雷达基本理论与基本原理.docx

1、雷达基本理论与基本原理雷达基本理论与基本原理一、 雷达的基本理论1、 雷达工作的基本过程发射机产生电磁信号，由天线辐射到空中，发射的信号一部分被目标拦截并 向许多方向再辐射。向后再辐射回到雷达的信号被天线采集， 并送到接受机，在接收机中，该信号被处理以检测目标的存在并确定其位置 ，最后在雷达终端上将 处理结果显示出来。2、 雷达工作的基本原理一般来说，会通过雷达信号到目标并从目标返回雷达的时间， 得到目标的距 离。目标的角度位置可以根据收到的回波信号幅度为最大时， 窄波束宽度雷达天 线所指的方向而获得。如果目标是运动的，由于多普勒效应，回波信号的频率会 漂移。该频率的漂移与目标相对于雷达的速度

2、成正比， 根据fd 纽，即可得到目 标的速度。3、 雷达的主要性能参数和技术参数3.1雷达的主要性能参数3.1.1雷达的探测范围雷达对目标进行连续观测的空域，叫做探测范围，又称威力范围，取决于雷 达的最小可测距离和最大作用距离，仰角和方位角的探测范围。3.1.2测量目标参数的精确度和误差精确度高低用测量误差的大小来衡量， 误差越小，精确度越高，雷达测量精 确度的误差通常可以分为系统误差、随机误差和疏失误差。3.1.3分辨力指雷达对两个相邻目标的分辨能力。 可分为距离分辨力、角分辨力（方位分 辨力和俯仰角分辨力）和速度分辨力。距离分辨力的定义：第一个目标回波脉冲 的后沿与第二个目标回波脉冲的前沿

3、相接近以致不能分辨出是两个目标时， 作为 可分辨的极限，这个极限距离就是距离分辨力：（R）min -。因此，脉宽越小，2距离分辨力越好3.1.4数据率雷达对整个威力范围完成一次探测所需时间的倒数。3.1.5抗干扰能力指雷达在自然干扰和人为干扰（主要的是敌方干扰（有源和无源） ）条件下工作的能力。3.1.6雷达可靠性分为硬件的可靠性（一般用平均无故障时间和平均修复时间衡量） 、软件可靠性和战争条件下雷达的生存能力。3.1.7体积和重量体积和重量决定于雷达的任务要求、所用的器件和材料。3.1.8功耗及展开时间功耗指雷达的电源消耗总功率。展开时间指雷达在机动中的架设和撤收时 间。3.1.9测量目标坐

4、标或参数的数目目标坐标是指目标的方位、斜距和仰角，此外，还指目标的速度和性质（机 型、架数、敌我）。对于边扫描边跟踪雷达，还指跟踪目标批数，航迹建立的正 确率。3.2雷达的主要技术参数3.2.1工作频率和工作带宽雷达工作频率主要根据目标的特性、 电波传播条件、天线尺寸、高频器件的性能以及雷达的测量精确度和功能等要求来决定3.2.2发射功率分为脉冲功率和平均功率，雷达在发射脉冲信号期间所输出的功率称为脉冲 功率，平均功率指一个重复周期内，发射机输出功率的平均值。3.2.3调制波形、脉冲宽度和重复频率现代雷达则采用多种调制波形以供选择。脉冲宽度指发射脉冲信号的持续时 间。脉冲重复频率指雷达每秒发射

5、的射频脉冲个数，其倒数叫脉冲重复周期。3.2.4天线的波束形状、增益和扫描方式天线的波束形状一般用水平和垂直面内的波束宽度来表示。天线增益用G 4 A/ 2表示。天线的主瓣在雷达的探测空域内以一定的规律运动，叫做扫 描。325接受机的灵敏度指雷达接受微弱信号的能力，用接受机载一定的噪声电平时所能感知的输入 功率的大小来表示。326终端装置和雷达输出数据的形式327电源供应飞机和船舶上的雷达，为减轻重量，常常采用高频的交流电源。4、雷达方程与目标检测2 2 2 r !4 RA %4.1基本雷达方程：maX （4 ）时丄 4 Wmd、4.2雷达方程的讨论：4.2.1提高雷达作用距离的途径：（1）

