雷达系统(1)

第1章雷达系统概述1.1典型的雷达系统机载相控阵雷达系统机载相控阵雷达在雷达对抗、电子战中的典型应用1.1典型的雷达系统地面/海岸警戒雷达1.2典型雷达系统的基本组成常规脉冲雷达系统的基本组成:雷达天线、发射机、接收机、信号处理器等。ΔAΣΔEA/DA/DA/D幅度估计信号谱估计幅度估计方位角多普勒频率俯仰角发射机多目标分辨与估值接收机接收机接收机相控阵雷达系统的基本组成:雷达天线阵列、T/R组件、信号处理器等。1.2典型雷达系统的基本组成(1)典型的雷达天线相控阵雷达天线双极化平板裂缝天线线极化平板裂缝天线共型阵列天线AN/APG-77AN/APG-81AN/APG-63v2AN/APG-80AN/APG-79REB2外军的典型相控阵雷达天线(2)典型的雷达发射机磁控管发射机速调管发射机行波管发射机(3)典型的雷达接收机包括：微波接收机；中频接收机(或数字接收机)。(4)典型的雷达信号处理机以FPGA和宽带ADC器件为核心构成的宽带雷达信号处理系统以高速DSP器件为核心构成的雷达信号处理系统(5)T/R组件微波光子收发组件微波收发组件数字T/R组件结构雷达(radar):“无线电探测与定位”。雷达的基本任务是探测目标、测定目标距离、方向、速度等状态参数。目标距离测定:雷达准确测量从电磁波发射时刻到接收到回波时刻的延迟时间，这个延迟时间是电磁波从发射机到目标，再由目标返回雷达接收机的传播时间。目标的方向性测定:通过机械和电气上的组合作用，雷达把天线的指向雷达要探测的方向，一旦发现目标，雷达读出此时天线的指向角，就是目标的方向角。现代雷达多用单脉冲测角方法。目标的运动速度测定:当目标和雷达之间存在着相对位置运动时，目标回波的频率就会发生改变，频率的改变量称为多普勒频移，据此确定目标的相对径向速度。1.3雷达系统的基本原理地面雷达：高塔、车、船、地基等为雷达平台空载雷达：飞机、导弹、气球、飞艇等天基雷达：卫星、飞船、空间站、航天飞机等雷达平台电磁波的特性:1.4雷达系统的基本方程（1）脉冲雷达方程设Pt为雷达系统的发射功率，Gt为雷达天线增益，Gr为雷达天线增益，目标的等效反射截面为RCS，Pt为雷达发射功率，Rt为目标与雷达之间的距离，Lt为雷达的发射机馈线损耗，Lr为雷达的接收馈线损耗。雷达系统接收功率Prs：rttrttrsLLRRCSGGPP432)4(当雷达收发共用天线Gt=Gr时,脉冲雷达系统的方程：rttttrsLLRRCSGPP4322)4(雷达方程的局限性（应用中注意的问题）：（1）雷达方程实际上是一个超越方程如方程中RCS（雷达散射截面）是波长λ的函数。方程中系统损耗L等参数也是波长λ的函数。（2）雷达方程是一个能量关系方程方程中各种影响参量都折算成系统损耗或系统增益反映在方程中。在雷达对抗中，压制干扰功率可折算为系统损耗，但欺骗性干扰对雷达系统的影响无法用等效的损耗系数来描述。因此必须考虑更准确的描述形式。（2）脉冲雷达的干扰方程22()(4)rjjjtjpoljrfPPGGRLLLL式中，PjGj为雷达干扰机辐射的等效功率；Rj为干扰机与雷达间的距离；Lpol为干扰机极化不匹配损耗；Lf为雷达接收机带宽与干扰频谱宽度比；Lj为干扰机馈线损耗系数；Lr为雷达接收馈线损耗系数；θ为雷达天线副瓣波束角，即雷达天线在干扰方向与雷达天线在目标方向（雷达天线主瓣方向）的夹角；Gt(θ)为雷达天线在干扰机方向的副瓣增益。雷达、目标与干扰机的空间位置关系当取Rt=Rj，Gt=Gt(θ)时，由上式得到自卫式干扰的干扰方程。(3)干扰压制系数Kj干扰压制系数Kj表示干扰机对雷达系统能够进行有效干扰。当雷达系统目标检测概率降低为Pd=0.1时，在雷达接收机的输入端所需要的干扰信号功率与目标回波信号的功率最小比值。1.0mindPrsrjjPPK压制系数（Kj）是干扰样式、雷达接收机响应特性、信号处理方式等的综合函数。压制系数（Kj）越小，说明雷达系统的抗干扰性能越差；压制系数（Kj）越大，说明雷达的抗干扰性能越好。压制系数也是比较各种干扰信号优劣的标准之一。424()jjtttjttjtpoljfPGRGLKPGRCSRGLLL244()jttjpoljftjjtttKPGRCSRLLLGPGRGL自卫式干扰(Rt=Rj，Gt=Gt(θ)):掩护式干扰:24jjjtjttpoljfPGRLKPGRCSLLL24jttpoljfjjjtKPGRCSLLLPGRL(a)干扰机功率PjGj和雷达功率PtGt成正比，亦即压制大功率雷达所需干扰功率也大。