雷达原理讲座
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雷达原理讲座
2012年3月
内容提要
• 雷达用途 • 雷达发展史 • 从认识电磁波开始 • 雷达组成及工作原理 • 常用概念和术语
雷达用途
• Radar = Radio Detection and Ranging
• 测距雷达：
早期的雷达将所探测的目标对象看作为一个 “点”,雷达的功能是测定该“点目标”的三维 位置坐标、速度与加速度等参数。
常用概念和术语
• 3D雷达 雷达的一般指示目标的距离和方位。要指示目标的高度 要求采用窄波束垂直扫描目标。 采用单波束圆锥扫描目标，精度非常好，但一个时间只 能扫描一个目标。其典型应用是跟踪雷达，它要求搜索 雷达提供初始的方位和距离。 通过在方位上旋转天线的同时，使用电机控制，在俯仰 上扫描窄波束，就构成了相对便宜的3D雷达。 相控阵天线，能够产生变仰角波束，从而实现3D测量。 根据如何在俯仰上扫描窄波束，形成多种不同的雷达。
常用概念和术语
• 合成孔径雷达(SAR)几何关系
常用概念和术语
• 相控阵雷达
早期的雷达就是采用多个独立的辐射器组成的天线阵列， 雷达性能取决于各个辐射器。随着雷达采用较短波长的 发射频率，阵列天线也变为了简单的天线（如抛物面天 线）。在现代雷达应用中，随着电控移相器和开关的出 现人们再次使用阵列天线。通过控制多个阵列单元的相 位来调制孔径激励，从而产生电扫描波束。
雷达用途
• 通过现代先进雷达系统探测，不但能告诉我们 目标在哪里，而且还能告诉我们所观测的是个 具有什么样特征的目标。因此，现代雷达较为 确切的定义可以这样说：
雷达是对远距离目标进行“无线电探测、 定位、测轨和识别的一种遥远感知设备（传感 器）”。
雷达发展史
• 1666年，Isaac Newton 爵士在用棱镜做实验时 发现，可以利用折射现象，通过棱镜把一束白 光分解为赤、橙、黄、绿、青、兰、紫 七色光。 并可用棱镜进一步分离这些颜色的光，也可以
雷达组成及工作原理
常用概念和术语
• 信号处理
雷达信号处理没有一个精确的答案，一般认为信号处理 是消除不必要的杂波信号并得到有用的目标信号，在通 过门限前的处理过程。
• 数据处理
检测判别目标后的处理为数据处理，其中包括目标识别， 建立航迹，自动跟踪等。
常用概念和术语
• 雷达坐标系
常用概念和术语
雷达组成及工作原理
• 发射机波形形成
雷达组成及工作原理
• 目标回波
雷达组成及工作原理
• 接收目标回波RF
雷达组成及工作原理
• 求积混频器
雷达组成及工作原理
•正交 下变 频
雷达组成及工作原理
• 接收机接收的中频和视频信号
雷达组成及工作原理
• I/Q通道变形情况
雷达组成及工作原理
• 雷达发射接收波形总结
雷达用途
• 特征测量雷达：
现代雷达不仅能测定目标的尺度参数，而且通过对雷达 回波的幅度(amplitude)与相位(phase)的精确测量、分析和 处理，还能得到被观测目标的其它各种特征参量，如目标的 雷达散射截面（RCS）、角闪烁(glint)特征、复极化 (polarization)散射矩阵、目标散射中心(scattering center)分 布图、目标自然谐振频率(natural resonance frequency)等。 后一类参量反映了被观测目标本身所固有雷达散射特 征，通称为雷达目标特征信号（signature）
气象雷达和其他雷达的相似之处也是 采用脉冲和脉冲多普勒系统。
应用现代数字信号处理和显示技术， 多普勒雷达气象学发展迅速。多部多 普勒雷达可获得三维风场。彩色显示 和固态发射机的多普勒雷达可供商用 飞机商用。
常用概念和术语
• 天基雷达SBR
天基雷达是指用于宇宙飞船和卫星： 1）典型的SBR是近程轨道交会雷 达。 2）包括绘图，散射仪，测高及地 下勘探的资源探测雷达。SAR是绘 图雷达的典型应用。 3）大型相控阵监测雷达，多功能 防御，空中交通管制和其他任务。
雷达发展史
• 1886年，Heinrich Hertz 进一步 扩展了James Clerk Maxwell 的 光学电磁理论(electromagnetic theory of light)。Hertz通过实验 证明了电可以以电磁波的形式发 射，并且其传播速度等于光速， 同时还具有一些其它性质。这直 接导致后来无线通讯、电视、雷 达等的发明。
