，最大的优点是简单、经济,也比较轻便。
实践表明,同样的功率电平,单级振荡式发射机大约只有主振放大式重量的1/3。
因此,只要有可能,还是尽量优先采用单级振荡式方案。
但是,当整机对发射机有较高要求时,单级振荡式发射机往往无法满足而必须采用主振放大式发射机。
3）信号指标
（1）输出功率
峰值功率Pt
✧Pt是指脉冲期间射频振荡的平均功率
✧注意：
不要与射频正弦振荡的最大瞬功率相混淆
平均功率Pav
✧Pav是指脉冲重复周期内输出功率的平均值
✧
如果发射波形是简单的矩形脉冲列,脉冲宽度为τ,脉冲重复周期为Tr,则有
式中的fr=1/Tr是脉冲重复频率。
τ/Tr=τfr称作雷达的工作比D。
（2）雷达的工作比D
D=τ/Tr=τfr
常规的脉冲雷达工作比的典型值为D=0.001,但脉冲多卜勒雷达的工作比可达10-2数量级,甚至达10-1数量级。
显然,连续波雷达的D=1。
2、雷达接收机
1）超外差式雷达接收机的组成
简化方框图
主要组成部分
✧高频部分,又称为接收机“前端”,包括接收机保护器、低噪声高频放大器、混频器和本机振荡器;
✧中频放大器,包括匹配滤波器;
✧检波器和视频放大器。
2）质量指标
（1）灵敏度
灵敏度表示接收机接收微弱信号的能力。
能接收的信号越微弱,则接收机的灵敏度越高,因而雷达的作用距离就越远。
雷达接收机的灵敏度通常用最小可检测信号功率Simin来表示。
当接收机的输入信号功率达到Simin时,接收机就能正常接收而在输出端检测出这一信号。
如果信号功率低于此值,信号将被淹没在噪声干扰之中,不能被可靠地检测出来。
由于雷达接收机的灵敏度受噪声电平的限制,因此要想提高它的灵敏度,就必须尽力减小噪声电平,同时还应使接收机有足够的增益。
目前,超外差式雷达接收机的灵敏度一般约为（10-12~10-14）W,保证这个灵敏度所需增益约为106~108（120dB~160dB）,这一增益主要由中频放大器来完成。
（2）动态范围
动态范围表示接收机能够正常工作所容许的输入信号强度变化的范围。
最小输入信号强度通常取为最小可检测信号功率Simin,允许最大的输入信号强度则根据正常工作的要求而定。
当输入信号太强时,接收机将发生饱和而失去放大作用,这种现象称为过载。
使接收机开始出现过载时的输入功率与最小可检测功率之比,叫做动态范围。
为了保证对强弱信号均能正常接收,要求动态范围大,就需要采取一定措施,例如采用对数放大器、各种增益控制电路等抗干扰措施。
（3）中频的选择和滤波特性
接收机中频的选择和滤波特性是接收机的重要质量指标之一。
中频的选择与发射波形的特性、接收机的工作带宽以及所能提供的高频部件和中频部件的性能有关。
在现代雷达接收机中,中频的选择可以从30MHz到4GHz之间。
当需要在中频增加某些信号处理部件,如脉冲压缩滤波器,对数放大器和限幅器等时,从技术实现来说,中频选择在30MHz至500MHz更为合适。
对于宽频带工作的接收机,应选择较高的中频,以便使虚假的寄生响应减至最小。
减小接收机噪声的关键参数是中频的滤波特性,如果中频滤波特性的带宽大于回波信号带宽,则过多的噪声进入接收机。
反之,如果所选择的带宽比信号带宽窄,信号能量将会损失。
这两种情况都会使接收机输出的信噪比减小。
在白噪声（即接收机热噪声）背景下,接收机的频率特性为“匹配滤波器”时,输出的信号噪声比最大。
3）接收机的噪声系数
（1）噪声噪声系数F
F的定义:
接收机输入端信号噪声比与输出端信号噪声比的比值。
根据定义,噪声系数可用下式表示:
式中,Si为输入额定信号功率;
Ni为输入额定噪声功率（Ni=kToBn）;
So为输出额定信号功率;
No为输出额定噪声功率。
噪声系数的说明图
F的物理意义:
它表示由于接收机内部噪声的影响,使接收机输出端的信噪比相对其输入端的信噪比变差的倍数。
公式可以改写为：
式中，Ga为接收机的额定功率增益;
NiGa是输入端噪声通过“理想接收机”后,在输出端呈现的额定噪声功率。
因此噪声系数的另一定义为:
实际接收机输出的额定噪声功率No与“理想接收机”输出的额定噪声功率NiGa之比。
