基于雷达的测控技术-现代检测技术教材

基于雷达的测控技术(第2讲)主要内容雷达基本概念雷达基本组成雷达测量原理典型雷达系统1雷达基本概念Radar（RadioDetectionandRanging）是无线电探测和测距，即用无线电方法发现目标并测定它们在空间的位置。它的基本任务是探测目标。雷达是利用目标对电磁波的反射现象来发现目标并测定其位置的。雷达接收机将天线接收到的微弱回波加以放大，然后将射频信息转换成视频或数字信号，经处理得出所需目标的多种信息。A01.1雷达的应用远程预警雷达美国“铺路爪”弹道导弹防御，探测洲际导弹，和绕地球的卫星420－450兆赫（UHF）探测距离4800～5550km高32m，2000个阵元1.1雷达的应用预警机探测距离远、低空探测能力强、机动范围大探测精度高、使用灵便预警雷达1.1雷达的应用警戒雷达（防空）作用距离400km分辨力要求不高方位360oL波段（1~2G）1.1雷达的应用引导指挥雷达（监视雷达）能对多批次目标同时检测测量目标的精度和分辨力较高S波段（2～4G）1.1雷达的应用火控雷达作用距离小测量精度高1.1雷达的应用制导雷达美国“爱国者”探测距离：150km～400km监视100个目标同时跟踪3个目标对3枚导弹进行制导1.1雷达的应用雷达导引头1.1雷达的应用战场监视雷达1.1雷达的应用机载雷达预警雷达、截击雷达、机载护尾雷达机载导航雷达、火控雷达1.1雷达的应用对空作用距离：400km同时监视400个目标同时跟踪100个目标对10个目标进行打击美国“宙斯盾”舰载雷达1.1雷达的应用测速雷达1.1雷达的应用气象雷达A11.2雷达探测原理发射机接收机显示器收发转换开关天线发射的电磁波接收的电磁波信号处理机目标1.2基本雷达方程目标位置的极坐标表示雷达目标PRHB正北OD1.1.2基本雷达方程设雷达发射功率为，雷达天线的增益为，则在自由空间工作时，距离雷达天线为R的目标处的功率密度为124ttPGSR用目标的散射截面积来表征其放射特性，表示目标被雷达“看见”的尺寸。若假定目标可将接收到的功率无损耗地辐射出来，则可得到由目标散射的功率为2124ttPGPSRtPtG假设均匀辐射，在接收天线处收到的回波功率密度为222224(4)ttPGPSRR如果雷达接收天线的有效接收面积为A，则在雷达接收处接收回波功率为222(4)ttrrrPGAPASR1.1.2基本雷达方程1.1.2基本雷达方程天线增益和有效面积之间有以下关系：式中为所用波长，则接收回波功率可写成如下形式：2244,trtrAAGG23424(4)4ttrttrrPGGPAAPRR1.1.2基本雷达方程当接收到的功率正好等于最小可检测信号功率时，就可得到雷达检测该目标的最大作用距离。它们的关系式可以表达为：222min2434maxmax4(4)trtriPAPGPSRR1.1.2基本雷达方程或和1/42max2min4triPARS1/422max3min(4)tiPGRS2雷达基本组成2.1雷达基本组成主要由天线、发射机、接收机、信号处理机、同步设备和终端设备等组成1.发射机：产生辐射所需强度的脉冲功率，波形是脉冲宽度为t而周期为T的高频脉冲串。2.天线：将波束幅射到空间。天线具有很强的方向性，以便集中辐射能量获得较大的观距离。2.1雷达基本组成3.接收机：把微弱的回波信号放大到足以进行信号处理的电平，同时尽量减小接收机的内部噪声，以保证接收机的高灵敏度。4.同步设备：雷达机的频率和时间标准。5.信号处理机：消除不需要的信号（如杂波）及干扰，通过或加强由目标产生的回波信号。信号处理是在做出检测判决之前完成的。3.1目标距离的测量测距公式如下根据雷达发射信号的不同，测定延迟时间通常可以采用脉冲法、频率法和相位法。12RRct3.2目标角度的测量测量内容：目标角坐标的测定包括目标方位角和高低角（仰角）的测量。物理基础：电波在均匀介质中传播的直线性和雷达天线的方向性。测量方法：分为相位法和振幅法误差因素：各种情况下的电波传播路径的偏折。1.相位测角法相位法测角利用多个天线所接收回波信号之间的相位差进行测角。