雷达辐射源模拟技术研究Word格式.docx
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2.2雷达的发射机 6
2.3雷达天线的主要参数和扫描方式 7
2.4雷达信号形式和波形 8
2.5雷达信号的描述 9
2.5.1幅度调制 9
2.5.2相位调制 12
2.6电子战信号环境的描述 13
第三章雷达信号设计 17
3.1雷达辐射源发射信号的模型 17
3.2雷达信号模型 19
3.2.1发射信号 19
3.2.2目标的反射信号 19
3.2.3侦察接收机噪声 20
3.2.4主瓣杂波的反射信号 20
3.2.5合成雷达反射信号 21
3.3雷达信号波形的设计及波形库的建立 21
3.3.1雷达信号的计算技术 21
3.3.2雷达波形库的建立 23
3.4方向图函数 37
3.5宽带雷达信号的理论分析 39
3.5.1雷达信号波形—信号检测—匹配滤波 39
3.5.2雷达分辨率与信号的波形 40
3.5.3几种典型的宽带雷达信号 43
第四章雷达信号的产生 51
4.1雷达信号模拟器 51
4.1.1雷达信号模拟器简介 51
4.1.2雷达信号模拟器分类 51
4.2通用仪器仪表产生雷达信号 53
4.2.1雷达波形合成技术 54
4.2.2雷达信号合成原理 56
结束语 59
致谢 61
参考文献 63
研究生期间的研究成果 67
1
第一章绪论
1.1论文研究的背景和意义
电子战作为指挥控制战和信息战的关键要素和手段，在现代战争中具有重要的作用和意义。
电子战随着军事技术、科学技术及现代军事要求的发展也发生了很大变化。
新的电子战将电子战划分为电子支援、电子攻击和电子防护[1]。
电子战主要包括：
电子对抗与电子反对抗。
电子对抗是指为了探测敌方无线电电子装备的电磁信息，削弱或破坏其使用效能所采取的一切战术、技术措施[2]。
电子对抗主要有电子干扰、电子侦察、伪装、隐身和摧毁。
在第二次世界大战期间，由于军事上的迫切需要，雷达得到了广泛应用和迅速发展。
近年来，由于计算机、微电子、新材料、新生产工艺等雷达相关技术的进步，在军事需求的推动下，雷达技术发展非常迅速。
雷达技术的发展以及在现代战争中的重要性使得各国也开始研究各种对付雷达的技术及手段，相应地就有了雷达对抗，雷达对抗就是通过对敌方的雷达进行干扰和侦察来获取敌方装备、兵力部署、作战指挥等重要情报；
在重要的战役和战争进程中，迫使敌方武器系统无法正常工作，为保存自己、消灭敌人、取得战争的胜利创作有利条件。
雷达对抗主要有目标隐身、雷达干扰、雷达侦察和反辐射导弹等[2]。
随着军事技术和信息技术的飞速发展，对雷达的性能提出了越来越高的要求。
同时缩短雷达系统设计、调试、联调和外场试验周期就显得非常重要，而现代雷达系统面临非常复杂严峻的工作环境。
所以考虑到开发周期、环境、成本、及试验等诸多因素，在现代雷达系统的设计、试验及训练过程中，不可能总是采用真实目标，在这种情况下，雷达辐射源模拟受到普遍重视。
雷达对抗设备的研制和调试中，一方面，为了试验和测试雷达对抗系统的侦察能力和干扰引导能力，满足专用（针对具体雷达对抗系统或某一类特定的雷达对抗系统）或通用（较宽适应范围内的雷达对抗系统）雷达对抗系统试验和测试的要求；
另一方面，为了欺骗和迷惑敌方雷达的侦察系统，具有满足对特定雷达发射信号（协同特定雷达工作与该雷达近似相同的信号）或通用雷达发射信号
（可以单独使用，产生较大调制范围内的信号）精确模拟的能力，满足平时和战时装备工作使用的要求，需要向雷达对抗设备或者敌方的雷达侦察系统提供真实的或者仿真的辐射源。
外场环境下利用真实的雷达信号来测试雷达对抗设备或者向雷达侦察设备提供真实的雷达信号，虽然可以获得比较真实的结果，但通常需要耗费大量的人力、物力、财力和时间。
而利用模拟雷达辐射源发射雷达信号，则具有成本低、灵活性高和可重复使用的优势。
因此，在外场测试前可以先利用
2
雷达辐射源模拟技术研究
