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1、,雷达原理与系统 课程复习,什么是雷达（radar）？,Radio Detection and Ranging,无线电探测与测距,测量目标的距离、方位和仰角 测量目标的速度 提供目标的其他信息，如：形态、表面信息等,雷达坐标系,球（极）坐标系,斜距R，雷达到目标的直线距离,方位角，目标斜距R在水平面上的投影OB与某以起始方向（参考方向）在水平面上的夹角,仰角，目标斜距R与其在水平面上的投影OB在铅垂面上的夹角,雷达的基本工作原理,单基地脉冲雷达,收发开关,天线,大气,目标反射,大气,天线,收发开关,发射机,接收机,测距,C ：光速，,利用发射信号回波时延求得,例：一单基地脉冲雷达目标回波时延为
2、1s，求目标离雷达的距离。,解：由公式,代入参数可得,常见时延与距离： 1s0.15km， 6.67s1km， 12.3s1.852km（1海里）， 10s1.5km， 100s15km， 1ms150km，,测距精度与发射信号（时宽）带宽（或处理后脉冲宽度）有关，脉冲越窄、性能越好,测角,利用天线方向性实现,目标角位置：方位角 仰角,接收回波最强时的天线波束指向,天线尺寸增加，波束变窄，测角精度和角分辨力提高,角位置还可以利用两个分离接收天线收到信号的相位差来决定,2弧度3606000密位，1密位0.06 ,测速,利用回波多普勒频移测相对速度,v,fd ：多普勒频移（Hz） vr ：雷达与目
3、标之间的径向速度（m/s） ：载波波长（m） 当目标向着雷达运动时， 0 vr ，回波载频提高；反之0 vr ，回波载频降低。,径向速度也可用距离的变化率来求得,目标的尺寸和形状,利用足够高的分辨力获得,距离分辨力：,角分辨力：,：脉冲宽度,B：信号带宽,0：天线半功率宽度,：信号波长,D：天线孔径,习题,已知脉冲雷达中心频率f03000MHz，回波信号相对发射信号的延迟时间为1000s，回波信号的频率为3000.01MHz，目标运动方向与目标所在方向的夹角60，求目标距离、径向速度与线速度。,v,雷达的工作频率,f =c /,只要是通过辐射电磁能量，利用从目标反射回来的回波对目标探测和定位，
4、都属于雷达系统的工作范畴。,常用雷达工作频率范围：220MHz35GHz,天波超视距雷达（OTHR）：4MHz5MHz,地波超视距雷达：2MHz,毫米波雷达：94GHz,雷达频段划分和对应频率 书P7，表1.1,频率选择因素：体积、分辨力、用途、功能,工作波长的选择,从接收机灵敏度来看，须考虑所选下接收机内部噪声和大气噪声大小以及电磁波在大气中的衰减， 应长一些。,从提高距离分辨率、角分辨率、天线增益的角度来看，希望要短一些。,从目标检测来看，目标的散射特性与有关：当目标尺寸时，目标对电磁波以散射为主，以绕射为辅，RCS大；当目标尺寸 时，目标对电磁波以绕射为主，以散射为辅，RCS小；对隐身目
5、标，波长在两个极端即米波或毫米波为好。,从地面或水面的反射影响来看：水平极化的米波雷达，由于地面反射，波瓣分裂；地面反射对厘米波影响较小，故中等作用距离的引导雷达均采用厘米波段。,从杂波干扰的影响来看：在目标（飞机）与云、雨相混的情况下，由于飞机的尺寸远大于水滴的尺寸，依目标的反射特性，采用大的可以提高输入信杂比。当目标（飞机）以地物为背景时，由于飞机的尺寸远小于地物的尺寸，依目标的反射特性，采用小的较好。,雷达发射机的任务和基本组成,任务,产生大功率的特定调制的电磁振荡即射频信号,组成,单级振荡式,主振放大式,大功率电磁振荡产生与调制在一个器件中同时完成,先产生小功率的CW 振荡，再分多级调
