雷达原理与系统

雷达原理与系统西安电子科技大学电子对抗研究所2014年2月主要内容1、绪论2、雷达发射机3、雷达接收机4、雷达终端显示器与录取设备5、雷达作用距离6、目标距离的测量7、目标角度的测量8、目标速度的测量主要内容9、连续波雷达10、脉冲多普勒雷达11、相控阵雷达12、数字阵列雷达13、脉冲压缩雷达14、双基地雷达15、合成孔径雷达1、绪论1.1雷达的任务1.2雷达的基本组成1.3雷达的工作频率1.4雷达的应用和发展1.5电子战和军用雷达的发展1.1雷达的任务rVR,,,rVR,,,rVHD,,,sin,cosRHRDnttjrtenTtrectttAAts,,nttttjrrrrtrrrretnTtrectttttAAttsts)(,,1.1.1雷达的任务利用发射和接收电磁波信号的相关性，完成以下任务1、发现目标，确定目标在空间中的位置、运动、航迹等2、识别目标，确定目标性质（F/E，目标类型，目标形状/散射特性等）1.1.2探测与定位的坐标系球坐标系以雷达自身为原点柱坐标系以雷达自身为原点近似（忽略曲率）转换关系：1.1.3基本测量原理收发开关/天线发射机目标传播空间接收机雷达信号处理雷达发射信号雷达接收信号正北为方位0，仰角以水平面为0正北同上，以海面/地平面高度为01.1雷达的任务nttjrtenTtrectttAAts,,nttttjrrrrtrrrretnTtrectttttAAttsts)(,,1.1.3基本测量原理雷达发射信号雷达接收点目标信号发射信号相位调制发射信号载频脉冲重复周期脉冲串函数，，最大值发射天线方向图函数，发射信号振幅tTttrectnTtrectttAArnrt,0,1,,10]A[0,引起的传播时间迟延由目标距离幅衰减各种传播损耗引起的振RcRtr,21.1雷达的任务2rctRnrrnrtnTtrectnTtrect,,,ttttr2距离信息提取脉冲测距法：利用收发脉冲包络的时间迟延调频测距法：利用收发相位函数的频率差举例：常数mskmsmc/150/1502如果目标距离为60km，则对应的时间迟延为：smsmscRtr4004.03006022如果调频测距雷达的调频斜率为：=10MHz/ms，则对应60km距离目标的频差为：0.4msMHzmsMHzmscRfc4/104.02Ttrtrfc接收频率发射频率1.1雷达的任务,ttAttAttAtt2211,,,,max},{},{2211ttAangttAangrVctVRtVttttfrrrrd0222角度信息提取振幅法测角最大信号法等信号法等相位法测角速度信息提取收发信号载波频率的差（多卜勒频率）举例：频率为10GHz的雷达，当目标径向速度为300m/s时，其多卜勒频率为KHzmsmfmHzsmfcd2003.0/3002,03.010/1031081.1雷达的任务tPGrA4,442432242GARGPRGAPPrtrtrRminrP41min32241min2max44rtrrtPGPPGAPR1.1.4雷达的探测能力-基本雷达方程雷达接收的目标回波信号功率（W）：雷达的作用距离（m）：发射脉冲功率W发射天线增益倍接收天线有效面积（孔径）m2工作波长m目标的雷达截面积m2雷达与目标之间的距离m接收机灵敏度W未考虑因素：大气衰减与路径（多径，曲率），目标特性与起伏1.1雷达的任务举例：某雷达发射脉冲功率为200KW，收发天线增益为30dB，波长0.1m，接收机灵敏度为-110dBm，不考虑大气损耗等，试求其对=1m2目标的最大作用距离kmR786.100