雷达原理及测试方案

雷达原理及测试方案

1 雷达组成和测量原理

雷达(Radar)是Radio Detection and Ranging的缩写，原意“无线电探测和测距”，即用无线电方法发现目标并测定它们在空间的位置。现代雷达的任务不仅是测量目标的距离、方位和仰角，而且还包括测量目标速度，以及从目标回波中获取更多有关目标的信息。

1.1 雷达组成

图1 雷达简单组成框图

图2 雷达主要组成框图

雷达主要由天线、发射机、接收机、信号处理和显示设备组成，基本组成框图如图1所示。通常雷达工作频率范围为2MHz～35GHz，其中超视距雷达工作频率为2～30MHz，工作频率为100～1000MHz范围一般为远程警戒雷达，工作频率为1～4GHz范围一般为中程雷达，工作频率在4GHz以上一般为近程雷达。

老式雷达发射波形简单，通常为脉冲宽度为τ、重复频率为T

的高频脉冲串。天线采

τ

用机械天线，接收信号处理非常简单。这种雷达存在的问题是抗干扰能力非常差，无法在复杂环境下使用。

由于航空、航天技术的飞速发展，飞机、导弹、人造卫星及宇宙飞船等采用雷达作为探测和控制手段，对雷达提出了高精度、远距离、高分辨力及多目标测量要求，新一代雷达对雷达原有技术作了相当大的改进，其中频率捷变和线性相位信号、采用编码扩频的低截获概率雷达技术、动态目标显示和脉冲多普勒技术是非常重要的新技术。

表1 雷达频率分段

波段名称频率分配雷达频段

HF 2～30 超视距雷达VHF/UHF 100～1000MHz 420~450MHz 890~940MHz 远程雷达L 1～2GHz 1.215~1.4GHz 中程雷达

S 2～4GHz 2.3~2.5GHz 2.7~3.7GHz 中/近程雷达

C 4～8GHz 5.25~5.925GHz 近程雷达

X 8～12GHz 13.4~14GHz 15.7~17.7GHz 近程雷达

Ku 12～18GHz 13.4~14GHz 15.7~17.7GHz

K 18~27GHz 24.05~24.25GHz

Ka 27~40GHz 33.4~36GHz

1.2 雷达测量原理

1) 目标斜距的测量

图3 雷达接收时域波形

在雷达系统测试中需要测试雷达到目标的距离和目标速度，雷达到目标的距离是由电磁波从发射到接收所需的时间来确定，雷达接收波形参见图3，雷达到达目标的距离R为：R＝0.5×c×t r式（2）式中c=3×108m/s，t r为来回传播时间

2) 目标角位置的测量

目标角指方位角或仰角，这两个角位置基本上是利用天线的方向性来实现。雷达天线将电磁能汇集在窄波束内，当天线对准目标时，回波信号最强。

回波的角位置还可以用测量两个分离接收天线收到信号的相位差来决定。

3) 相对速度的测量

图4 多普勒雷达回波信号频谱

由于多普勒效应，从运动目标反射回来的回波信号频率与发射信号频率相比，增加了一个多普勒频率偏移成分，图4是多普勒雷达回波信号频谱。测量回波信号的多普勒频移，可得到目标速度信息V r：

V r＝0.5×f d/λ式（3）式中为f d为多普勒频移，λ为雷达信号波长。目标面对雷达飞行，多普勒频率为正，当目标背向雷达飞行，多普勒频率为负。

UHF 频段f d为多普勒频移在10Hz～100Hz范围，HF频段多普勒频移1Hz～10Hz，我们可以估算UHF频段多普勒雷达频率准确度约在10－8～10－9，HF频段多普勒雷达频率准确度约在10－7～10－8，此时AWG需要外接标频。

4) 目标尺寸和形状

当雷达测量具有足够高的分辨率，可以提供目标尺寸的测量。当雷达和目标有相对运动时，可以利用多普勒效应切向距维的分辨率。此外，比较目标对不同极化波的散射场，可以提供目标形状不对称性的量度。复杂目标的回波振幅随时间会变化，

1.3 雷达探测能力――基本雷达方程

雷达能在多远距离上发现目标，由雷达方程来回答。雷达方程将雷达作用距离和雷达发射、接收、天线和环境等因素连续起来。雷达能探测最远距离R max如下：

R max＝(P t GA eσ/(16π2S min))1/4

式中P t为发射机功率，G为天线增益，A e为天线有效接收面积，σ为雷达回波功率截面积，S min为雷达最小可探测信号。

雷达方程可以正确反映雷达各参数对其检测能力影响的程度，不能充分反映实际雷达的性能。因为许多影响作用距离的环境和实际因素在方程中没有包括。

1.4 雷达分类

雷达种类特点应用

预警雷达(超远程雷达) 数千公里，精度不高发现洲际导弹和战略轰炸机搜索和警戒雷达600km以上，精度不高搜索飞机

2 雷达新技术

由于航空、航天技术的飞速发展，飞机、导弹、人造卫星及宇宙飞船等采用雷达作为探测和控制手段，对雷达提出了高精度、远距离、高分辨力及多目标测量要求，新一代雷达对雷达原有技术作了相当大的改进，主要体现在：

a)锁相技术和高稳定振荡器；

b)频率捷变和线性相位；

c)采用编码扩频的低截获概率雷达技术；

d)动态目标显示和脉冲多普勒技术；

e)电扫描与相控阵；

f)数字信号处理与高速信号处理芯片；

g)超高速集成电路与专用集成电路。

一般雷达测试除进行频率、功率、相位噪声、噪声系数等常规测试外，但是这样测试都只是在较低层次上进行射频、微波部件测试，同时提供测试用雷达信号形式非常简单，不能满足复杂雷达信号测试需求。

更为重要的是，雷达在实际工作过程中接收到的信号并不是纯净的发射回波，它包含各种杂波和多普勒效应，特别是在地形复杂或海面各种时，接收机接收到的杂波比需要探测的物体回波大的多，而这一切目前没有通用测量设备来生成雷达接收机所接收到的实际波形。因此各个雷达研制单位投入大量人力、物力研制各种雷达模拟器，但这些模拟器往往受各种设计因素影响，只是实际雷达波形的简化，并只考虑到典型的应用，对复杂的应用环境无法模拟。这样无法及时发现雷达研制和使用过程中问题和隐患。因此我们需要寻找一种新的手段模拟实际环境下的雷达信号，Tektronix的AWG、WCA、TDS8000、TLA