雷达原理与系统..ppt

雷达原理与系统,西安电子科技大学电子对抗研究所 2014年2月,主要内容,1、绪论 2、雷达发射机 3、雷达接收机 4、雷达终端显示器与录取设备 5、雷达作用距离 6、目标距离的测量 7、目标角度的测量 8、目标速度的测量,主要内容,9、连续波雷达 10、脉冲多普勒雷达 11、相控阵雷达 12、数字阵列雷达 13、脉冲压缩雷达 14、双基地雷达 15、合成孔径雷达,1、绪论,1.1 雷达的任务 1.2 雷达的基本组成 1.3 雷达的工作频率 1.4 雷达的应用和发展 1.5 电子战和军用雷达的发展,1.1 雷达的任务,,,,正北为方位0，仰角以水平面为0 正北同上，以海面/地平面高度为0,1.1 雷达的任务,,,,1.1 雷达的任务,,,,1.1 雷达的任务,,,,1.1 雷达的任务,,,,1.1 雷达的任务,1.2 雷达的基本组成,1.3 雷达的工作频率,雷达的工作频率：3MHz  300GHz(100m  1mm) 主要工作频段：300MHz  18GHz(1m  2cm) 3  30MHz 战略预警超视距雷达 30  300MHz 米波远程预警雷达 300MHz 分米波/厘米波警戒/引导/制导  30GHz 火控/末制导雷达 30  300GHz 毫米波火控/末制导雷达,1.4 雷达的应用和发展,1.4.1 雷达的应用 军用雷达： 按照作用距离：远程预警雷达 R〉600km 中/近程搜索和警戒雷达 150kmR600km 近程引导指示雷达 R150km 按照功能/用途：警戒引导雷达 大范围发现目标/粗定位，不引导导弹/火力射击 制导火控雷达 小范围发现/跟踪目标，引导导弹/火力射击 精密跟踪雷达 对单个目标进行精确跟踪和火力打击 多功能雷达：同时具备上述多种功能和用途的雷达，如：SPY-1 特种雷达：具有特定功能的雷达：如：雷达高度表/雷达引信 按照装载平台： 星载雷达，弹载雷达，机载雷达，舰载雷达，车载雷达，背负雷达按照技术体制：收发关系和位置 单基地/双多基地，非协同探测（PCL），MIMO 天线技术 单波束/多波束，机械/电/混合扫描， 发射/接收机技术 相参/非相参收发，捷变频，频率分集， 信号处理技术 MTI，MTD，PC，PD，SAR，ISAR， 民用雷达： 气象雷达，航管雷达，宇航雷达，遥感雷达，,1.5 电子战和军用雷达的发展,1.5.1 电子战（EW） 定义：敌我双方利用无线电电子装备或器材所进行的电磁信息斗争，电子战包括电子对抗和电子反对抗 电子对抗（ECM）：为了探测敌方无线电电子装备的电磁信息（电子侦察），削弱或破坏其使用效能所采取的一切战术、技术措施（电子干扰、伪装、隐身和摧毁） 电子反对抗（ECCM）：在敌方实施电子对抗的条件下，保证我方有效使用电磁信息所采取的一切战术、技术措施（反侦察、抗干扰、反伪装、反隐身、反摧毁） 1.5.2 雷达反干扰 天线抗干扰：低旁瓣，旁瓣对消，旁瓣消隐，波束烧穿，随机扫描，波束分集等 发射机抗干扰：提高辐射功率，频率捷变，频率编码，频率分集，脉冲压缩，波形隐蔽， 窄脉冲，重频时变，诱饵发射等 接收机、信号处理抗干扰：接收机抗饱和，重频、脉宽鉴别，MTI，MTD，积累检测，恒 虚警，宽限窄，前沿跟踪等 隐身与反隐身 隐身：通过形体设计和材料选择降低目标的RCS（） 反隐身：增加照射功率，组网雷达，短波/米波雷达，双/多基地雷达，PCL等检测隐身目标 反侦察和反摧毁 低截获的发射波形：噪声雷达，冲击雷达，大时宽/带宽积信号，信号隐匿，诱饵辐射等,2、雷达发射机,2.1 任务和基本组成 2.2 主要质量指标 2.3 单级振荡和主振放大式发射机 2.4 固态发射机 2.5 脉冲调制器,2.1 任务和基本组成,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,Tr,,,2.1.1 任务,产生大功率、指定调制特性（振幅/相位）的电磁波,单级振荡式 大功率振荡和调制一次完成（直接形成大功率振荡和调制）,脉冲调制器,射频振荡器,2.1.2 基本组成,主振放大式 先产生小功率振荡和调制，再经放大达到大功率,射频振荡器,激励放大器,末级放大器,基准振荡器,脉冲调制器,脉冲调制器,分频器,2.2 主要质量指标,1. 