雷达组成及原理1

雷达电源分类
中频变流机组；中频逆变器
中频变流机组组成：马达； 中频发电机；稳压稳频 控制电路；短路、过流、 过压、负压保护装置 中频变流机组特点：可靠 性高、抗过载能力强； 笨重、噪声大、效率低、 维护复杂。
中频逆ຫໍສະໝຸດ Baidu器
• 组成：半导体元件组 成的 •
电子电路 特点： 轻巧、噪声小、效率 高、无需维护 可靠性、抗过载能力 略低 工作状态判断（简易方法） 听---工作正常：清晰均匀 的振荡声
组成：阴极、阳极、永久磁铁、输出耦 合装置
磁控管结构
• 磁控管阴极：圆柱形旁热式氧化物阴极 • 作用：接入负向高压调制脉冲，发射电子。
• 磁控管阴极圆筒内装有灯丝，加热阴极。 • 灯丝电压6V、12V，交直流均有使用 • 磁控管阳极（块）：厚约1cm的圆形大铜环。 • 磁控管阳极作用：1.收集电子 • 2.组成振荡系统 • 环孔中央放置阴极，阴极与阳极块同心。 • 阴极与阳极间的空间为作用空间。 • 阳极块圆环四周沿其轴线方向开有偶数个（8～14个）圆孔（谐振腔）。 • 每个谐振腔都开有缝隙与作用空间相通。 • 谐振腔（电感L）和缝隙（电容C）组成磁控管高频振荡系统。 • 阳极接地目的：安全
•
两类中频电源设备的特点比较
比较项目 电能转换效率 抗过载能力 可靠性 噪声与振动 体积、重量 维护 检修 造价 中频逆变器 高 低 较高 甚微 小、轻 方便 困难 低 中频变流机组 低 高 高 严重 大、重 复杂 方便 高
触发脉冲发生器（触发电路、定时器、定时电路）
• 作用：每隔一定时间产生一个作用时间很短的尖脉冲（触 •
• 发射机(Transmitter)
• 收发开关(T/R switch；T/R cell)
在触发脉冲控制下产生周期性、大功率微波脉冲，通过天 线向外发射。
发射时，使发射机与天线相通，保证发射能量全部加到天 线，同时切断接收机通路，防止强发射脉冲损坏接收机； 接收时，使天线与接收机相通，同时切断发射机支路，使 目标回波信号全部送入接收机，防止回波信号损失。
• 天线(Scanner；Antenna；Aerial)
各部分作用2
作用：将发射机的发射脉冲能量聚成细束向一个方向辐射 出去，同时也只接收该方向的目标反射回波，送入接收机。 把天线角位置和船首信号送往显示器。 特点:1)极强的定向性 2）收发共用 3）顺时针匀速旋转（15—30r/min)
• 接收机（Receiver)：超外差式
•
•
雷达发射机
• 组成：脉冲调制器（一般包括预调制器和调制
器）、磁控管振荡器、发射机电源
发射机组框图
各部分作用1
• 预调制器（Pre-Modulator)
产生一个具有一定宽度、一定 幅度的正极性矩形脉冲（预调 制脉冲）控制调制器工作。 雷达脉冲宽度的转换在这一级 进行。
• 调制器（Modulator）
作用：放大目标回波信号，变成回波视频信号。 回波脉冲特点： 1）回波脉冲延迟于发射脉冲，延迟时间等于雷达波在天线 与目标之间传播往返时间Δt； 2）回波脉冲比发射脉冲弱得多。
各部分作用3
• 显示器（Display)平面位置显示
在触发脉冲的作用下产生距离扫描线，距离扫描线在天 线方位信号的控制下与天线同步旋转，将目标回波显示 成平面位置图像。 产生距离、方位测量标志。
在预调制脉冲或触发脉冲的作 用下产生一个具有一定宽度、 一定幅度（约1万伏特）的负极 性高压矩形脉冲（调制脉冲） 加给磁控管的阴极
各部分作用2
• 磁控管振荡器(Magnetron Oscillator)
• 在高压调制脉冲的控制下产生宽度与调制脉冲相同的大功率超高频振 荡脉冲（射频脉冲）经波导送至天线向外辐射。 • 发射机电源(Power Supplies) • 提供发射机所需各种交直流电源； • 提供调制器、磁控管所需特高压电源。 • 低压电源与接收机电源装在一起 • 高压电源部件一般与调制器、磁控管振荡器一起装在一个标有醒目
船用雷达设备组成及基本工作原理