实际接收机的输出额定噪声功率No由两部分组成,其中一部分是NiGa（NiGa=kToBnGa）,另一部分是接收机内部噪声在输出端所呈现的额定噪声功率ΔN,即No=NiGa+ΔN=kToBnGa+ΔN，代入No得
从上式可更明显地看出噪声系数与接收机内部噪声的关系,实际接收机总会有内部噪声（ΔN＞0）,因此F＞1,只有当接收机是“理想接收机”时,才会有F=1。
下面对噪声系数作几点说明:
①噪声系数只适用于接收机的线性电路和准线性电路,即检波器以前部分。
检波器是非线性电路,而混频器可看成是准线性电路,因其输入信号和噪声都比本振电压小很多,输入信号与噪声间的相互作用可以忽略。
②为使噪声系数具有单值确定性,规定输入噪声以天线等效电阻RA在室温To=290K时产生的热噪声为标准,所以由式可以看出,噪声系数只由接收机本身参数确定。
③噪声系数F是没有单位的数值,通常用分贝表示F=10lgF（dB）
④噪声系数的概念与定义,可推广到任何无源或有源的四端网络。
接收机的馈线、放电器、移相器等属于无源四端网络,图中Ga为额定功率传输系数。
由于具有损耗电阻,因此也会产生噪声,下面求其噪声系数。
从网络的输入端向左看,是一个电阻为RA的无源二端网络,它输出的额定噪声功率为
经过网络传输,加于负载RL上的外部噪声额定功率为
从负载电阻RL向左看,也是一个无源二端网络,它是由信号源电阻RA和无源四端网络组合而成的,同理,这个二端网络输出的额定噪声功率仍为kToBn,它也就是无源四端网络输出的总额定噪声功率,即
根据式可得：
由于无源四端网络额定功率传输系数Ga≤1,因此其噪声系数F≥1。
（2）级联电路的噪声系数
两级电路的级联
总噪声系数：
n级电路级联
总噪声系数：
上式给出了重要结论:
为了使接收机的总噪声系数小,要求各级的噪声系数小、额定功率增益高。
而各级内部噪声的影响并不相同,级数越靠前,对总噪声系数的影响越大。
所以总噪声系数主要取决于最前面几级,这就是接收机要采用高增益低噪声高频放大器的主要原因。
典型雷达接收机的高、中频部分
将图中各级的额定功率增益和噪声系数代入n级电路级联公式,即可求得接收机的总噪声系数:
一般都采用高增益（GR≥20dB）低噪声高频放大器,因此上式可简化为：
若不采用高放,直接用混频器作为接收机第一级,则可得：
式中tc为混频器的噪声比,本振噪声的影响一般也计入在内。
4）接收机灵敏度
（1）灵敏度
接收机的灵敏度表示接收机接收微弱信号的能力。
噪声总是伴随着微弱信号同时出
现,要能检测信号,微弱信号的功率应大于噪声功率或者可以和噪声功率相比。
因此,灵敏度用接收机输入端的最小可检测信号功率Simin来表示。
在噪声背景下检测目标,接收机输出端不仅要使信号放大到足够的数值,更重要的是使其输出信号噪声比So/No达到所需的数值。
通常雷达终端检测信号的质量取决于信噪比。
为了保证雷达检测系统发现目标的质量（如在虚警概率为10-6的条件下发现概率是50%或90%等）,接收机的中频输出必须提供足够的信号噪声比,令So/No≥（So/No）min时对应的接收机输入信号功率为最小可检测信号功率,即接收机实际灵敏度为
通常,我们把（So/No）min称为“识别系数”,并用M表示,所以灵敏度又可以写成
为了提高接收机的灵敏度,即减少最小可检测信号功率Simin,应做到:
①尽量
降低接收机的总噪声系数Fo,所以通常采用高增益、低噪声高放;
②接收机中频放大器采用匹配滤波器,以便得到白噪声背景下输出最大信号噪声比;
③式中的识别系数M与所要求的检测质量、天线波瓣宽度、扫描速度、雷达脉冲重复频率及检测方法等因素均有关系。
在保证整机性能的前提下,尽量减小M的数值。
（2）临界灵敏度
为了比较不同接收机线性部分的噪声系数Fo和带宽Bn对灵敏度的影响,需要排除
接收机以外的诸因素,因此通常令M=1,这时接收机的灵敏度称为“临界灵敏度”，其为
雷达接收机的灵敏度以额定功率表示,并常以相对1mW的分贝数计值,即
一般超外差接收机的灵敏度为-90~-110dBmW。
对米波雷达,可用最小可检测电压ESimin表示灵敏度
