雷达技术基础

现代雷达技术第1章雷达技术基础第1章雷达技术基础1.1雷达的概念•雷达的定义？–雷达Radar•RadioDetectionandRanging•原意：无线电探测与测距，无线电定位–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、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，简称雷达第1章雷达技术基础1.1雷达的概念•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，辐射能量第1章雷达技术基础1.1雷达的概念•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。瞬时值=EH•接收功率=电磁波功率密度天线孔径面积第1章雷达技术基础1.1雷达的概念•无线电磁波的特征（续）–天线极化：习惯上取为电场方向•线极化：垂直和水平极化•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，目标识别辅助手段椭圆极化第1章雷达技术基础1.1雷达的概念•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、系统热噪声第1章雷达技术基础1.1雷达的概念•雷达坐标系–极坐标系：斜距、方位角、俯仰角，常用–其它坐标：斜距、方位角、高度，测高仪•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；介电特性第1章雷达技术基础1.1雷达的概念•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vrvr目标PHRBDbaO正北雷达第1章雷达技术基础1.1雷达的概念•目标斜距的测量–利用电磁波从发射机经目标反射或散射到达接收机的传播用时–测距方法：时延法；三角定位法–物理依据•电磁波在均匀介质中的直线传播特性•电磁波在大气或真空中的传播速度接近光速，且误差可忽略•各种物体对电磁波的散射特性第1章雷达技术基础1.1雷达的概念•目标角度的测量–利用雷达天线波束的指向性–测角方法：振幅法（最大信号法，双波束法）；相位法；时延法–物理依据•电磁波在均匀介质中的直线传播特性•雷达天线的指向性，或电磁波的定向传播特性第1章雷达技术基础1.1雷达的概念•目标速度的测量–利用运动目标回波中的多普勒频移信息–测速方法：多普勒滤波；斜距变化率–物理依据•物体相对运动所产生多普勒频移现象，目标背离，目标接近0000)()/(2)(rrrdvvmsmvHzf第1章雷达技术基础1.1雷达的概念•目标大小、形状的测量–利用高分辨雷达•距离分辨力，大带宽脉冲压缩•切向分辨力（角度分辨力）：大孔径、合成孔径•目标电磁特征的测量–利用目标的散射特性。极化；散射空间分布–用于目标识别、成像、敌我识别第1章雷达技术基础1.3雷达的工作频率•雷达的工作频率–常用220MHz~35GHz；实际3MHz~300GHz–工作频率不同的雷达在工程实现时差别很大–工程中常采用字母来命名雷达波段：L：1G~3G，22cmS：2G~4G，10cmC：4G~8G，5cmX：8G~12G，3cmKu：12G~18G，2.2cmKa：27G~40G，8mm米波、毫米波、激光波段第1章雷达技术基础1.3雷达的工作频率•雷达分辨力–雷达区分两个相邻目标的能力–距离分辨力：脉冲宽度；与带宽成反比–角度分辨力：波束宽度；与孔径成反比单脉冲测角，鉴角曲线陡度–速度分辨力（多普勒分辨力）：与相干积累时间成反比；相干积累脉冲个数第1章雷达技术基础1.3雷达的工作频率•雷达系统组成–天线及扫描控制–收发转换开关及微波滤波–激励及同步：主振信号源、频率合成–发射机：波形产生、调制、RF放大链–接收机：LNA、IF放大、检波–信号处理机：匹配滤波、干扰抑制、CFAR–数据处理机：特征提取、跟踪、识别、航迹–输出设备（显示和记录结果）第1章雷达技术基础1.2雷达的基本组成调制器电源收发开关高频和混频激励器中放同步器信号处理高放激励和同步微波显示器底座和伺服发射机操作员天线接收机脉冲雷达基本组成框图•脉冲雷达的基本组成第1章雷达技术基础雷达方程与雷达系统设计•基本雷达方程–一个统计值，只在概率意义上讲,当虚警概率（如10-6）和发现概率（如90%）给定时的最大作用距离是多少LDFTkGGELBDFTkGGPLSAPRnrttnrttrt0022032min224max)()4()()4(4第1章雷达技术基础雷达方程与雷达系统设计–发射信号的峰值功率Pt和平均功率Pa–天线增益G–目标雷达截面积•点目标、大目标、分别目标•目标（后向）散射功率/照射目标的功率密度•波长、视角、极化、目标特性的复杂函数jqBBAGr3200042第1章雷达技术基础雷达方程与雷达系统设计101.00.10.010.0010.10.20.30.50.81.022010853瑞利区振荡区光学区2rr2球第1章雷达技术基础雷达方程与雷达系统设计dB5101520253035飞机的雷达截面积（工作波长10cm）第1章雷达技术基础雷达方程与雷达系统设计类型/m2普通无人驾驶带翼导弹0.5小型单引擎飞机1