常用概念和术语
• 高频超视距雷达（OTH）
常用概念和术语
• 双基地雷达
双基地雷达采用两个相距甚远 的基地，其中一个放置发射机 另一个放置接收机。目标检测 和单基地雷达类似。目标定位 更复杂，它要求解发射机-目标接收机三角形。需要信号传播 总时，发射机位置等信息。双 基地雷达常采用连续波。
如果使用两个或两个以上接收 基地并且每个基地的目标数据 在一个中心站进行数据融合。 则这种系统称为多基地雷达。
把这七色光再次合成为白色光。
• 1855年，James Clerk Maxwell 在研究色盲时， 提出了”三基色原理”（ “trichromatic process” ），这是现代彩色摄影的基础。
• 1865年, James Clerk Maxwell 推导了主宰电磁波现 象的麦克斯韦尔方程（ “Maxwell‘s Equations”)。 他从数学上指出，振荡的电荷产生电磁场，且该电 磁场以光速传播。他同时推测，可见光只是电磁能 量所具有的频谱的很小一部分。
常用概念和术语
• 动目标显示雷达 MTI（搜索雷达） MTI雷达的用途是抑制来自建筑物，山，树等 地杂波和湖，海等海杂波以及雨，雪等气象干 扰，或固定和慢移动的无用目标信号，并能检 测和显示出飞机之类的运动目标的信号。
• 脉冲多普勒雷达PD 在脉冲雷达PRF（脉冲重复频率）足够高时， 距离产生模糊，信号处理采用相参（多普勒） 处理来提高目标检测能力。主要应用在强杂波 背景下检测多目标的系统。（多普勒效应，由 于目标的移动，反射回波会出现频移现象）
• 1927年Hans E. Hollmann对Huelsmeyer的装 置进行改进的基础上，制造了第一部厘米波段 的发射-接收机，它便是“微波”（Microwave) 通讯系统的“祖宗”。Hollmann等3人完善了 该系统，使得该系统可以探测到8km远的轮船 和30km远在500m高空飞行的飞机。以后，上 述系统分别形成了舰载（Seetakt) 和地基 (Freya)两个系列的雷达
常用概念和术语
• 高频超视距雷达（OTH）
工作在高频(HF)频段(3-30MHz)的雷达能够探测到视距以外直至数 千海里远的区域。利用天波传播可以实现远程探测，跨海的地波传 播用于短程但仍然是超视距的探测。 超视距雷达感兴趣的目标为飞机，导弹和舰船。所使用的波长与海 洋重力波具有相同数量级。它能够提供浪高方向谱信息，并可推断 表面风和洋流信息。所用波长和传播途径的性质使得空间分辨率比 更高频率的雷达要粗。但多普勒分辨力要精。
连续波 (CW) 发射机
f0 f0
混频器
振荡器
fi fi
( f0, f0-fi ) 边带 滤波器
f0+fi,
( f0+fi )
接收机 混频器
中频 放大器
指示器
fi
二次 检波器
fd
多普勒 放大器
Thank you!
雷达发展史
从第一台雷达到现在100年来的时间，多种雷达被发明： • 搜索雷达， • 多普勒雷达 • 制导雷达 • 脉冲压缩雷达 • 合成孔径雷达(SAR) • 测高和3D雷达 • 相控阵雷达 • 电子反干扰雷达—警戒跟踪雷达 • 天基雷达 • 气象雷达 • 超视距雷达 • （雷达的基本原理是没有变的）
• 雷达视频显示
A型显示器：
以回波距离X幅度显示 目标，目前只在测试 信号时使用
B型显示器：
以方位X距离显示目标， 在飞机上和防火雷达 常用。
常用概念和术语
• 雷达视频显示
C型显示器：
以方位角X俯仰角显示目 标信息，常用于飞机上 显示目标信息
PPI显示器：
以极坐标形式显示目标， 中心为雷达，以北或船 头为方位0度。
常用概念和术语
• 合成孔径雷达(SAR) 机载地形测绘雷达，要提高方位分辨率。
用脉压的方法可以有效提高距离分辨率。
采用合成孔径的方法可以有效提高方位分辨率。
SAR是采用信号处理的方法产生一个等效的长天线，实 际天线是很小的。合成孔径雷达用一个辐射单元，天线 沿一直线依次在若干个位置平移，且在每个位置发射一 个信号，接收相应位置的雷达回波信号并存储起来，存 储时必须保持信号的幅度和相位。从而模拟一个大的阵 列天线进行运算，可获得长天线孔径效应。所以称为合 成孔径。
• 1887年，Hertz 在从事无线电研 究过程中，还意外发现了光电效 应(photoelectric effect ).
