雷达原理及系统

ctr R 2
fd 2vr

vr v cos
雷达的工作频率
f =c /λ
只要是通过辐射电磁能量，利用从目标反射回来的回波 对目标探测和定位，都属于雷达系统的工作范畴。 常用雷达工作频率范围：220MHz～35GHz 天波超视距雷达（OTHR）：4MHz～5MHz 地波超视距雷达：2MHz 毫米波雷达：94GHz 雷达频段划分和对应频率－－ 书P7，表1.1 频率选择因素：体积、分辨力、用途、功能
• 接收机的噪声系数
接收机输入端信号噪声比与输出端信号噪声比 的比值。其公式为：
规定输入噪声以天线等效电阻 RA在室温T 0 = 290 K 时产生的热噪声为标准
雷达显示器的主要类型
• 距离显示器。A显，J显 • 平面显示器。PPI显示器 • 高度显示器。E显
基本雷达方程推导
距离R 处任一点的雷达发射信号功率密度： 考虑到定向天线增益G： 目标散射截面积设为σ，则其接收的功率为σS1 以目标为圆心，雷达处散射的功率密度：
最小可检测信噪比
Simin
D0
i
匹配接收机
KT0BnFn
检波器
检波后积累
检测装置
• 信噪比表示的雷达方程
由 则
灵敏度 作用距离
min
检测门限
可得，
识别系数M
• 检测准则
门限检测采用奈曼-皮尔逊准则。该准则要求在给定的 信噪比条件下，在满足一定的虚警概率时的发现概率 最大，或者漏警概率最小。 降低门限的缺点：只要有噪声存在，其尖峰超过门限 电平的概率增加，虚警相应增加。
天线的波束形状及扫描方式
雷达波束通常以一定的方式依次照射给定空域，以进 行目标探测和目标坐标测量。
• 波束形状：针状波束、扇形波束 • 扫描方式：机械扫描、电子扫描 • 相位扫描法：在阵列天线元采用控制移相器相
移量的方法改变激励相位，从而实现电扫描。
目标高度测量
• 方法：由目标斜距和仰角得到，并考虑大气折射
• 例：已知雷达参数Pt＝1MW，λ＝5.6cm， Bn＝1.6MHz，G＝44dB，S0/N0=0dB， Fn＝10dB，L＝4dB，目标的雷达截面积 σ＝1m，求雷达作用距离。
解： Pt＝60dB，λ＝-12.5dB， Bn＝62dB， σ＝0dB，与题中参数代入
得：R＝54.5dB≈282km
β
α
方位角α，目标斜距R在水平面上 的投影OB与某以起始方向（参考 方向）在水平面上的夹角
• 雷达的基本工作原理
单基地脉冲雷达
发射机 接收机
电信号
收发开关 天线
天线 大气
电磁波 回波
大气 目标反射
收发开关
测距
利用发射信号回波时延求得
tr
2R tr c
C ：光速，
ctr R 2
例：一单基地脉冲雷达目标回波时延为1μs，求 目标离雷达的距离。 解：由公式
从地面或水面的反射影响来看：水平极化的米波雷达， 由于地面反射，波瓣分裂；地面反射对厘米波影响较小， 故中等作用距离的引导雷达均采用厘米波段。 从杂波干扰的影响来看：在目标（飞机）与云、雨相混 的情况下，由于飞机的尺寸远大于水滴的尺寸，依目标 的反射特性，采用大的λ可以提高输入信杂比。当目标 （飞机）以地物为背景时，由于飞机的尺寸远小于地物 的尺寸，依目标的反射特性，采用小的λ较好。
顺序波瓣测角法
圆锥扫描自动测角系统
目标方向
天线最大辐射方向偏离等信 号轴O’O，当波束以一定角 速度ωs绕轴O’O旋转时， O’B在空间画出一个圆锥， 故称圆锥扫描。
y 仰角 波束中心 A ωs φ0 x 方位 波束截面 波束中心 运动轨迹 φ0/ωs 等信号轴
A目标回波信号强弱变化规律
2π/ωs
输出和输入的功率比
输入发射机的总平均功率
• 总效率
习题
• 某雷达发射机峰值功率为800kW，矩形脉 冲宽度为3μs，脉冲重复频率为1000Hz，求 该发射机的平均功率和工作比。
雷达接收机
作用：通过适当的滤波将天线上接收到的微弱高频信号从噪 声和干扰中选择出来，并经放大和检波后，送至显示器、信 号处理器或由计算机控制的雷达终端设备中。
《雷达原理与系统》 课程复习
• 什么是雷达（radar）？
Radio Detection and Ranging
无线电探测与测距
