雷达技术基础

G=
4π Ar
λ
2
32000 = Bθ Bϕ
– 目标雷达截面积 σ • 点目标、大目标、分别目标 点目标、大目标、 • 目标（后向）散射功率 / 照射目标的功率密度 目标（后向） • 波长、视角、极化、目标特性的复杂函数 波长、视角、极化、
第1章 雷达技术基础
10
雷达方程与雷达系统设计
1.0 瑞利区 0.1 振荡区 光学区
第1章 雷达技术基础
1.1 雷达的概念
• 雷达回波中的可用信息
– 斜距 R （ Rmax 可由雷达方程估算） 可由雷达方程估算 雷达方程估算） – 方位角 α （θ） – 俯仰角 β （ϕ） – 径向速度 vr
β
O 雷达 R D a P 目标
vr
H B 正北
第1章 雷达技术基础
1.1 雷达的概念
第1章 雷达技术基础
天线波束与扫描方式
• 针状波束
仰仰仰仰 范 围 仰 仰
β0 α0
方方仰
螺旋扫描 (a)
分行扫描 (b)
锯齿扫描 (c)
• 扇形波束
地面雷达扇形波束圆周扫描
第1章 雷达技术基础
1.1 雷达的概念
• 目标大小、形状的测量 目标大小、
–利用高分辨雷达 利用高分辨雷达 • 距离分辨力，大带宽脉冲压缩 距离分辨力， • 切向分辨力（角度分辨力）：大孔径、合成 切向分辨力（角度分辨力）：大孔径、 ）：大孔径 孔径
• 目标电磁特征的测量
–利用目标的散射特性。极化；散射空间分布 利用目标的散射特性。极化； 利用目标的散射特性 –用于目标识别、成像、敌我识别 用于目标识别、成像、 用于目标识别
• 要求：低噪高放LNA 要求：低噪高放LNA
第1章 雷达技术基础
20 Pfa ＝10－16 15
雷达方程与雷达系统设计
10－14 10－12 10－10 10－8 10－6 10－5 10－4 10－3
检测因子 检测因子Do / dB
10
5 10－2 0 10－1 －5
非起伏目标单 个脉冲线性检 波时检测概率 和所需信噪比 检测因子) (检测因子)的 关系曲线
πr 2 r
σ球
0.01
0.001 0.1
0.2 0.3 0.5 0.8 1.0
2 2πr
3
5 8 10 20
λ
第1章 雷达技术基础
雷达方程与雷达系统设计
飞机的雷达截面积 工作波长10cm 10cm） （工作波长10cm）
35 30 25 dB
20 15
10
5
第1章 雷达技术基础 类 型
雷达方程与雷达系统设计
第1章 雷达技术基础
1.2 雷达的基本组成
• 脉冲雷达的基本组成
发射机 高放 调制器 电源
天线 微波 收发开关 激励器 激励和同步 同步器
接收机 底座 和伺服 高频 和混频 中放 信号处理
显示器
脉冲雷达基本组成框图
操作员
第1章 雷达技术基础
雷达方程与雷达系统设计
• 基本雷达方程
R
4 max
Pt σ A Pt Gt Gr σ λ = = 3 2 4π λ S min L (4π ) (k T0 ) Fn BD L
第1章 雷达技术基础
1.1 雷达的概念
• 无线电磁波的特征
– 传播速度：真空中，无线电磁波以光速传播 传播速度：真空中， – 传播方向：与电场和磁场方向垂直（右手法则， 传播方向：与电场和磁场方向垂直（右手法则， E => H）。遇到反射体时，方向反向 ）。遇到反射体时 ）。遇到反射体时， – 功率密度：电磁波的平均强度 功率密度： • 电磁波强度：在垂直于传播方向的平面内， 电磁波强度：在垂直于传播方向的平面内， 每秒通过单位面积的能量。 每秒通过单位面积的能量。瞬时值 = EH • 接收功率 = 电磁波功率密度 × 天线孔径面积
第1章 雷达技术基础
1.1 雷达的概念
• 雷达坐标系
– 极坐标系：斜距、方位角、俯仰角，常用 极坐标系：斜距、方位角、俯仰角， – 其它坐标：斜距、方位角、高度，测高仪 其它坐标：斜距、方位角、高度，
• 雷达回波中的可用信息
– 斜距 – 角度：方位角和俯仰角（高低角） 角度：方位角和俯仰角（高低角） – 径向速度 – 目标特征：大小；形状；表面粗糙度；介电特 目标特征：大小；形状；表面粗糙度； 性
第1章 雷达技术基础
1.1 雷达的概念
• 目标速度的测量
– 利用运动目标回波中的多普勒频移信息 – 测速方法：多普勒滤波；斜距变化率 测速方法：多普勒滤波； – 物理依据 • 物体相对运动所产生多普勒频移现象
2vr (m / s) f d ( Hz ) = λ (m )
> 0 < 0
v r > 0，目标接近 v r < 0，目标背离
第1章 雷达技术基础
1.3 雷达的工作频率
• 雷达系统组成