工作频率或波段 2. 输出功率 脉冲(峰值)功率 ，平均功率 例如： 则 3. 总效率 ， 为供给发射机的各种交直流功率之和 上例中，若发射机供电220V/15A,28V/20A, 则 4. 信号形式 振幅调制：脉冲、连续波 载频调制：单载频，频率捷变，线性调频，频率分集，频率编码等 相位调制：随机相位，稳定相位，相位编码,2.2 主要质量指标,5. 信号稳定度或频谱纯度 周期性不稳：杂散抑制 随机性不稳：相位噪声,例如：在频谱仪上测得主信号与最大杂散信号功率 分别为20dBm和50dBm，则杂散抑制为70dB,例如：在频谱仪上测得主信号功率为20dBm， 测量带宽为100Hz，在偏离1KHz处噪声功率 为50dBm，则相噪为90dBc,2.3 单级振荡和主振放大式发射机,2.3.1 单级振荡式发射机 射频振荡器：磁控管振荡器，微波三极管振荡器，固态振荡器等 脉冲调制器：刚性开关 由外加脉冲控制开关导通/截至的调制器 软性开关 由外加触发脉冲控制开关导通，开关自行截至的调制器 特点：效率较高，只适用于调幅，频率稳定度差，相位噪声很大，系统组成 简单，价格低廉，广泛用于非相干信号处理雷达，目前已经很少使用,,,,,2.3 单级振荡和主振放大式发射机,2.3.2 主振放大式发射机 基准振荡器：恒温或温补晶振，一般相位噪声为 130dBc@1KHz 射频振荡器：晶振倍频 利用非线性电路与选频网络，变频快/相噪差/杂散小 锁相倍频 利用锁相环，变频慢/相噪好/杂散大 放大链： 激励放大常用固态放大器，末级放大常用行波管，速调管放大器等 特点：效率较低，适用于调幅、调频、调相及其组合的复杂调制，频率 稳定度高，相位噪声低，系统组成复杂，成本较高，广泛用于相干信号处 理雷达,,,,,,,收集极,输入,输出,2.4 固态发射机,2.4.1 特点 频率高（已达100GHz），工作电压低供电方便（12V），寿命长，体积/重量小，可靠性高，成本低，单管/片功率小（30W，且随频率降低） 2.4.2 发展趋势 通过电路合成提高组件/模块的功率（1000W，随频率降低）； 通过组件模块的空间功率合成（相控阵），提高系统的发射功率,2.5 脉冲调制器,作用 为电真空类的微波管提供高压、大功率的视频调制脉冲 组成： 充电元件 储能元件 高压电源 调制开关 耦合元件 微波管 高压电源：提供充足、稳定的直流能量，满足工作要求（高压、大电流） 充电元件：将直流能量及时传递给储能元件，一般由R，L，二极管D 等担任 储能元件：在开关截止时保存充电能量，在开关导通时释放保存的能量（C等） 调制开关：刚性 在输入脉冲的控制作用下，脉冲期间导通，脉冲过后截止 软性 在输入脉冲的触发作用下导通，储能元件能量释放尽后截止 耦合元件：将高压、大电流脉冲耦合作用到微波管上 分类： 刚性开关 由控制信号直接控制开关的导通与截止 软性开关 由控制信号触发开管导通，有电路状态决定开关截止,2.5.1 刚性开关脉冲调制器,阴极脉冲调制器 充电：E/R1/C/L，C上电压 放电：C/V1/V2， C上电压 设计要素：对于给定的、 ，一般选择： 脉冲重复周期内充满，放电允许顶降小于允许值。

