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1、雷达的组成及其原理课程名称：现代阵列并行信号处理技术姓名：杜凯洋教师：王文钦教授一简介雷达（Radar，即radio detecting and ranging），意为无线电搜索和测距。它是运用各种 无线电定位方法，探测、识别各种目标，测定目标坐标和其它情报的装置。在现代军事和生产中， 雷达的作用越来越显示其重要性，特别是第二次世界大战，英国空军和纳粹德国空军的“不列颠” 空战，使雷达的重要性显露的非常清楚。雷达由天线系统、发射装置、接收装置、防干扰设备、显 示器、信号处理器、电源等组成。其中，天线是雷达实现大空域、多功能、多目标的技术关键之一； 信号处理器是雷达具有多功能能力的核心组件之雷达
2、种类很多，可按多种方法分类：（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、航空雷达、卫星雷达等。（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。（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。二. 雷达的组成（一）概述1、天线：辐射能量和接收回波（单基地脉冲雷达），（天线形状，波束形状，扫描方式）。2、收发开关：收发隔离。3、发射机：直接振荡式（如磁控管振荡器），功率放大式（如主振放大式），（稳定，产生复杂波形，可相参处理
3、）。4、接收机：超外差，高频放大，混频，中频放大，检波，视频放大等。（接收机部分也进行一些信号处理，如匹配滤 波等），接收机中的检波器通常是包络检波，对于多普勒处理则采用相位检波器。5、信号处理：消除不需要的信号及干扰而通过或加强由目标产生的回波信号，通常在检测判决之前完成（MTI,多普 勒滤波器组，脉冲压缩），许多现代雷达也在检测判决之后完成。6、显示器（终端）：原始视频，或经过处理的信息。7、同步设备（视频综合器）：是雷达机的频率和时间标准（只有功率放大式（主振放大式）才有）。（二）雷达发射机1、单级振荡式：大功率电磁振荡产生与调制同时完成（一个器件）图2-1单级振荡式发射机定时器提供以为
4、间隔的脉冲触发信号（2）脉冲调制器：在触发脉冲信号激励下产生脉宽为t的大功率视频脉冲信号。（3）功率射频振荡器：产生大功率射频信号。特点：简单，廉价，高效，难以产生复杂调制，频率稳定性差，10-4 - 10-5。2、主振放大式（主控振荡器加上射频放大链）：先产生小功率的CW振荡，再分多级进行调制和放大。图2-2 主振放大式发射机（1）定时器：给三个脉冲调制器提供不同时间，不同宽度的触发脉冲信号（2）固体微波源：是高稳定度的CW振荡器，在脉冲调制下形成输出脉冲（3）中间放大器：在微波源脉冲到达后很短时间处于放大状态，在微波脉冲结束后退出放大状态，受脉冲控制（4）出功率放大器：产生大功率的脉冲射频
5、信号 特点：调制准确，能够适应多种复杂调制，系统复杂，昂贵，效率低。（三）雷达接收机一、 超外差雷达接收机的组成优点：灵敏度高、增益高、选择性好、适应性广。图3-1超外差式雷达接收机简化框图1、高频部分：(1) T/R 及保护器：发射机工作时，使接收机输入端短路，并对大信号限幅保护。(2) 低噪声高放：提高灵敏度，降低接收机噪声系数，热噪声增益。(3) Mixer, LD, AFC:保证本振频率与发射频率差频为中频，实现变频。2、中频部分及 AGC：(1)匹配滤波: (S / N ) o max(2)AGC:auto gain control.3、视频部分:(1) 检波:包络检波，同步(频)检
6、波(正交两路) ，相位检波。(2) 放大:线形放大，对数放大，动态范围。雷达接收机的主要质量指标1、灵敏度S:用最小可检测信号功率S 表示，检测灵敏度，给定虚警概率P，达到指定检测概率P时的输i mini minfa d入端的信号功率:S=S | P =const， P =consti min i fa d保证下面灵敏所需接收机gain=120-160 dB，S=-120-140dbw主要由中频i min完成。2、工作频带宽度:指瞬时工作频率范围，频率捷变雷达要求的接收机工作频带宽度:10-20% 。3、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 S |S ，80
7、-120 dB。i i min14、中频的选择与滤波特性：f f， 中频选择通常选择30M500M，抑制镜频.实际与发射波形特性，接收机02R工作带宽有关。5、工作稳定性和频率稳定度:指当环境变化时，接收机性能参数受到影响的程度，频率稳定度，信号处理，采取频率稳定度、相位稳定度提高的本振，“稳定本振” 。6、抗干扰能力：杂波干扰(MTI, MTD)、有源干扰、假目标干扰。7、微电子化和模块化结构。MMIC微波单片集成电路、IMIC中频单片集成电路、ASIC专用集成电路。四、雷达的终端显示器和录取设备1、距离显示器：图 4.1 显示目标的斜距坐标，用光点在荧光屏上偏转的振幅来表示目标回波的大小，
