雷达原理及系统

雷达原理与系统 课程复习雷达原理与系统 课程复习 什么是雷达（什么是雷达（radar）？）？ Radio Detection and Ranging 无线电探测与测距 测量目标的距离、方位和仰角 测量目标的速度 提供目标的其他信息，如：形态、表面信息等 无线电探测与测距 测量目标的距离、方位和仰角 测量目标的速度 提供目标的其他信息，如：形态、表面信息等 雷达坐标系雷达坐标系 球（极）坐标系球（极）坐标系 斜距斜距R，R，雷达到目标的直线距离雷达到目标的直线距离 方位角方位角，目标斜距，目标斜距R在水平面上 的投影 在水平面上 的投影OB与某以起始方向（参考 方向）在水平面上的夹角 与某以起始方向（参考 方向）在水平面上的夹角 仰角仰角，目标斜距，目标斜距R与 其在水平面上的投影 与 其在水平面上的投影 OB在铅垂面上的夹角在铅垂面上的夹角 雷达的基本工作原理雷达的基本工作原理 单基地脉冲雷达单基地脉冲雷达 收发开关收发开关天线天线大气大气 目标反射目标反射大气大气天线天线收发开关收发开关 发射机发射机 接收机接收机 电信号电信号电磁波电磁波 回波回波 测距测距 tr 2 r ct R 2 r R t c C ：光速，：光速， 利用发射信号回波时延求得利用发射信号回波时延求得 例：一单基地脉冲雷达目标回波时延为例：一单基地脉冲雷达目标回波时延为1s，求 目标离雷达的距离。 解：由公式 ，求 目标离雷达的距离。 解：由公式 2 r ct R代入参数可得代入参数可得150Rm 常见时延与距离：常见时延与距离： 1s0.15km， 6.67s1km， 12.3s1.852km（1海里），海里）， 10s1.5km， 100s15km， 1ms150km， 测距精度与发射信号（时宽）带宽（或处理后脉冲宽度）有关， 脉冲越窄、性能越好 测距精度与发射信号（时宽）带宽（或处理后脉冲宽度）有关， 脉冲越窄、性能越好 测角测角 利用天线方向性实现 目标角位置：方位角 利用天线方向性实现 目标角位置：方位角 仰角仰角 接收回波最强时的天线波束指向 天线尺寸增加，波束变窄，测角精度和角分辨力提高 角位置还可以利用两个分离接收天线收到信号的相位差来决定 接收回波最强时的天线波束指向 天线尺寸增加，波束变窄，测角精度和角分辨力提高 角位置还可以利用两个分离接收天线收到信号的相位差来决定 2弧度弧度360°°6000密位，密位，1密位密位0.06 °° 测速测速 利用回波多普勒频移测相对速度利用回波多普勒频移测相对速度 2 r d v f r v v cos r vv fd ：多普勒频移（多普勒频移（Hz） vr：雷达与目标之间的径向速度（雷达与目标之间的径向速度（m/s） ：载波波长（载波波长（m） 当目标向着雷达运动时， ） 当目标向着雷达运动时， 0 vr，回波载频提高； 反之 ，回波载频提高； 反之0 时，目标对电磁波以散射为主，以绕射为辅，时，目标对电磁波以散射为主，以绕射为辅，RCS大； 当目标尺寸 大； 当目标尺寸 时，目标对电磁波以绕射为主，以散射 为辅， 时，目标对电磁波以绕射为主，以散射 为辅，RCS小；对隐身目标，波长在两个极端即米波或毫 米波为好。 小；对隐身目标，波长在两个极端即米波或毫 米波为好。 从地面或水面的反射影响来看：水平极化的米波雷达， 由于地面反射，波瓣分裂；地面反射对厘米波影响较小， 故中等作用距离的引导雷达均采用厘米波段。 从杂波干扰的影响来看：在目标（飞机）与云、雨相混 的情况下，由于飞机的尺寸远大于水滴的尺寸，依目标 的反射特性，采用大的 从地面或水面的反射影响来看：水平极化的米波雷达， 由于地面反射，波瓣分裂；地面反射对厘米波影响较小， 故中等作用距离的引导雷达均采用厘米波段。 从杂波干扰的影响来看：在目标（飞机）与云、雨相混 的情况下，由于飞机的尺寸远大于水滴的尺寸，依目标 的反射特性，采用大的可以提高输入信杂比。