• 1889年，他实验演示了无线电波 碰到物体时会产生反射。
雷达发展史
• 1904年4月30日，德国的Christian Huelsmeyer申请了一项名为 “telemobiloscope” 的专利。这是一个利用电 波来探测远处金属物体的发射机-接收机系统。 Telemobiloscope 设计用来防止轮船之间的碰 撞，但该系统最初没有考虑测距功能。
快捷而精确地转换波束的能力，使雷达同时完成多种功 能，跟踪多批目标，并引导导弹飞向它们，通过自动目 标选择，完成全部半球空域搜索，并跟踪。这种雷达还 可以通信。
常用概念和术语 • 相控阵雷达
常用概念和术语
• 气象雷达
气象雷达和其他雷达的主要区别是目 标属性不同。气象目标分布在空中占 据大量雷达观察空间。为了估计降雨 量，降雨类型，空气流动，湍流和飞 切变等参数必须对目标信号特征进行 定量测量。
从认识电磁波开始
从认识电磁波开始
从认识电磁波开始
宇宙发出 各种射线
从认识电磁波开始
物体也发 出不同的
射线
雷达组成及工作原理
雷达组成及工作原理
雷达组成及工作原理
• 振荡器组
雷达组成及工作原理
• 波形调制到中频
雷达组成及工作原理
• 混频器 上变频器和下变频器
雷达组成及工作原理
•上变频和下变频公式
常用概念Leabharlann Baidu术语
• 脉冲多普勒雷达PD的主要应用
常用概念和术语
• 脉冲压缩雷达 1）雷达的距离分辨率和脉冲重复频率成正比。 2）雷达的作用距离和脉冲宽度成正比。 要保持高脉冲发射频率，又保持宽脉冲是一个矛盾。脉 冲压缩是较好的解决方案。 脉冲压缩包括发射宽编码脉冲和处理接收回波以获得窄 脉冲。这样脉压雷达既保持了窄脉冲的距离分辨率，又 能获得宽脉冲的作用距离。采用脉冲压缩有很多优点。
2012年3月
内容提要
• 雷达用途 • 雷达发展史 • 从认识电磁波开始 • 雷达组成及工作原理 • 常用概念和术语
雷达用途
• Radar = Radio Detection and Ranging
• 测距雷达：
早期的雷达将所探测的目标对象看作为一个 “点”,雷达的功能是测定该“点目标”的三维 位置坐标、速度与加速度等参数。
常用概念和术语
• 3D雷达 雷达的一般指示目标的距离和方位。要指示目标的高度 要求采用窄波束垂直扫描目标。 采用单波束圆锥扫描目标，精度非常好，但一个时间只 能扫描一个目标。其典型应用是跟踪雷达，它要求搜索 雷达提供初始的方位和距离。 通过在方位上旋转天线的同时，使用电机控制，在俯仰 上扫描窄波束，就构成了相对便宜的3D雷达。 相控阵天线，能够产生变仰角波束，从而实现3D测量。 根据如何在俯仰上扫描窄波束，形成多种不同的雷达。
常用概念和术语
• 合成孔径雷达(SAR)几何关系
常用概念和术语
• 相控阵雷达
早期的雷达就是采用多个独立的辐射器组成的天线阵列， 雷达性能取决于各个辐射器。随着雷达采用较短波长的 发射频率，阵列天线也变为了简单的天线（如抛物面天 线）。在现代雷达应用中，随着电控移相器和开关的出 现人们再次使用阵列天线。通过控制多个阵列单元的相 位来调制孔径激励，从而产生电扫描波束。
雷达用途
• 通过现代先进雷达系统探测，不但能告诉我们 目标在哪里，而且还能告诉我们所观测的是个 具有什么样特征的目标。因此，现代雷达较为 确切的定义可以这样说：
雷达是对远距离目标进行“无线电探测、 定位、测轨和识别的一种遥远感知设备（传感 器）”。
雷达发展史
• 1666年，Isaac Newton 爵士在用棱镜做实验时 发现，可以利用折射现象，通过棱镜把一束白 光分解为赤、橙、黄、绿、青、兰、紫 七色光。 并可用棱镜进一步分离这些颜色的光，也可以
雷达组成及工作原理
常用概念和术语
• 信号处理
雷达信号处理没有一个精确的答案，一般认为信号处理 是消除不必要的杂波信号并得到有用的目标信号，在通 过门限前的处理过程。
• 数据处理
检测判别目标后的处理为数据处理，其中包括目标识别， 建立航迹，自动跟踪等。
常用概念和术语
• 雷达坐标系
常用概念和术语
雷达组成及工作原理
• 发射机波形形成
雷达组成及工作原理
• 目标回波
雷达组成及工作原理
• 接收目标回波RF
雷达组成及工作原理
• 求积混频器
雷达组成及工作原理
•正交 下变 频
雷达组成及工作原理
• 接收机接收的中频和视频信号
雷达组成及工作原理
• I/Q通道变形情况
雷达组成及工作原理
• 雷达发射接收波形总结
