现代雷达系统分析与设计(陈伯孝)第2章讲解.ppt

1 第1章 绪 论 Ø 1.1 雷达的发展概况 Ø 1.2 雷达工作原理与分类 Ø 1.3 雷达的主要战术与技术指标 Ø 1.4 雷达的生存与对抗 2 雷达是英文“Radiodetectionandranging”缩写Radar的音译 ，其含义是指利用无线电对目标进行探测和测距它的基本 功能是利用目标对电磁波的散射来发现目标，并测定目标的 空间位置雷达经历了它的诞生和发展初期后，在20世纪六 七十年代进入大发展时期 1.1 雷达的发展概况 3 随着微电子技术的迅速发展，在20世纪中后期，雷达技术进 入了一个新的发展阶段，出现了许多新型雷达，例如合成孔 径雷达、脉冲多普勒雷达、相控阵雷达等现代雷达的功能 已超出了最早定义雷达的“无线电探测和测距”的含义，已赋 以新的内涵——提取目标的更多信息，例如目标的属性、目 标成像、目标识别和战场侦察等，从而实现对目标的分类或 识别 4 下面简单回顾现代雷达发展史上的一些重大事件： 1.雷达的诞生及发展初期 1886年，HeinrichHertz(海因里奇·赫兹)验证了电磁波的 产生、接收和散射 1886~1888年，ChristianHulsmeyer(赫尔斯姆耶)研制出 原始的船用防撞雷达。

1937年，RobertWatsonWatt(沃森·瓦特)设计出第一部可 用的雷达——“ChainHome”，并在英国建成 5 1938年，美国信号公司制造的SCR-268成为第一部实用 的防空火控雷达，其工作频率为200 MHz，作用距离为180 km这种雷达共生产了3100部 1939年，美国无线电公司(RCA)研制出第一部实用舰载 雷达——XAF，安装在“纽约号”战舰上，对飞机的探测距离 为160 km，对舰船的探测距离为20 km 6 2.二战中的雷达 在第二次世界大战中，雷达发挥了重要作用用雷达控 制高射炮击落一架飞机平均所用炮弹数由5000发降为50发， 命中率提高99倍因此，雷达被誉为第二次世界大战的“天 之骄子” 7 3.20世纪五六十年代的雷达 在这期间，由于航天技术的飞速发展，飞机、导弹、人 造卫星以及宇宙飞船等均采用雷达作为探测和控制手段反 洲际弹道导弹系统要求雷达具有高精度、远距离、高分辨率 和多目标测量能力，使雷达技术进入蓬勃发展时期；大功率 速调管放大器应用于雷达，发射功率比磁控管高两个数量级 ；这一时期研制的大型雷达用于观察月亮、极光、流星；单 脉冲跟踪雷达ANFPS-16的角跟踪精度达0.1mrad；合成孔径 雷达利用装在飞机上较小的侧视天线可产生地面上的一个条 状地图；机载脉冲多普勒雷达应用于“波马克”空空导弹的下 视和制导； 8 “麦德雷”高频超视距雷达作用距离达3700 km；S波段防空相 控阵雷达ANSPS-33在方位维采用铁氧体移相器控制进行电 扫，在俯仰维采用频扫方式；超远程相控阵雷达ANFPS-85 用于外空监视和洲际弹道导弹预警；等等。

9 4.20世纪七八十年代的雷达 这一时期合成孔径雷达、相控阵雷达和脉冲多普勒雷达 得到了迅速发展相控阵用于战术雷达同期，美国研制出 E-3预警机等 10 5.20世纪90年代的雷达 20世纪90年代，随着微电子技术的迅速发展，雷达进一 步向数字化、智能化方向发展同时，反雷达的对抗技术也 迅速发展起来一些主要军事大国纷纷研制一些新体制雷达 ，例如无源雷达、双(多)基地雷达、机(或星)载预警雷达、 稀布阵雷达、多载频雷达、微波成像雷达、毫米波雷达、激 光雷达等 11 6.新世纪的雷达 新世纪，随着现代战争的需要，雷达将是高性能、多功 能的综合体，即集雷达与通信、指挥控制、电子战等于一体 为了减小天线孔径、提高机动性并降低成本，雷达将由过 去集中式大孔径天线向分布式小孔径雷达方向发展；从频率 源、发射到接收，雷达已从模拟向数字化方向发展，提出了 数字化雷达的概念数字化雷达在每个脉冲重复周期采用不 同的信号形式，提高了抗干扰能力从信号处理和检测的角 度，雷达将向智能化方向发展综合利用多部雷达协同探测 与雷达组网，可以提高雷达的探测能力和覆盖范围同时， 雷达将向网络化方向发展 12 在雷达技术得到迅速发展的同时，由于敌我双方军事斗 争的需要，雷达亦面临着生存和发展的双重挑战。