当目标 （飞机）以地物为背景时，由于飞机的尺寸远小于地物 的尺寸，依目标的反射特性，采用小的 可以提高输入信杂比。当目标 （飞机）以地物为背景时，由于飞机的尺寸远小于地物 的尺寸，依目标的反射特性，采用小的较好。较好。 雷达发射机的任务和基本组成雷达发射机的任务和基本组成 任务任务产生大功率的特定调制的电磁振荡即射频信号产生大功率的特定调制的电磁振荡即射频信号 组成组成 单级振荡式 主振放大式 单级振荡式 主振放大式 大功率电磁振荡产生与调制在一个器件中同时完成 先产生小功率的 大功率电磁振荡产生与调制在一个器件中同时完成 先产生小功率的CW 振荡，再分多级调制和放大振荡，再分多级调制和放大 输出功率输出功率 输出信号功率输出信号功率 平均功率平均功率 峰值功率 单位时间内发出的功率能量 峰值功率 单位时间内发出的功率能量Pav ，脉冲重复周 期内的输出平均功率。 脉冲发出时间点的功率 ，脉冲重复周 期内的输出平均功率。 脉冲发出时间点的功率Pt，脉冲期间射频振荡 的平均功率。 ，脉冲期间射频振荡 的平均功率。 总效率总效率 输入发射机的总平均功率输入发射机的总平均功率输出和输入的功率比输出和输入的功率比 工作比，占空比工作比，占空比 雷达发射机的性能指标雷达发射机的性能指标 习题习题 某雷达发射机峰值功率为某雷达发射机峰值功率为800kW，矩形脉 冲宽度为 ，矩形脉 冲宽度为3s，脉冲重复频率为，脉冲重复频率为1000Hz，求 该发射机的平均功率和工作比。 ，求 该发射机的平均功率和工作比。 雷达接收机雷达接收机 作用：通过适当的滤波将天线上接收到的微弱高频信号从噪 声和干扰中选择出来，并经放大和检波后，送至显示器、信 号处理器或由计算机控制的雷达终端设备中。 作用：通过适当的滤波将天线上接收到的微弱高频信号从噪 声和干扰中选择出来，并经放大和检波后，送至显示器、信 号处理器或由计算机控制的雷达终端设备中。 超外差技术超外差技术 如图所示，当接收的电波频率如图所示，当接收的电波频率fRF变化时，本振频率变化时，本振频率fL和选频滤 波器的中心频率 和选频滤 波器的中心频率f0= fRF能够同步改变，从而使输出的能够同步改变，从而使输出的fIF固定不 变，这种技术称为外差技术，当 固定不 变，这种技术称为外差技术，当fIF低于低于fRF而高于信号带宽而高于信号带宽B时 就称为超外差技术。超外差技术具有灵敏度高、选择性好、 工作稳定、中频部分可标准化等优点。 时 就称为超外差技术。超外差技术具有灵敏度高、选择性好、 工作稳定、中频部分可标准化等优点。 选频滤波选频滤波混频器混频器 本振本振 滤波滤波解调解调滤波滤波 无线电波 解调输出 无线电波 解调输出 fL fIF fRF 接收机主要质量指标接收机主要质量指标 1.灵敏度：灵敏度：Simin，用最小可检测信号功率，用最小可检测信号功率Simin表示， 检测灵敏度，给定虚警概率 表示， 检测灵敏度，给定虚警概率 Pfa，达到指定检测概 率 ，达到指定检测概 率Pd 时的输入端的信号功率： 通常所需接收机 时的输入端的信号功率： 通常所需接收机 gain = 120 160 dB ， Simin-120-140dbw 主要由中频完成。主要由中频完成。 2.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 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Si /Si min，80120 dB 接收机的噪声系数接收机的噪声系数 接收机输入端信号噪声比与输出端信号噪声比 的比值。其公式为： 接收机输入端信号噪声比与输出端信号噪声比 的比值。