• 雷达（Rader) • Radio Detection And Ranging =无线电探测和测距。 • 源于第二次世界大战，并产生了巨大作用；二战后开始应
用于商船。 • 是一种利用物标对电磁波的反射特性，来探测与测量物标 的一种无线电设备。 • 现代雷达的概念：利用目标对无线电波的反射、转发或固 有辐射现象发现目标、并测定目标位置及运动参数的无线 电技术领域。
为400～4000HZ之间。 • 脉冲重复周期T和脉冲重复频率f的关系：T=1/f
比较项目 船用发射脉冲宽度 脉冲重复周期T 脉冲重复频率f
近量程 窄 短 高
远量程 宽 长 低
发射机主要技术指标3
• 发射功率
• 峰值功率Pt：雷达每一次脉冲期间（在τ内）的射频振荡 • • • PC= Pt* τ /T= Pt*τ *f→ Pt很大（3～75Kw)， PC很小。 • 发射脉冲波形：发射脉冲包络形状 • 理想：矩形；实际上失真：存在前沿、后沿、波动 • 在相同脉冲宽度下：越接近矩形，能量越大，作用距离越
微波波段传播特性：直线、匀速、强反射性 X和S波段相应的工作频率fs和工作波长λ X波段--- fs=9400±100MHZ λ≈3.2cm(简称3cm) S(short)波段--- fs=3000±100MHZ λ≈ 10cm L(long)波段λ≈ 23cm fs和λ的关系：λ=c/ fs c为电波传播速度
• 中频电源（Power Supply)
将船电变成雷达工作的中频电源。 中频频率400---2000Hz
雷达整机工作概况
• 触发器产生触发脉冲 • 触发脉冲控制扫描系统形 • •
成距离扫描线；控制发射 机产生发射脉冲。 发射脉冲经收发开关、波 导管送至天线并辐射出去。 雷达辐射的电磁波被物标 反射，部分反射信号返回 天线，进入接收机，形成 目标回波脉冲。 回波脉冲经接收机放大转 换为视频脉冲，在扫描线 相应位置形成回波亮点。
•
• • •
t2 ：该电波反射回到天线时刻]
2S = C · △t ∴ S = C/2 · △t （1-1-1）
• C：电磁波传播速度，常数 C = 3³108 米/秒
• 原理：通过测量本船与目标之间电磁波的往返时间
（Δ t）， 就可以测量出本船与目标之间的距离（S）。 [实际上]：发射机产生超高频无线电脉冲；天线发射并接收 无线电脉冲；显示器计时、计算直接把时间△t→转换成 物标距离S显示（海里显示）；触发电路使之同步工作。
2、测向原理
• 过程分析：
a、天线高度定向性——θ h很小
b、只有当主波束对准目标——该目标接收电波——反射 c、当偏离目标——主波束不对准 该目标——不能被探测——无反射 ∴ 主波束轴方向——代表 O—T 之间的方向； [ 理解：→第 1 要点] d、由于显示器扫描线与天线同步旋转 即：当主波束扫到某一方向——扫描线相应扫在这一 方位上。 [理解：→第2要点] ∴ 该目标回波——就会立即在该方向上显示出来。
• 永久磁铁
• 作用：产生控制电子运动的恒定磁场 • 要求：磁力线与阴极轴线平行 • 有一定的强度和均匀性，波长越短，磁场强度 • 越大。 • 输出耦合装置 • 作用：将磁控管振荡器产生的振荡能量（射频振荡）通 • 过同轴线或波导耦合输出至主波导。
磁控管的工作条件
• • • •
在磁控管本身完好的前提下 灯丝加上额定工作电压，将阴极加热到一定温度； 阴、阳极间加上额定的负极性调制脉冲； 保证磁控管输出负载匹配，即波导与天线应连续、 不变形及内部光洁。否则，磁控管输出功率和频 率将发生波动，甚至使磁控管跳火，以致损坏。
磁控管的检查
• 未通电时：
• 灯丝电阻正常为几欧姆 • 阴-阳极间绝缘电阻正常＞200 兆欧姆（MΩ） • 通电工作时： • 查磁控管电流I
• • • •
远；前后沿越陡，测距精度和距离分辨力越高；顶部越平 坦，脉冲持续期中的发射功率和频率越稳定。 的平均功率。 平均功率PC:在脉冲重复周期T内输出功率的平均值。 峰值功率Pt与平均功率PC的关系：
磁控管振荡器
• 作用：在高压调制脉冲作用下，产生大功率射频脉冲（微
•