– 天线及扫描控制 – 收发转换开关及微波滤波 – 激励及同步：主振信号源、频率合成 激励及同步：主振信号源、 – 发射机：波形产生、调制、RF放大链 发射机：波形产生、调制、 放大链 – 接收机：LNA、IF放大、检波 接收机： 放大、 、 放大 – 信号处理机：匹配滤波、干扰抑制、CFAR 信号处理机：匹配滤波、干扰抑制、 – 数据处理机：特征提取、跟踪、识别、航迹 数据处理机：特征提取、跟踪、识别、 – 输出设备（显示和记录结果） 输出设备（显示和记录结果）
σ / m2 0.5 1 2 6 20 40 0.02 ~ 2 10
普通无人驾驶带翼导弹 小型单引擎飞机 小型歼击机或四座喷气机 大型歼击机 中型轰炸机或中型喷气客机 大型轰炸机或大型喷气客机 小船（ 小船（艇） 巡逻艇
第1章 雷达技术基础
雷达方程与雷达系统设计
• 慢起伏目标与快起伏目标 • 施威林（Swerling）起伏模型，Ⅰ型 ~ Ⅳ型 施威林（ ）起伏模型， Ⅰ型（慢起伏）与Ⅱ型（快起伏）瑞利分布 慢起伏） 快起伏）
2 r 2
Et Gt Gr σ λ = 2 (4π ) (k T0 ) Fn D0 L
2
– 一个统计值，只在概率意义上讲 当虚警概率 一个统计值，只在概率意义上讲, （如10-6）和发现概率（如90%）给定时的最 ）和发现概率（ ） 大作用距离是多少
第1章 雷达技术基础
雷达方程与雷达系统设计
– 发射信号的峰值功率 Pt 和平均功率 Pa – 天线增益 G
第1章 雷达技术基础
1.1 雷达的概念
• 无线电磁波的特征（续） 无线电磁波的特征（
– 天线极化：习惯上取为电场方向 天线极化：习惯上取为电场方向 • 线极化：垂直和水平极化 线极化： • 圆极化：水平 + 垂直极化 圆极化： • 接收天线与极化同向，吸收能力最大 接收天线与极化同向， • 反射物改变极化方向，目标识别辅助手段 反射物改变极化方向， 椭圆极化
第1章 雷达技术基础
1.3 雷达的工作频率
• 雷达的工作频率
– 常用 220MHz~35GHz；实际 3MHz~300GHz ； – 工作频率不同的雷达在工程实现时差别很大 – 工程中常采用字母来命名雷达波段： 工程中常采用字母来命名雷达波段： L：1G~3G，22cm ： ， C：4G~8G，5cm ： ， Ku：12G~18G，2.2cm ： ， 米波、毫米波、 米波、毫米波、激光波段 S：2G~4G，10cm ： ， X：8G~12G，3cm ： ， Ka：27G~40G，8mm ： ，
σ p(σ ) = exp − σ σ 1
Ⅲ型（慢起伏）与Ⅳ型（快起伏） 慢起伏） 快起伏）
2σ p (σ ) = 2 exp − σ σ
4σ
第1章 雷达技术基础
雷达方程与雷达系统设计
–波长λ ：目标特性，功能、体积、对抗等 波长 目标特性，功能、体积、 –接收机灵敏度 min：最小可检测SNR 接收机灵敏度S 最小可检测SNR 接收机灵敏度
－10
－15 0.001
0.01
0.1
0.5 检测概率Pd
0.9
0.99 0.999
第1章 雷达技术基础
雷达方程与雷达系统设计
– 损耗因子 损耗因子L • 馈线、信号处理、传播、其它 馈线、信号处理、传播、 – 发射总能量 t 发射总能量E – 天线有效接收面积 r 天线有效接收面积A – 相关处理间隔 CPI – 门限检测 1) 发现概率 d：有目标时判为有目标的概率 发现概率P 2) 漏警概率 la ：有目标时判为无目标的概率 漏警概率P 3) 不发现概率 an：无目标时判为无目标的概率 不发现概率P 4) 虚警概率 fa： 无目标时判为有目标的概率 虚警概率P
• 目标斜距的测量
– 利用电磁波从发射机经目标反射或散射到达接收 机的传播用时 – 测距方法：时延法；三角定位法 测距方法：时延法； – 物理依据 • 电磁波在均匀介质中的直线传播特性 • 电磁波在大气或真空中的传播速度接近光速， 电磁波在大气或真空中的传播速度接近光速， 且误差可忽略 • 各种物体对电磁波的散射特性
第1章 雷达技术基础
1.1 雷达的概念
• 目标角度的测量
– 利用雷达天线波束的指向性 – 测角方法：振幅法（最大信号法，双波束法）； 测角方法：振幅法（最大信号法，双波束法）； 相位法； 相位法；时延法 – 物理依据 • 电磁波在均匀介质中的直线传播特性 • 雷达天线的指向性，或电磁波的定向传播特性 雷达天线的指向性，
第1章 雷达技术基础
天线波束与扫描方式
• 天线扫描方式
– 常用扫描方式 • 圆周扫描、圆锥扫描、扇形扫描、锯齿形扫 圆周扫描、圆锥扫描、扇形扫描、 描、螺旋扫描 …… – 实现扫描方法 • 机械扫描、电扫描（相扫、频扫） 机械扫描、电扫描（相扫、频扫）