雷达用途
• 特征测量雷达：
现代雷达不仅能测定目标的尺度参数，而且通过对雷达 回波的幅度(amplitude)与相位(phase)的精确测量、分析和 处理，还能得到被观测目标的其它各种特征参量，如目标的 雷达散射截面（RCS）、角闪烁(glint)特征、复极化 (polarization)散射矩阵、目标散射中心(scattering center)分 布图、目标自然谐振频率(natural resonance frequency)等。 后一类参量反映了被观测目标本身所固有雷达散射特 征，通称为雷达目标特征信号（signature）
气象雷达和其他雷达的相似之处也是 采用脉冲和脉冲多普勒系统。
应用现代数字信号处理和显示技术， 多普勒雷达气象学发展迅速。多部多 普勒雷达可获得三维风场。彩色显示 和固态发射机的多普勒雷达可供商用 飞机商用。
常用概念和术语
• 天基雷达SBR
天基雷达是指用于宇宙飞船和卫星： 1）典型的SBR是近程轨道交会雷 达。 2）包括绘图，散射仪，测高及地 下勘探的资源探测雷达。SAR是绘 图雷达的典型应用。 3）大型相控阵监测雷达，多功能 防御，空中交通管制和其他任务。
雷达发展史
• 1886年，Heinrich Hertz 进一步 扩展了James Clerk Maxwell 的 光学电磁理论(electromagnetic theory of light)。Hertz通过实验 证明了电可以以电磁波的形式发 射，并且其传播速度等于光速， 同时还具有一些其它性质。这直 接导致后来无线通讯、电视、雷 达等的发明。
常用概念和术语
• 高频超视距雷达（OTH）
常用概念和术语
• 双基地雷达
双基地雷达采用两个相距甚远 的基地，其中一个放置发射机 另一个放置接收机。目标检测 和单基地雷达类似。目标定位 更复杂，它要求解发射机-目标接收机三角形。需要信号传播 总时，发射机位置等信息。双 基地雷达常采用连续波。
如果使用两个或两个以上接收 基地并且每个基地的目标数据 在一个中心站进行数据融合。 则这种系统称为多基地雷达。
把这七色光再次合成为白色光。
• 1855年，James Clerk Maxwell 在研究色盲时， 提出了”三基色原理”（ “trichromatic process” ），这是现代彩色摄影的基础。
• 1865年, James Clerk Maxwell 推导了主宰电磁波现 象的麦克斯韦尔方程（ “Maxwell‘s Equations”)。 他从数学上指出，振荡的电荷产生电磁场，且该电 磁场以光速传播。他同时推测，可见光只是电磁能 量所具有的频谱的很小一部分。
常用概念和术语
• 动目标显示雷达 MTI（搜索雷达） MTI雷达的用途是抑制来自建筑物，山，树等 地杂波和湖，海等海杂波以及雨，雪等气象干 扰，或固定和慢移动的无用目标信号，并能检 测和显示出飞机之类的运动目标的信号。
• 脉冲多普勒雷达PD 在脉冲雷达PRF（脉冲重复频率）足够高时， 距离产生模糊，信号处理采用相参（多普勒） 处理来提高目标检测能力。主要应用在强杂波 背景下检测多目标的系统。（多普勒效应，由 于目标的移动，反射回波会出现频移现象）
• 1927年Hans E. Hollmann对Huelsmeyer的装 置进行改进的基础上，制造了第一部厘米波段 的发射-接收机，它便是“微波”（Microwave) 通讯系统的“祖宗”。Hollmann等3人完善了 该系统，使得该系统可以探测到8km远的轮船 和30km远在500m高空飞行的飞机。以后，上 述系统分别形成了舰载（Seetakt) 和地基 (Freya)两个系列的雷达
常用概念和术语
• 高频超视距雷达（OTH）
工作在高频(HF)频段(3-30MHz)的雷达能够探测到视距以外直至数 千海里远的区域。利用天波传播可以实现远程探测，跨海的地波传 播用于短程但仍然是超视距的探测。 超视距雷达感兴趣的目标为飞机，导弹和舰船。所使用的波长与海 洋重力波具有相同数量级。它能够提供浪高方向谱信息，并可推断 表面风和洋流信息。所用波长和传播途径的性质使得空间分辨率比 更高频率的雷达要粗。但多普勒分辨力要精。
连续波 (CW) 发射机
f0 f0
混频器
振荡器
fi fi
( f0, f0-fi ) 边带 滤波器
f0+fi,
( f0+fi )
接收机 混频器
中频 放大器
指示器
fi
二次 检波器
fd
多普勒 放大器
Thank you!