测量目标的距离、方位和仰角 测量目标的速度 提供目标的其他信息，如：形态、表面信息等
• 雷达坐标系
球（极）坐标系
斜距R，雷达到目标的直线距离 仰角β，目标斜距R与 其在水平面上的投影 OB在铅垂面上的夹角
• 大气折射和雷达直视距离
改变雷达的测量距离，产生测距误差；引起仰角测量误差 原因： 大气成分随时间、地点而改变，且不同高度的空 气的密度也不相同，大气密度随高度变化的结果 使折射系数对高度增加而减小。因此电磁波在正 常大气下的传播折射常使电波射线向下弯曲。
• 雷达直视距离的计算
与大气折射系数n 随高度的变化率有 关。P159

vr v cos
fd ：多普勒频移（Hz） vr ：雷达与目标之间的径向速度（m/s） λ：载波波长（m） 当目标向着雷达运动时， 0 > vr ，回波载频提高； 反之0 < vr ，回波载频降低。 径向速度也可用距离的变化率来求得
目标的尺寸和形状 距离分辨力：
利用足够高的分辨力获得 τ：脉冲宽度 B：信号带宽 β0：天线半功率宽度 λ：信号波长 D：天线孔径
雷达接收到的回波功率反比于目 标与雷达站间距离R的四次方
雷达收到功率： • 收发不同天线时
r r
Ar：雷达天线接收面积
• 收发同天线时
当接收功率为接收机最小检测功率S imin时：
• 收发不同天线时，最大作用距离
• 收发同天线时，最大作用距离
雷达实际作用距离受目标后向散射截面积σ、 Simin、噪声 和其他干扰的影响，具有不确定性，服从统计学规律。
• 工作波长的选择
从接收机灵敏度来看，须考虑所选λ下接收机内部噪声和大 气噪声大小以及电磁波在大气中的衰减， λ应长一些。 从提高距离分辨率、角分辨率、天线增益的角度来看，希 望λ要短一些。 从目标检测来看，目标的散射特性与λ有关：当目标尺寸 >>λ时，目标对电磁波以散射为主，以绕射为辅，RCS大； 当目标尺寸<< λ时，目标对电磁波以绕射为主，以散射 为辅，RCS小；对隐身目标，波长在两个极端即米波或毫 米波为好。
思考
习题
• 一雷达系统采用三天线法测角，已知：
双天线测角精度低于三天线
多卜勒信息的提取
ƒd与ƒ0相比很小 ƒd / ƒ0 = 2v / C 提取 ƒd 要用差拍方法。
雷达发射机的任务和基本组成
• 任务 产生大功率的特定调制的电磁振荡即射频信号 • 组成
单级振荡式 大功率电磁振荡产生与调制在一个器件中同时完成 主振放大式 先产生小功率的CW 振荡，再分多级调制和放大
雷达发射机的性能指标
• 输出功率
平均功率 峰值功率 输出信号功率 单位时间内发出的功率能量Pav ，脉冲重复周 期内的输出平均功率。 脉冲发出时间点的功率Pt，脉冲期间射频振荡 的平均功率。 工作比，占空比
• 相位法测角原理
利用多个天线所接收到的回波信号间的相位差测角
实现方法：将两天线收到的高频信号与同一本振差 频后在中频上比相。
• 测角误差与多值性问题
测角误差
当
，此时
，
可能超出2π，
实际读数
解决方法
三天线测角
振幅法测角
• 测角原理：利用天线收到的回波信号幅度 来做角度测量。幅度变化规律取决于天线 方向图以及天线的扫描方式。 • 测角方法：最大信号法，等信号法。
习题
• 假定要设计一部低空目标探测雷达，将雷 达安装在海拔1000 米的山顶上，目标飞行 高度100 米，则该雷达的作用距离选取多 少为宜？
用信号能量表示的雷达方程
当信号为简单脉冲，且检波器输入端信噪比用检测因子表示 时，雷达方程可表示为：
由于检测因子 可得能量形式的雷达方程： 计入中频滤波器失配影响后：
超外差技术
无线电波
fRF
选频滤波 fL
混频器
fIF
滤波
解调
滤波
解调输出
本振
如图所示，当接收的电波频率fRF变化时，本振频率fL和选频滤 波器的中心频率f0= fRF能够同步改变，从而使输出的fIF固定不 变，这种技术称为外差技术，当fIF低于fRF而高于信号带宽B时 就称为超外差技术。超外差技术具有灵敏度高、选择性好、 工作稳定、中频部分可标准化等优点。
• 调频连续波测距原理
