雷达原理

最高，总效率高可以节省能源。 调制形式
由于雷达体制不同，信号调制也不同，图中a为矩形
脉冲调制，b为脉冲压缩雷达的线性调制，c为相位脉 冲压缩雷达使用的相位编码信号。
雷达原理-发射机主要质量指标
信号稳定度
指信号的各项参数如振幅、频率（或相位)、脉宽、
重复频率等是否随时间作不应有的变化，会造成信号 不稳、假目标、旁瓣等。因此要求雷达发射机频谱纯 度要高，多普勒雷达一般要求达到-80db。
雷达原理
雷达的发展
雷达（RADAR），是英文“Radio Detection
and Ranging”（无线电侦测和定距）的缩写及音 译。将电磁能量以定向方式发射至空中，接收物体 所反射之电波，以计算出该物体的方向，高度及速 度，并且可以探测物体的形状。以地面为目标的雷 达可以用于探测地面的精确形状。




HF（3-30MHz） VHF（30-300MHz） UHF（300-1000MHz） L（1000-2000MHz）（Long） S（2000-4000MHz）（short） C（4000-8000MHz） （ Compromise） X（8000-12000MHz）（标示地 点） Ku（12-18GHz）（ K-undown） K（18-27GHz）（ Kurtz） Ka（27-40GHz） （K-above） mm（40-300GHz） 激光雷达（Lidar－LIght Detection And Ranging）
功率条件下，定向天线在目标上功率，与理想的不 定向天线辐射功率之比），这样发射天线在目标方 向上产生的功率密度为
P 1G1 S1 G1 S1 2 4R
雷达原理-基本雷达方程
目标受到发射电磁波的照射，将产生散射回波，散
射功率大小与发射功率密度S1和目标散射截面积 σ(一般为平方米）有关，假定目标接收到的功率无 损耗地辐射出来，可以得到目标散射功率（二次辐 射功率）为 P 1G1 P 2 S1 4R 2 假设P2均匀辐射，在接收天线处收到的回波功率 密度为 P P 2 1G 1 S2 2 4R (4R 2 ) 2
缺点
工艺复杂，成本高。 体积比较大。
雷达原理-发射机主要质量指标
工作频率或波段
工作频率或波段按照雷达的用途确定，为了提高性能或抗干扰，
可能在几个频率上跳变工作，频段决定了发射机的设计方案。 工作频段选择影响发射管种类选择，1000M以下主要用微波三 极四极管，1000M以上使用多腔磁控管、速调管、行波管等。
D R cos

H R sin
R H D
目标 P
O

雷达

B 正北
雷达原理-基本雷达方程
雷达发射机脉冲平均功率为P1，在距天线R远的目
标处功率密度（单位面积功率）为发射机功率比上 半径为R的假想球面积，全向天线距雷达站R处的 P 功率密度为 1 S1 4R 2
雷达使用定向天线，设天线增益为G1(在同样输入
方程中反射物的有效反射面积和最小可检测信号不可
准确预测，因此该公式常用于估算，并考察雷达参数 对作用距离的影响程度。
雷达原理-雷达发射机
雷达利用物体反射电磁波的特性来发现目标并确定
目标的距离、方位、高度、速度等。 发射机提供一种载波受到调制的大功率射频信号， 经收发开关由天线辐射出去。 发射机分类


