雷达技术-第三章-雷达接收机8-11.

第3章雷达接收机3.1雷达接收机的基本原理和组成3.2雷达接收机的主要质量指标3.3常规雷达接收机和现代雷达接收机（略）3.4接收机的噪声系数和灵敏度3.5雷达接收机的高频部分（略）3.6接收机的动态范围和增益控制3.7本机振荡器和自动频率控制3.8匹配滤波器和接收机带宽2雷达接收机功能：对雷达天线接收的微弱信号进行预选、放大、变频、滤波、解调和数字化处理，同时抑制杂波、干扰及噪声。任务：不失真的放大所需的微弱信号，抑制不需要的其他信号（噪声、干扰、杂波等）。有源干扰无源干扰基本要求：低噪声、大动态、高稳定性、较强的抗干扰能力。发展方向：微电子化、模块化、数字化。3.1雷达接收机的基本原理和组成目标回波3.1雷达接收机的基本原理和组成3.1.1超外差式雷达接收机的组成超外差式雷达接收机，把射频信号fs与本振信号fL相混，得到中频信号fI。混频器fsfI超外差式雷达接收机简化方框图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主要组成部分是:(1)高频部分,接收机“前端”,包括收发转换开关、接收机保护器、低噪声高频高增益放大器、混频器和本机振荡器;(2)中频放大器,位于中频的带宽B的匹配滤波器;(3)检波器和视频放大器。视频部分高频部分中频部分3.1雷达接收机的基本原理和组成接收机工作过程：从天线接收的高频回波通过收发开关加至接收机保护器,一般是经过低噪声高频放大器后再送到混频器。在混频器中,高频回波脉冲信号与本机振荡器的等幅高频电压混频,将信号频率降为中频,再由多级中频放大器对中频脉冲信号进行放大和匹配滤波,以获得最大的输出信噪比,最后经过检波器和视频放大后送至终端处理设备。更为通用的超外差式雷达接收机的组成方框图如图3.1所示。3.1雷达接收机的基本原理和组成3.1超外差式雷达接收机原理方框图AGCSTCAFC3.1雷达接收机的基本原理和组成高频部分：（1）T/R及保护器：发射机工作时，使接收机输入端短路，并对大信号限幅保护。（2）低噪声高放：放大微弱信号，提高灵敏度，降低接收机噪声系数，热噪声增益。（3）混频器（Mixer），本振（LocalOscillator，LO），自动频率控制（AutomaticFrequencyControl，AFC）：保证本振频率与发射频率差频为中频，实现变频。8自动频率控制（AutomaticFrequencyControl）使输出信号频率与给定频率保持确定关系的自动控制方法。实现这种功能的电路简称AFC环。AFC环主要由鉴频器和受控本地振荡器等部件构成。（3.7节）鉴频器的作用是检测中频的频偏，并输出误差电压。闭环时，输出误差电压使受控振荡器的振荡频率偏离减小，从而把中频拉向额定值。这种频率负反馈作用经过AFC环反复循环调节，最后达到平衡状态，从而使系统的工作频率保持稳定且偏差很小。3.1雷达接收机的基本原理和组成中频部分（1）匹配滤波：(So/No)max（2）自动增益控制（AGC:AutomaticGainControl）（3）灵敏度时间控制（STC:SensitivityTimeControl）STC和AGC是雷达接收机抗过载、扩展动态范围和保持接收机增益稳定的重要措施。（3.6节）3.1雷达接收机的基本原理和组成910自动增益控制（AGC:AutomaticGainControl）使放大电路的增益自动地随信号强度而调整的自动控制方法。实现这种功能的电路简称AGC环。AGC环是闭环电子电路，是一个负反馈系统，它可以分成增益受控放大电路和控制电压形成电路两部分。3.1雷达接收机的基本原理和组成11（1）检波：从已调信号中检出调制信号的过程称为解调或检波。用以完成这个任务的电路称为检波器。分为：包络检波，相位检波，同步（频）检波（正交两路）。