6、尽可能选用大孔径天线，即加大天线的有效面积或增益，但因此会 影响雷达的抗风能力设计，机动能力设计和结构设计等；（2） 提高发射功率，但因此可能会出现高压打火以及增加设备的重量和 体积等问题；（3） 尽可能提高接收机的灵敏度，但也可能出现抗噪声性能下降等问题;（4） 尽可能降低系统的传输损耗L。4.2.2其他因素（1） 最小可检测信号的统计特性；（2） 目标雷达反射面积的统计特性；（3） 地球表面或大气传播的精确特性；（4） 雷达本身可能存在的各种损耗。4.3对雷达方程的进一步讨论4.3.1检测因子：检测目标信号所需的最小输出信噪比，用 Do表示，其中:432用检测因子和能量表示雷达方程2Rma

7、x 14 14(4 )3kTFnDoCBL 4 2kTFnDCBLk 波尔兹曼常数To 系统等效噪声温度 Fn 噪声系数 Do 检测因子Cb 带宽校正因子优点：1、 当雷达在检测目标之前有多个脉冲可以积累时，由于积累可改善信噪比，故此时检波器输入端的检测因子将随脉冲个数的增加而下降， 因此可以表明雷达作用距离和脉冲累计数之间的简明关系，可计算和绘制出标准曲线供查 用。2、 用能量表示的雷达方程适用于当雷达使用各种复杂脉压信号的情况只要 知道脉冲功率计发射脉宽就可以用来估算作用距离而不必考虑具体的波形 参数。4.4噪声中的信号检测4.4.1信号检测的基本准则在信号检测中， 信号统计检测理论主要可

8、分为贝叶斯准则和派生贝叶斯准则，其中派生贝叶斯准则主要又包括： 最小平均错误概率准则、最大后验概率准 则、极小化极大准则和奈曼-皮尔逊准则。4.4.2门限检测雷达信号的检测过程一般包括包络检波、门限、检测判决三个步骤，包络检 波从雷达信号中滤去载频信号，解调出包络信号。经检波和放大后，然后与一个 门限值进行比较，如果接收机信号超过该门限，则判定目标存在。4.4.3雷达脉冲的积累雷达对多个脉冲的检测结果求和，称为脉冲积累。脉冲积累可以改变检测因 子，即改善检测信噪比。如果脉冲积累是在检波之前完成的， 由于此时考虑了信号的相位关系，称为相参积累。反之，则称为非相参积累，在理想状况下，相参 积累时的

9、信噪比将改善N倍，(SNR)cn N ?(SNRh，其中(SNR)cn表示N各脉冲 相参积累时的信噪比，(SNRh表示单个脉冲检测的信噪比。与相参积累相比，非积累损耗与积累效率的关系为：L(N) 10lg1J4.5虚警概率和检测概率4.5.1虚警概率1TfaB|FTkN k 1其中，p()表示检波器输出的噪声电压概率密度tkN k 1lim -N-N 1 NPd RM ) Ps( )dVT其中，Ps()为检波器输出信号加噪声电压概率密度函数， Vt为门限。4.5.3提高检测概率的方法(1)“ N次扫描检测到M次”准则；(2)航迹建立作为检测准则；(3)累计检测概率：N次扫描至少有一次检测到目标

10、的概率。4.6恒虚警检测基本原理：根据检测单元附近的参考单元估计背景杂波的能量并依此调整门 限，从而使雷达信号检测满足奈曼一皮尔逊准则 (在错误判决概率的约束条件下, 使正确判决概率最大的准则)、5、雷达波形与信号处理5.1匹配滤波器5.1.1 频率响应函数：KU *(f)ej2 f0tm5.1.2冲击响应函数：“*（. t）5.1.3最大输出峰值信噪比E/N0 （对于正弦载频调制的矩形脉冲，平均功率 意义下的峰值信噪比为2Eav/No）；5.1.4对于高斯白噪声，它是最佳滤波器，输出的瞬时信噪比最大，且等于输 入的信噪比；U*( f) j2 f0t5.1.5对于有色噪声，其频率响应函数为:5