雷达的发展
1940年，德国GEMA生产出世界上第一部平面位
置指示（Plane Position Lndicator(PPI))雷达。
1944年，对柏林轰炸，PPI雷达在显示屏幕上显示
出400多架轰炸机。
雷达概述-分类
应用场合 军用
预警雷达/超远程雷达 搜索雷达和警戒雷达 引导指挥雷达(监视雷达。 制导雷达 战场监视雷达 机载雷达 舰载雷达 炮瞄雷达
单级振荡式
主振放大式
雷达原理-单级振荡式发射机
单级振荡式发射机组成框图和各级波形
雷达原理-单级振荡式发射机
优点
制造工艺简单，易于实现。
体积小轻便。 制造成本低，比较经济。
缺点
使用磁控管振荡器频率稳定度一般为10^-4，采用稳
频和自动频率调整也只有10^-5，因此难以形成复杂 波形。 射频脉冲之间的相位不相参，不能满足脉冲多普勒、 脉冲压缩等现代雷达的要求。
雷达原理-主振放大式发射机
采用频率合成技术的主振放大式发射机
雷达原理-主振放大式发射机
优点
由于频率的稳定度和精度在低电平决定，较易采取各
种稳频措施，恒温、防震、稳压、晶体滤波、锁相等， 可以得到很高的频率稳定度。 可以发射相位相参信号，可用于脉冲多普勒雷达中。 适用于频率捷变雷达，具有良好的抗干扰能力。 能产生复杂 波形，用于同一部雷达满足多项功能要 求，如既能搜索，又能跟踪，还可以对雷达进行自检 等。
雷达的发展

1864年麦克斯韦提出电磁理论 1886年赫兹采用人工方法产生电磁波


1903年德国人维尔思姆探测到了从船上反射的电磁波
1904年，德国的Huelsmeyer发明了雷达 1922年无线电之父马克尼首次描述了雷达的概念“电磁波能够为导体所反射，可以在船舶上设置一种装置，向任何需 要的方向发射电磁波，若碰到导电物体，它就会被反射到发射电磁波的船上，由一个与发射机相隔离的接收机接收，以 此表明另一船舶是存在的，并确定其位置”。 1922年，美国海军实验室的Taylor和Young用连续波雷达探测到船； 1930年，美国海军实验室的Hyland用连续波雷达探测到飞机； 1941年苏联最早在飞机上装备预警雷达。 1941年，美国军用雷达发现了正在逼近珍珠港的日军飞机； 1943年美国麻省理工学院研制出机载雷达平面位置指示器，可将运动中的飞机拍摄下来，他们发明了可同时分辨几十 个目标的微波预警雷达。 1944年马可尼公司成功设计、开发并生产「布袋式」（Bagful）系统，以及「地毡式」（Carpet）雷达干扰系统。前 者用来截取德国的无线电通讯，而后者则用来装备英国皇家空军（RAF）的轰炸机队。 1945年二次大战结束后，全凭装有特别设计的真空管──磁控管的雷达，盟军得以打败德国。 20世纪50年代，单脉冲、脉冲压缩和SAR（合成孔径雷达）技术； 20世纪60年代，相控阵、MTI（动目标检测）技术； 20世纪70年代，PD（脉冲多普勒雷达）雷达预警机技术。
由式中可以看出，接收回波功率Pr反比与目标离雷
达站距离R的四次方，这是因为一次雷达中，反射 功率经过往返双倍的距离路程，能量衰减很大。
雷达原理-基本雷达方程
接收到得功率Pr必须超过最小可检测信号功率
Simin，雷达才能可靠发现目标，当Pr正好等于 Simin时，就可以得到雷达坚持该目标的最大作用 距离Rmax，如果超过该距离，则接收信号功率Pr 将进一步减少，就不能可靠地检测到该目标。关系 表达式如下。 2 2 P A P G 1 r 1 P S r i min 4 R 4 max (4 )3 R 4 max
输出功率
发射机送至天线输入端的功率为发射功率。 峰值功率Pt和平均功率Pav，脉冲宽度为Ʈ，脉冲重复周期为Tr，
则平均功率和峰值功率的关系为
重复频率为
雷达工作比为
1 fr Tr
P av P t