对一般超外差式接收机,ESimin为10-6~10-7V。
将kTo的数值代入式,Simin仍取常用单位dBmW,则可得到简便计算公式为：
Simin（dBmW）=-114dB+10lgBn（MHz）+10lgFo
不同噪声带宽（Bn=BRI）时接收机灵敏度与噪声系数的关系曲线
5）接收机的动态范围
对一般放大器,当信号电平较小时,输出电压Uom随输入电压Uim线性增大,
放大器工作正常。
但信号过强时,放大器发生饱和现象,失去正常的放大能力,结果输出电压Uom不再增大,甚至反而会减小,致使输出-输入振幅特性出现弯曲下降,见下图。
这种现象称为放大器发生“过载”。
图中表示宽脉冲干扰与回波信号共同通过中频放大器的情况（为了简便起见,仅画出它们的调制包络）:
当干扰电压振幅Unm较小时,输出电压中有与输入信号Uin相对应的增量;
但当Unm较大时,由于放大器饱和,致使输出电压中的信号增量消失,即回波信号被丢失。
同理,视频放大器也会发生上述的饱和过载现象。
信号与宽脉冲干扰共同通过中频放大器的示意图（输出-输入振幅特性）
因此,对于叠加在干扰上的回波信号来说,其放大量应该用“增量增益”表
示,它是放大器振幅特性曲线上某点的斜率
由上图所示的振幅特性,可求得Kd-Uim的关系曲线,如下图所示。
可知,只要接收机中某一级的增量增益Kd≤0,接收机就会发生过载,即丢失目标回波信号。
接收机抗过载性能的好坏,可用动态范围D来表示,它是当接收机不发生过载时允许接收机输入信号强度的变化范围,其定义式如下:
或：
式中,Pimin、Uimin为最小可检测信号功率、电压;
Pimax、Uimax为接收机不发生过载所允许接收机输入的最大信号功率、电压。
信号与宽脉冲干扰共同通过中频放大器的示意图（Kd-Uim的关系曲线）
6）中频脉冲的匹配滤波器
（1）匹配滤波器
匹配滤波器是在白噪声背景中检测信号的最佳线性滤波器,其输出信噪比在某个时刻可以达到最大。
（2）单个矩形中频脉冲的匹配滤波器
多数常规雷达采用简单矩形脉冲调制,所以有必要研究一下矩形包络的单个中
频脉冲的匹配滤波器。
设矩形脉冲的幅度为A,宽度为τ,信号波形的表达式为：
傅里叶变换可求得信号频谱Si（ω）
由H（ω）=S*（ω）可得匹配滤波器的传输函数H（ω）
单个矩形中频脉冲及其匹配滤波器特性
（a）矩形脉冲波形;
（b）矩形高频脉冲频谱;
（c）匹配滤波器特性
匹配滤波器输出的最大信噪比为
理想匹配滤波器的特性一般比较难于实现,例如对于单个矩形中频脉冲来说,图（c）所示的频率特性H（ω）就不易实现。
因此需要考虑它的近似实现,即采用准匹配滤波器。
五、雷达作用距离
1、最大作用距离Rmax
1）
当Pr正好等于Simin时,就可得到雷达检测该目标的最大作用距离Rmax，雷达距离方程的两种基本形式：
●
Pt为雷达发射功率,Gt为雷达天线的增益，Ar为雷达接收天线的有效接收面积（单
基地脉冲雷达通常收发共用天线,即Gt=Gr=G,At=Ar），σ为目标的散射截面积，Simin为最小可检测信号功率，λ为所用波长
2）天线增益和有效面积之间有以下关系:
3）雷达方程虽然给出了作用距离和各参数间的定量关系,但因未考虑设备的实际损耗和
环境因素,而且方程中还有两个不可能准确预定的量:
目标有效反射面积σ和最小可检测信号Simin,因此它常用来作为一个估算的公式,考察雷达各参数对作用距离影响的程度。
4）接收信号处理框图
用检测因子Do表示的雷达方程为：
上式中增加了带宽校正因子CB≥1,它表示接收机带宽失配所带来的信噪比损失,匹配时CB=1；
L表示雷达各部分损耗引入的损失系数；
Fn为接收机的噪声系数；
T0为标准室温,一般取290K；
检测因子Do=（S/N）omin
5）环境因素：
大气传播影响（大气衰减、大气折射和雷达直视距离）、地面或水面反射对作用距离的影响
2、门限检测
检测时门限电压的高低影响以下两种错误判断的多少:
有信号而误判为没有信号（漏警）
只有噪声时误判为有信号（虚警）
应根据两种误判的影响大小来选择合适的门限。
1）虚警概率Pfa
虚警是指没有信号而仅有噪声时,噪声电平超过门限值被误认为信号的事件。