（2）放大：线性放大，对数放大，动态范围。3.1雷达接收机的基本原理和组成•视频部分123.2雷达接收机的主要质量指标灵敏度和噪声系数工作频带宽度和滤波特性动态范围和增益频率源的频率稳定性和频谱纯度幅度和相位的稳定性正交鉴相器的正交度A/D变换器的技术参数抗干扰能力频率源及发射激励性能微电子话、模块化、系列化1.灵敏度最小可检测信号功率Simin灵敏度表示接收机接收微弱信号的能力。问：接收机的灵敏度越高,雷达的作用距离Rmax就越近还是越远？提高灵敏度减小噪声电平，增大接收增益。一般的接收机灵敏度在-120~-140dBW-90~-110dBmWor-150~-170dBmW?3.2雷达接收机的主要质量指标→132min34(4)ttriPGGSR143.2雷达接收机的主要质量指标1.1灵敏度无信号，超检测门限：虚警概率Pfa不超检测门限：正确不发现概率1-Pfa有信号，超门限：发现概率Pd不超门限：漏警概率1-Pd门限设置上存在矛盾发射脉冲噪声被噪声淹没的信号雷达终端显示器3.2雷达接收机的主要质量指标151.2噪声系数接收机输入端信噪比与输出端信噪比的比值（功率比）接收机灵敏度和噪声系数的关系≥1，因为接收机存在噪声min0inSkTBFM玻尔兹曼常数1.38x10-23J/K热力学温度290K识别系数M=13.2雷达接收机的主要质量指标162.接收机的工作频带宽度接收机的工作频带宽度表示接收机的瞬时工作频率范围。B=f2-f13.动态范围动态范围表示接收机能够正常工作所容许的输入信号强度变化的范围。80~120dBmaxmin10lgiiSDS8.抗干扰能力在现代电子战和复杂的电磁干扰环境中,抗有源干扰和无源干扰是雷达系统的重要任务之一。干扰严重影响对目标的正常检测,甚至使整个雷达系统无法工作。有源干扰:杂波干扰和邻近雷达的异步脉冲干扰无源干扰:海浪、雨雪、地物等反射的杂波干扰和敌机施放的箔片干扰。回忆：第一章讲过一个抗有源干扰方法3.2雷达接收机的主要质量指标发射频率捷变信号，接收机的本振应与发射机频率同步跳变。17183.4接收机的噪声系数和灵敏度3.4.1接收机的噪声噪声的分类：内部噪声外部噪声电阻热噪声天线热噪声、各种干扰、宇宙噪声（雷电）高斯白噪声高斯色噪声功率谱密度函数p(f)=N0/2不包含所有的频谱分量噪声的描述：噪声系数和噪声温度谱性质来源3.4接收机的噪声系数和灵敏度3.4.1接收机的噪声1.电阻热噪声——内部噪声导体中自由电子的无规则热运动形成的噪声。导体温度自由电子热运动噪声电流导体两端起伏电压根据奈奎斯特定律,电阻产生的起伏噪声电压均方值24nnukTRB19→→→k为玻尔兹曼常数,k=1.38×10-23J/K；T为电阻温度,以绝对温度(K)计量,对于室温17℃,T=T0=290K;R为电阻的阻值;Bn为测试设备的通带。3.天线噪声——外部噪声包括天线热噪声和宇宙噪声。•天线热噪声是由天线周围介质微粒的热运动产生的噪声,•宇宙噪声是由太阳及银河星系产生的噪声,这种起伏噪声被天线吸收后进入接收机,就呈现为天线的热起伏噪声。天线噪声的电压均方值为nAAnABRkTu42式中,RA为天线等效电阻，TA为天线噪声温度（K）。3.4接收机的噪声系数和灵敏度2.1额定信号功率根据电路基础理论,信号电动势为Es而内阻抗为Z=R+jX的信号源,当其负载阻抗与信号源内阻共轭匹配,即其值为Z*=R-jX时,信号源输出的信号功率最大,此时,输出的最大信号功率称为“额定”信号功率RERRESssa42223.4接收机的噪声系数和灵敏度～Z＝R＋jXEsSaZ*＝R－jX21有源二端网络噪声源电压均方值，内阻抗为Z=R+jX。当接收机的负载与噪声源内阻抗共轭匹配时，即Z*=R-jX时，噪声源输出最大噪声功率,称为“额定”噪声功率nnkTRBu42nnokTBRuN42结论:任何无源二端网络输出的额定噪声功率只与其温度T和带宽Bn有关。