雷达面临 的威胁主要有四个方面：一是隐身技术由于采用隐身技术 ，使得目标的散射截面积(RCS)大幅度降低，雷达接收到的 目标散射回波信号微乎其微，以至于难以发现目标二是综 合电子干扰(E CM)由于快速应变的电子侦察和强烈的电子 干扰，使得雷达难以正确地发现并跟踪目标三是反辐射导 弹(ARM)高速反辐射导弹已成为雷达的克星， 13 只要雷达一开机，被敌方侦察到以后，很容易利用ARM将 雷达摧毁四是低空突防对具有掠地、掠海能力的低空、 超低空飞机和巡航导弹，雷达一般难以发现这就是人们常 说的雷达面临的“四大威胁” 14 1.2.1 基本组成 雷达系统的基本组成如图1.1所示通常包括波形产生 器、发射机、接收机、A/D变换、信号处理、数据处理、显 示器、信息存储与传输、天线及其伺服装置、电源等部分 1.2 雷达工作原理与分类 15 波形产生器产生一定工作频率、一定调制方式的射频激励信 号，也称为激励源，同时，产生相干本振信号送给接收机； 发射机对激励源提供的射频激励信号进行功率放大，再经收 发开关馈电至天线，由天线辐射出去；目标回波信号经天线 和收发开关至接收机，再由接收机对接收信号进行低噪声放 大、混频和滤波等处理；信号处理的作用是抑制非期望信号 (杂波、干扰)，通过相干积累或非相干积累等措施以提高有 用信号的信噪比，并对目标进行自动检测与跟踪等。

16 通常将目标航迹的关联、跟踪滤波、航迹管理等称为雷 达的数据处理目标航迹及相关信息在屏幕上显示的同时， 通过网络等设备传输至各级指挥系统 17 图1.1 雷达系统的基本组成 18 1.2.2 雷达分类 根据雷达的功能及工作方式的不同，雷达有多种分类方 法 1)按作用分类 雷达按作用可分为军用和民用两大类军用雷达根据其 作战平台所处位置又分为地面雷达、舰载雷达、机载雷达、 星载雷达、末制导雷达(弹载雷达)等 19 地面雷达按其功能又包括监视雷达(警戒雷达)、跟踪雷达、 火控雷达、目标引导与指示雷达等机载雷达包括机载预警 雷达、机载火控雷达、轰炸雷达、机载气象雷达、机载空中 侦察雷达、机载测高雷达等 民用雷达主要包括空中交通管制雷达、港口管制雷达、 气象雷达、探地雷达、汽车防撞或自动驾驶雷达、道路车辆 测速雷达等 20 2)按信号形式分类 雷达按信号形式分为脉冲雷达和连续波雷达，以及介于 两者之间的准连续波雷达脉冲雷达又分为脉冲压缩雷达、 频率捷变雷达和噪声雷达根据信号带宽可分为窄带雷达、 宽带雷达和超宽带雷达根据信号的相参性可分为相参雷达 和非相参雷达现代雷达一般都为相参雷达 21 3)按天线波束扫描形式分类 雷达按天线波束扫描形式分为机械扫描雷达、电扫描雷 达，以及机械扫描与电扫描相结合的雷达。

4)按测量的目标参数分类 雷达按测量的目标参数可分为两坐标(距离、方位)雷达 、三坐标(距离、方位、仰角或高度)雷达、测高雷达、测速 雷达、敌我识别雷达、成像雷达等 5)按角度跟踪方式分类 跟踪雷达按角度跟踪方式可分为圆锥扫描雷达、单脉冲 雷达 22 1.2.3 雷达的工作频率 雷达的工作频率范围较广，从几兆赫( MHz)到几十吉赫 (GHz)工程上将雷达的工作频率分为不同的频段，表1.1列 出了雷达频段和频率的对应关系以及各频段的主要应用场合 和特点例如，L波段代表波长以22 cm为中心，S波段以10 cm为中心，C波段以5 cm为中心，X波段以3 cm为中心，Ku 波段以2.2 cm为中心，Ka波段以8 mm为中心根据工作波 长，雷达可分为超短波雷达、米波雷达、分米波雷达、厘米 波雷达、毫米波雷达等这里字母频段名称不能代表雷达工 作的实际频率 23 表1.1 雷达的工作频率 24 1.2.4 从雷达回波提取的目标位置信息 1)距离 普通脉冲雷达是通过测量发射信号传播到目标并返回来 的时间来测定目标的距离的如图1.2所示假设延迟时间 为τ，τ＝2R/c，则目标的距离R为 (1.2.1) 25 图1.2 发射脉冲和目标回波示意图 26 这种基于窄脉冲的测距方法，脉冲越窄，测距精度越 高。