噪声超过门限的概率称虚警概率。
包络检波器输出端噪声电压振幅的概率密度函数为P（r）
2）发现概率Pd
发现概率就是信号加噪声电压超过门限的概率。
发现概率
2、目标的雷达截面积（RCS）
雷达是通过目标的二次散射功率来发现目标的。
为了描述目标的后向散射特性,在雷达方程的推导过程中,定义了“点”目标的雷达截面积σ。
目标的后向散射特性除与目标本身的性能有关外,还与入射波的波长、极化和视角有关。
1）点目标特性与波长的关系
目标的后向散射特性与波长的关系最大,常以相对于波长的目标尺寸来对目标进行分类。
为了讨论目标后向散射特性与波长的关系,比较方便的办法是考察一个各向同性的球体。
因为球有最简单的外形,而且理论上已经获得其截面积的严格解答,其截面积与视角无关,因此常用金属球来作为截面积的标准,用于校正数据和实验测定。
球体截面积与波长的关系如图所示。
当球体周长2πr<
<
λ时,称为瑞利区,这时的截面积正比于λ-4;
当波长减小到2πr=λ时，就进入振荡区,截面积在极限值之间振荡;
2πr>
>
λ的区域称为光学区,截面积振荡地趋于某一固定值,它就是几何光学的投影面积πr2。
目标的尺寸相对于波长很小时呈现瑞利区散射特性,即σ∝λ-4。
绝大多数雷达目标都不处在这个区域中,但气象微粒对常用的雷达波长来说是处在这一区域的（它们的尺寸远小于波长）。
处于瑞利区的目标,决定它们截面积的主要参数是体积而不是形状,形状不同的影响只作较小的修改即可。
通常，雷达目标的尺寸较云雨微粒要大得多,因此降低雷达工作频率可减小云雨回波的影响而又不会明显减小正常雷达目标的截面积。
实际上大多数雷达目标都处在光学区。
光学区名称的来源是因为目标尺寸比波长大得多时,如果目标表面比较光滑,那么几何光学的原理可以用来确定目标雷达截面积。
按照几何光学的原理,表面最强的反射区域是对电磁波波前最突出点附近的小的区域,这个区域的大小与该点的曲率半径ρ成正比。
曲率半径越大，反射区域越大,这一反射区域在光学中称为“亮斑”。
可以证明,当物体在“亮斑”附近为旋转对称时,其截面积为πρ2,故处于光学区球体的截面积为πr2,其截面积不随波长λ变化。
在光学区和瑞利区之间是振荡区,这个区的目标尺寸与波长相近,在这个区中，截面积随波长变化而呈振荡,最大点较光学值约高5.6dB,而第一个凹点的值又较光学值约低5.5dB。
实际上雷达很少工作在这一区域。
2）目标特性与极化的关系
目标的散射特性通常与入射场的极化有关。
先讨论天线幅射线极化的情况。
照射到远区目标上的是线极化平面波,而任意方向的线极化波都可以分解为两个正交分量,即垂直极化分量和水平极化分量,分别用ETH和ETV表示在目标处天线所幅射的水平极化和垂直极化电场,其中上标T表示发射天线产生的电场,下标H和V分别代表水平方向和垂直方向。
一般,在水平照射场的作用下,目标的散射场E将由两部分（即水平极化散射场ESH,和垂直极化散射场ESV）组成,并且有；
式中，αHH表示水平极化入射场产生水平极化散射场的散射系数；
αHV表示水平极化入射场产生垂直极化散射场的散射系数。
同理,在垂直照射场作用下,目标的散射场也有两部分:
式中,αVH表示垂直极化入射场产生水平极化散射场的散射系数；
αVV表示垂直极化入射场产生垂直极化散射场的散射系数。
显然,这四种散射成分中,水平散射场可被水平极化天线所接收,垂直散射场可被垂直极化天线所接收,所以有，式中ErH,ErV分别表示接收天线所收到的目标散射场中的水平极化成分和垂直极化成分，可得出散射矩阵：
散射矩阵还可以表示成如下形式：
，
由于雷达截面积严格表示应该是一个复数,其中
等表示散射矩阵单元的幅度,ρHH表示相对应的相位。
天线的互易原理告诉我们,不论收发天线各采用什么样的极化,当收发天线互易时,可以得到同样效果。
特殊情况,比如发射天线是垂直极化,接收天线是水平极化,当发射天线作为接收而接收天线作为发射时,效果相同,可知αHV=αVH,说明散射矩阵交叉项具有对
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