模拟雷达辐射源对雷达的对抗设备进行测试和验证，这样在外场测试时，就可大大提高效率，节省经费和缩短周期。
而且，采用模拟辐射源技术可以模拟各种各样的雷达信号，从而可以模拟复杂的电子战环境。
况且，外场试验的雷达数量毕竟有限，很难模仿真实的战场作战环境。
因此，通过对雷达辐射源的模拟研究就可以逼真地模拟真实的战场作战环境。
1.2雷达辐射源模拟技术研究现状
1.2.1雷达信号模拟系统的特点
现代电子战中，雷达信号模拟技术已经成为很重要的技术，由于电子战环境中越来越多的辐射源，各种辐射源产生的波形种类越来越复杂，并且辐射源的工作频段在不断扩宽，对雷达信号模拟系统提出了更高的要求[3]。
所以需要一种能产生多种雷达信号的设备，以适应雷达技术及电子战的发展。
无论国内还是国外都很重视对雷达模拟系统的研究，因为雷达信号模拟系统具有很多不可代替的特点[4]。
首先模拟辐射源能逼真地模拟雷达信号源。
一般雷达信号模拟系统中使用的计算机、应用软件、信号源等能产生各种各样需要的雷达信号。
其次跟真实的雷达辐射源比具有高效低费用[5]的特点。
模拟系统本身的组成部分都是计算机信号源，可以反复使用，根据测试场景修改参数，满足复杂的电磁环境模拟。
1.2.2雷达辐射源的研究现状
对雷达侦察接收机接收和处理信号[6]能力是通过测试来实现，目前对于雷达侦察接收机的验证有3种方法：
（1）实际作战环境中测试
这种测试需要架设多部雷达，发射各种各样的雷达信号，需要通过地面或海面等真实环境，将耗费大量的人力、物力、财力及时间。
虽然这是一种精确的测试方法，但是由于这种方法的复杂性，而且成本高，因此很难实现，从而限制了该方法的应用。
（2）雷达模拟器的测试[7]
由于现有的雷达模拟器一般都是针对特定的雷达系统而研制的，所以雷达模拟器的通用性及可重用性较差，而且模拟器的成本也相对较高。
雷达信号模拟器大体上分为两大类。
一类是用模拟电路来实现，优点是频率可以做得很高；
缺点是体积比较大、功耗大、成本高、频率精度较低，并且只能产生一些比较简单的
3
雷达信号。
第二类是用直接数字合成（DDS）技术，通过高速逻辑电路来实现，通过数控电路能对DDS输出波形的频率、幅度、相位实行精确的控制。
优点是集成度高、体积小、功耗低、成本低、频率稳定度高、输出频率相对带宽很宽、通过编程控制可以产生复杂的雷达信号；
缺点是工作频带的限制，目前输出频率的上限最高只有500MHz、相位噪声的影响大、杂散抑制差。
（3）通用测试仪器测试[8]
由于目前矢量信号源、任意波形发生器等仪器已经可以完成模拟信号到微波信号的转换，即可以完成各种所需雷达信号的合成。
并且这些仪器的通用接口具有较强的扩展性，可以在需要反复验证侦察机接收到的信号准确性时重复使用。
这种方法成本较低，所以被广泛采用。
本文主要从信号方面研究了雷达信号的模拟技术，是为上述第二种和第三种方法提供理论依据及技术指导。
1.3本文的主要研究内容及章节安排
本文从信号模拟方面对雷达辐射源的模拟技术进行了研究，应用Matlab对各种雷达信号进行模拟仿真，并建立信号库。
主要研究了宽带雷达信号的设计原则和方法、设计过程待解决的问题以及一些宽带雷达信号的数学表达式及模糊函数。
从雷达信号模拟器和通用仪器仪表两方面介绍了雷达信号的产生。
本文的主要章节安排如下：
第一章：
绪论，主要介绍雷达辐射源模拟技术研究的背景和意义，概括描述雷达信号模拟系统的特点以及雷达辐射源的研究现状。
第二章：
雷达工作原理，主要介绍了雷达的组成包括：
雷达发射机的组成和发射机的主要质量指标，雷达天线的参数及工作方式，并对雷达信号形式和波形进行简要介绍，最后对电子战信号环境进行描述。
第三章：
雷达信号的设计，主要对雷达辐射源的发射信号和目标信号进行建模，建立了常用雷达信号的波形库，介绍了雷达信号方向图函数，最后对宽带雷达信号进行理论分析。
第四章：
主要介绍了雷达信号的产生方法，包括雷达信号模拟器和通用仪器仪表产生雷达信号。
最后对本文的工作进行总结，并指出了下一步的研究方向。
5