设发射信号频率 ft 在一定时间T 内线性增加， 则回波信号fr 频率和发射信号频率变化相同， 只在时间上延迟了tR （回波时延）。如图： 调频带宽
f（t） 调频周期 B f0
tR T
t
fb（t） tR
差拍频率 t
人工距离跟踪
• 原理
采用移动的电刻度作为时间基准，操作员按显示 器上的画面，将电刻度对准目标回波，从控制器 度盘或计数器上读出移动电刻度的准确时延即可 代表目标距离。
R
ctr 代入参数可得 R 150m 2
常见时延与距离：
1μs－－0.15km， 6.67μs－－1km， 12.3μs－－1.852km（1海里）， 10μs－－1.5km， 100μs－－15km， 1ms－－150km，
测距精度与发射信号（时宽）带宽（或处理后脉冲宽度）有关， 脉冲越窄、性能越好
c c R 2 2B
1 k 0 2 D
角分辨力：
习题
• 已知脉冲雷达中心频率f0＝3000MHz，回波 信号相对发射信号的延迟时间为1000μs， 回波信号的频率为3000.01MHz，目标运动 方向与目标所在方向的夹角60°，求目标 距离、径向速度与线速度。
v
v r
• 接收机主要质量指标
1.灵敏度：Simin ，用最小可检测信号功率Simin 表示， 检测灵敏度，给定虚警概率 Pfa ，达到指定检测概 率Pd 时的输入端的信号功率：
通常所需接收机 gain = 120 ~ 160 dB ， Simin＝-120～-140dbw 主要由中频完成。 2.动态范围：表示接收机能够正常工作所允许的输入 信号强度的变化范围。 过载时的Si /Si min，80~120 dB
• 关键
产生移动的电刻度，且其时延可精确读出。
习题
角度测量
• 测角的物理基础：电波在均匀介质中传播 的直线性，雷达天线的方向性。 • 测角的性能参数：测角范围、测角速度、测 天线对于不同方向到达的电磁波具 有不同的振幅和相位的响应 角精度或准确度、角分辨力。 • 测角的方法：相位法，振幅法。
利用振幅响应进行测角 利用相位响应进行测角
积累对作用距离的改善
• 积累的作用：增加信号功率，提高检测性能 • 积累的方法：相干积累，非相干积累 相干积累
在检波前完成，亦称检波前积累或中频 M个脉冲的中频理想积累可使信噪比提高为原来的M倍 积累，相干积累要求信号间有严格的相 位关系，即信号是相干的。
非相干积累
M个脉冲的视频理想积累对信噪比的改善为原来的 M～M倍之间
习题
• 某雷达波长 ，最小 可检测信号 ，已知探测目标的有 效反射面积 ； ①求雷达的最大作用距离。 ②若该雷达为相干脉冲体制雷达，其他条件不 变时，10个等幅相参中频脉冲信号进行相参 积累，如果作用距离要求不变，发射功率Pt 可以降低为多少？
由于M个等幅相参中频脉冲可以提高输出信噪比M 倍，则达到原来要求的作用距离只需原来发射功率 的1/M。
• 恒虚警
虚警概率一定时，发现概率Pd才随信噪比的增加 而增加，因此检测系统要求虚警保持一个恒定的 值；但随着噪声电压的变化，其包络振幅的概率 密度可能会发生变化，导致一定门限值的虚警概 率Pfa发生变化，从而使得在给定信噪比下得不到 所需的发现概率。所以，噪声电平变化时，系统 门限电平应相应变化以获得恒虚警。
目标距离的测量
2R tr c
R
ctr 2
常用方法：脉冲法、频率法、相位法
• 测距范围：最小可测距离、最大单值测距范围
最小可测距离
雷达可测量的最近目标ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ距离
最大单值测距范围
由脉冲重复周期Tr确定 通常选择：
特殊场合，雷达重复频率不能满足单值测距要求，此时 出现测距模糊
• 解距离模糊的方法：多重复频率法、舍脉冲法
测角
利用天线方向性实现 目标角位置：方位角α 仰角β
α
接收回波最强时的天线波束指向
天线尺寸增加，波束变窄，测角精度和角分辨力提高 角位置还可以利用两个分离接收天线收到信号的相位差来决定 2π弧度＝360°＝6000密位，1密位＝0.06 °
测速
利用回波多普勒频移测相对速度 v
2vr
v r
fd