雷达原理.docx

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雷达原理

一、绪论

雷达：

无线电探测与测距。

利用电磁波对目标检测、定位、跟踪、成像和识别。

雷达利用目标对电磁波的反射或散射现象来发现目标并测定其位置的。

定时器发射机收发开关天线

显示器接收机天控系统

组成框图

雷达测量原理

雷达发射信号：

雷达接收信号：

雷达利用收发信号之间的相关性获取目标信息

雷达组成：

天线：

向确定的方向发射和接收特定频段的电磁波

收发开关：

发射状态将发射机输出功率接到天线，保护接收机输入端

接收状态将天线接收信号接到接收机，防止发射机旁路信号

发射机：

在特定的时间、以特定的频率和相位产生大功率电磁波

接收机：

放大微弱的回波信号，解调目标信息

雷达的工作频率：

工作频率范围：

22mhz--35ghz

扩展范围：

2mhz--94ghz

绝大部分雷达工作在：

200mhz--10000ghz

雷达的威力范围：

最大作用距离、最小作用距离、最大仰角、最小仰角、方位角范围

分辨力：

区分点目标在位置上靠近的能力

距离分辨力：

同一方向上两个目标之间最小可区别的距离

角度分辨力：

在同一距离上的两个不同方向的点目标之间最小能区别的角度

数据率：

雷达对整个威力范围内完成一次搜索所需要的时间倒数，也就是单位时间内雷达所能提供对一个目标数据的次数。

跟踪速度：

自动跟踪雷达连续跟踪运动目标的最大可能速度

发射功率的和调制波形：

发射功率的大小直接影响雷达的作用距离

发射信号的调制波形：

早期简单脉冲波形，近代采用复杂波形

脉冲宽度：

脉冲雷达发射信号所占的时间。

影响探测能力和距离分辨力

重复频率：

发射机每秒发射的脉冲个数，其倒数是重复周期。

决定单值测距的范围，影响不模糊速区域大小

天线波束形状天线：

一般用水平面和垂直面内的波束宽度来表示

天线的扫描方式：

搜索和跟踪目标时，天线的主瓣按照一定规律在空间所作的反复运动。

机械性扫描和电扫描

接收机的灵敏度：

通常规定在保证50%、90%的发现概率条件下，接收机输入端回波信号的功率作为接收机的最小可检测信号功率。

这个功率越小接收机的灵敏度越高，雷达的作用距离越远。

显示器的形式和数量：

雷达显示器是向操纵人员提供雷达信息的一种终端设备，是人际联系的一个环节。

电子战对抗中的雷达：

电子战（EW）:

敌我双方利用无线电电子装备或器材所进行的电磁信息斗争，包括电子对抗和电子反对抗。

电子对抗（ECM）：

为了探测敌方无线电电子装备的电磁信息（电磁侦察），削弱或破坏其使用效能所采取的一切战术、技术措施（电子干扰、伪装、隐身和摧毁）

电子反对抗（ECCM）：

在敌方实施电子对抗的条件下，保证我方有效采用电磁信息所采取的一切战术、技术措施（反侦察、抗干扰、反伪装、反隐身、反摧毁）

雷达反干扰

天线抗干扰：

低旁瓣、旁瓣对消、波束控制、随机扫描

发射机抗干扰：

提高有效辐射功率、频率捷变、频率编码、频率分集、脉冲压缩、波形隐蔽、窄脉冲、重频时变

接收机、信号处理机抗干扰：

接收机抗饱和、重频、脉宽鉴别、MTI、MTD、积累检测

二、发射机

发射机任务：

产生大功率高频振荡发射信号。

脉冲雷达要求发射机产生一定宽度、一定重复频率、一定波形的大功率射频脉冲列

基本类型：

连续波发射机、脉冲调制发射机（单极振荡式发射机、主振荡式发射机）

输出功率：

发射机送到天线输入端的功率

峰值功率：

脉冲期间发射机输出功率的平均值（不要过分增大法设计的峰值功率）

平均功率：

脉冲重复周期内输出功率的平均值：

工作比D:

常规脉冲雷达工作比0.001

脉冲多普勒雷达工作比10-2~10-1量级

连续波雷达工作比100%

总功率：

发射机输出功率与输入功率之比

主振放大式发射机特别注意改善输出级效率

信号形式：

信号形式由雷达体制决定

常规脉冲雷达为简单脉冲波形，特殊体制雷达为复杂调制波形

雷达常用信号形式

波形

调制类型

工作比

简单脉冲

脉冲压缩

高工作比多普勒

调频连续波

连续波

矩形振幅调制

线性调制

脉内相位编码

矩形调幅

线性调频

正弦调频

相位编码

0.01--1

0.1--10

30--50

100

100

信号的稳定度或频谱纯度

信号的稳定度：

信号各项参数（振幅、频率（或相位）、脉冲宽度及脉冲重复频率）是否随时间做不应有的变化

信号的频谱纯度：

雷达信号在应有信号频谱之外的寄生输出（频谱纯度为稳定度在频域中的表示）

相参信号：

信号的相参性：

两个信号相位间存在确定关系。

单级振荡式发射机：

振荡器工作状态由脉冲调制器控制，每个射频脉冲起始射频相位由振荡器噪声决定具有随机性，即射频信号相位不相参。

主振放大式发射机：

主控振荡器提供基准连续波信号，射频脉冲通过脉冲调制器控制射频功率放大器产生。

相继射频脉冲具有固定的相位关系。

脉冲调制器任务：

产生等幅、等宽、等时间间隔的视频脉冲序列控制发射机输出高频脉冲序列。

脉冲调制器解决的关键问题：

尽可能降低对于电源部分的高峰值功率的要求，实现用较小功率电源产生较大峰值功率射频脉冲。

固态发射机的优点：

1、不需要阴极加热、寿命长；2、具有很高的可靠性；3、体积小、重量轻；4、工作频带宽、效率高；5、系统设计和运用灵活；6、维护方便，成本较低。

固态高功率放大器模块：

应用先进的集成电路工艺和微波网络技术，将多个大功率晶体管的输出功率并行组合，即可制成固态高功率放大器模块。

输出功率并行组合的主要要求是高功率和高效率。

根据使用要求，主要有两种典型的输出功率组合方式。

三、接收机

接收机的任务：

接收和检测雷达的回波信号并进行处理，为测量系统及控制系统提供包含目标信息的各种必须信号。

处理信号：

选择信号——时间、频率，放大信号——高放、中放、视放，变换信号——混频、检波

超外差式雷达接收机主要组成部分：

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。

接收机的工作频带宽度：

表示接收机的瞬时工作频率范围。

要求雷达发射机和接收机具有较宽的工作带宽。

频率捷变雷达要求接收机的工作频带宽度为（10—20）%。

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。

表示方法：

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

措施：

采用对数放大器、各种增益控制电路等抗干扰措施

中频的选择和滤波特性：

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。

如果所选择的带宽比信号带宽窄,信号能量将会损失。

工作稳定性和频率稳定度：

工作稳定性是指当环境条件（例如温度、湿度、机械振动等）和电源电压发生变化时,接收机的性能参数（振幅特性、频率特性和相位特性等）受到影响的程度,希望影响越小越好。

大多数现代雷达系统需要对一串回波进行相参处理,对本机振荡器的短期频率稳定度有极高的要求（高达10-10或者更高）,因此，必须采用频率稳定度和相位稳定度极高的本机振荡器,即简称的“稳定本振”。

抗干扰能力：

有源干扰和无源干扰

有源干扰：

敌方施放的各种杂波干扰和邻近雷达的异步脉冲干扰。

无源干扰：

指从海浪、雨雪、地物等反射的杂波干扰和敌机施放的箔片干扰。

这些干扰严重影响对目标的正常检测,甚至使整个雷达系统无法工作。

常见的接收机噪声模型：

电阻热噪声、天线噪声

天线噪声：

天线噪声是外部噪声,它包括天线的热噪声和宇宙噪声,前者是由天线周围介质微粒的热运动产生的噪声,后者是由太阳及银河星系产生的噪声,这种起伏噪声被天线吸收后进入接收机,就呈现为天线的热起伏噪声。