22～un＝4kTRBnN0Z*＝R－jXZ＝R＋jX2无源二端网络3.4接收机的噪声系数和灵敏度2.2额定噪声功率3.4接收机的噪声系数和灵敏度4.噪声带宽23设接收系统的传递响应函数为h(t)，对应的频域响应H(f)输入白噪声，功率谱密度N0/2输出功率谱密度怎么描述噪声的功率谱宽度？回忆：天线方向图的宽度，用什么进行描述的？3dB243.4接收机的噪声系数和灵敏度BnPno(f0)ofPno(f)图3.21噪声带宽的示意图方法1，用3dB带宽进行描述0.5？0.707？方法2，用等效带宽功率来描述积分面积相等nnonoBfpdffp)()(00)(|)(|)()(02200fHdffHfpdffpBnonon4.噪声带宽3.4.2噪声系数和噪声温度1.噪声系数接收机输入端信号噪声比与输出端信号噪声比的比值。ooiiNSNSF//Si为输入额定信号功率；So为输出额定信号功率；Ni=kT0Bn为输入额定噪声功率；No为输出额定噪声功率。3.4接收机的噪声系数和灵敏度Ga为接收机额定功率增益，则So=GaSi，，aioGNNF25oiaNNGF263.4接收机的噪声系数和灵敏度No=NiGa+ΔN=kT0BnGa+ΔN实际接收机的输出额定噪声功率No由两部分组成,其中一部分是NiGa，另一部分是接收机内部噪声在输出端所呈现的额定噪声功率ΔN=？噪声系数01oiaiaianaNNGNNFNGNGkTBG理想接收机ΔN=0，F=1;无源网络F=1/Ga2.等效噪声温度接收机输入的外部噪声的额定功率为Ni=kT0Bn如何将接收机内部噪声也表示成外部噪声的形式？等效计算将内部噪声的额定噪声功率ΔN等效成输入端的天线电阻在温度Te时产生的热噪声,即ΔN=kTeBnGa温度Te称为“等效噪声温度”或简称“噪声温度”3.4接收机的噪声系数和灵敏度270011enaenakTBGTFkTBGTTe=(F-1)T0=(F-1)×290(K)283.4接收机的噪声系数和灵敏度例题：已知接收机内噪声在输出端的额定功率为0.1W，额定功率增益为1012，测试带宽为5MHz，求等效输入噪声温度和接收机噪声系数。解：等效噪声温度为ΔN=kTeBnGa已知Bn=5×106Hz，Ga=1012，ΔN=0.1W，k=1.38×10-23J/K则Te=1449.3K噪声系数为01449.3115.99756290eTFT3.4.3级联电路的噪声系数（必考）2012NNNo3.4接收机的噪声系数和灵敏度F1，G1，BnF2，G2，BnNo＝No12＋N2Ni＝kT0Bn噪声系数F额定功率增益GNo=NiG1G2F0实际输出的额定噪声功率ΔN2=(F2-1)kT0BnG2No12=No1G2=NiF1G1G2No1No1=NiG1+ΔN1ΔN1=(F1-1)kT0BnG1No1=NiF1G129Te=(F-1)T0两个单元电路级联由No=kT0BnG1G2F0=kT0BnG1G2F1+(F2-1)kT0BnG2得两级级联电路的总噪声系数12101GFFF1212131210111nnGGGFGGFGFFF同理可证,n级电路级联时接收机总噪声系数为3.4接收机的噪声系数和灵敏度噪声系数小、额定功率增益高，则总噪声系数小30Ni图3.26典型雷达接收机的高、中频部分馈线接收机放电器限幅器低噪声高放混频器中频放大器自天线Gf1/GfGg1/GgGl1/GlGRFRGcFcGIFI至检波器313.4接收机的噪声系数和灵敏度无源网络F=1/G1212131210111nnGGGFGGFGFFFcRRcRgfGGFGFFGGGF111110噪声系数化为若接收机的噪声性能用等效噪声温度Te表示,有121213121nneGGGTGGTGTTT320111212111111nnFFFFFGGGGGG3.4接收机的噪声系数和灵敏度0