新雷达原理绪论幻灯片资料

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1、雷达原理,四川大学电子信息学院 杨晓庆,SCU,雷达原理,课程简介,课程内容： 雷达技术基础、主要雷达介绍 学习目标： 雷达基础知识 掌握雷达技术及其原理 了解现代雷达新技术、新体制及发展方向,参考资料,张明友、汪学刚，雷达系统（第二版），电子工业出版社（教材） Merrill I. Skolnik,Radar Handbook 丁鹭飞、耿富录，雷达原理（第三版），西安电子科技大学出版社 中航雷达与电子设备研究院，雷达系统，国防工业出版社,第一章 雷达概述,电磁学的理论发展 1820 Oersted 发现电流磁效应 1820 Ampere 导线通电会产生作用力 1831 Faraday & H

2、enry 发现磁感应 1865 Maxwell 提出光的电磁学说 1888 Hertz 用试验证实了电磁波的存在,1895 Roentgen 发现X 射线 1897 Thomson 证明了阴极射线为负电荷 1900 Planck 引入了光能量的量子化 1905 Einstein 发现了光电效应 1925 Davissom, Germer, Thomson 发现了电子有波动性,第一章 雷达概述,1.1 雷达的任务 什么是雷达？ 雷达 radar radio detection and ranging 二次辐射、转发和固有辐射 利用电磁波的二次辐射、转发或目标固有辐射来探测目标，获取目标空间坐标、

3、速度、特征等信息的一种无线电技术，相应的设备称为雷达站或雷达机，简称雷达,SCU,雷达原理,电磁波 变化的电场产生磁场 变化的磁场产生电场 随机热运动，所有物体都辐射电磁波能量，包括：无线电波、光、热辐射 波长不同 雷达辐射的电磁波： 强电流激励调谐回路，向空间传播交变的电磁能量，高频正弦波,电磁波在介质中传播，遇到什么样的物体会产生二次辐射？ 电性能与传播介质不同 目标点产生的二次辐射与原来的电磁波叠加会产生什么情况？ 反射 如果目标的尺寸远大于电磁波波长，且其表面非常平滑，电磁波的传播方向改变，入射角等于反射角。 散射 如果目标的尺寸远大于电磁波波长，但其表面粗糙，各单元的二次辐射的指向不

4、同，强度与分布极不均匀。 绕射 如果目标的尺寸远小于电磁波波长，使电磁波连续弯折绕过目标，朝其背后继续传播 谐振 如果目标的尺寸接近电磁波波长，特别是目标是一个导体，其指向与电磁波的电矢量方向平行，相当于一个电偶极子在电磁波强迫振动下产生的二次辐射，形成了特殊的天线效应,无线电磁波的特征,传播速度： 真空中，无线电磁波以光速传播 传播方向： 与电场和磁场方向垂直（右手法则，E = H）。遇到反射体时，方向反向 功率密度： 电磁波的平均强度 电磁波强度：在垂直于传播方向的平面内，每秒通过单位面积的能量。 接收功率 = 电磁波功率密度 天线孔径面积,天线极化： 习惯上取为电场方向 线极化：垂直和水

5、平极化 圆极化：水平 + 垂直极化 接收天线与极化同向，吸收能力最大 反射物改变极化方向，目标识别辅助手段,雷达接收（回波）信号 目标： 待测目标的电磁波反射或散射，如飞机、云雨、天体、舰船、山川、森林、陆地、建筑物、车辆、兵器、人员等 杂波： 不需要的电磁波反射，如地面、海面、植被、山区、建筑物等 干扰： 有源干扰、无源干扰 噪声： 环境噪声、系统热噪声,雷达回波中的可用信息 斜距 角度： 方位角和俯仰角（高低角） 径向速度 目标特征： 大小；形状；表面粗糙度；介电特性,雷达回波中的可用信息 斜距 R （ Rmax 可由雷达方程估算） 方位角 a （q） 俯仰角 b （j） 径向速度 vr,

6、Object (rather than Target) Scatter (rather than Reflect),雷达的典型组成,发射机,收发转 发开关,接收机,显示器,目标,SCU,雷达原理,1.1 雷达的任务,1.1.1雷达回波中的可用信息 1 距离 如何测？ 通过测量往返信号的时间差，可以测出距离 需要思考的问题 距离分辨率与什么有关系？ 误差？ 测距单位 1微秒0.15公里,SCU,雷达原理,2 径向速度 如何测速？ 对目标的连续测量可获得径向速度。 动目标的多普勒频移也可以用来获得径向速度。,SCU,雷达原理,举例： 已知某雷达的发射频率为9600MHz，目标以300米/秒的速度直