11、.2雷达模糊度函数当目标信号实际到达时刻与匹配滤波器设定的时刻存在一个时间差 ，信号的多普勒频率与匹配滤波器设定的多普勒频率之间存在一个频率差 fd时，目标回波输出同设定的匹配接收机输出之间的失配程度叫做雷达模糊度函数，并记为：(,fd) u(t)u*(t )e通过对雷达模糊度函数的分析，我们可以知道雷达能够在何种程度上将两个距离相差 R c /2，在径向速度上相差 V fd /2的目标分开。也就是说，雷达对于目标距离和速度的分辨率和可能的模糊度有多大。二、雷达的基本组成1、雷达天线1.1天线的作用雷达天线的作用主要分为两个方面：（1）、将雷达发射机产生的高能量电磁 波辐射（有一定的方向性）向

12、外部自由空间；（2）、接受目标的回波（包括外部 噪声）。1.2天线的主要参数1.2.1天线的效率：将高频电流转化为电磁波能量的有效程度（短波损耗小）Pa1.2.2天线的方向性系数辐射功率相等时，某天线的最大辐射方向与各向同性天线的功率通量密度的比 值，或者在该条件下，场强平方的比值。此外，也可以定义为其最大辐射方向的 同一接收点场强相同的条件下，各向同性天线的辐射功率与定向天线的总功率的 比值。1.2.3天线的增益与前两个参数类似1.2.4天线的有效面积天线最大接收面积对准来波方向接收，且负载与天线完全匹配时，天线向负 载输出的功率假设为PRmax，设想此功率是由一块与来波方向垂直的面积接收，

13、 这个面积就叫做天线的有效面积1.2.5天线的波束宽度：半功率点处的波束宽度。1.2.6天线的工作带宽2、雷达发射机2.1雷达发射机的作用产生所需强度的高频脉冲信号，并将高频信号馈送到天线发射出去。2.2雷达发射机的分类及特点2.2.1单极振荡式发射机上图是单极振荡式发射机组成框图，其结构简单，比较轻便，效率较高，成 本低，但是频稳性差，难以产生复杂的信号波形，相继的射频脉冲信号之间的相 位不相等，难以满足脉冲压缩，脉冲多普勒等现代雷达系统的要求。2.2.2主振放大式发射机至大线波陋发生器波形信总功率植人*1111 | 1111111岳從木机 11 相T振荡霜折1荡1 q.08 I mi II

14、 ,B| 111纽1.|_ _ -ii上图是主振放大式发射机组成框图，主振放大式发射机具有很高的频率稳定 度，可以发射相位相参信号，能产生复杂的调制波形，并且适用于频率捷变雷达。2.3雷达发射机的主要技术指标2.3.1工作频率和射频带宽工作频率和雷达的工作能力和抗干扰性能有关，射频带宽和雷达的距离 分辨率有关。2.3.2输出功率影响雷达的威力和抗干扰能力。2.3.3总效率发射机的输出功率与输入总功率之比。对于减轻整机的体积与重量很有意 义。2.3.4调制形式根据雷达体制的不同选择不同的调制方式。2.3.5信号稳定度与谱纯度信号的稳定度指信号的各项参数是否随时间做不应有的起伏变化，可分为 规律不

15、稳定和随机不稳定两类。信号稳定度在频域即称信号的谱纯度。3、雷达接收机3.1雷达接收机的作用和分类雷达接收机可分为超外差式、超再生式、晶体视放式和调谐高频式四类。其 中超外差式具有灵敏度高、增益高、选择性好和适用性广等优点，是应用最为广 泛的一种接收体制。3.2超外差式接收机的主要技术指标3.2.1灵敏度 接收微弱信号的能力，通常用最小可检测信号表示。322工作频带宽度表示瞬时工作频率范围，主要决定于高频器件的性能，接收机的工作频带较 宽时，必须选择较高的中频，以减少混频器输出的寄生响应对接收机的性能产生 影响。3.2.3动态范围接收机正常工作时所容许的输入信号强度变化的范围。使接收机出现过载

