2014-雷达原理第一讲-讲义
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• 按频率
波段： 高频、P、L、S、C、X、Ku、…… 米波、分米波、厘米波、毫米波、……
雷达的分类
• 按频率
波段(Band)： HF、P、L、S、C、X、Ku、K、Ka、毫米波、太赫兹、…
HF P: Previous L: Long (最初的搜索雷达 ~23 cm) S: Shorter than L Band (~10cm) C: Compromise (对于搜索雷达和火控雷达的折衷波长 ) X: X表示标定，(常用于火控雷达 ，~3cm) K: (Kurtz, 德语中短的意思) Ka: (K - above) Ku: (K - under)
四/五代机的特点--- 4S：
How about the radar system?
Super Maneuverability （超机动性）
Super Sonic Cruise （超音速巡航）
Stealth （隐身）
Superior Avionics for Battle Awareness and Effectiveness （战役意识和效能）
雷达的应用领域
军事 遥感 控制交通管制（ATC: Air Traffic Control） 高速公路安全 空中安全及导航 船只安全 空间 其它
雷达发展史
German physicist Heinrich Hertz, 1885-1888 Experimentally verified the prediction of James Clerk Maxwell’s theory
1922, U.S. Navy, CW radar
1925, Carnegie Institution in Washington, D.C pulse radar technique, (for ionosphere)
Heavy military bomber aircraft -- Operational military radar 雷达时代的到来
The angular distribution of the energy does not vary with distance
MHz
象、S-SAR
C
4-8 GHz
5250-5925 MHz
气象、C-SAR
X
8-12 GHz
8500- 106800 MHz
机载、海用、制导
IEEE Std: 521-1984
频段
（Band Designation）
Ku
频率范围
（Nominal Freq. Range）
12-18 GHz
雷达使用范围
德国： 1939年奥地利的防空报警体系由以下部分组成:“弗雷亚”(“Freya”)型
雷达(探测距离可达120公里);“战机城堡”(“Jagdschloß”)型雷达;“水人” (“Wassermann”)型雷达;“威尔兹堡巨人”(“W&-252;rzburg Riese”)型雷达。
二战时期
Morgan McMahon http://www.smecc.org/mcmahon's_radars!.htm
雷达发展史
人类无线电通信的创始人――意大利的马可尼（Guglielmo Marconi,1874－1937） 1909获诺贝尔物理学奖
英国
加拿大的纽芬兰 （Newfoundland）
1901年的越洋通讯实验
Marconi strongly urged the use of RADIO DETECTION in a speech delivered in 1922. Before the Institute of Radio Engineers (now the IEEE).
of the EM field published in 1864. Used a pulse radar ~ 455 MHz Radio Waves behaved the same as light except …
COULD BE REFLECTED FROM METALLIC OBJECTS AND REFRACTED BY A DIELECTRIC PRISM
上课时间：
星期三第7－8节，星期五第1－2节， A306
参考资料：
《雷达原理》，丁鹭飞、耿富录编著 《雷达原理》，王意青，张明友编 《雷达手册》，M. I. Skolnik 《射频隐身导论》， David Lynch Jr.
电子工业出版社的“雷达技术丛书”
课程性质与任务： 学习本课程的目的在于掌握雷达工作的基本原
Es
2
lim 4πr 2 r
E
i 0
2
S (es
ei
)
E0i
2
4π
E0i
2
ei
Incident wave
Monostatic Bi-static
es
Observation
Backscattering:
4π
S (ei
ei
)
E0i
E0i
理，以及雷达目标参数测量的基本理论和方法，并能 用来解决雷达工程技术中的实际问题。
本课程的重要性： 专业性、系统性
涉及的相关知识：
电磁场、电子线路（如RF等）、信号处理、概率 + 雷达的知识
第一章 概 述
雷达（Radar: Radio Detection and Ranging)
基本功能： 利用目标对电磁波的反射而获得目标的信息。 目标信息： 距离、速度、方位角、俯仰角、目标类型等。
雷达的发展证明了需求确实是发明的母亲。它表明，技术一旦用于战 场，真正的英雄能顶住压力，科学家与工程师证明了像磁控管，速调 管，收发开关，半导体检波器以及其他缺少的部件在难以想象的短时 间内就可以发明出来，改进出来和生产出来。
雷达掀起了黑夜的面纱，在夜晚，在恶劣的天气下，在光学仪器的作 用范围外，雷达可以精确的探测和跟踪敌方舰船和飞机的运动。它可 以全天候地控制火炮，鱼雷和炸彈实施准确打击。
German Christian Hulsmeyer, in the early 1900s 1904, a patent in England a monostatic pulse radar Marked it for preventing collisions at sea. Faded from memory and were all but forgotten.