7、线飞向雷达，则回波信号的频率为？,3 角方向 如何测？ 用方向性天线来实现。 当接收信号最大时，天线所指方向就是目标方向。 通过两个分离接收天线收到的相差来测量。 单位：1度为16.7密位,SCU,雷达原理,4 高度测量,5 尺寸 若雷达具有足够的分辨率，它就能测量目标的宽度和尺寸。 分辨率问题：距离分辨率和角度分辨率 如何解决？ 脉冲压缩雷达（PCR） 合成孔径技术（SAR）,SCU,雷达原理,6 形状 通过获得的距离和横向距离，同时雷达绕着物体旋转或者物体绕雷达选择确定物体形状。 不同极化波的散射场可以得到物体对称性的信息。 表面粗糙度是一个相对值，取决于照射的波长。 可以变频，观测目标反

8、射由镜面反射到漫反射的转折点。,SCU,雷达原理,1.1.2 雷达的探测能力雷达方程,SCU,雷达原理,1.2 雷达的基本组成,发射机 天线 接收机 数据采集 显示 信号处理 控制系统 通讯系统,SCU,雷达原理,雷达原理框图,SCU,雷达原理,雷达发射机,SCU,雷达原理,工作方式 单级振荡式发射机 主振放大式发射机,使用器件 真空电子管发射机 晶体管固态发射机,SCU,雷达原理,磁控管,行波管,速调管,SCU,雷达原理,固态发射机,收发开关与天线,收发开关的作用 气体放电元件，有时也用环形器等进一步隔离发射机与接收机。,SCU,雷达原理,接收机与显示系统,接收机用途： 放大、检波和处理雷达

9、发射之后返回的所需的回波。 接收机的形式： 超再生接收机，晶体视频接收机，调谐式接收机，超外差式接收机。 显示系统： 距离显示器、平面显示器、高度显示器和综合显示器等。一般都是在CRT上实现的。,1.3雷达的工作频率,高频（HF，330MHz） 特点？ 甚高频（VHF，30300MHz） 20世纪30年代的雷达大多工作在这个频段。 特点？,超高频（UHF，3001000MHz） 在很多情况下，在甚高频雷达也适用于超高频雷达 L波段（12GHz） 特点？,S波段（24GHz） 中距离的警戒雷达（S波段的低端）和跟踪雷达（S波段的高端）均可使用 受天气影响明显，可用作气象雷达 C波段（48GHz）

10、 常用于武器制导和导航 中程气象雷达可以采用此波段,X波段（812.5GHz） 跟踪雷达和民用雷达的常用波段 雷达体积小，重量轻，波瓣窄，适于移动。 如下大雨将被大大削弱。 Ku，K和Ka波段（12.540GHz） 作用距离短，高分辨率 此波段高频器件能产生的功率不大。,毫米波波段（40300GHz） 目前为止，没有运行在Ku波段以上的雷达，毫米波雷达之适用于无大气衰减或者近程中。 激光频率（红外，可见和紫外），具有良好的角度和距离分辨率。 不能用于大空域的警戒。,频段总结,分类： （1）按定位方法可分为： 有源雷达、半有源雷达和无源雷达。 （2）按装设地点可分为； 地面雷达、舰载雷达、航空雷

11、达、卫星雷达 （3）按辐射种类可分为： 脉冲雷达和连续波雷达。 （4）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。,1.4 雷达的应用和发展,（5）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、导航雷达等 （6）信号处理方式： 分集雷达，动目标显示雷达，合成孔径雷达等。 （7）按天线的扫描方式： 机械扫描雷达，相控阵雷达，频扫雷达。,功能： 截获： 雷达对目标进行跟踪 探测： 发现目标的行为与动作 测高： 确定空中目标的高度，一般用俯仰角。 寻的： 指自动定向，飞向指定点的动作 测绘： 系统的搜集数据并系统的显示出地表 侦察： 观测一个

