2014-雷达原理第一讲-讲义

《雷达原理与系统》主讲：赵志钦、王洪2014年春季学期赵志钦[e-mail]61830698清水河办公室：科研1号楼-C410从事专业：电磁场与微波技术、信号与信息处理主要研究方向:雷达信号处理、计算电磁学、微波遥感理论及应用、微波致热超声成像等。内容：雷达原理（22学时）＋雷达系统＋实验上课时间：星期三第7－8节，星期五第1－2节，A306参考资料：《雷达原理》，丁鹭飞、耿富录编著《雷达原理》，王意青，张明友编《雷达手册》，M.I.Skolnik《射频隐身导论》，DavidLynchJr.电子工业出版社的“雷达技术丛书”课程性质与任务：学习本课程的目的在于掌握雷达工作的基本原理，以及雷达目标参数测量的基本理论和方法，并能用来解决雷达工程技术中的实际问题。本课程的重要性：专业性、系统性涉及的相关知识：电磁场、电子线路（如RF等）、信号处理、概率+雷达的知识雷达（Radar:RadioDetectionandRanging)第一章概述基本功能：利用目标对电磁波的反射而获得目标的信息。目标信息：距离、速度、方位角、俯仰角、目标类型等。雷达的应用领域军事遥感控制交通管制（ATC:AirTrafficControl）高速公路安全空中安全及导航船只安全空间其它雷达发展史GermanphysicistHeinrichHertz,1885-1888ExperimentallyverifiedthepredictionofJamesClerkMaxwell’stheoryoftheEMfieldpublishedin1864.Usedapulseradar~455MHzRadioWavesbehavedthesameaslightexcept…COULDBEREFLECTEDFROMMETALLICOBJECTSANDREFRACTEDBYADIELECTRICPRISMGermanChristianHulsmeyer,intheearly1900s1904,apatentinEnglandamonostaticpulseradarMarkeditforpreventingcollisionsatsea.Fadedfrommemoryandwereallbutforgotten.人类无线电通信的创始人――意大利的马可尼（GuglielmoMarconi,1874－1937）1909获诺贝尔物理学奖雷达发展史1901年的越洋通讯实验加拿大的纽芬兰（Newfoundland）英国MarconistronglyurgedtheuseofRADIODETECTIONinaspeechdeliveredin1922.1922,U.S.Navy,CWradarBeforetheInstituteofRadioEngineers(nowtheIEEE).1925,CarnegieInstitutioninWashington,D.Cpulseradartechnique,(forionosphere)Heavymilitarybomberaircraft--Operationalmilitaryradar雷达时代的到来二战时期美国：早期海军雷达的研究与发展于1930年代的中后期由海军研究实验室（NRL）开始。1940年NRL改名为海军电磁波实验室（NavyRadiationLaboratory）并搬迁到MIT与贝尔电话实验室。1937年NPL早期雷达研制工作的成果安装在U.S.S.Leary号驱逐舰上进行测试。德国：1939年奥地利的防空报警体系由以下部分组成:“弗雷亚”(“Freya”)型雷达(探测距离可达120公里);“战机城堡”(“Jagdschloß”)型雷达;“水人”(“Wassermann”)型雷达;“威尔兹堡巨人”(“W&-252;rzburgRiese”)型雷达。二战时期雷达的发展证明了需求确实是发明的母亲。它表明，技术一旦用于战场，真正的英雄能顶住压力，科学家与工程师证明了像磁控管，速调管，收发开关，半导体检波器以及其他缺少的部件在难以想象的短时间内就可以发明出来，改进出来和生产出来。MorganMcMahon!.htm雷达掀起了黑夜的面纱，在夜晚，在恶劣的天气下，在光学仪器的作用范围外，雷达可以精确的探测和跟踪敌方舰船和飞机的运动。它可以全天候地控制火炮，鱼雷和炸彈实施准确打击。雷达是盟军赢得二战的关键。它使很多战斗变得对我方有利。它大大增强了我方武器的效用：在不列颠之战中，它成功引导数以千计的战机作为拦截机，而早期同样的任务需要万架飞机不停巡逻。五、六十年代合成孔径雷达概念的提出(SAR:SyntheticApertureRadar)超视距雷达（OTHR:OverTheHorizonRadar）七十年代以后SAR:(SyntheticApertureRadar,合成孔径雷达)星载：SEASAT（1978）机载：ISAR：(逆合成孔径雷达)预警雷达LPI雷达：(LowProbabilityofIntercept)低截获概率雷达（针对C3I:Command,Control,Communication,Information)超视距雷达:(OTHR：OverTheHorizonRadar）双多基地雷达/分布式雷达国内雷达发展状况一些重要的发展方向产业发展前景雷达的分类•按平台地基、机载、星载（空载）、双多基地•按用途远程警戒、制导、炮瞄、探测、军民用•按波形（体制）脉冲、连续波、线性调频、编码、超宽带•按频率波段：高频、P、L、S、C、X、Ku、……米波、分米波、厘米波、毫米波、……雷达的分类•按频率波段(Band)：HF、P、L、S、C、X、Ku、K、Ka、毫米波、太赫兹、…HFP:PreviousL:Long(最初的搜索雷达~23cm)S:ShorterthanLBand(~10cm)C:Compromise(对于搜索雷达和火控雷达的折衷波长)X:X表示标定，(常用于火控雷达，~3cm)K:(Kurtz,德语中短的意思)Ka:(K-above)Ku:(K-under)频率的表示：HzKHz,MHz,GHz,THz频段（BandDesignation）频率范围（NominalFreq.Range）雷达使用范围（ITUAssignmentforRadar）应用HF3-30MHz超视距VHFP30-300MHz138-144MHz,216-225MHz远程警戒UHF300-1000MHz420-450MHz,850-942MHz远程警戒、丛林探测、P-SARL1-2GHz1215-1400MHz警戒、空中管制、L-SARS2-4GHz2300-2500MHz,2700-3700MHz警戒、空中管制、气象、S-SARC4-8GHz5250-5925MHz气象、C-SARX8-12GHz8500-106800MHz机载、海用、制导IEEEStd:521-1984IEEEStd:521-1984频段（BandDesignation）频率范围（NominalFreq.Range）雷达使用范围（ITUAssignmentforRadar）应用Ku12-18GHz13.4-14.0GHz,15.7-17.7GHz测高计K18-27GHz24.05-24.25GHz机间数据链Ka27-40GHz33.4-36GHz制导、目标识别Vmm40-75GHz59-64GHzW75-110GHz76-81GHz,92-100GHzmm110-300GHzTHz定义有待研究雷达的分类•按工作特点•天线扫描方式机械扫描雷达、相控阵雷达、频扫雷达、等等•信号处理方式相参雷达、动目标显示雷达、合成孔径雷达、等等合成孔径雷达图片12345678910日本PiSAR数据HHHVVHVV2.5m×2.5m雷达所面临的四大威胁1）电子侦察与电子干扰2）低空超低空飞行器3）隐身飞行器4)反辐射导弹（ARM）F-22F-35Howabouttheelectronicequipment?Howabouttheradarsystem?四/五代机的特点---4S：SuperManeuverability（超机动性）SuperSonicCruise（超音速巡航）Stealth（隐身）SuperiorAvionicsforBattleAwarenessandEffectiveness（战役意识和效能）第五代战斗机：美国的F-22、F-35、俄罗斯的T-50和中国的歼20隐身技术隐身的基本概念1、红外隐身中心思想：●没有信号或信号很弱●使敌方难以做出正确的判断等2、雷达隐身3、射频隐身趋势：探测与隐身的平衡设计Guessingandknowingaretwocompletelydifferentthings.Theobjectiveofstealthistokeeptheadversaryguessinguntilitistoolate.-------DavidLynch,Jr.隐身技术(续)雷达隐身的基本方法：RCS削减技术RCS:RadarCrossSection(雷达散射截面)外形（90%）+材料单位立体角内目标朝接收方向散射的功率与从给定方向入射于该目标的平面波功率密度之比的4π倍？远场平面波照射2ii00/SEZRCS初步概念2ss0/SEZ2s22i0lim4πrErE10logdBsm2isi02i0()4πSeeEEBackscattering:2iii02i0()4πSeeEE——radarcrosssection（RCS）s22ilim4π(m)rSrSDefinition：scattererIncidentwaveObservationieseMonostaticBi-staticThefluxdensityatthefarzone2s2ilim2πDEE2232:lim4sDriErERadarCrossSection雷达散射截面如何理解RCS?影响RCS的因素：材料、尺寸、入射角、观测角、极化、频率、……近远场问题Qualitatively:TheenergydecaysveryrapidlywithdistanceTheaverageenergydensityremainsfairlyconstantatdifferentdistancesfromtheantennaThenear-fieldtestsystemmeasurestheenergyintheradiatingnear-fieldregionandconvertsthosemeasurementsbyaFouriertransformintothefar-fieldresult.FraunhoferzoneTheangulardistributionoftheenergydoesnotvarywithdistance获取RCS的基本方法1.计算方法2.实验方法微波暗室外场实验电子科技大学大型微波暗室群是目前国内拥有天线及RCS测量功能最全面的微波暗室群，设备选用世界顶级天线测试公司产品，测量精度达到世界先进水平，能进行大口径（口径尺寸6m）天线的测量，可满足绝大多数军用天线的测试需求。全套引进美国NSI公司、MI公司和法国Satimo公司的天线及散射测试系统，拥有安捷伦PNA等微波测试仪器十余台，具有测试频段宽、测试速度快、测试精度高、系统可靠性高等优点，可以用于雷达、天线、电磁兼容测量和目标电磁散射特性的精确测量。标准体杏仁核NASAalmond目标雷达散射截面测试射频隐身关键：波形设计，获得“最大信号不确定性”。LO：LowObservableLPI：LowProbabilityofIntercept1nauticalmile=1852mRHAW:RadarHorn