雷达考试总结

CHAPTER1、空管监视技术一、监视的概念监视：为空中交通管理系统提供航空器和机场场面车辆的活动信息，是进行空中交通管理的基础。空中交通管制等运行单位利用监视信息判断、跟踪航空器和机场场面车辆位置，获取航空器和机场场面车辆识别信息,掌握航空器飞行轨迹和意图，调整航空器间隔及监视机场场面运行态势，提高空中交通安全的保障能力。二、监视技术分类1、独立非协作式监视无需依靠机载电子系统，计算飞机二维位置监视者：独立，被监视者（目标）：被动e.g.PSR2、独立协作式监视提供计算的飞机三维位置和识别、机载参数等其他信息监视者：独立，被监视者（目标）：被动e.g.SSR（A/C、S），MLAT3、非独立协作式监视提供机载设备（GPS/INS）获得的位置信息和识别、机载参数等其他信息监视者：非独立，被监视者（目标）：主动（自动）e.g.ADS（A/C、B）CHAPTER2一次雷达（PSR）一、工作原理及基本组成1、工作原理由雷达发射机产生的电磁能,经收发开关后传输给天线,再由天线将此电磁能定向辐射于大气中。电磁能在大气中以光速(约3×108m/s)传播,如果目标恰好位于定向天线的波束内,则它将要截取一部分电磁能。目标将被截取的电磁能向各方向散射,其中部分散射的能量朝向雷达接收方向。雷达天线搜集到这部分散射的电磁波后,就经传输线和收发开关馈给接收机。接收机将这微弱信号放大并经信号处理后即可获取所需信息,并将结果送至终端显示。2、基本组成目标发射机接收机显示器发射的电磁波接收的电磁波信号处理机天线收发转换开关噪声R二、优缺点1、一次雷达优点：非协作式：所有可以反射电磁波的物体都有可能被探测到独立：一次雷达不依赖于任何机载设备2、一次雷达缺点：所有可以反射电磁波的物体都有可能被探测到，因此，不感兴趣的物体也可能被探测到，如地面反射电磁波所形成的回波不能获取高度信息三、任务（R、θ、v）当雷达探测到目标后,就要从目标回波中提取有关信息:可对目标的距离和空间角度定位,目标位置的变化率可由其距离和角度随时间变化的规律中得到，并由此建立对目标跟踪;雷达的测量如果能在一维或多维上有足够的分辨力,则可得到目标尺寸和形状的信息;采用不同的极化，可测量目标形状的对称性。原理上，雷达还可测定目标的表面粗糙度及介电特性等。1、目标斜距的测量（R）雷达工作时,发射机经天线向空间发射一串重复周期一定的高频脉冲。如果在电磁波传播的途径上有目标存在,那么雷达就可以接收到由目标反射回来的回波。由于回波信号往返于雷达与目标之间,它将滞后于发射脉冲一个时间tr。我们知道电磁波的能量是以光速传播的,设目标的距离为R,则传播的距离等于光速乘上时间间隔,即式中,R为目标到雷达站的单程距离,单位为m;tr为电磁波往返于目标与雷达之间的时间间隔,单位为s;c为光速，c=3×108m/s能测量目标距离是雷达的一个突出优点,测距的精度和分辨力与发射信号带宽(或处理后的脉冲宽度)有关。脉冲越窄,性能越好。2、目标角位置的测量(θ)目标角位置指方位角或仰角,在雷达技术中测量这两个角位置基本上都是利用天线的方向性来实现的。雷达天线将电磁能量汇集在窄波束内,当天线波束轴对准目标时,回波信号最强,如图实线所示。当目标偏离天线波束轴时回波信号减弱,如图虚线所示。根据接收回波最强时的天线波束指向,就可确定目标的方向,这就是角坐标测量的基本原理。天线波束指向实际上也是辐射波前的方向。图：角坐标测量2rctR目标O3、相对速度的测量（v）有些雷达除确定目标的位置外,还需测定运动目标的相对速度,例如测量飞机或导弹飞行时的速度。当目标与雷达站之间存在相对速度时,接收到回波信号的载频相对于发射信号的载频产生一个频移,这个频移在物理学上称为多卜勒频移,它的数值为式中,fd为多卜勒频移，单位为Hz;vr为雷达与目标之间的径向速度，单位为m/s;λ为载波波长，单位为m。当目标向着雷达站运动时,vr＞0,回波载频提高;反之vr＜0,回波载频降低。