410210411.01010241323411432235max1.2雷达的基本组成天线收发开关保护器发射机激励器/同步器接收机/信号处理机显示/录取设备天线：将高功率发射信号辐射到特定空间，从特定空间接收相应的目标回波信号收发开关/保护器：发射状态将发射机连通天线，接收机输入端闭锁保护；接收状态将天线连通接收机并对输入信号限幅保护，发射机开路发射机：在特定的时间、以特定的频率和相位产生大功率电磁波接收机/信号处理机：放大微弱的回波信号，解调目标回波中的信息激励器/同步器：产生和供给收发信号共同的时间、频率、天线指向等雷达工作的基准显示器/录取设备：显示、测量、记录、分发目标信息和各种工作状态1.3雷达的工作频率雷达的工作频率：3MHz300GHz(100m1mm)主要工作频段：300MHz18GHz(1m2cm)330MHz战略预警超视距雷达30300MHz米波远程预警雷达300MHz分米波/厘米波警戒/引导/制导30GHz火控/末制导雷达30300GHz毫米波火控/末制导雷达1.4雷达的应用和发展1.4.1雷达的应用军用雷达：按照作用距离：远程预警雷达R〉600km中/近程搜索和警戒雷达150kmR600km近程引导指示雷达R150km按照功能/用途：警戒引导雷达大范围发现目标/粗定位，不引导导弹/火力射击制导火控雷达小范围发现/跟踪目标，引导导弹/火力射击精密跟踪雷达对单个目标进行精确跟踪和火力打击多功能雷达：同时具备上述多种功能和用途的雷达，如：SPY-1特种雷达：具有特定功能的雷达：如：雷达高度表/雷达引信按照装载平台：星载雷达，弹载雷达，机载雷达，舰载雷达，车载雷达，背负雷达按照技术体制：收发关系和位置单基地/双多基地，非协同探测（PCL），MIMO天线技术单波束/多波束，机械/电/混合扫描，发射/接收机技术相参/非相参收发，捷变频，频率分集，信号处理技术MTI，MTD，PC，PD，SAR，ISAR，民用雷达：气象雷达，航管雷达，宇航雷达，遥感雷达，1.5电子战和军用雷达的发展1.5.1电子战（EW）定义：敌我双方利用无线电电子装备或器材所进行的电磁信息斗争，电子战包括电子对抗和电子反对抗电子对抗（ECM）：为了探测敌方无线电电子装备的电磁信息（电子侦察），削弱或破坏其使用效能所采取的一切战术、技术措施（电子干扰、伪装、隐身和摧毁）电子反对抗（ECCM）：在敌方实施电子对抗的条件下，保证我方有效使用电磁信息所采取的一切战术、技术措施（反侦察、抗干扰、反伪装、反隐身、反摧毁）1.5.2雷达反干扰天线抗干扰：低旁瓣，旁瓣对消，旁瓣消隐，波束烧穿，随机扫描，波束分集等发射机抗干扰：提高辐射功率，频率捷变，频率编码，频率分集，脉冲压缩，波形隐蔽，窄脉冲，重频时变，诱饵发射等接收机、信号处理抗干扰：接收机抗饱和，重频、脉宽鉴别，MTI，MTD，积累检测，恒虚警，宽限窄，前沿跟踪等隐身与反隐身隐身：通过形体设计和材料选择降低目标的RCS（）反隐身：增加照射功率，组网雷达，短波/米波雷达，双/多基地雷达，PCL等检测隐身目标反侦察和反摧毁低截获的发射波形：噪声雷达，冲击雷达，大时宽/带宽积信号，信号隐匿，诱饵辐射等2、雷达发射机2.1任务和基本组成2.2主要质量指标2.3单级振荡和主振放大式发射机2.4固态发射机2.5脉冲调制器2.1任务和基本组成Tr2.1.1任务产生大功率、指定调制特性（振幅/相位）的电磁波单级振荡式大功率振荡和调制一次完成（直接形成大功率振荡和调制）脉冲调制器射频振荡器2.1.2基本组成主振放大式先产生小功率振荡和调制，再经放大达到大功率射频振荡器激励放大器末级放大器基准振荡器脉冲调制器脉冲调制器分频器2.2主要质量指标1.