雷达原理

雷达原理（RadarPrinciples）——读书“笔记”姓名：林中朝学号：07074033西安电子科技大学2010-11-1一、雷达的简介雷达基本工作原理如图1-1，由雷达发射机产生的电磁能，经收发开关后传输给天线，再定向辐射于大气中，如果目标位于定向天线波束内，截取一部分电磁能，再将这些截取能量向各方向散射，部分能量进入到雷达接收机。接收机将散射回波信号经信号处理送终端显示图1-1雷达的原理及基本组成基本雷达方程1、距离R处任一点处的雷达发射信号功率密度：21222444tPGSSRRR,tP雷达发射功率。2、对于定向天线，考虑到天线增益G，表示相对于各向同性天线，则'124tPGSR3、以目标为圆心，雷达处散射的功率密度：21222444tPGSSRRR,σ雷达散射截面积。4、雷达天线接收面积eA，收到功率224(4)terePGAPASR.5、最大测量距离：当雷达接收功率为接收机最小检测功率（即临界灵敏度）时minrPS时，1/4max2min[](4)tePGARS雷达的基本组成如图1.2所示：1.2脉冲雷达基本组成框图1、天线：辐射能量和接收回波（单基地脉冲雷达），（天线形状，波束形状，扫描方式）。2、收发开关：收发隔离。3、发射机：直接振荡式（如磁控管振荡器），功率放大式（如主振放大式），（稳定，产生复杂波形，可相参处理）。4、接收机：超外差，高频放大，混频，中频放大，检波，视频放大等。（接收机部分也进行一些信号处理，如匹配滤波等），接收机中的检波器通常是包络检波，对于多普勒处理则采用相位检波器。5、信号处理：消除不需要的信号及干扰而通过或加强由目标产生的回波信号，通常在检测判决之前完成（MTI，多普勒滤波器组，脉冲压缩），许多现代雷达也在检测判决之后完成。6、显示器（终端）：原始视频，或经过处理的信息。7、同步设备（视频综合器）：是雷达机的频率和时间标准（只有功率放大式（主振放大式）才有）。二、雷达发射机雷达发射机的任务和基本组成一、任务：产生大功率的特定调制的电磁振荡即射频信号。1、振幅调制：①CW②pulse：width，repeatfrequency2、频率调制：①fixedfreq②频率分集③freqcoded④LFM⑤频率捷变3、相位调制：①随机相位②相位相参③相位编码二、分类与组成1、单级振荡式：大功率电磁振荡产生与调制同时完成（一个器件）图2-1单级振荡式发射机（1）定时器提供以rT为间隔的脉冲触发信号（2）脉冲调制器：在触发脉冲信号激励下产生脉宽为τ的大功率视频脉冲信号。（3）功率射频振荡器：产生大功率射频信号。特点：简单，廉价，高效，难以产生复杂调制，频率稳定性差，451010。2、主振放大式（主控振荡器加上射频放大链）：先产生小功率的CW振荡，再分多级进行调制和放大。图2-2主振放大式发射机（1）定时器：给三个脉冲调制器提供不同时间，不同宽度的触发脉冲信号（2）固体微波源：是高稳定度的CW振荡器，在脉冲调制下形成输出脉冲（3）中间放大器：在微波源脉冲到达后很短时间处于放大状态，在微波脉冲结束后退出放大状态，受脉冲控制（4）出功率放大器：产生大功率的脉冲射频信号特点：调制准确，能够适应多种复杂调制，系统复杂，昂贵，效率低。三、雷达接收机雷达接收机的任务和基本组成一、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、干扰等）。二、超外差雷达接收机的组成优点：灵敏度高、增益高、选择性好、适应性广。图3-1超外差式雷达接收机简化框图1、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：提高灵敏度，降低接收机噪声系数，热噪声增益。（3）Mixer，LD，AFC：保证本振频率与发射频率差频为中频，实现变频。2、中频部分及AGC：（1）匹配滤波：max(/)oSN（2）AGC：autogaincontrol.3、视频部分：（1）检波：包络检波，同步（频）检波（正交两路），相位检波。（2）放大：线形放大，对数放大，动态范围。雷达接收机的主要质量指标1、灵敏度miniS：用最小可检测信号功率miniS表示，检测灵敏度，给定虚警概率faP，达到指定检测概率dP时的输入端的信号功率：miniS=iS|faP=const，dP=const保证下面灵敏所需接收机gain=120-160dB，miniS＝-120～-140dbw主要由中频完成。