第2讲雷达的工作原理

第2讲雷达的工作原理延迟符以脉冲雷达为例：雷达主要有天线、发射机、接收机、信号处理机、数据处理机和显示器等若干分系统构成。目标天线波束扫描产生器或伺服发射机接收机信号处理机数据处理机显示器收发开关（双工器）雷达的基本组成1.2雷达的工作原理1.2.1雷达的基本组成1.2.1雷达的基本组成雷达基本工作原理：(1)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;(2)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;(3)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;(4)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,将结果送至终端显示。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1.2.1雷达的基本组成典型的单基地脉冲雷达组成框图1.2.1雷达的基本组成1.发射机：在特定的时间、以特定的频率和相位产生大功率电磁波2.天线：向确定的方向发射和接收特定频段的电磁波3.接收机：放大微弱的回波信号，解调目标信息4.信号处理机：消除不需要的信号、杂波及干扰，并通过或加强所关注目标产生的回波信号。5.数据处理机：自动跟踪、目标识别。6.显示器：显示经过处理的信息。显示目标的位置信息等。7.收发开关发射状态：将发射机输出功率接到天线，保护接收机输入端；接受状态：将天线接收信号接到接收机，防止发射机旁路信号。1.2.2目标的雷达截面积雷达截面积（RCS）：把实际目标等效为一个垂直电波入射方向的截面积，并且这个截面积所截获的入射功率向各个方向均匀散射时，在雷达处产生的电磁波回波功率密度与实际目标所产生的功率密度相同，这个等效面积称为雷达截面积。雷达截面积是目标向雷达接收天线方向散射电磁波能力的量度，目标的雷达截面积越大则反射的电磁波信号功率就越强。1.2.3雷达对目标的发现基本雷达方程'1S2'14RPSt实际雷达总是使用定向天线将发射机功率集中辐射于某些方向上。天线增益G用来表示相对于各向同性天线,实际天线在辐射方向上功率增加的倍数。因此当发射天线增益为G时,距雷达R处目标所照射到的功率密度为214RGPSt设雷达发射机功率为Pt,当用各向均匀辐射的天线发射时,距雷达R远处任一点的功率密度等于功率被假想的球面积4πR2所除,即1.2.3雷达对目标的发现目标截获了一部分照射功率并将它们重新辐射于不同的方向。用雷达截面积σ来表示被目标截获入射功率后再次辐射回雷达处功率的大小,或用下式表示在雷达处的回波信号功率密度:22212444RRGPRSStσ的大小随具体目标而异,它可以表示目标被雷达“看见”的尺寸。雷达接收天线只收集了回波功率的一部分,设天线的有效接收面积为Ae,则雷达收到的回波功率Pr为422)4(RGAPSAPeter1.2.3目标对雷达的发现当接收到的回波功率Pr等于最小可检测信号Smin时,雷达达到其最大作用距离Rmax,超过这个距离后,就不能有效地检测到目标。4/1min21max)π4(SGAPRe1.2.4目标位置的测量目标在空间、陆地或海面上的位置,可以用多种坐标系来表示。最常见的是直角坐标系,即空间任一点目标P的位置可用x、y、z三个坐标值来决定。在雷达应用中,测定目标坐标常采用极(球)坐标系,如图所示。图中,空间任一目标P所在位置可用下列三个坐标确定:(1)目标的斜距R：雷达到目标的直线距离OP;(2)方位角α：目标斜距R在水平面上的投影OB与某一起始方向(正北、正南或其它参考方向)在水平面上的夹角。目标PHRBDaO正北雷达目标的位置坐标(3)仰角β：斜距R与它在水平面上的投影OB在铅垂面上的夹角,有时也称为倾角或高低角。如需要知道目标的高度和水平距离,那么利用圆柱坐标系统就比较方便。在这种系统中,目标的位置由以下三个坐标来确定:水平距离D，方位角α，高度H。这两种坐标系统之间的关系如下:D=Rcosβ，H=Rsinβ，α=α上述这些关系仅在目标的距离不太远时是正确的。当距离较远时,由于地面的弯曲,必须作适当的修改。1.2.4目标位置的测量1.2.4目标位置的测量1.目标斜距的测量雷达工作时,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,如图所示。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2R=ctr或2rctR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。由于电磁波传播的速度很快,雷达技术常用的时间单位为μs,回波脉冲滞后于发射脉冲为一个微秒时,所对应的目标斜距离R为kmmtcRr15.01502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。1.2.4目标位置的测量发射脉冲回波噪声trtrtt1.2.4目标位置的测量目标距离的测量2.目标角位置的测量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,如图上虚线所示。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。1.2.4目标位置的测量目标O目标角坐标测量1.2.4目标位置的测量3.目标高度的测量目标高度的测量是以测距和测仰角原理为基础，在不考虑地球曲面时，目标高度H同斜距R和俯仰角θ之间的关系是H=Rsinθ4.目标轨迹的测量对运动目标，通过多次测量目标的距离、角度参数，可以描绘出目标的飞行轨迹参数，雷达能够预测下一个时刻目标所在位置。根据弹道目标，可以据此预测其弹着点、弹着时间和发射点。1.2.5目标速度和其他特征参数测量1.目标径向速度的测量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普勒频移,它的数值为rdvf2式中,fd为多普勒频移，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。1.2.5目标速度和其他特征参数测量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普勒频移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普勒频移来测量速度,都需要时间。观测时间愈长，则速度测量精度愈高。多普勒频移除用作测速外,更广泛的是应用于动目标显示(MTI)、脉冲多普勒(PD)等雷达中，以区分运动目标回波和杂波。2.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。由于许多目标的尺寸在数十米量级,因而分辨能力应为数米或更小。目前雷达的分辨力在距离维已能达到,但在通常作用距离下切向距离(RQ)维的分辨力还远达不到,增加天线的实际孔径来解决此问题是不现实的。然而当雷达和目标的各个部分有相对运动时,就可以利用多普勒频率域的分辨力来获得切向距离维的分辨力。例如，装于飞机和宇宙飞船上的SAR(综合孔径)雷达,与目标的相对运动是由雷达的运动产生的。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)。1.2.5目标速度和其他特征参数测量1.2.5目标速度和其他特征参数测量3.目标其他特性测量雷达可以测量目标回波起伏特性。目标回波起伏特性的测量相对于判断目标属性有重要意义，例如，在空间目标监视雷达中，利用目标起伏特性可区分该目标是否为稳定目标（自旋稳定目标或非自旋稳定目标）。此外雷达还可以测量目标的极化散射矩阵，极化散射特性在一定程度上反映了目标的形状及属性信息。本节课作业：1、简述雷达工作的基本原理。2、1）某雷达要想获得60nmi（海里）的最大非模糊距离，则雷达脉冲重复频率应为多少？2）当目标处在最大非模糊距离上，则雷达信号往返的时间是多长？3）如果雷达的脉冲宽度为1.5μs，则在距离坐标上脉冲能量在空间的范围是多少？