6、制和放大,输出功率,输出信号功率,平均功率,峰值功率,单位时间内发出的功率能量Pav ，脉冲重复周期内的输出平均功率。,脉冲发出时间点的功率Pt，脉冲期间射频振荡的平均功率。,总效率,输入发射机的总平均功率,输出和输入的功率比,工作比，占空比,雷达发射机的性能指标,习题,某雷达发射机峰值功率为800kW，矩形脉冲宽度为3s，脉冲重复频率为1000Hz，求该发射机的平均功率和工作比。,雷达接收机,作用：通过适当的滤波将天线上接收到的微弱高频信号从噪声和干扰中选择出来，并经放大和检波后，送至显示器、信号处理器或由计算机控制的雷达终端设备中。,超外差技术 如图所示，当接收的电波频率fRF变化时，本振
7、频率fL和选频滤波器的中心频率f0= fRF能够同步改变，从而使输出的fIF固定不变，这种技术称为外差技术，当fIF低于fRF而高于信号带宽B时就称为超外差技术。超外差技术具有灵敏度高、选择性好、工作稳定、中频部分可标准化等优点。,接收机主要质量指标 1.灵敏度：Simin ，用最小可检测信号功率Simin 表示，检测灵敏度，给定虚警概率 Pfa ，达到指定检测概率Pd 时的输入端的信号功率： 通常所需接收机 gain = 120 160 dB ， Simin-120-140dbw 主要由中频完成。 2.动态范围：表示接收机能够正常工作所允许的输入信号强度的变化范围。 过载时的Si /Si m
8、in，80120 dB,接收机的噪声系数 接收机输入端信号噪声比与输出端信号噪声比的比值。其公式为：,规定输入噪声以天线等效电阻 RA在室温T 0 = 290 K 时产生的热噪声为标准,雷达显示器的主要类型,距离显示器。A显，J显 平面显示器。PPI显示器 高度显示器。E显,距离R 处任一点的雷达发射信号功率密度：,考虑到定向天线增益G：,基本雷达方程推导,目标散射截面积设为，则其接收的功率为S1,以目标为圆心，雷达处散射的功率密度：,雷达收到功率：,Ar：雷达天线接收面积,雷达接收到的回波功率反比于目标与雷达站间距离R的四次方,收发不同天线时,收发同天线时,收发不同天线时，最大作用距离,收发
9、同天线时，最大作用距离,雷达实际作用距离受目标后向散射截面积、 Simin、噪声和其他干扰的影响，具有不确定性，服从统计学规律。,当接收功率为接收机最小检测功率S imin时：,信噪比表示的雷达方程,最小可检测信噪比,匹配接收机,检波器,检波后积累,检测装置,D0,i,识别系数M,作用距离,检测准则,门限检测采用奈曼-皮尔逊准则。该准则要求在给定的信噪比条件下，在满足一定的虚警概率时的发现概率最大，或者漏警概率最小。,降低门限的缺点：只要有噪声存在，其尖峰超过门限电平的概率增加，虚警相应增加。,恒虚警,虚警概率一定时，发现概率Pd才随信噪比的增加而增加，因此检测系统要求虚警保持一个恒定的值；但
10、随着噪声电压的变化，其包络振幅的概率密度可能会发生变化，导致一定门限值的虚警概率Pfa发生变化，从而使得在给定信噪比下得不到所需的发现概率。所以，噪声电平变化时，系统门限电平应相应变化以获得恒虚警。,积累对作用距离的改善,积累的作用：增加信号功率，提高检测性能,积累的方法：相干积累，非相干积累,在检波前完成，亦称检波前积累或中频积累，相干积累要求信号间有严格的相位关系，即信号是相干的。,M个脉冲的中频理想积累可使信噪比提高为原来的M倍,习题,某雷达波长 ，最小可检测信号 ，已知探测目标的有效反射面积 ； 求雷达的最大作用距离。 若该雷达为相干脉冲体制雷达，其他条件不变时，10个等幅相参中频脉冲
11、信号进行相参积累，如果作用距离要求不变，发射功率Pt可以降低为多少？,由于M个等幅相参中频脉冲可以提高输出信噪比M倍，则达到原来要求的作用距离只需原来发射功率的1/M。,大气折射和雷达直视距离,改变雷达的测量距离，产生测距误差；引起仰角测量误差,原因：,大气成分随时间、地点而改变，且不同高度的空气的密度也不相同，大气密度随高度变化的结果使折射系数对高度增加而减小。因此电磁波在正常大气下的传播折射常使电波射线向下弯曲。,雷达直视距离的计算,与大气折射系数n随高度的变化率有关。P159,习题,假定要设计一部低空目标探测雷达，将雷达安装在海拔1000 米的山顶上，目标飞行高度100 米，则该雷达的作