HH HV VH VV
2.5m×2.5m
雷达所面临的四大威胁
1） 电子侦察与电子干扰 2） 低空超低空飞行器 3） 隐身飞行器 4) 反辐射导弹（ARM）
F- 22
F- 35
第五代战斗机：美国的 F-22、F-35、俄罗斯的 T-50和中国的歼20
How about the electronic equipment?
七十年代以后
SAR: (Synthetic Aperture Radar, 合成孔径雷达)
星载：SEASAT（1978） 机载：
ISAR： (逆合成孔径雷达)
预警雷达
LPI雷达： (Low Probability of Intercept ) 低截获概率雷达
（针对C3I: Command, Control, Communication, Information )
76-81 GHz, 92-100 GHz
Baidu Nhomakorabea
机间数据链
制导、目标识 别
有待研究
• 按工作特点
雷达的分类
• 天线扫描方式 机械扫描雷达、相控阵雷达、频扫雷达、等等
• 信号处理方式 相参雷达、动目标显示雷达、合成孔径雷达、等等
合成孔径雷达图片
10 9 8 7 6 5 4 3 2 1
日本PiSAR数据
超视距雷达: (OTHR： Over The Horizon Radar）
双多基地雷达/分布式雷达
国内雷达发展状况
一些重要的发展方向 产业发展前景
雷达的分类
• 按平台 地基、机载、星载（空载）、双多基地
• 按用途 远程警戒、制导、炮瞄、探测、军民用
• 按波形（体制）
脉冲、连续波、线性调频、编码、超宽带
材料、尺寸、入射角、观测角、极化、频率、……
Qualitatively:
近远场问题
The energy decays very rapidly with distance
Fraunhofer zone
The average energy density remains fairly constant at different distances from the antenna
隐身技术
Guessing and knowing are two completely different things. The objective of stealth is
to keep the adversary guessing until it is too late. ------- David Lynch, Jr.
隐身的基本概念 1、 红外隐身 2、 雷达隐身 3、 射频隐身
中心思想： ● 没有信号或信号很弱 ● 使敌方难以做出正确的判断等
趋势： 探测与隐身的平衡设计
隐身技术(续)
雷达隐身的基本方法： RCS 削减技术
外形 （90%） + 材料
单位立体角内目标朝接收方向散射 的功率与从给定方向入射于该目标 的平面波功率密度之比的4π倍？
频率的表示： Hz KHz, MHz, GHz, THz
IEEE Std: 521-1984
频段
（Band Designation
）
频率范围
（Nominal Freq. Range）
HF
3-30 MHz
雷达使用范围
（ITU Assignment for Radar ）
应用 超视距
VHF P
30-300 MHz
138-144 MHz, 216-225 MHz
远程警戒
UHF
300-1000 MHz
420-450 MHz, 850-942 远程警戒、丛林探测、
MHz
P-SAR
L
1-2 GHz
1215-1400 MHz
警戒、空中管制、L-
SAR
S
2-4 GHz
2300-2500 MHz, 2700-3700 警戒、空中管制、气
2
2
——radar cross section（RCS）
10 log dBsm
2D
lim 2π
Es Ei
2
Radar Cross Section 雷达散射截面
:
3D
lim 4 r2
r
Es
2
Ei
2
如何理解RCS?