但是在峰值功率受限的情况下，发射窄脉冲辐射的能量 有限另一种测距方法是采用脉冲压缩波形(将在后面章节 中介绍) 27 2)方向(方位和仰角) 目标的方向是通过测量回波的波前到达雷达的角度来确 定的雷达一般使用方向性天线，即具有窄辐射方向图的天 线进行波束方位维和俯仰维的扫描当接收信号的能量最大 时，天线所指的方向就是目标所在的方向这种或其它测量 方向的方法都假定大气不扰乱无线电波的直线传播 入射波前的方向也可通过测量两个分离的天线所接收的 相位差来决定，而相位差则取决于入射波前与两个天线连线 的夹角两个天线分开越远，则精度越高然而如果天线分 得太开，就会在两个天线的合成方向图中出现大小等于主波 束的栅瓣而产生模糊的测量结果 28 早期的比幅单脉冲雷达在每个平面上使用两个天线(或用两 个馈源照射单个反射体)来进行角度测量，但这两个天线中 心的间隔应小于半个波长，从而避免了栅瓣造成的模糊比 相单脉冲雷达的两个天线相距多个波长，但各个天线的方向 性抑制了栅瓣 29 3)高度 假设目标的斜距为R，仰角为θ，则目标的高度为 H＝R·sinθ＋h(1.2.2) 其中h为天线高度如果考虑地球曲率半径ρ的影响，则目标 的高度为 (1.2.3) 30 4)目标的尺寸和形状 利用目标的一维距离像可以大致确定目标在距离维的尺 寸和散射点的分布；利用合成孔径雷达成像可以实现对地形 的侦察和对目标的识别；通过对目标的三维成像，特别是单 脉冲三维成像，可以对目标的三维尺寸和形状进行特征提取 。

31 1.2.5 多普勒频率 当目标与雷达之间存在相对运动时，若雷达发射信号的 工作频率为f0，则接收信号的频率为f0＋fd，fd为多普勒频率 将这种由于目标相对辐射源的运动而导致回波信号频率的 变化称为多普勒效应如图1.3所示，当目标向着雷达运动 时，多普勒频率为正；当目标远离雷达时，多普勒频率为负 照射到目标上的波形具有间隔为λ(波长)的等相位波前， 靠近雷达的目标导致反射回波的等相位波前相互靠近(较短 波长)，λλ′(λ′为反射波波长)；反之，远离雷达运动的目标 导致反射回波的等相位波前相互扩展(较长波长)，λc，且波长λ＝c/f0，则 (1.2.13) 41 可见，多普勒频率与目标的径向速度成正比，因此，也可 以从距离的变化率中提取fd，反之亦然式(1.2.13)也可以采 用下列方法导出：图1.6给出了一个以速度vr向着雷达运动的 目标，在t0时刻(参考时间)的距离为R0，那么在t时刻目标的 距离为 (1.2.14) (1.2.15) 42 图1.6 以速度vr向着雷达运动的目标 43 若发射信号为s(t)，不考虑传输衰减，则雷达接收信号 为 (1.2.16) 这里，为相位常数。

定义式(1.2.16)中变量t 前面的比例系数(也称压缩因子)为γ，即 (1.2.17) 44 同理，对一个远离雷达飞行的目标，比例因子为γ＝1 式 (1.2.16)可改写为 (1.2.18) 从上式可以看出，与静止目标的回波相比，运动目标的回 波信号是时间压缩形式，因此，根据傅立叶变换的比例特性 ，时间压缩信号的频谱将以因子γ扩展 45 考虑特殊情况，若发射信号为 (1.2.19) 式中ω0＝2πf0是以弧度每秒表示的中心频率y(t)的傅立叶变 换为Y(ω)，则接收信号及其傅立叶变换为 46 (1.2.20) (1.2.21) 为了简单，相位常数ψ0在式(1.2.21)中被忽略因此，接收 信号的频谱出现在以γω0为。