12、区域地形等信息,搜索： 搜索感兴趣的目标的行为。 测速，测距。 地物回避： 控制飞机的飞行高度和航向，使飞机以改变航线来回避地面的高山等物体。 地形跟随： 控制飞机的飞行高度和航向，使飞机紧贴地面飞行。 跟踪： 连续检测目标的动作。,雷达的命名 命名：根据美国军用标准ASG和其修改本的规定，军用电子设备和系统都得采用AN命名法。 AN/TPS-1D,军用设备,安装 方式 （机载，固定等）,类型 （雷达，声纳等）,用途 （探测，识别等）,顺序号,改进的型号,雷达发展史上的重要人物 1864年麦克斯维（英） 1887年赫兹（德） 1903年赫尔斯迈耶（德） 1904年弗莱明（英），真空电子器件，麦

13、克斯维的学生 1937年沃森瓦特（英） 1948年肖克莱（美）晶体三极管 林为干 毕德显 张直中 毛二可 王小谟 ,SCU,雷达原理,雷达的研究初期，探索阶段（18641937） 赫兹实验，麦克斯维理论和赫尔斯迈耶的专利，到沃森瓦特设计了第一部雷达。 发展时期：二战后，雷达技术的重要发展归于两个器件。,成熟期,脉冲压缩雷达（Pulse Compression Radar） 为什么进行脉冲压缩？何时压缩？ 相控阵雷达（Phase Array Radar） 利用电子计算机控制移相器改变天线孔径上的相位分布来实现波束在空间扫描，对付多目标，反应时间短，可靠性高，抗干扰强（爱国者，铺路爪） 合成孔径雷

14、达（Synthetic Aperture Radar） 作用效果相当于长线阵天线同时收发，用人工合成了等效孔径。 动目标显示雷达（Moving Target Indication Radar ） 多普勒效应,SCU,雷达原理,雷达的主要参数,1.5电子战与军用雷达的发展,1.5.1电子战的科学定义 电子战（EW）： 敌我双方利用无线电电子装备或器材所进行的电磁信息斗争，电子战包括电子对抗和电子反对抗。 传统电子战： 电子对抗（ECM）： 为了探测敌方无线电电子装备的电磁信息，削弱或破坏其使用效能所采取的一切战术、技术措施。 包括电子侦察、干扰、隐身、摧毁。 电子反对抗（ECCM）： 在敌方实施

15、电子对抗条件下保证我方有效的使用电磁信息所采取的一切战术、技术措施。 包括电子反侦察、反干扰、反隐身、反摧毁。,雷达侦察概述,1.雷达侦察的任务与分类 雷达侦察是获取雷达情报的主要手段，其基本任务是：利用装备有雷达侦察系统的侦察卫星、电子侦察飞机、电子侦察船和地面侦察战，对敌方的各种雷达辐射源进行不间断的侦察，获取和检测有用的信息。,雷达侦察的分类,1)电子情报侦察（ELINT）： 广泛侦收，以获取雷达技术情报为主，查明敌方雷达的战术技术参数，特点是长期分析综合，供战略决策使用。 2) 电子支援侦察（ESM） 属于战术情报侦察，为指挥员和作战系统提供当前战场上的敌方电子装备的位置、工作参数等，

16、特点是实时战场侦收，即时决策指挥。 3)雷达寻的和告警（RHAW） 用于作战平台的自身防护。特点是实时侦收、指示威胁雷达信号. 4) 引导干扰 为雷达干扰提供威胁雷达的方向、频率、威胁程度等信息，选择最佳干扰样式和干扰时机，引导干扰机。特点是实时侦收、跟踪威胁雷达信号，控制干扰机。 5）引导杀伤武器 通过对威胁雷达信号的侦察和识别，引导反辐射导弹攻击威胁雷达。特点是实时侦收、跟踪预定威胁信号，控制杀伤武器,雷达侦察系统的技术特点,1) 作用距离远，预警时间长 雷达：接收2次回波，与距离4次方成反比 侦察：接收直射波，与距离2次方成反比 一般侦察作用距离1.5倍的雷达作用距离，因此可以比雷达提前发现目标。 2)安全、隐蔽 侦察系统是无源的，具有良好的隐蔽性和安全性。 3) 获取信息多 侦察系统本身具有宽的时、频、空、极化、调制域，可以获取十分丰富的信息。,雷达侦察系统的基本组成,测向天线阵与接收机 检测每个到达脉冲的方位角； 测频天线与接收机 检测每个到达脉冲的载频、到达时间、脉冲幅度、脉宽和脉内调制； 预处理