第二章雷达工作原理
雷达源于RadioDetectionandRanging的缩写,原意是“无线电探测和测距”,即利用无线电方法发现目标并测定其在空间的位置。
因此雷达也称为“无线电定位”。
由于雷达技术发展迅速，雷达的功能不仅是获取目标方位、距离和仰角等信息，还包括获取目标速度以及与目标有关的其它信息[9]。
2.1雷达的组成和种类
以典型单基地脉冲雷达为例说明雷达的基本组成及其作用，如图2.1所示。
发射机
调制器
电源
天线
微波
激励和同步
收发开关
激励器
同步器
接收机
底座和伺服
高频部分
中放
信号处理
显示器
操作员
图2.1脉冲雷达的基本组成框图
它的组成主要包括：
天线、发射机、接收机、终端设备和信号处理机等[9]。
发射机辐射需要的脉冲功率，其波形为脉冲宽度是t，重复周期是Tr的脉冲串。
发射机的类型有：
直接振荡式和功率放大式。
脉冲雷达的天线是收发共用的。
脉冲雷达的接收机多为超外差式，其组成主要是：
高频放大（有些雷达接收机不需要高频放大）、中频放大、混频、视频放大、检波等电路。
信号处理的目的是消除不需要的信号（如杂波）以及干扰而通过或加强由目标产生的回波信号。
同步设备（频率综合器）是雷达机的频率和时间标准。
按雷达的信号形式分为：
连续波雷达、脉冲雷达、脉冲压缩雷达、脉冲多普
6
勒雷达、噪声雷达以及频率捷变雷达等。
2.2雷达的发射机
雷达是利用物体能够反射电磁波的特性发现并确定目标距离、高度、速度及方位等参数[9]。
因此，雷达在工作时候要求发射一种大功率无线电信号。
发射机就给雷达提供这一大功率信号，此信号经过馈线和收发开关后由天线辐射出去。
前面提到雷达的发射机有单级振荡式和主振放大式两类。
雷达发射机的主要质量指标有：
1.工作频段或波段
雷达工作频率依照雷达用途来确定的，如果频段确定了，也就知道了雷达的用途，所以对于军用雷达，其雷达频段都是保密的。
为了提高雷达系统的工作性能或者抗干扰能力，雷达需要能在几个频率上跳变工作或同时工作。
工作频率或波段的不同对发射机的设计影响很大。
2.输出功率
发射机输出功率将直接地影响雷达威力与抗干扰的能力。
一般规定发射机送到天线输入端的功率为发射机输出功率。
脉冲雷达发射机输出功率分为峰值功率
Pt和平均功率Pav。
Pt是指脉冲期间射频振荡的平均功率。
pav是指脉冲重复周期内输出功率的平均。
如果发射波形是简单的矩形脉冲列，脉冲宽度为t,脉冲重复
周期为Tr，则就有
P=Pt=Ptf
（2-1）
T
av t trr
式中，fr=1Tr是脉冲重复频率。
D=tTr=tfr称为雷达的工作比。
常规脉冲雷
达的工作比典型值为D=0.001，但脉冲多普勒雷达的工作比可以达到10-2数量级，甚至可以达到10-1数量级。
3.总效率
发射机的总效率是指发射机的输出功率与它的输入总功率之比。
4.信号形式（调制形式）
一般雷达体制不同，选用的信号形式也就不同。
目前应用相对较多的三种雷达信号形式为：
固定载频矩形脉冲调制信号，脉冲压缩雷达中所用的线性调频信号以及在相位编码脉冲压缩雷达中使用的相位编码信号。
5.信号稳定度（频谱纯度）
信号稳定度是指信号的各项参数，比如信号的频率（或相位）、振幅、脉冲重复频率及脉冲宽度等是否随时间作不应有的变化。
雷达信号的不稳定会给雷达整机性能带来不利影响。
信号参数的有不稳定分为规律性的和随机性的。
引起规
7
律性的不稳定的原因有机械震动、电源滤波不良等。
而引起随机性的不稳定的原因则有发射管的噪声和调制脉冲的随机等。
一般可以在时间域或频率域内衡量信号的不稳定。
2.3雷达天线的主要参数和扫描方式
雷达天线[10]的作用是将发射机产生的导波场转换成空间辐射场，并接收目标反射回来的回波，将回波能量转换成导波场传送到接收机。
雷达的重要战术性能，如探测距离、探测范围、测角（方位、仰角）精度、角度分辨力和抗干扰能力均与天线性能有关。
雷达天线在空间聚成的立体电磁波束，通常用波束的水平截图（即水平方向图）和垂直截面图（即垂直方向图）来描述。