接收机接收机dsinRd目标方向天线法线方向3.2目标角度的测量为波程差，为雷达波长22sinRdR两天线所收到的信号由于波程差产生的相位差为接收机接收机dsinRd目标方向天线法线方向3.2目标角度的测量11cos()uUt22cos()uUtcos()LLLLuUtL由于在较低频率上容易实现比相，故通常将两天线收到的高频信号经过与同一本振信号差频后，在中频进行比相设两高频信号为本振信号为:为两信号的相位差，:为本振信号初相。3.2目标角度的测量11cos[()]IILLuUt22cos[()]IILLuUt两高频信号与中频信号的差频分别是可见两中频信号间的相位差仍为3.2目标角度的测量相位法测角的方框图混频器混频器本振中放中放自动增益控制自动增益控制相位比较器3.2目标角度的测量d2cosddd2cosddd/d0通过测量相位差求解角会产生测角误差，误差如下采用读数精度高（小）的相位计，或减小值，均可提高测角精度。当时，即目标处在天线法线方向时，测角误差最小。3.2目标角度的测量2.振幅法测角振幅法测角是用天线收到的回波信号幅度值来做角度测量的，分为最大信号法和等信号法两大类。①最大信号法原理：当天线波束在一定范围内作匀角速扫描时，对共用收发天线的单基地脉冲雷达而言，找出脉冲串的最大值（中心值），该时刻波束轴线指向即目标所在方向。3.2目标角度的测量处理方法：测读时可先将回波脉冲串进行二进制量化，其振幅超过门限时取1时，否则取0。可根据出现1和消失1的时刻，方便且精确地找出回波脉冲串“开始”和“结束”时的角度，两者的中间值就是目标的方向。最大信号法测角的优缺点：优点：简单；信噪比最大，利于检测发现目标。缺点：是直接测量时测量精度不很高。3.2目标角度的测量4典型雷达系统1.脉冲多普勒雷达脉冲多普勒雷达，是应用多普勒效应并以频谱分离技术抑制各类背景杂波的脉冲雷达。机载脉冲多普勒雷达具有下视的功能，是截击机火控系统重要组成部分。可测量和分辨距离，并测量和分辨速度。4典型雷达系统2.合成孔径雷达思路：可以先在第一个振元发射和接收，然后依次在其他振元上发射和接收，并把在每个振元上接收的回波信号全部存储并叠加，其效果就类似于长线阵同时发、收。天线构成：使用小天线沿着长线阵的轨迹等速移动从而获得一个相当于很长线阵的方位（横向）高分辨力。机载合成孔径雷达A24典型雷达系统①合成孔径雷达的概念合成孔径雷达就是用雷达与目标的相对运动把尺寸较小的真实天线孔径用数据处理的方法合成一较大的雷达。逆合成孔径雷达（ISAR）：在一定条件下雷达固定而目标物体运动时获得目标清晰图像的理论和方法。4典型雷达系统②合成孔径雷达的特点高分辨能力:SAR最值得推崇的优越之处远距离探测能力：SAR具有防区外探测能力全天候成像：能昼夜工作并穿透尘埃等障碍具有穿透性的观察视场：具有树叶穿透能力的较低频率的SAR也在发展之列4典型雷达系统③SAR基本工作原理SAR有两种工作方式，一种是对回波信号作聚焦处理，另一种是非聚焦处理。如果在接收机信号处理时，对不同距离的球面波前分别予以相位补偿，则对应于这样的处理称为聚焦处理。此时的方向分辨力为：此时的横向线分辨力与目标距离R无关，且与实际天线尺寸D成正比，这是完全不同于实际孔径天线的。2aDr4典型雷达系统④具有代表性的合成孔径雷达聚束模式SAR聚束模式SAR，使波束始终“聚焦”照射在同一目标区域，可得到较高的方位分辨率。美国密执安环境研究所（ERIM）与空军共同开发聚束SAR数据采集系统，可以在几百米到几千米的区域范围内，获得距离和方位分辨率均达到1m的高分辨率图像。ERIM与海军联合开发的P－3ASAR系统，方位分辨率达到0.66m。APG-76雷达也有聚束SAR模式操作，方位分辨率1m。4典型雷达系统干涉式合成孔径雷达采用IFSAR技术实现了对目标的三维测量。获得数据的方式有：1、在一架飞机上使用两副天线；2、用一副天线进行重复轨迹飞行。通过使用SAR相位测量来推断同一平面的两个或更多SAR图像间的距离差和距离变化，从而产生非常精确的地形表面剖面图。思考题：雷达的基本组成。