天线噪声的大小用天线噪声温度TA表示,其电压均方值为

式中,RA为天线等效电阻。

P（f）与f有关，称之为色噪声。

噪声系数和噪声温度：

额定功率增益：

四端网络输出额定信号功率与输入额定信号功率之比，即

信噪比：

信号与噪声功率之比

噪声系数：

接收机输入端信噪比与输出端信噪比的比值。

Si为输入额定信号功率;Ni为输入额定噪声功率（Ni=kT0Bn）;S0为输出额定信号功率;0为输出额定噪声功率。

噪声系数F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。

表示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。

接收机的灵敏度：

表示接收机接收微弱信号的能力。

用接收机输入端的最小可检测信号功率Simin来表示。

受噪声电平的限制。

灵敏度和噪声系数的关系：

提高灵敏度就是减少最小可检测信号功率，即：

①降低接收机的总噪声系数F0——高增益、低噪声高放；

②合理的选择Bn；

③在保证整机性能的前提下，尽量减小M的数值。

引起频率变化的原因：

1、磁控管振荡器的预热漂移、温度漂移、负载变化引起的频率拖曳效应以及电子频移

2、电源变化、温度变化引起本机振荡器的频率漂移

3、采用机械跳频抗干扰的雷达中，由于机械跳频统调不准确而引起的失谐误差。

接收机的动态范围：

接收机能正常工作所容许的输入信号强度变化范围。

增益控制电路：

作用：

1、防止过载（强信号），在弱信号时使接收机处于高增益状态

2、确保接收机有稳定的增益，补偿接收机增益的变化

3、满足不同的观测条件和调整状态时的不同要求

目的：

在雷达工作时，在雷达的作用范围内，通过适时适当地调整接收机的增益，使其输出的信号基本上稳定在所需的电平上，而不随目标的距离、接收机本身参数的变化而改变。

种类：

自动增益控制AGC，瞬时自动增益控制IAGC，近程增益控制STC

自动增益控制AGC：

在跟踪雷达中,为了保证对目标的自动方向跟踪,要求接收机输出的角误差信号强度只与目标偏离天线轴线的夹角（称为“误差角”）有关,而与目标距离的远近、目标反射面积的大小等因素无关。

为了得到这种归一化的角误差信号,使天线正确地跟踪运动目标,必须采用自动增益控制（AGC）。

近程增益控制STC：

近程增益控制电路又称“时间增益控制电路”或“灵敏度时间控制（STC）电路”,它用来防止近程杂波干扰所引起的中频放大器过载。

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。

如果已知输入信号s（t）,其频谱为S（ω）,则可以证明匹配滤波器在频率域的特性为:

四、雷达终端显示器

显示器的任务：

以光学图形、图像的表现形式，将雷达探测到的目标信息通过视觉传递给雷达操作者。

显示内容：

包括目标的位置及其运动情况，目标的各种特征参数等。

计算机图形显示主要优点：

1、控制灵活，改动方便2、可以实现比较复杂的功能

电子束偏转方式：

随机扫描：

用随机定位的方式控制电子束的运动。

只要给出与位置（X,Y）相应的扫描电压（电流），就可在荧光屏上的任意位置显示信息。

光栅扫描：

由在屏幕上一条接一条的水平扫描线构成，根据输入指令相应地增强某些部分的水平扫描线时，就可产生显示信息。

雷达信息处理内容：

1、从雷达接收机的输出中检测目标回波，判定目标的存在。

2、测量并录取目标的坐标。

3、录取目标的其它参数，如机型、架数、国籍、发现时间等，并对目标进行编批。

目标角坐标的录取：

等信号法和加权法

五、雷达的作用距离

天线增益和面积的关系：

天线增益定义：

在相同输入功率的条件下，天线在最大方向上产生的功率密度与理想点源天线（无方向性理想天线）在同一点产生的功率密度的比值，即为该天线的增益系数。

根据接收机信号检测理论：

当时，雷达才能可靠地发现目标

当时，雷达发现目标的距离Rmax所以：

当时，雷达不能检测目标

由方程得出的结论：

与发射机输出脉冲功率的四次方根成正比

与接收机灵敏度的四次方根成反比

或

与天线增益或有效接收面积的平方根成正比

与目标截面积的四次方根成正比

与

有关：

呈反比关系；

呈正比关系

二次雷达方程：

--目标上装有应答器

目标应答器收到雷达信号后，转发特定的应答信号。

特点：

1、雷达收到的回波信号只经过单程传播

2、二次雷达系统能可靠地工作。

应答器能收到雷达信号、雷达能检测应答器转发的信号

（1）上行作用距离Rmax：

已知：

雷达发射功率Pt，雷达天线增益Gt，

应答天线增益，应答器的灵敏度

则：

上行作用距离

（2）下行作用距离R·max

下行作用距离

最小可检测信号

：

根据雷达作用距离，可确定检测目标信号所需的最小输出信噪比以及接收机最小可检测信号功率。

门限检测：

将接收机输出的视频信号与门限电压

进行比较。

检测的四种情况

（1）有目标判有目标——发现，出现概率称发现概率Pd

（2）有目标判无目标——漏报，出现概率称漏报概率Pla

（3）无目标判无目标——不发现，出现概率称不发现概率Pan

（4）无目标判有目标——虚警，出现概率称虚警概率Pfa

四种概率相互关系:

雷达最佳检测准则（奈曼—皮尔逊准则）

在给定信噪比的条件下，满足一定的虚警概率时，使雷达的发现概率最大。

按这个准则确定出的检测门限，称为最佳检测门限。

脉冲积累：

雷达不是靠一个回波脉冲实现目标检测，而是根据对一串回波脉冲的观察做出判决，这是一个脉冲积累过程。

实现：

人工法和自动法

作用：

提高接收机的输出信噪比

种类：

中频积累--积累在检测器之前完成；视频积累--积累在检测器之后完成。

中频积累后信噪比

（1）信号：

要求发射机发射相参脉冲信号--相邻脉冲初相位有严格的相位关系（完全同相）。

回波电压提高n倍；回波功率提高n2倍

（2）噪声：

随机信号且在Tr内相互独立、不相关

随机变量和的方差，等于各个变量方差的和

噪声方差的物理意义表示噪声功率，噪声功率提高n倍

（3）信噪比提高n倍

六、雷达距离的测量

磁波在均匀介质中以光速匀速直线传播；测量目标回波滞后于发射信号的延迟时间

的测量：

脉冲雷达采用脉冲法；连续波雷达采用频率法和相位法

确定回波到达的位置：

前沿法：

以目标回波脉冲的前沿测量到达时间。

特点：

物理概念清楚（适用于人工测量）、前沿受回波大小及噪声影响

中心法：

以回波脉冲的中心测量回波到达时间。

特点：

到达时间的测量不受波形的影响、适用于自动跟踪系统，采用专用电路；

提高距离分辨力：

发射脉宽窄、管子聚焦性要好、降低显示器量程、提高电子束扫描速度

提高单值可测距离：

降低重复频率、多重频率法、舍脉冲法

人工距离跟踪特点：

1、锯齿电压法：

跟踪范围大，精度低

2、相位调制法：

跟踪范围小，精度高

3、复合法：

跟踪范围大，精度高

七、角度测量

雷达角度坐标的确定

方位角α，高低角β

绝对坐标表示法：

方位角α——基准为正北，顺时针方向为正。

高低角β——基准为水平面，向上方向为正。

相对坐标表示法：

测出目标相对于天线轴线的偏离角，再根据天线轴线的实际角度，计算出目标实际角度。

角度分辨力：

雷达将相同距离上相互靠近的两个目标区分的最小角度。

角度分辨力由天线半功率波束宽度决定。

振幅法：

利用天线收到的回波信号幅度值进行角度测量。

最大信号法：

天线作圆周扫描或扇形扫描时，找出回波脉冲串的最大值（中心值）对应的波束轴线指向角度，即为目标所在方向。

等信号法：

采用两个相同且彼此部分重叠的波束，当两个波束收到的回波信号相等时，等信号轴所指方向即为目标方向。

最小信号法：

采用两个在零点处相切的波束，转动天线使显示器上的回波消失或最小时，天线零值轴所指方向即为目标的角度。

波束的扫描方法：

1、机械扫描：

利用整个天线系统或其中一部分机械运动实现波束扫描。

（1）整个天线系统转动

（2）馈源不动，反射体摆动

（3）反射体不运动，馈源动

优点：

简单

缺点：

机械运动惯性大，扫描速度低，精度差

2、电扫描：

天线系统不做任何机械运动，利用电子技术实现波束扫描。

实现方法：

相位法、频率法、时间延迟法

特点：

无惯性限制，波束控制迅速，方便灵活特别适用于要求波束快速扫描及巨型天线的雷达。

八、运动目标检测及测速

多普勒效应：

1、连续波信号的多普勒效应

雷达发射信号可表示为：

在雷达发射站处接收到由目标反射的回波信号

为：

式中,

=2R/c，为回波滞后于发射信号的时间，其中R为目标和雷达站间的距离；c为电磁波传播速度，在自由空间传播时它等于光速；k为回波的衰减系数。

如果目标固定不动,则距离R为常数。

回波与发射信号之间有固定相位差

，它是电磁波往返于雷达与目标之间所产生的相位滞后。

动目标显示雷达的基本类型

中频全相参（干）动目标显示：

当雷达发射机采用主振放大器时,每次发射脉冲的初相由连续振荡的主振源控制,发射信号是全相参的,即发射高频脉冲、本振电压、相参电压之间均有确定的相位关系。

相位检波通常是在中频上进行的,因为在超外差接收机中,信号的放大主要依靠中频放大器。

在中频进行相位检波,仍能保持和高频相位检波相同的相位关系。

锁相相参动目标显示：

当雷达发射机采用自激振荡器（如磁控管振荡器）时,它的每一发射脉冲高频起始相位是随机的。

因此，为了得到与发射脉冲起始相位保持严格关系的基准电压,应该采用锁相的办法,也就是使振荡电压的起始相位受外加电压相位的控制。

原则上有两种锁相的办法:

一种是将发射机输出的高频电压加到相参振荡器去锁相;另一种是将连续振荡的相参电压加到发射机振荡器去,以控制发射脉冲的起始相位。

后一种方法要求较大的控制功率,因而在实际中用得较少。

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