16、时 的输入功率与最小可检测信号的功率之比，叫做动态范围。3.2.4中频的选择和滤波特性减小接收机噪声的关键因素是中频的滤波特性，如果中频的带宽大于回波信 号的带宽，则过多的噪声进入接收机。反之，如果所选择的带宽比信号带宽窄， 波形将失真且能量会损失。3.2.5工作的稳定性和频率稳定度指环境因素、电源电压等条件发生改变时，接收机的各项参数收到影响的 程度。3.2.6抗干扰能力现代雷达接收机需具备多种抗干扰电路，以适应现代电子战和复杂电磁干扰 环境。3.2.7噪声系数(SNR)in(SNR)ou噪声系数越小，接收机的噪声性能越好。4、相参雷达系统相参雷达是指雷达发射波形的相位之间具有确定的关系或具

17、有统一的参考基准，多数现代雷达系统需要对目标回波进行多普勒效应或脉冲压缩处理， 必须采用相参雷达系统。相参脉冲雷达中各电路节点的信号波形示意图4.1振荡频率源4.1.1基准振荡器（RO基准振荡器的频率极其稳定，它提供雷达工作所需的基准参考频率， 并为雷达系统中的其他电路提供基准的时钟信号。4.1.2相干振荡器（COHO有基准振荡器驱动，其工作频率为f|F，且一般情况下f|F V fRF ,其中f RF为载频，由用户给定。4.1.3稳定本机振荡器（STALO通过基准振荡器驱动来获得最大的频率稳定度，其工作频率为4.2波形调制雷达信号时经过调制的射频信号，因调制信号的不同而得到不同的雷达波 形。波

18、形发生器接收到波形信息后，与相干振荡器输出的中频信号经混频器混频 后，产生低功率的、具有所需发射波形的中频信号，在上图中，冲相干振荡器来 得中频信号（频率为f|F，带宽为0）同带宽为Brf的基带模拟波形混频，产生受 到波形调制的中频信号（频率为fiF，带宽为Brf ）。4.3混频器混频器实际上是一个乘法器，有三角公式可知，混频的结果为一个“和”频 分量和一个“差”频分量，其中，在发射机中，通常使用“和”频分量（上变频）， 在接收机中，通常使用“差”频分量（下变频）。4.4限幅器由于外部的强电磁干扰或目标本身很强的雷达回波信号， 有可能使接收天线的输出信号幅度超过低噪声放大器所能允许的功率极限，

19、将很有可能损坏该放大 器，甚至接收机的其他精密器件，因此，一般采用限幅器将所有回波信号的幅度 强行限制在规定的范围内，不过，限幅器有时可能导致原信号的失真， 从而导致 目标回波信息失真。4.5信号解调和正交检波通过限幅器后的目标回波信号经过低噪声射频放大器放大， 以便得到足够功 率的射频信号，采用低噪声放大器是为了提高接收机的噪声系数。 放大后的射频 信号输入到混频器，进行下变频处理，得到具有相同调制包络的中频信号。正交检波通过正交混频器实现，是相参雷达中广为采用的技术。正交检波后， 得到一对正交的基带信号，分为同相信号和正交相位信号，简称 I、Q信号。其 保留了接收信号中关于目标距离的延迟相

20、位和原始相位信息。5、雷达信号处理机雷达系统对雷达信号的处理主要分为以下三个方面：1） 从雷达接收机的输出中检测目标回波，判定目标的存在与否；2） 测量并录取目标的距离、角度、速度等信息；3） 根据录取的目标信息，对目标进行编批，建立目标航迹，实现目标的稳定跟踪。就目前的经验来看，采用多 DSP和FPGA/CPLD目结合的系统结构是雷达信 号处理机最有效的方案，这种系统结构灵活，实时性强，成本较低，能满足雷达 信号处理通用性的要求。6雷达终端设备6.1雷达终端概述6.1.1雷达终端的基本内容包括：目标数据的录取、数据处理及目标状态的显 示。雷达终端的典型组成框图(1)点迹录取用于实现对来自接收