2.5.1 刚性开关脉冲调制器,阴极脉冲调制器设计举例 要求 Tr=200s，=1s，E=104V， =0.95，RH=1K,2.5.1 刚性开关脉冲调制器,调制阳极脉冲调制器 前沿充电：E/V1/C0，恒流充电Ic 前沿时间 后沿放电：C0/偏压/V2，恒流放电Id 后沿时间,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,E,Ic,C0,-Eg,-,偏压,V3,V2,+,,偏压与 激励电路,,,偏压与 激励电路,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,V1,,,,,,,,,,,,,,,前沿触发,后沿触发,C0波形,-Eg,E,,,,,2.5.1 刚性开关脉冲调制器,调制阳极脉冲调制器设计举例 要求 E=4000V，C0=200PF，Eg=200V， Ic=20A， Id=10A，求前后沿时间,,2.5.2 软性开关脉冲调制器,典型电路 谐振充电：E/Lch/PFN/B，充电时间 匹配放电：PFN/V1/B， ，放电时间 PFN节数n，每节电感L，电容C,,E,PFN,VD1,Lch,R2,C2,V2,R1,V1,脉冲触发,PFN上端,脉冲变压器 次级波形,2E,2E,,VD2,2.5.2 软性开关脉冲调制器,软性开关脉冲调制器设计举例 要求：Tr=1ms，=2s，B=1:1，RH=1K，n=5 根据脉宽和特性阻抗建立方程组，求解L，C 根据Tr求解Lch,,3 雷达接收机,3.1 接收机组成与主要质量指标 3.2 噪声系数和灵敏度 3.3 接收机的高频部分 3.4 本振和自动频率控制 3.5 动态范围和增益控制 3.6 滤波和接收机带宽,,,,,,3.1 接收机组成与主要质量指标,接收机的作用：放大需要的目标回波信号，抑制各种干扰信号 3.1.1 接收机组成 保护器：在发射或收到强信号时，保护接收机（使用收发开关和限幅器） LNA： 低噪放，抑制噪声，放大微弱的目标回波信号（如：F=2，G=25dB） MIX： 混频，将回波信号频率迁移到合适、固定的中频（fi=30MHz，60MHz等） 中放： 放大中频带内目标回波信号（G=100120dB），抑制带外噪声 LO： 本振，提供稳定振荡fL，与发射频率f0保持稳定的中频频差：fi=fLf0 增益控制：保持输出信号功率处于预定的范围，线性：近程增益控制（STC）， 瞬时自动增益控制（IAGC），AGC；非线性：对数放大器，限幅放大器等 检波器：解调回波调制信号，包络检波器（振幅）；相位检波器（频率和相位） 视放： 放大信号电平使之适合于信号处理，线性放大，限幅放大，对数放大,,3.1 接收机组成与主要质量指标,3.1.2 主要质量指标 灵敏度 ，典型值 满足检测要求的最小输入信号功率 测试方法,3.1 接收机组成与主要质量指标,3.1.2 主要质量指标 工作带宽： 分别为雷达最低、最高工作频率 动态范围： 为满足检测要求的最大输入信号功率 选择性和滤波特性（接收带宽B）匹配滤波特性 工作稳定性和频率稳定度 抗干扰能力（抗有源干扰、无源干扰和杂波干扰等）,3.2 噪声系数和灵敏度,3.2.1 接收机噪声 内噪声：有接收机内部电路和器件产生的噪声，如晶体管噪声，电阻噪声等 外噪声：由电磁环境和其它物体辐射产生的噪声，如宇宙噪声，工业噪声等，等效输入功率为 ，分别为波尔兹曼常数，天线噪声温度，等效噪声带宽 为频率、仰角、位置等函数，典型地面雷达 参见p54图3.6。

等效噪声带宽：,,,,,效噪声带宽Bn与常用接收机带宽B的比较,3.2 噪声系数和灵敏度,3.2.2 噪声系数和噪声温度 定义： 线性系统输入端信噪比与输出端信噪比的比值,对于无源网络 测试方法,,,,,3.2 噪声系数和灵敏度,3.2.2 噪声系数与噪声温度 例如：已知线性接收机输入端接匹配负载时测得输出功率为 ，接入 输入信号时测得输出功率为 ，接收机带宽为2MHz，求该接收机噪声系数 解：,,,,,,3.2 噪声系数和灵敏度,3.2.2 噪声系数与噪声温度 等效噪声温度 ，将 等效为噪声温度增量 系统噪声（内外噪声）温度 级联电。