雷达发展史
从第一台雷达到现在100年来的时间，多种雷达被发明： • 搜索雷达， • 多普勒雷达 • 制导雷达 • 脉冲压缩雷达 • 合成孔径雷达(SAR) • 测高和3D雷达 • 相控阵雷达 • 电子反干扰雷达—警戒跟踪雷达 • 天基雷达 • 气象雷达 • 超视距雷达 • （雷达的基本原理是没有变的）
• 雷达视频显示
A型显示器：
以回波距离X幅度显示 目标，目前只在测试 信号时使用
B型显示器：
以方位X距离显示目标， 在飞机上和防火雷达 常用。
常用概念和术语
• 雷达视频显示
C型显示器：
以方位角X俯仰角显示目 标信息，常用于飞机上 显示目标信息
PPI显示器：
以极坐标形式显示目标， 中心为雷达，以北或船 头为方位0度。
常用概念和术语
• 合成孔径雷达(SAR) 机载地形测绘雷达，要提高方位分辨率。
用脉压的方法可以有效提高距离分辨率。
采用合成孔径的方法可以有效提高方位分辨率。
SAR是采用信号处理的方法产生一个等效的长天线，实 际天线是很小的。合成孔径雷达用一个辐射单元，天线 沿一直线依次在若干个位置平移，且在每个位置发射一 个信号，接收相应位置的雷达回波信号并存储起来，存 储时必须保持信号的幅度和相位。从而模拟一个大的阵 列天线进行运算，可获得长天线孔径效应。所以称为合 成孔径。
• 1887年，Hertz 在从事无线电研 究过程中，还意外发现了光电效 应(photoelectric effect ).
• 1889年，他实验演示了无线电波 碰到物体时会产生反射。
雷达发展史
• 1904年4月30日，德国的Christian Huelsmeyer申请了一项名为 “telemobiloscope” 的专利。这是一个利用电 波来探测远处金属物体的发射机-接收机系统。 Telemobiloscope 设计用来防止轮船之间的碰 撞，但该系统最初没有考虑测距功能。
快捷而精确地转换波束的能力，使雷达同时完成多种功 能，跟踪多批目标，并引导导弹飞向它们，通过自动目 标选择，完成全部半球空域搜索，并跟踪。这种雷达还 可以通信。
常用概念和术语 • 相控阵雷达
常用概念和术语
• 气象雷达
气象雷达和其他雷达的主要区别是目 标属性不同。气象目标分布在空中占 据大量雷达观察空间。为了估计降雨 量，降雨类型，空气流动，湍流和飞 切变等参数必须对目标信号特征进行 定量测量。
从认识电磁波开始
从认识电磁波开始
从认识电磁波开始
宇宙发出 各种射线
从认识电磁波开始
物体也发 出不同的
射线
雷达组成及工作原理
雷达组成及工作原理
雷达组成及工作原理
• 振荡器组
雷达组成及工作原理
• 波形调制到中频
雷达组成及工作原理
• 混频器 上变频器和下变频器
雷达组成及工作原理
•上变频和下变频公式
常用概念Leabharlann Baidu术语
• 脉冲多普勒雷达PD的主要应用
常用概念和术语
• 脉冲压缩雷达 1）雷达的距离分辨率和脉冲重复频率成正比。 2）雷达的作用距离和脉冲宽度成正比。 要保持高脉冲发射频率，又保持宽脉冲是一个矛盾。脉 冲压缩是较好的解决方案。 脉冲压缩包括发射宽编码脉冲和处理接收回波以获得窄 脉冲。这样脉压雷达既保持了窄脉冲的距离分辨率，又 能获得宽脉冲的作用距离。采用脉冲压缩有很多优点。