21、机或信号处理机的雷达目标回报确 认，并提取其仰角、方位角。距离、速度等信息；(2)数据处理完成目标数据的关联、航迹处理、数据滤波等功能实现对 目标的连续跟踪；(3)轴角编码完成天线瞬时指向角的提取及其坐标转换；(4)显示系统完成目标的位置、运动状态、特征参数及空情态势等信息 的显示。2)雷达显示画面的坐标系可分为极坐标和直角坐标两种方式。 根据显示的坐标参数数量，可分为一维显示和二维显示。3)雷达终端采用的显示器件可分为阴极射线管(CRT和平板显示器件，其中 阴极射线管包括静电偏转 CRT和磁偏转CRT平板显示器件包括液晶显示板(LCD和等离子显示板(PDP。4)对于传统的雷达显示器，有直线扫

22、描、径向扫描、以及圆周扫描等方式；对 现代雷达显示器，有随机扫描显示方式和光栅扫描显示方式。5)根据需要显示信息的种类，可将雷达终端设备分为一次信息显示和二次信息 显示，一次显示以模拟显示为主，二次显示以数字显示为主。6.1.2传统雷达显示器的类型及质量指标1)距离显示器距离显示器属于一维显示方式，其画面表现方式为：用屏幕上光点距参考点 的水平偏移量表示目标的斜距，光点的垂直偏转幅度表示目标的回波强度。2） 平面显示器平面显示器为二维显示方式，其画面表现为：用屏幕上光点的位置表示目标 的平面位置坐标，光点的亮度表示目标回波的强度。3） 高度显示器高度显示器为二维显示方式，其画面表现方式为：用平

23、面上光点的横坐标表 示距离，纵坐标表示目标仰角或高度。4） 质量指标（1） 显示器类型：根据所测参数的类型选择；（2） 显示器的目标坐标数量、种类和量程：根据雷达的用途和战术指标来确定；（3） 对目标的分辨力：指对两个相邻目标的分辨能力；（4） 显示器的亮度和对比度：对比度是指图像亮度和背景亮度的相对比值。定义为：一般要求在200%以上。（5） 图像重显频率为使图像画面不出现闪烁，要求图像刷新的频率必须达到一定数值，一般要 求大于每秒20-30次。（6） 显示图像的失真和误差很多因素会使图像产生失真和误差，如扫描线路的非线性失真，字符和图像 位置配合不准确等，在设计中应该根据不同情况予以补偿和

24、改善。（7） 其他指标如体积、重量、功耗、工作温度、电源电压等。6.1.3数字式雷达显示技术数字式显示系统主要有两种形式，即计算机图形显示系统和智能图形显示 系统。其通常由计算机、显示处理器、缓冲处理器、显示控制器、图形功能部件及监视器等部分组成。数字显示系统按其显示内容可分为：字符显示系统、图形图像显示系统及态 势显示系统等；按扫描方式主要有两种类型：一种是早期的随机扫描显示系统， 另一种是目前的光栅扫描显示系统。6.1.4光栅扫描雷达显示系统1）系统构成扫描转换及回波图像生成单元：实现天线波束扫描转换、原始雷达回波和雷达数 据的加工或处理；（1） 图形处理器：显示处理器与显示控制器的整合形

25、式；（2） 帧缓存：分为图像体和图形体，图像体用于存储雷达的原始回波图 像信息，图形体用于存储图形、字符等信息，帧缓存容量不能小于屏 幕的物理分辨率所决定的总像素，为了对图像进行展开等特殊显示处 理，帧缓存的容量通常比屏幕像素数大很多倍；（3） 监视器：光栅扫描显示器。2）图像通道（1） 系统构成图像 帧缓 存各部分功能1、A/D变换：将雷达原始信号转换成数字信号，满足奈奎斯特准则；2、数据压缩：显示屏幕上一根扫描线上的像素点往往小于雷达回波在一 个雷达重复周期内的采样点数，为正常显示，需对邻近距离单元的回波数 据进行必要的合并压缩处理；3、矢量产生：为产生径向扫描线，需要产生扫描线上各像素点