雷达只要能够测量出回波信号的多卜勒频移fd,就可以确定目标与雷达站之间的相对速度。径向速度也可以用距离的变化率来求得,此时精度不高但不会产生模糊。无论是用距离变化率或用多卜勒频移来测量速度,都需要时间。观测时间愈长，则速度测量精度愈高。多卜勒频移除用作测速外,更广泛的是应用于动目标显示(MTI)、脉冲多卜勒(PD)等雷达中，以区分运动目标回波和杂波。4、目标尺寸和形状如果雷达测量具有足够高的分辨力,就可以提供目标尺寸的测量。高分辨力雷达可以获得目标在距离和切向距离方向的轮廓(雷达成像)。此外,比较目标对不同极化波的散射场,就可以提供目标形状不对称性的量度。复杂目标的回波振幅随着时间会变化。四、一次雷达组成1、雷达发射机1）作用：发射机为雷达提供一个载波受到调制的大功率射频信号,经馈线和收发开关由天线辐射出去。2）组成结构（2种）（1）单级振荡式发射机简化版：rdvf2脉冲调制器大功率射频振荡器电源定时信号至天线TrTrTr复杂版：特点简单、经济比较轻便无法满足整机对发射机的较高要求（2）主振放大式发射机简化版：特点具有很高的频率稳定度发射相位相参信号采用频率合成技术能产生复杂波形两种发射机比较：单级振荡式发射机与主振放大式发射机相比，最大的优点是简单、经济,也比较轻便。实践表明,同样的功率电平,单级振荡式发射机大约只有主振放大式重量的1/3。因此,只要有可能,还是尽量优先采用单级振荡式方案。但是,当整机对发射机有较高要求时,单级振荡式发射机往往无法满足而必须采用主振放大式发射机。固体微波源中间射频功率放大器输出射频功率放大器脉冲调制器脉冲调制器脉冲调制器定时器主控振荡器射频放大链电源触发脉冲至天线预调器调制器振荡器发射机定时器显示器接收机天线开关天线控制系统电源、控制、保护电路(b)(c)(a)(d)天线触发脉冲0Trt(a)t预调脉冲0(b)调制脉冲(c)射频脉冲tt00(d)3）信号指标（1）输出功率峰值功率PtPt是指脉冲期间射频振荡的平均功率注意：不要与射频正弦振荡的最大瞬功率相混淆平均功率PavPav是指脉冲重复周期内输出功率的平均值如果发射波形是简单的矩形脉冲列,脉冲宽度为τ,脉冲重复周期为Tr,则有式中的fr=1/Tr是脉冲重复频率。τ/Tr=τfr称作雷达的工作比D。（2）雷达的工作比DD=τ/Tr=τfr常规的脉冲雷达工作比的典型值为D=0.001,但脉冲多卜勒雷达的工作比可达10-2数量级,甚至达10-1数量级。显然,连续波雷达的D=1。2、雷达接收机1）超外差式雷达接收机的组成简化方框图主要组成部分高频部分,又称为接收机“前端”,包括接收机保护器、低噪声高频放大器、混频器和本机振荡器;中频放大器,包括匹配滤波器;检波器和视频放大器。2）质量指标（1）灵敏度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,则接收机的灵敏度越高,因而雷达的作用距离就越远。rtrtavfPTPP接收机保护器低噪声高频放大器混频器中频放大器(匹配滤波器)检波器视频放大器至终端设备本振高频部分高频输入雷达接收机的灵敏度通常用最小可检测信号功率Simin来表示。当接收机的输入信号功率达到Simin时,接收机就能正常接收而在输出端检测出这一信号。如果信号功率低于此值,信号将被淹没在噪声干扰之中,不能被可靠地检测出来。由于雷达接收机的灵敏度受噪声电平的限制,因此要想提高它的灵敏度,就必须尽力减小噪声电平,同时还应使接收机有足够的增益。目前,超外差式雷达接收机的灵敏度一般约为(10-12~10-14)W,保证这个灵敏度所需增益约为106~108(120dB~160dB),这一增益主要由中频放大器来完成。（2）动态范围动态范围表示接收机能够正常工作所容许的输入信号强度变化的范围。最小输入信号强度通常取为最小可检测信号功率Simin,允许最大的输入信号强度则根据正常工作的要求而定。