波振荡） 磁控管结构：特殊结构的真空二极管
“高压危险”(DANGER HIGH VOLTAGE)标志的屏蔽盒（罩）内。 • 中频电源经收发机总保险、高压保险、发射开关触点、高压自动延时 控制触点、门开关触点送至高压变压器初级绕组。 • 高压自动延时电路保证磁控管有足够的（3—5min）预热时间。
发射机主要技术指标1
• 工作波段：微波波段中X和S两个工作波段。
• 发射脉冲宽度τ：每个发射脉冲的射频振荡持续
时间
船用发射脉冲宽度： 0.05 ～ 1.2μs之间 近量程→窄脉冲；远量程→宽脉冲
发射机主要技术指标2
• 脉冲重复周期T和脉冲重复频率f
μs。
• 脉冲重复周期T：相邻两次发射的间隔时间为脉冲重复周期T，单位为 • 脉冲重复频率f：触发脉冲的重复频率即雷达发射脉冲的重复频率。f
• 条件：电磁波传播满足：
1）直线 2）等速 3）反射 • 注意：时间单位：1S = 103 ms = 106μ s
测方位原理( Bearing, Azimuth )
• 1.雷达天线方向性：辐射功率与方位的关系 • ----具有高度的定向性！ • ----扇形
重要参数： θv——天线垂直波束宽度： 在垂直方向，半功率是之间的夹角（15 ～ 30°） θh——天线水平波束宽度： 在水平方向，半功率是之间的夹角（0.7 ～ 1.3°） 强调：在水平方向上，θh很小——具有高度定向性
雷达基本工作原理
• 超高频无线电波在空间等速、直线传播 • 物标对电磁波的反射特性
雷达测距原理
• 测距原理(
Ranging Principle) – 脉冲测距法
• 说明：1）O----M 之间的距离为 S（未知） • 2）电磁波在天线与物标间往返时间为Δt • △t = t2 - t1 • [t1：电波从天线发射时刻 ；
船用雷达组成框图
微波传输线 天线
回波
收发开关
发射 脉冲
接收机
发射机
触发器
回波
中频电源
船首线 方位
船电
显示器
雷达天线
雷达收发机
雷达显示器
雷达显示器
发射机 磁控管
微波传输线
接收机 触发 电路 监测 电表 中频逆 变器
磁控管
收发 开关
各部分作用1
• 触发器(Trigger；Timer)
产生周期性（Tr)触发脉冲；控制发射机发射起始时刻和 显示器扫描起始时刻，使之严格同步。 它是雷达整机的定时系统。
当天线旋转向四周发射雷达波时，周围目标的回 波就按其方位和距离显示在显示器上。
主波束轴方向偏离目标， 该目标不能被探测
主波束轴方向 代表O—T之间的方向
雷达
显示器扫描线与天线同 步旋转
目标回波就显示在相应 的方位上
雷达基本组成
• 四个分机：
天线 显示器 雷达中频电源 收发机： 触发器、发射机、接收机、收发开关 七个部分
测向原理总结：
• 雷达天线具有高度的定向性，只有天线主波束对准该目标
时，才能探测到该目标； • 某一瞬间，雷达天线只向一个方向发射，也只接收一个方 向目标的回波，雷达天线发射和发射的方位就是目标方位； • 方位同步系统使显示器扫描线方位与天线发射和接收的方 位保持同步； 出现目标回波的扫描线方位即代表目标的实际方位。
触发脉冲 发射脉冲 回波脉冲
回波视频脉冲 扫描锯齿电流
•
雷达中频电源
• 使用专用电源的原因
避免低频电源干扰；减小雷达变压器、电感线圈等元器件 的体积、重量，雷达需用中频频率做电源。 雷达需要稳定、可靠的电源 防止微波雷达与船上其他高频设备通过船电相互干扰。
• 主要技术要求
稳压：船电变化±20％，中频输出电源变化小于±5％； 稳频：保持中频频率稳定，400～2000Hz之间； 有短路、过流、过压保护； 使用可靠、寿命长、能长时间连续工作； 能适应海上温差大、潮湿、振动大等恶劣工作环境。
发脉冲），送至发射机、接收机、显示器，使它们同步工 作。 天线发射与显示器扫描不同步的原因： 传输延时；电路延时 天线发射与显示器扫描不同步的影响： 产生固定的测距误差 消除方法： 触发脉冲经过由电感和电容组成的延时线，延时后再送 往显示器和发射机，使之同步。 延时的长短通过调整延时线的抽头位置实现。