方向图呈花瓣状又称其为波瓣图。
常规的天线方向图有一个主瓣和多个副瓣。
主瓣用于探测目标。
副瓣又称旁瓣，没有作用，越小越好。
雷达的战术用途不同，所要求的天线波束形状也不同。
1.雷达天线的种类
雷达天线的类型很多，按其结构形式，主要有反射面天线和阵列天线两大类。
按照天线波束的扫描方式，雷达天线可以分为机械天线扫描、电扫描天线和机电扫描组合的天线。
2.雷达天线的主要性能指标
雷达天线主要的目的是更好地接收和发送数据，不同种类的天线具有不同的指标，但雷达天线主要的性能指标[10]有：
波瓣宽度、有效面积、增益、副瓣电平、极化方式、频带宽度、天线转速和抗风力等。
2.1波瓣宽度
波瓣宽度是天线方向图中主波瓣电磁场半功率点（0.707场强点）间的宽度，有水平波瓣宽度和垂直波瓣宽度。
在雷达工作波长固定的条件下，天线口径尺寸越大，波瓣宽度越窄。
在天线口径尺寸固定的条件下，工作波长越短，波瓣宽度越窄。
天线波瓣宽度与雷达的测角精度和角分辨力直接有关，波瓣窄，测角精度高，角分辨力强。
2.2有效面积
天线的有效面积表示雷达天线接收空中信号功率的能力，即雷达天线收到的信号功率与来自最大辐射方向的信号的功率密度之比。
一般雷达天线的有效面积为天线实际几何面积的50%~90%。
2.3增益
增益表示雷达天线聚集波束的能力，其大小为雷达天线在最大辐射方向所辐射的功率与各个方向都均匀辐射的天线在同一方向上的功率之比（在两天线输入
8
功率相同的条件下）。
在雷达工作波长固定时，天线口径面积越大，天线增益越高；
如果天线口径面积固定，则工作波长越短，增益越高。
2.4副瓣电平
副瓣电平是指副瓣的最大电磁场强度与主瓣的最大电磁场强度之比，用分贝表示。
雷达天线有很多副瓣，因此有最大副瓣电平和平均副瓣电平两项性能指标。
根据雷达反干扰性能的要求，天线副瓣电平越低越好。
2.5极化方式、频带宽度、天线转速与抗风力
雷达天线通常置于露天工作，直接受到自然界中风、霜、雨、雪、雾、沙尘以及太阳辐射等的影响使天线的性能降低，寿命缩短。
因此，很多雷达的天线配有天线罩。
2.4雷达信号形式和波形
雷达信号主要指有源雷达辐射信号和少数情况下的散射信号。
雷达信号以高功率射频脉冲为主，主要频段为1~18GHz,有比较规范的脉内/脉宽/重频/天线扫描调制特性。
雷达信号波形种类很多，可以从不同角度去分。
按雷达信号形式分为脉冲雷达、连续波雷达、脉压雷达。
按照调制类型可分为：
（1）常规脉冲雷达信号
（2）捷变频雷达信号
（3）重频参差、抖动、滑变雷达信号
（4）连续波雷达信号
（5）脉压雷达信号
（6）频率分集信号
按照雷达体制的不同，可以选择各种各样的信号形式，表2.1列出雷达常用信号形式的调制类型及工作比。
表2.1雷达信号的调制类型及工作比
波形
调制类型
工作比（%）
简单波形
矩形振幅调制
0.01~1
脉冲压制
线性调频、脉内相位编码
0.1~10
高工作比多普勒
矩形调幅
30~50
调频连续波
线性调频、正弦调频、相位编码
100
连续波
图2.2列出了应用较广泛的三类雷达信号的形式及调制波形
9
t
Tr
（a）
（b）
t0
（c）
图2.2三种典型雷达信号和调制波形
图2.2（a）表示简单的载频固定的矩形脉冲调制信号波形，图中t是脉冲的宽度，Tr是脉冲的重复周期；
图2.2（b）表示线性调频信号；
图2.2（c）表示相位编码信号（图中所示是5位的巴克码信号），此时t0为子脉冲的宽度。
2.5雷达信号的描述
窄带无线电信号[11]（雷达信号）的一般表示形式为：
s（t）=A（t）exp{-j[w0t+j（t）]}
根据雷达信号的幅相调制函数A（t），j（t），对信号分类如下：
2.5.1幅度调制
幅度调制A（t）分为：
脉冲调制与连续波两类。
一、脉冲调制：
（2-2）
A（t）=å
aj（t-ti）,aj（t）=0,t
i
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