8、所以又称为偏 转调制显示器。A显：直线扫掠，扫掠线长度和雷达的距离量程相对应，直线的起始点为雷达，回波距离点的长度表示距离，有距离 刻度。A/R显：A显同上，R显上A的某一段进行放大。J显：圆周扫掠，顶端为雷达圆弧长表示距离，读数精度提高n倍。2、平面显示器：图4.2，又称PPI(Plan position indicator)显，显示斜距、方位，是二维显示器，用亮点来显示 坐标，属亮度调制显示器。P显：圆心为雷达，径长表示距离，顶向方位为正北，圆周角表方位，顺时针方向。偏心式P显：移动原点，使放大给定方向。以上两种均为极坐标。B 式显示：直角坐标，常用微 B 式显示，距离和方位只显示一段。3
9、、高度显示器：RHI 显示：水平距离和高度、仰角，雷达在左下方。4、情况显示器：一次信息：雷达二次信息：表格数据、特征符号、地图等。5、光栅扫描雷达显示器：数字显示技术的应用。既能显示目标回波的二次信息，也能显示各种二次信息以及背景地图。三雷达原理(一)基本雷达方程a PG c1、距离R处任一点处的雷达发射信号功率密度：S二S= t -, p雷达发射功率。21 4 兀 R 2 4 兀 R 2 4 兀 R 2 t2、对于定向天线考虑到天线增益G表示相对于各向同性天线则S广PG4兀R 23、以目标为圆心雷达处散射的功率密度：PGt-4兀R 2。雷达散射截面积4、雷达天线接收面积 Ae收到功率P厂A
10、eS2PGAot e （4 兀）2 R 4PGA o5、最大测量距离：当雷达接收功率为接收机最小检测功率（即临界灵敏度）时P二s 时，R 二冷 e1/4rminmax（4兀）2 Smin收发不同天线时，6.7. 收发共天线时，雷达实际作用距离受目标后向散射截面积。、s、噪声和其他干扰的影响，具有不确定性，服从统计学规imin律。二）雷达距离的测量磁波在均匀介质中以光速匀速直线传播；测量目标回波滞后于发射信号的延迟时间 tRtR的测量：脉冲雷达采用脉冲法；连续波雷达采用频率法和相位法确定回波到达的位置：前沿法：以目标回波脉冲的前沿测量到达时间。 特点：物理概念清楚（适用于人工测量）、前沿受回波大
11、小及噪声影响 中心法：以回波脉冲的中心测量回波到达时间。特点：到达时间的测量不受波形的影响、适用于自动跟踪系统，采用专用电路； 提高距离分辨力：发射脉宽窄、管子聚焦性要好、降低显示器量程、提高电子束扫描速度 提高单值可测距离：降低重复频率、多重频率法、舍脉冲法人工距离跟踪特点：1、锯齿电压法：跟踪范围大，精度低2、相位调制法：跟踪范围小，精度咼3、复合法：跟踪范围大，精度高（三）角度测量雷达角度坐标的确定方位角a,高低角B绝对坐标表示法：方位角a 基准为正北，顺时针方向为正。高低角B基准为水平面，向上方向为正。测角方法J振福法相位法II1Z1IIf相两相三fe天法线法线 II相对坐标表示法：测
12、出目标相对于天线轴线的偏离角，再根据天线轴线的实际角度，计算出目标实际角度。 角度分辨力：雷达将相同距离上相互靠近的两个目标区分的最小角度。角度分辨力由天线半功率波束宽度决定。 振幅法：利用天线收到的回波信号幅度值进行角度测量。最大信号法：天线作圆周扫描或扇形扫描时，找出回波脉冲串的最大值（中心值）对应的波束轴线指向角度，即为目 标所在方向。等信号法：采用两个相同且彼此部分重叠的波束，当两个波束收到的回波信号相等时，等信号轴所指方向即为目标方向。最小信号法：采用两个在零点处相切的波束，转动天线使显示器上的回波消失或最小时，天线零值轴所指方向即为目 标的角度。波束的扫描方法：1、机械扫描：利用整
13、个天线系统或其中一部分机械运动实现波束扫描（1）整个天线系统转动2）馈源不动，反射体摆动 （3）反射体不运动，馈源动优点：简单缺点：机械运动惯性大，扫描速度低，精度差2、电扫描：天线系统不做任何机械运动，利用电子技术实现波束扫描。实现方法：相位法、频率法、时间延迟法特点：无惯性限制，波束控制迅速，方便灵活特别适用于要求波束快速扫描及巨型天线的雷达。（四）运动目标检测及测速多普勒效应：1、连续波信号的多普勒效应雷达发射信号可表示为：灾） = /CDS（叫+眄在雷达发射站处接收到由目标反射的回波信号sr（t）为：s （t）二ks（t -t ）二kA cos。 一t ） +少rr0 r式中，0tr二
14、2兀f 0.2RC二G%）2R tr = 2R/c，为回波滞后于发射信号的时间，其中r为目标和雷达站间的距离；C为电磁波传播速度，在自由空间传播时它等于光速；k为回波的衰减系数。如果目标固定不动，则距离R为常数。回波与发射信号之间有固定相位差0tr二2兀f 02RC二（2兀彳）2R，它是电 磁波往返于雷达与目标之间所产生的相位滞后。动目标显示雷达的基本类型中频全相参（干）动目标显示：当雷达发射机采用主振放大器时， 每次发射脉冲的初相由连续振荡的主振源控制， 发射 信号是全相参的， 即发射高频脉冲、本振电压、相参电压之间均有确定的相位关系。相位检波通常是在中频上进行的， 因为在超外差接收机中，
15、信号的放大主要依靠中频放大器。在中频进行相位检波， 仍能保持和高频相位检波相同的相 位关系。锁相相参动目标显示：当雷达发射机采用自激振荡器（如磁控管振荡器）时， 它的每一发射脉冲高频起始相位是随机 的。因此，为了得到与发射脉冲起始相位保持严格关系的基准电压， 应该采用锁相的办法， 也就是使振荡电压的起始 相位受外加电压相位的控制。原则上有两种锁相的办法: 一种是将发射机输出的高频电压加到相参振荡器去锁相; 另 一种是将连续振荡的相参电压加到发射机振荡器去， 以控制发射脉冲的起始相位。后一种方法要求较大的控制功率， 因而在实际中用得较少。1 大规模并行处理机的并行性大规模并行处理机的并行性设计大规模并行处理机取决于应用问题的算法、程序设计语言和处理机