小型歼击机或四座喷气机2大型歼击机6中型轰炸机或中型喷气客机20大型轰炸机或大型喷气客机40小船（艇）0.02~2巡逻艇10第1章雷达技术基础雷达方程与雷达系统设计•慢起伏目标与快起伏目标•施威林（Swerling）起伏模型，Ⅰ型~Ⅳ型Ⅰ型（慢起伏）与Ⅱ型（快起伏）瑞利分布Ⅲ型（慢起伏）与Ⅳ型（快起伏）exp1)(p2exp4)(2p第1章雷达技术基础雷达方程与雷达系统设计–波长：目标特性，功能、体积、对抗等–接收机灵敏度Smin：最小可检测SNR•接收机输入额定噪声功率•接收机噪声系数•要求：低噪高放LNA00000min00min)()()()(DFBTkDFBTkSNRFBTkSoBTkNi010ooiioiNSNSSNRSNRF1212131210111NNGGGFGGFGFFF第1章雷达技术基础雷达方程与雷达系统设计15201050－5－15－100.0010.010.10.50.90.990.99910－110－2Pfa＝10－1610－1410－1210－1010－810－610－510－410－3检测因子Do/dB检测概率Pd非起伏目标单个脉冲线性检波时检测概率和所需信噪比(检测因子)的关系曲线第1章雷达技术基础雷达方程与雷达系统设计–损耗因子L•馈线、信号处理、传播、其它–发射总能量Et–天线有效接收面积Ar–相关处理间隔CPI–门限检测1)发现概率Pd：有目标时判为有目标的概率2)漏警概率Pla：有目标时判为无目标的概率3)不发现概率Pan：无目标时判为无目标的概率4)虚警概率Pfa：无目标时判为有目标的概率第1章雷达技术基础天线波束与扫描方式•天线扫描方式–常用扫描方式•圆周扫描、圆锥扫描、扇形扫描、锯齿形扫描、螺旋扫描……–实现扫描方法•机械扫描、电扫描（相扫、频扫）•波束形状–常用波束形状•扇形波束、针状波束、余割平方形波束第1章雷达技术基础天线波束与扫描方式b0a0仰角扫描范围(a)(b)(c)方向角仰角螺旋扫描分行扫描锯齿扫描地面雷达扇形波束圆周扫描•针状波束•扇形波束第1章雷达技术基础天线波束与扫描方式•余割平方形波束–同一高度不同距离的回波强度基本相同–如图，R=H/sinb=Hcscb，代入雷达方程得–H一定，Pr一定，则G/csc2b=K(常数)或G=Kcsc2bG(b)为余割平方形机载雷达余割平方波束圆周扫bHb4241421csc1GHKRGKPr第1章雷达技术基础天线波束与扫描方式•机械扫描（机扫）–馈源不动，反射体围绕馈源往复运动–反射体不动，馈源左右摆动天线收发开关接收机距离高度显示器发射机天线摆动机构飞机目标等长度的波导输出喇叭输入喇叭馈源不动反射体动风琴管式扫描器第1章雷达技术基础天线波束与扫描方式•电扫描–相（位）扫（描）：移相器改变阵元激励相位–频（率）扫（描）：改变延迟线上各阵元相位–时（间）延（迟）：大型天线阵或相干雷达阵rfbaf2＋r2－fba移相器短路(a)(b)相扫的光学馈电系统：(a)透镜系统;(b)反射镜系统第1章雷达技术基础天线波束与扫描方式相扫的强制馈电系统：(a)串联系统;(b)并联系统(a)(b)串联馈电示意图并联馈电示意图第1章雷达技术基础雷达发射机•雷达发射机–提供调制的大功率射频信号，由天线辐射出去–单级振荡式：一级大功率射频振荡器，非相参–主振放大式：主控振荡器+射频放大链，相参–主要质量指标•电性能指标：波段、功率、效率、波形、信号稳定度或频谱纯度•结构指标：体积、重量、散热、防震、防潮•使用指标：监控、检修、可靠性•成本指标第1章雷达技术基础雷达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主振放大式发射机第1章雷达技术基础雷达发射机•固态发射机–优点：不需阴极加热、寿命长;可靠性高；体积小、重量轻；宽带高效；设计运用灵活；易维护，低成本–缺点：平均功率大而峰值功率受限–MMIC：微波单片集成收发模块–应用：•高工作比雷达（如脉压）或连续波雷达•相控阵雷达和全固态雷达第1章雷达技术基础雷达发射机•脉冲调制器–为射频提供视频调制脉冲–类型：刚性开关，软性开关充电元件储能元件(电容器或人工线)耦合元件(脉冲变压器)调制开关(刚性的或软性的)电源部分射频发生器脉冲调制器的组成框图第1章雷达技术基础雷达接收机•雷达接收机–增强目标信号、抑制杂波干扰、提取目标参数–超外差式雷达接收机应用最广。主要质量指标•灵敏度；带宽；动态范围；中频选择和滤波特性；工作稳定性和频率稳定度；抗干扰能力；微电子化和模块化结构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简单的超外差式雷达接收机框图第1章雷达技术基础雷达接收机•接收机高频部分（前端）发射机接收机保护器低噪声高放本机振荡收发开关(T/R)前置中放天线混频器至主中放雷达接收机的高频部分第1章雷达技术基础雷达接收机•A/D转换与正交中频采样•数字信号处理–匹配滤波（脉冲压缩）–相干处理：利用相位关系同相（I）和正交（Q）基带信号，即复信号数字波束形成（DBF）动目标显示（MTI）和动目标检测（MTD）恒虚警检测（CFAR）–非相干处理：相位信息损失第1章雷达技术基础雷达信号与模糊函数•雷达信号的表示•模糊函数与雷达分辨力–距离-速度二维模糊函数–模糊函数性质–典型信号的模糊函数