2、工作频带宽度：指瞬时工作频率范围，频率捷变雷达要求的接收机工作频带宽度：10-20%。3、动态范围：表示接收机能够正常工作所允许的输入信号强度的变化范围，过载时的iS|miniS，80-120dB。4、中频的选择与滤波特性：012Rff，中频选择通常选择30M～500M，抑制镜频.实际与发射波形特性，接收机工作带宽有关。5、工作稳定性和频率稳定度：指当环境变化时，接收机性能参数受到影响的程度，频率稳定度，信号处理，采取频率稳定度、相位稳定度提高的本振，“稳定本振”。6、抗干扰能力：杂波干扰（MTI，MTD）、有源干扰、假目标干扰。7、微电子化和模块化结构。MMIC微波单片集成电路、IMIC中频单片集成电路、ASIC专用集成电路。四、雷达的终端显示器和录取设备雷达的终端显示器一、显示器的主要类型（完成任务分类）1、距离显示器：图4.1显示目标的斜距坐标，用光点在荧光屏上偏转的振幅来表示目标回波的大小，所以又称为偏转调制显示器。A显：直线扫掠，扫掠线长度和雷达的距离量程相对应，直线的起始点为雷达，回波距离点的长度表示距离，有距离刻度。A/R显：A显同上，R显上A的某一段进行放大。J显：圆周扫掠，顶端为雷达圆弧长表示距离，读数精度提高π倍。2、平面显示器：图4.2，又称PPI(Planpositionindicator)显，显示斜距、方位，是二维显示器，用亮点来显示坐标，属亮度调制显示器。P显：圆心为雷达，径长表示距离，顶向方位为正北，圆周角表方位，顺时针方向。偏心式P显：移动原点，使放大给定方向。以上两种均为极坐标。B式显示：直角坐标，常用微B式显示，距离和方位只显示一段。3、高度显示器：RHI显示：水平距离和高度、仰角，雷达在左下方。4.情况显示器：一次信息：雷达二次信息：表格数据、特征符号、地图等。5.光栅扫描雷达显示器：数字显示技术的应用。既能显示目标回波的二次信息，也能显示各种二次信息以及背景地图。图4-1三种距离显示器的画面图4-2平面显示器图像五、雷达方程理想无损耗自由空间传播的单基地雷达方程1、收发不同天线时，222444(4)ttttrrrPGPGAPARRR14max2min[](4)ttriPGARS2.收发共天线时，rtAAA2224144ttrtrPGAGGARR24trGA1122244max222minmin()()(4)(4)tttriiPGPARSS雷达实际作用距离受目标后向散射截面积σ、miniS、噪声和其他干扰的影响，具有不确定性，服从统计学规律。六、多普勒效应及其在雷达中的应用多普勒效应1、雷达发射连续波的情况发射信号：0cos()tSAt回波：0()()cos[()]rrrStKSttKAtt，2rRtC若目标固定、固定相位差：02222rRwtfRC若目标以匀速rV运动：0002()2()4()2rrrRvtRtwtRvtC()Rt=0rRvt，()rtt2()RtC，122rdrdfvdt同相0df，反相0df2、窄带信号时的多普勒效应发射信号窄带表示：0()Re[()]jwtStute回波信号表示：0()()()Re[()]rjwttrrrStKSttKutte目标不动时：复包络有一固定迟延。而高频则有一固定相位差匀速运动：022()/()rrtRtCRvtC即：复包络滞后rt，而高频相位差002(2/)()rrwtRvt→时间函数若rv为常数，()t引起的频路差为：122drdfvdt，多普勒频率（rv运动时，回波时间得严格推导）若目标运动方向与雷达和目标连线夹角为α，目标速度为v。则径向速度cosrvv多普勒信息的提取df与0f相比很小，0/2/drffvC提取df要用差分差拍方法。即：rf、df的差值连续波多普勒雷达相干检波器取出相位变化信息，组成如图6.1；相位检波器参考电压远大于回波电压。矢量合成如图6.2：0cosrUUU固定目标，无交流分量输出匀速目标，回波信号围绕基准点等dw旋转，合成矢量振幅为：00cos()rdUUUw0cos()rdUw频谱变化如图6.3。图6.1连续波多普勒雷达的原理框图图6.2连续波多普勒雷达多普勒差拍矢量图6.3连续波多普勒雷达频谱图