12、用距离选取多少为宜？,用信号能量表示的雷达方程,当信号为简单脉冲，且检波器输入端信噪比用检测因子表示时，雷达方程可表示为：,由于检测因子,可得能量形式的雷达方程：,计入中频滤波器失配影响后：,例：已知雷达参数Pt1MW，5.6cm，Bn1.6MHz，G44dB，S0/N0=0dB， Fn10dB，L4dB，目标的雷达截面积 1m，求雷达作用距离。,解： Pt60dB，-12.5dB， Bn62dB， 0dB，与题中参数代入,得：R54.5dB282km,目标距离的测量,常用方法：脉冲法、频率法、相位法,测距范围：最小可测距离、最大单值测距范围,最小可测距离,雷达可测量的最近目标的距离,最大单值
13、测距范围,由脉冲重复周期Tr确定,特殊场合，雷达重复频率不能满足单值测距要求，此时,通常选择：,出现测距模糊,解距离模糊的方法：多重复频率法、舍脉冲法,调频连续波测距原理,设发射信号频率 ft 在一定时间T 内线性增加，则回波信号fr 频率和发射信号频率变化相同，只在时间上延迟了tR （回波时延）。如图：,B,T,tR,tR,差拍频率,调频周期,调频带宽,人工距离跟踪,原理,采用移动的电刻度作为时间基准，操作员按显示器上的画面，将电刻度对准目标回波，从控制器度盘或计数器上读出移动电刻度的准确时延即可代表目标距离。,关键,产生移动的电刻度，且其时延可精确读出。,习题,角度测量,测角的物理基础：电
14、波在均匀介质中传播的直线性，雷达天线的方向性。,测角的性能参数：测角范围、测角速度、测角精度或准确度、角分辨力。,测角的方法：相位法，振幅法。,天线对于不同方向到达的电磁波具有不同的振幅和相位的响应,利用振幅响应进行测角,利用相位响应进行测角,利用多个天线所接收到的回波信号间的相位差测角,实现方法：将两天线收到的高频信号与同一本振差频后在中频上比相。,相位法测角原理,测角误差与多值性问题,测角误差,实际读数,解决方法,三天线测角,测角原理：利用天线收到的回波信号幅度来做角度测量。幅度变化规律取决于天线方向图以及天线的扫描方式。,测角方法：最大信号法，等信号法。,振幅法测角,天线的波束形状及扫描
15、方式,波束形状：针状波束、扇形波束,雷达波束通常以一定的方式依次照射给定空域，以进行目标探测和目标坐标测量。,扫描方式：机械扫描、电子扫描,相位扫描法：在阵列天线元采用控制移相器相移量的方法改变激励相位，从而实现电扫描。,目标高度测量,方法：由目标斜距和仰角得到，并考虑大气折射,圆锥扫描自动测角系统,目标方向,天线最大辐射方向偏离等信号轴OO，当波束以一定角速度s绕轴OO旋转时， OB在空间画出一个圆锥，故称圆锥扫描。,A目标回波信号强弱变化规律,0/s,2/s,顺序波瓣测角法,思考,习题,一雷达系统采用三天线法测角，已知：,双天线测角精度低于三天线,多卜勒信息的提取,d与0相比很小 d / 0 = 2v / C 提取 d 要用差拍方法。即： r 、d 的差值,1、连续波多卜勒雷达,0,产生频率为f0的等幅高频振荡,少量发射能量耦合至接收端作为基准电压,混频后的信号经放大，在相位检波器输出端取出差拍电压,提取多卜勒频率信号,由于相位检波器参考电压远大于回波电压，矢量合成如图8.1,连续波多普勒雷达多普勒差拍矢量,t,匀速目标，回波信号围绕基准点等wd 旋转，合成矢量振幅为：,固定目标，无交流分量输出；,连续波多普勒雷达各主要点频谱变化图,2. 脉冲工作时的多卜勒效应,利用多普勒效应的脉冲雷达的原理框图,发射信号按一定脉宽和重复周期工