其公式为： 规定输入噪声以天线等效电阻规定输入噪声以天线等效电阻RA在室温在室温T 0 = 290 K 时产生的热噪声为标准时产生的热噪声为标准 雷达显示器的主要类型雷达显示器的主要类型 距离显示器。距离显示器。A显，显，J显显 平面显示器。平面显示器。PPI显示器显示器 高度显示器。高度显示器。E显显 距离距离R 处任一点的雷达发射信号功率密度：处任一点的雷达发射信号功率密度： 考虑到定向天线增益考虑到定向天线增益G： 基本雷达方程推导基本雷达方程推导 目标散射截面积设为目标散射截面积设为，则其接收的功率为，则其接收的功率为S1 以目标为圆心，雷达处散射的功率密度：以目标为圆心，雷达处散射的功率密度： 雷达收到功率：雷达收到功率： Ar：雷达天线接收面积：雷达天线接收面积 r r 雷达接收到的回波功率反比于目 标与雷达站间距离 雷达接收到的回波功率反比于目 标与雷达站间距离R的四次方的四次方 收发不同天线时收发不同天线时 收发同天线时收发同天线时 收发不同天线时，最大作用距离收发不同天线时，最大作用距离 收发同天线时，最大作用距离收发同天线时，最大作用距离 雷达实际作用距离受目标后向散射截面积雷达实际作用距离受目标后向散射截面积、 Simin、噪声 和其他干扰的影响，具有不确定性，服从统计学规律。 、噪声 和其他干扰的影响，具有不确定性，服从统计学规律。 当接收功率为接收机最小检测功率当接收功率为接收机最小检测功率S imin时：时： 信噪比表示的雷达方程信噪比表示的雷达方程 最小可检测信噪比最小可检测信噪比 匹配接收机匹配接收机检波器检波器检波后积累检波后积累检测装置检测装置 检测门限检测门限 Simin KT0BnFn D0 i 由可得，由可得， min 则则识别系数识别系数M 作用距离作用距离 灵敏度灵敏度 检测准则检测准则 门限检测采用奈曼门限检测采用奈曼-皮尔逊准则。该准则要求在给定的 信噪比条件下，在满足一定的虚警概率时的发现概率 最大，或者漏警概率最小。 降低门限的缺点：只要有噪声存在，其尖峰超过门限 电平的概率增加，虚警相应增加。 皮尔逊准则。该准则要求在给定的 信噪比条件下，在满足一定的虚警概率时的发现概率 最大，或者漏警概率最小。 降低门限的缺点：只要有噪声存在，其尖峰超过门限 电平的概率增加，虚警相应增加。 恒虚警恒虚警 虚警概率一定时，发现概率虚警概率一定时，发现概率Pd才随信噪比的增加 而增加，因此检测系统要求虚警保持一个恒定的 值；但随着噪声电压的变化，其包络振幅的概率 密度可能会发生变化，导致一定门限值的虚警概 率 才随信噪比的增加 而增加，因此检测系统要求虚警保持一个恒定的 值；但随着噪声电压的变化，其包络振幅的概率 密度可能会发生变化，导致一定门限值的虚警概 率Pfa发生变化，从而使得在给定信噪比下得不到 所需的发现概率。所以，噪声电平变化时，系统 门限电平应相应变化以获得恒虚警。 发生变化，从而使得在给定信噪比下得不到 所需的发现概率。所以，噪声电平变化时，系统 门限电平应相应变化以获得恒虚警。 积累对作用距离的改善积累对作用距离的改善 积累的作用：增加信号功率，提高检测性能积累的作用：增加信号功率，提高检测性能 积累的方法：相干积累，非相干积累积累的方法：相干积累，非相干积累 相干积累 非相干积累 相干积累 非相干积累 在检波前完成，亦称检波前积累或中频 积累，相干积累要求信号间有严格的相 位关系，即信号是相干的。 在检波前完成，亦称检波前积累或中频 积累，相干积累要求信号间有严格的相 位关系，即信号是相干的。 M个脉冲的中频理想积累可使信噪比提高为原来的个脉冲的中频理想积累可使信噪比提高为原来的M倍倍 M个脉冲的视频理想积累对信噪比的改善为原来的个脉冲的视频理想积累对信噪比的改善为原来的 MM倍之间倍之间 习题习题 某雷达波长，最小 可检测信号，已知探测目标的有 效反射面积； 求雷达的最大作用距离。 若该雷达为相干脉