26、的 X、丫坐标值，可以通过矢量产生器得到。4、图像展开：对矢量产生的坐标值进行相应的变换处理。3）图形通道（1）、系统构成（2）各部分功能1、图形处理器：直接外部主机接口，可编程 CRT控制，直接DRAM、 双口 VRAM接口，自动CRT显示刷新，直接灰度转换。2、视频DAC:完成显示信号的接收与锁存，画面优先叠加，彩色查找， D/A转换及状态控制等。三、 雷达测距根据雷达发射信号的不同，测定延迟时间通常采用脉冲法、频率法和相位法。3.1脉冲法测距R 0.15tR有两种定义回波到达时间tR的方法：一种是以目标回波脉冲的前沿作为它的到达时刻；另一种是以回波脉冲的中心作为它的到达时刻。3.2调频法

27、测距3.2.1调频连续波测距在无线电波从目标返回天线的这段时间内， 发射机频率较之回波频率已有了 变化，因此在混频器输出端便出现了差频电压。 后者经过放大、限幅后加到频率 计上。由于差频电压的频率与目标距离有关， 因而频率计上的刻度可以直接采用距离长度作为单位。（1） 三角波形调制ft为发射频率，fr为回波频率，对于一定距离的目标回波，除去在时间轴上很小的一部分2R/C以外（这里差频急剧下降至零），其他时间差频是不变的。若用频率计测量一个周期内的平均差频值：f 8 fR J 2R/cfbavTmC Tm实际工作中，应保证单值测距且满足 Tm? 2R/C，由此可以得出目标距离。4 f若存在多普勒

28、频移，回波频率为： fr f0 fd t 2R/CTmCfb为前半周正向调频范围,fb为后半周负向范围，如果能分别测出fb和fb ,就可以求得目标运动的径向速度：v /4 fb fb 。由于频率计数只能读出整数数字而不能读出分数值，因此这种方法会产生一个固 定误差：R 丛，为减小这项误差，往往使 f加大到数十兆赫兹以上,8 f fm而通常工作频率则选为数百兆赫到数千兆赫。(2)正弦波调频正弦波调频的发射信号为：ut UtSin(2 fot sin2 fmt)，其回波电压2fm可表示为：Ur Ur si n(2 fo(t T) sin2 fm(t T)。其余推导过程与三2 f m角波类似。正弦波

29、调频可以解决三角波调制要求严格线性调频的技术困难。 在调频连续波雷达测距时，还可以提供附加的收发隔离。(3)调频连续波雷达的特点：能测量很近的距离，一般可测到数米，而且有较高的测量精度；雷达线路简 单，且可以做到体积小，重量轻，普遍应用于飞机高度表及微波引信等场合。 主要缺点：难以同时测量多个目标。如欲测量多个目标，必须采用大量滤波器和频率计 数器等，使装置变得复杂，从而限制了其应用范围。收发间的完善隔离是所有连 续波雷达的难题。发射机泄露功率将阻塞接收机，因而限制了发射功率的大小。 发射机噪声的泄漏会直接影响接收机的灵敏度。3.2.2脉冲调频测距脉冲调频时，发射信号频率分为三段，分别采用正斜

30、率调频，负斜率调频和 发射恒定频率。接收机混频器中加上连续振荡的发射信号和回波脉冲串， 故在混 频器输出端可得到收发信号的差频信号。当发射信号的频率经过了 A、B C变化的全过程后，每个目标的回波将是 3 串不同中心频率的脉冲。经过接收机混频后可分别得到差频 FA、FB和FC，然后 按上式就可以得到目标距离和径向速度。在用脉冲调频法时，可以选取较大的调频周期 T,以保证测距的单值性。这 种测距方法的缺点是测量精度较差，因为发射信号的调频线性不容易做好， 而频 率测量也不容易做准确。3.3测距精度对于常规脉冲测距雷达，雷达测距精度取决于其对时延的测量精度。因此, 测距的均方根误差为：其中,tR为时延测量的均方根误差。基于似然比、逆概率等多种统计方法可以tR x2ETn；其中,E为信号能量；No为噪声功率谱密度； 为有效带宽，其定义为:1 (2 f)2S(f)2df|S(f)| df E结论,在保持相同信噪比的条件下，信号频谱 S(f)的能量越朝两端会聚，则