Tr

Tr
雷达原理-发射机主要质量指标
总效率：输出功率与输入总功率之比，发射机耗电
雷达的发展
1927年Hans E. Hollmann（汉斯E霍 尔曼）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
雷达原理-基本雷达方程
上式经过变形后得到Rmax如下
2 P A 1 r 4 Si min 1 4
Rmax
Rmax
2 P G 1 3 ( 4 ) S i min
1 4
这两种雷达距离方程基本形式，表明了作用距离里
Rmax和雷达参数以及目标特性间的关系。上面第一个 式子中Rmax与λ^1/2成反比，而第二个式子中， Rmax与λ^2成正比，正是由于天线面积不变，波长λ增 加时天线增益下降，导致作用距离减少；而当天线增 益不变，波长增大时要求天线面积也加大，有效反射 面增加，其结果是作用距离加大。
雷达原理-基本雷达方程
如果雷达接收天线有效接收面积为Ar，则在雷达接
收处接收回波功率为Pr
P r Ar S 2
P 1G1Ar ( 4R 2 ) 2
天线增益和有效面积关系如下
G
4A

雷达原理-基本雷达方程
雷达一般为公用天线，则G1=Gr=G，A1=Ar，则
接收回波功率可以为 2 2 P A P G 1 r 1 P r 4 4 R (4 )3 R 4
雷达原理-雷达组成
雷达原理-测量
测距 r=ct/2
R T
Hale Waihona Puke Baidu
1μs →150米, 1ms →150公里
目标距离 光速 往返时间
测角
Δθ= λ/ d
θ
波长 天线口径
• 测速 fd = 2v / λ
多普勒频率目标径向速度
波束宽度
f0 f0+fd
波长
雷达原理-测量
极坐标：R,

和
圆柱坐标：D , 和H
雷达原理-基本雷达方程
雷达的工作波长是整机的主要参数，它的选择将影响
到发射功率、接收灵敏度、天线尺寸、测量精度等众 多因素，设计时需要全面考虑衡量。方程给出作用距 离和参数关系，但未考虑损耗和衰减，天线波瓣损耗 La，约2db，传输损耗Lt，约3db，大气吸收损耗Lp， 约1db。因此雷达方程可以改进为 1 2 4 P A R 1 r rL 4 P
雷达原理-接收机
雷达接收机的任务是通过滤波将天线上接收到得微
弱高频回波信号从伴随的干扰和噪声中选择出来， 并经过放大和解调，送到显示器或计算机控制的雷 达终端设备。
超外差式接收机组成方框图如下，分为高频部分、
中频放大器、检波和视频放大。
雷达原理-接收机主要质量指标
灵敏度
表示接收机接收微弱信号的能力，能接收的信号越微
弱，接收机的灵敏度越高，作用距离越远。 常用最小可检测信号功率Simin表示，当信号功率低 于此值，回波信号将淹没到噪声干扰中。 要提高灵敏度，尽力减少噪声电平，还应使接收机有 足够的增益。噪声主要来自于接收机内部，因此常采 用低噪声高频放大器。 超外差式接收机灵敏度一般为10^-12—10^-14W，（120db—140db）
雷达原理-接收机主要质量指标
选择性
选择有用信号，滤除噪声和干扰的能力，主要取决于高、中频的频率特性，
在白噪声下，采用“匹配滤波器”，输出的信噪比最大。
波形失真
表示接收机输出洗脑波形对其输入高频信号包络的失真程度。
工作稳定性
接收机放大量很大，会产生自激振荡，或当环境电源、频率有漂移时，仍
炮兵雷达
靶场测量雷达 雷达导引头(寻的器)/雷达引信
民用
雷达概述-分类
平台：陆基，星载，机载，船载等。 应用：侦查，作战，散射计，图像雷达，气象雷达等。 技术：简单脉冲雷达，连续波雷达，真实孔径雷达，合成孔径雷
达，干涉雷达，多普勒雷达，单脉冲雷达等。 按定位方法可分为：有源雷达、半有源雷达和无源雷达。
按装设地点可分为；地面雷达、舰载雷达、航空雷达、卫星雷达
等。 按辐射种类可分为：脉冲雷达和连续波雷达。
按工作被长波段可分：米波雷达、分米波雷达、厘米波雷达和其
它波段雷达。
按用途可分为：目标探测雷达、侦察雷达、武器控制雷达、飞行
保障雷达、气象雷达、导航雷达、空管监视雷达等。
雷达概述-雷达频率