当输入信号太强时,接收机将发生饱和而失去放大作用,这种现象称为过载。使接收机开始出现过载时的输入功率与最小可检测功率之比,叫做动态范围。为了保证对强弱信号均能正常接收,要求动态范围大,就需要采取一定措施,例如采用对数放大器、各种增益控制电路等抗干扰措施。（3）中频的选择和滤波特性接收机中频的选择和滤波特性是接收机的重要质量指标之一。中频的选择与发射波形的特性、接收机的工作带宽以及所能提供的高频部件和中频部件的性能有关。在现代雷达接收机中,中频的选择可以从30MHz到4GHz之间。当需要在中频增加某些信号处理部件,如脉冲压缩滤波器,对数放大器和限幅器等时,从技术实现来说,中频选择在30MHz至500MHz更为合适。对于宽频带工作的接收机,应选择较高的中频,以便使虚假的寄生响应减至最小。减小接收机噪声的关键参数是中频的滤波特性,如果中频滤波特性的带宽大于回波信号带宽,则过多的噪声进入接收机。反之,如果所选择的带宽比信号带宽窄,信号能量将会损失。这两种情况都会使接收机输出的信噪比减小。在白噪声(即接收机热噪声)背景下,接收机的频率特性为“匹配滤波器”时,输出的信号噪声比最大。3）接收机的噪声系数（1）噪声噪声系数FF的定义:接收机输入端信号噪声比与输出端信号噪声比的比值。根据定义,噪声系数可用下式表示:ooiiNSNSF//式中,Si为输入额定信号功率;Ni为输入额定噪声功率(Ni=kToBn);So为输出额定信号功率;No为输出额定噪声功率。噪声系数的说明图F的物理意义:它表示由于接收机内部噪声的影响,使接收机输出端的信噪比相对其输入端的信噪比变差的倍数。公式可以改写为：式中，Ga为接收机的额定功率增益;NiGa是输入端噪声通过“理想接收机”后,在输出端呈现的额定噪声功率。因此噪声系数的另一定义为:实际接收机输出的额定噪声功率No与“理想接收机”输出的额定噪声功率NiGa之比。实际接收机的输出额定噪声功率No由两部分组成,其中一部分是NiGa(NiGa=kToBnGa),另一部分是接收机内部噪声在输出端所呈现的额定噪声功率ΔN,即No=NiGa+ΔN=kToBnGa+ΔN，代入No得从上式可更明显地看出噪声系数与接收机内部噪声的关系,实际接收机总会有内部噪声(ΔN＞0),因此F＞1,只有当接收机是“理想接收机”时,才会有F=1。下面对噪声系数作几点说明:①噪声系数只适用于接收机的线性电路和准线性电路,即检波器以前部分。检波器是非线性电路,而混频器可看成是准线性电路,因其输入信号和噪声都比本振电压小很多,输入信号与噪声间的相互作用可以忽略。②为使噪声系数具有单值确定性,规定输入噪声以天线等效电阻RA在室温To=290K时产生的热噪声为标准,所以由式可以看出,噪声系数只由接收机本身参数确定。③噪声系数F是没有单位的数值,通常用分贝表示F=10lgF(dB)④噪声系数的概念与定义,可推广到任何无源或有源的四端网络。接收机的馈线、放电器、移相器等属于无源四端网络,图中Ga为额定功率传输系数。由于具有损耗电阻,因此也会产生噪声,下面求其噪声系数。接收机线性电路Ga～EsA～EsiRASiNiSoNoRLaioGNNFanGBkTNF01anGBkTNF01从网络的输入端向左看,是一个电阻为RA的无源二端网络,它输出的额定噪声功率为经过网络传输,加于负载RL上的外部噪声额定功率为从负载电阻RL向左看,也是一个无源二端网络,它是由信号源电阻RA和无源四端网络组合而成的,同理,这个二端网络输出的额定噪声功率仍为kToBn,它也就是无源四端网络输出的总额定噪声功率,即根据式可得：由于无源四端网络额定功率传输系数Ga≤1,因此其噪声系数F≥1。（2）级联电路的噪声系数两级电路的级联总噪声系数：n级电路级联总噪声系数：上式给出了重要结论:为了使接收机的总噪声系数小,要求各级的噪声系数小、额定功率增益高。而各级内部噪声的影响并不相同,级数越靠前,对总噪声系数的影响越大。所以总噪声系数主要取决于最前面