影响 RCS的因素：
RCS: Radar Cross Section (雷达散射截面)
远场
平面波照射
RCS初步概念
The flux density at the far zone scatterer
Definition ：
lim 4πr 2 r
Ss Si
(m2 )
Si
E0i
2
/ Z0
Ss
Es
2
/ Z0
（ITU Assignment for Radar）
13.4-14.0 GHz, 15.7-17.7 GHz
应用 测高计
K Ka V mm W mm THz
18-27 GHz 27-40 GHz 40-75 GHz 75-110 GHz 110-300 GHz
定义
24.05-24.25 GHz 33.4-36 GHz 59-64 GHz
《雷达原理与系统》
主讲：赵志钦、王洪
2014年春季学期
赵志钦
zqzhao@uestc.edu.cn 61830698
清水河办公室： 科研1号楼-C410
从事专业：电磁场与微波技术、信号与信息处理 主要研究方向: 雷达信号处理、计算电磁学、
微波遥感理论及应用、微波致热超声成像等。
内容： 雷达原理（22学时）＋ 雷达系统 ＋ 实验
二战时期
美国：早期海军雷达的研究与发展于1930年代的中后期由海军研究实验室
（NRL）开始。1940年NRL改名为海军电磁波实验室（Navy Radiation Laboratory）并搬迁到MIT与贝尔电话实验室。 1937年NPL早期雷达研制工作的成果安装在U.S.S. Leary号驱逐舰上进行测试。
雷达是盟军赢得二战的关键。它使很多战斗变得对我方有利。它大大 增强了我方武器的效用：在不列颠之战中，它成功引导数以千计的战 机作为拦截机，而早期同样的任务需要万架飞机不停巡逻。
五、六十年代
合成孔径雷达概念的提出
(SAR: Synthetic Aperture Radar)
超视距雷达
（OTHR: Over The Horizon Radar）
波段： 高频、P、L、S、C、X、Ku、…… 米波、分米波、厘米波、毫米波、……
雷达的分类
• 按频率
波段(Band)： HF、P、L、S、C、X、Ku、K、Ka、毫米波、太赫兹、…
HF P: Previous L: Long (最初的搜索雷达 ~23 cm) S: Shorter than L Band (~10cm) C: Compromise (对于搜索雷达和火控雷达的折衷波长 ) X: X表示标定，(常用于火控雷达 ，~3cm) K: (Kurtz, 德语中短的意思) Ka: (K - above) Ku: (K - under)
四/五代机的特点--- 4S：
How about the radar system?
Super Maneuverability （超机动性）
Super Sonic Cruise （超音速巡航）
Stealth （隐身）
Superior Avionics for Battle Awareness and Effectiveness （战役意识和效能）
雷达的应用领域
军事 遥感 控制交通管制（ATC: Air Traffic Control） 高速公路安全 空中安全及导航 船只安全 空间 其它
雷达发展史
German physicist Heinrich Hertz, 1885-1888 Experimentally verified the prediction of James Clerk Maxwell’s theory
1922, U.S. Navy, CW radar
1925, Carnegie Institution in Washington, D.C pulse radar technique, (for ionosphere)
Heavy military bomber aircraft -- Operational military radar 雷达时代的到来
The angular distribution of the energy does not vary with distance
MHz
象、S-SAR
C
4-8 GHz
5250-5925 MHz
气象、C-SAR
X
8-12 GHz
8500- 106800 MHz
机载、海用、制导
IEEE Std: 521-1984
频段
（Band Designation）
Ku
频率范围
（Nominal Freq. Range）
12-18 GHz
雷达使用范围
德国： 1939年奥地利的防空报警体系由以下部分组成:“弗雷亚”(“Freya”)型
雷达(探测距离可达120公里);“战机城堡”(“Jagdschloß”)型雷达;“水人” (“Wassermann”)型雷达;“威尔兹堡巨人”(“W&-252;rzburg Riese”)型雷达。
二战时期
Morgan McMahon http://www.smecc.org/mcmahon's_radars!.htm
雷达发展史
人类无线电通信的创始人――意大利的马可尼（Guglielmo Marconi,1874－1937） 1909获诺贝尔物理学奖
英国
加拿大的纽芬兰 （Newfoundland）
1901年的越洋通讯实验
Marconi strongly urged the use of RADIO DETECTION in a speech delivered in 1922. Before the Institute of Radio Engineers (now the IEEE).