工作频率或波段2.输出功率脉冲(峰值)功率，平均功率例如：则3.总效率，为供给发射机的各种交直流功率之和上例中，若发射机供电220V/15A,28V/20A,则4.信号形式振幅调制：脉冲、连续波载频调制：单载频，频率捷变，线性调频，频率分集，频率编码等相位调制：随机相位，稳定相位，相位编码tPrtavTDDPP,iavPPiPsTsKWPrt200,1,200WPav1000102/10102465%9.253860/100020281522010002.2主要质量指标5.信号稳定度或频谱纯度周期性不稳：杂散抑制随机性不稳：相位噪声dBcBfPffPfLmm00lg10dBffPfPdc0max0lg10ff0P(f0)P(ff0)dcff0P(f0)P(f0-fm)f0-fmf0+fmP(f0+fm)例如：在频谱仪上测得主信号与最大杂散信号功率分别为20dBm和50dBm，则杂散抑制为70dB例如：在频谱仪上测得主信号功率为20dBm，测量带宽为100Hz，在偏离1KHz处噪声功率为50dBm，则相噪为90dBc2.3单级振荡和主振放大式发射机2.3.1单级振荡式发射机射频振荡器：磁控管振荡器，微波三极管振荡器，固态振荡器等脉冲调制器：刚性开关由外加脉冲控制开关导通/截至的调制器软性开关由外加触发脉冲控制开关导通，开关自行截至的调制器特点：效率较高，只适用于调幅，频率稳定度差，相位噪声很大，系统组成简单，价格低廉，广泛用于非相干信号处理雷达，目前已经很少使用永久磁钢阳极阴极灯丝谐振腔磁控管结构示意图灯丝阴极射频输出口阳极（管壳）磁控管电气图2.3单级振荡和主振放大式发射机2.3.2主振放大式发射机基准振荡器：恒温或温补晶振，一般相位噪声为130dBc@1KHz射频振荡器：晶振倍频利用非线性电路与选频网络，变频快/相噪差/杂散小锁相倍频利用锁相环，变频慢/相噪好/杂散大放大链：激励放大常用固态放大器，末级放大常用行波管，速调管放大器等特点：效率较低，适用于调幅、调频、调相及其组合的复杂调制，频率稳定度高，相位噪声低，系统组成复杂，成本较高，广泛用于相干信号处理雷达灯丝K阴极G栅极A阳极真空三极管电气图G/K间大负电压时管截止G/K间小负电压时管放大G/K间正电压时管饱和导通灯丝K阴极A阳极行波管电气图A/K间负电压时管截止A/K间正高电压时管放大收集极输入输出2.4固态发射机2.4.1特点频率高（已达100GHz），工作电压低供电方便（12V），寿命长，体积/重量小，可靠性高，成本低，单管/片功率小（30W，且随频率降低）2.4.2发展趋势通过电路合成提高组件/模块的功率（1000W，随频率降低）；通过组件模块的空间功率合成（相控阵），提高系统的发射功率2.5脉冲调制器作用为电真空类的微波管提供高压、大功率的视频调制脉冲组成：充电元件储能元件高压电源调制开关耦合元件微波管高压电源：提供充足、稳定的直流能量，满足工作要求（高压、大电流）充电元件：将直流能量及时传递给储能元件，一般由R，L，二极管D等担任储能元件：在开关截止时保存充电能量，在开关导通时释放保存的能量（C等）调制开关：刚性在输入脉冲的控制作用下，脉冲期间导通，脉冲过后截止软性在输入脉冲的触发作用下导通，储能元件能量释放尽后截止耦合元件：将高压、大电流脉冲耦合作用到微波管上分类：刚性开关由控制信号直接控制开关的导通与截止软性开关由控制信号触发开管导通，有电路状态决定开关截止2.5.1刚性开关脉冲调制器