of the EM field published in 1864. Used a pulse radar ~ 455 MHz Radio Waves behaved the same as light except …
COULD BE REFLECTED FROM METALLIC OBJECTS AND REFRACTED BY A DIELECTRIC PRISM
上课时间：
星期三第7－8节，星期五第1－2节， A306
参考资料：
《雷达原理》，丁鹭飞、耿富录编著 《雷达原理》，王意青，张明友编 《雷达手册》，M. I. Skolnik 《射频隐身导论》， David Lynch Jr.
电子工业出版社的“雷达技术丛书”
课程性质与任务： 学习本课程的目的在于掌握雷达工作的基本原
Es
2
lim 4πr 2 r
E
i 0
2
S (es
ei
)
E0i
2
4π
E0i
2
ei
Incident wave
Monostatic Bi-static
es
Observation
Backscattering:
4π
S (ei
ei
)
E0i
E0i
理，以及雷达目标参数测量的基本理论和方法，并能 用来解决雷达工程技术中的实际问题。
本课程的重要性： 专业性、系统性
涉及的相关知识：
电磁场、电子线路（如RF等）、信号处理、概率 + 雷达的知识
第一章 概 述
雷达（Radar: Radio Detection and Ranging)
基本功能： 利用目标对电磁波的反射而获得目标的信息。 目标信息： 距离、速度、方位角、俯仰角、目标类型等。
雷达的发展证明了需求确实是发明的母亲。它表明，技术一旦用于战 场，真正的英雄能顶住压力，科学家与工程师证明了像磁控管，速调 管，收发开关，半导体检波器以及其他缺少的部件在难以想象的短时 间内就可以发明出来，改进出来和生产出来。
雷达掀起了黑夜的面纱，在夜晚，在恶劣的天气下，在光学仪器的作 用范围外，雷达可以精确的探测和跟踪敌方舰船和飞机的运动。它可 以全天候地控制火炮，鱼雷和炸彈实施准确打击。
German Christian Hulsmeyer, in the early 1900s 1904, a patent in England a monostatic pulse radar Marked it for preventing collisions at sea. Faded from memory and were all but forgotten.
HH HV VH VV
2.5m×2.5m
雷达所面临的四大威胁
1） 电子侦察与电子干扰 2） 低空超低空飞行器 3） 隐身飞行器 4) 反辐射导弹（ARM）
F- 22
F- 35
第五代战斗机：美国的 F-22、F-35、俄罗斯的 T-50和中国的歼20
How about the electronic equipment?
七十年代以后
SAR: (Synthetic Aperture Radar, 合成孔径雷达)
星载：SEASAT（1978） 机载：
ISAR： (逆合成孔径雷达)
预警雷达
LPI雷达： (Low Probability of Intercept ) 低截获概率雷达
（针对C3I: Command, Control, Communication, Information )
76-81 GHz, 92-100 GHz
Baidu Nhomakorabea
机间数据链
制导、目标识 别
有待研究
• 按工作特点
雷达的分类
• 天线扫描方式 机械扫描雷达、相控阵雷达、频扫雷达、等等
• 信号处理方式 相参雷达、动目标显示雷达、合成孔径雷达、等等
合成孔径雷达图片
10 9 8 7 6 5 4 3 2 1
日本PiSAR数据
超视距雷达: (OTHR： Over The Horizon Radar）
双多基地雷达/分布式雷达
国内雷达发展状况
一些重要的发展方向 产业发展前景
雷达的分类
• 按平台 地基、机载、星载（空载）、双多基地
• 按用途 远程警戒、制导、炮瞄、探测、军民用
• 按波形（体制）
脉冲、连续波、线性调频、编码、超宽带
材料、尺寸、入射角、观测角、极化、频率、……
Qualitatively:
近远场问题
The energy decays very rapidly with distance
Fraunhofer zone
The average energy density remains fairly constant at different distances from the antenna
隐身技术
Guessing and knowing are two completely different things. The objective of stealth is
to keep the adversary guessing until it is too late. ------- David Lynch, Jr.
隐身的基本概念 1、 红外隐身 2、 雷达隐身 3、 射频隐身
中心思想： ● 没有信号或信号很弱 ● 使敌方难以做出正确的判断等
趋势： 探测与隐身的平衡设计
隐身技术(续)
雷达隐身的基本方法： RCS 削减技术
外形 （90%） + 材料
单位立体角内目标朝接收方向散射 的功率与从给定方向入射于该目标 的平面波功率密度之比的4π倍？
频率的表示： Hz KHz, MHz, GHz, THz
IEEE Std: 521-1984
频段
（Band Designation
）
频率范围
（Nominal Freq. Range）
HF
3-30 MHz
雷达使用范围
（ITU Assignment for Radar ）
应用 超视距
VHF P
30-300 MHz
138-144 MHz, 216-225 MHz
远程警戒
UHF
300-1000 MHz
420-450 MHz, 850-942 远程警戒、丛林探测、
MHz
P-SAR
L
1-2 GHz
1215-1400 MHz
警戒、空中管制、L-
SAR
S
2-4 GHz
2300-2500 MHz, 2700-3700 警戒、空中管制、气
2
2
——radar cross section（RCS）
10 log dBsm
2D
lim 2π
Es Ei
2
Radar Cross Section 雷达散射截面
:
3D
lim 4 r2
r
Es
2
Ei
2
如何理解RCS?
影响 RCS的因素：
RCS: Radar Cross Section (雷达散射截面)
远场
平面波照射
RCS初步概念
The flux density at the far zone scatterer
Definition ：
lim 4πr 2 r
Ss Si
(m2 )
Si
E0i
2
/ Z0
Ss
Es
2
/ Z0
（ITU Assignment for Radar）
13.4-14.0 GHz, 15.7-17.7 GHz
应用 测高计
K Ka V mm W mm THz
18-27 GHz 27-40 GHz 40-75 GHz 75-110 GHz 110-300 GHz
定义
24.05-24.25 GHz 33.4-36 GHz 59-64 GHz
《雷达原理与系统》
主讲：赵志钦、王洪
2014年春季学期
赵志钦
zqzhao@uestc.edu.cn 61830698
清水河办公室： 科研1号楼-C410
从事专业：电磁场与微波技术、信号与信息处理 主要研究方向: 雷达信号处理、计算电磁学、
微波遥感理论及应用、微波致热超声成像等。
内容： 雷达原理（22学时）＋ 雷达系统 ＋ 实验
二战时期
美国：早期海军雷达的研究与发展于1930年代的中后期由海军研究实验室
（NRL）开始。1940年NRL改名为海军电磁波实验室（Navy Radiation Laboratory）并搬迁到MIT与贝尔电话实验室。 1937年NPL早期雷达研制工作的成果安装在U.S.S. Leary号驱逐舰上进行测试。
雷达是盟军赢得二战的关键。它使很多战斗变得对我方有利。它大大 增强了我方武器的效用：在不列颠之战中，它成功引导数以千计的战 机作为拦截机，而早期同样的任务需要万架飞机不停巡逻。
五、六十年代
合成孔径雷达概念的提出
(SAR: Synthetic Aperture Radar)
超视距雷达
（OTHR: Over The Horizon Radar）