对雷达来讲，增大PtGt就可提高其抗干扰能力；对于干扰机来讲，增大干扰机功率PjGj就可提高对雷达压制的有效性。(b)干扰机的有效辐射功率PjGj与雷达天线的主、副瓣增益比Gt/Gt(θ)成正比。说明雷达天线方向性越强，抗干扰性能越好，需要的干扰功率就越大。(c)干扰机有效功率PjGj与目标散射截面RCS成正比。说明被掩护目标的有效反射面积越大，所需要干扰功率PjGj就越大。(d)有效干扰功率PjGj和压制系数Kj成正比，Kj越大，所需要的PjGj就越大。(4)干扰条件下雷达方程2034(4)ttrrstAtmtrPGGRCSDPRLLLRCS：目标的单基地雷达截面积（m2）；Gt和Gr：分别为目标方向雷达发射、接收天线增益；D0：雷达系统抗干扰因子；Rt：目标与雷达之间的距离（m）；Lt：雷达发射综合损耗；Lr：雷达接收综合损耗；LAtm：电磁波在大气中的传输损耗；λ：雷达系统的工作波长（m）。雷达系统的抗干扰改善因子是雷达系统引入某种抗干扰措施后，雷达接收机输出端的信干比（S/J）与雷达未采取抗干扰措施时的接收机输出端的信干比(S’/J’)的比值，即：0/'/'SJDSJ雷达对某种干扰有几种抗干扰措施，每种抗干扰措施的效果是不同的，某一种干扰的总干扰改善因子D0：0121nniiDDDDD其中，D1，D2，···，Dn分别代表旁瓣对消、脉压、频率捷变、脉冲积累、宽-限-窄处理、低副瓣天线、CFAR等抗干扰改善因子。雷达受到远距离支援干扰时，若假定远距离干扰机固定在某一空域，则雷达的探测区将变为以干扰机和雷达连线的水平投影为轴对称的一个心形曲线的内部。如图所示。远距离支援干扰时雷达探测区雷达天线具有强的方向性(APY-3天线方向图)1.5雷达的技术指标（参数）•雷达的战术指标：•(1)作用距离:由雷达距离方程确定•(2)测距分辨力与精度距离分辨率取决于雷达发射信号带宽:•(3)测角分辨力与精度角分辨率取决于雷达系统天线波束宽度•(4)测速分辨力与精度•取决于雷达信号处理中的频谱估计算法的分辨率与精度BcR21.6雷达系统的分类与主要特点•脉冲多普勒雷达•相控阵雷达•脉冲压缩雷达•合成孔径雷达•数字阵列雷达•毫米波雷达和激光雷达1.7雷达新技术和新概念1.7.1新概念、新体制雷达技术:（1）具有信息处理能力的多基地和组网雷达。•（2）分布式多传感器系统。•（3）具有较高数据率和目标照射时间的新波形。•如宽带、低截获概率(LPI)、高精度/实时性。•（4）多波束：聚集波束、隔行扫描、后视能力、利•用分布式天线系统的优势。•（5）灵巧蒙皮，共形宽带天线与数字波束形成结合。•（6）数字阵列雷达系统。•（7）分布式多基地雷达。1.7.2现代雷达信息处理技术信息处理算法(如噪声/杂波/干扰信号中的目标信息提取、空时自适应处理、先跟踪后探测、波形和扫描智能化管理)将成为影响雷达性能的关键因素。信息处理是雷达系统的核心，而对处理能力的要求是无穷无尽的。时域频域空域极化域雷达信号处理系统及方法1.7.3阵列天线与数字波束形成在舰载雷达雷达中，顶层集成桅杆概念正在研究开发中。雷达截面积、天线集成和传播预测、频率综合技术是在雷达系统设计和开发中需要重点考虑的因素。对未来的雷达系统，厚度小/宽带有源天线已是不可或缺的，它能够提供完善的适应能力以及监视、搜索和识别优化组合模式所需的各种波形。A/D接收窄波束A/DA/DD/A发射窄波束D/AD/A(a)A/D接收窄波束A/DA/D发射宽波束(b)A/D接收多向窄波束A/DA/D发射全向宽波束D/A(c)A/D接收多向窄波束A/DA/D发射正交全向宽波束(d)D/AD/AD/AD/AD/AD/A数字阵雷达灵活的波束形式1.7.4波形产生及编码技术在杂波环境下检测到隐身目标，需要有高纯度本振。超导空腔和光学器件是最佳选择。小型化数字波形发生器也将成为可能，通过数-模变换器的优化，可获得所需的频谱纯度。对于低频雷达(L和S波段)来说，充分利用现有通信设备的优势来实现全分布式天线的灵活性，而无需预先确定子阵，并最终提供直接数字接收模块。(1)单/多载频脉冲信号(2)脉间捷变频和线性调频信号(3)相位编码脉冲信号(4)步进频率信号])(2exp[]/)[()(010tfnfjTnTtrecttsNnpr其中，Tp为子脉冲时宽；Tr为脉冲重复周期(PRT)；f0为常载频；Δf为步进频；N为脉冲串子脉冲个数。频率步进信号将带宽为B=NΔf的信号分成N次发射，降低了系统的瞬时带宽，从而减轻了数字信号处理的负担。频率步进信号是一种距离高分辨信号，但它是一种多普勒敏感信号，存在距离-多普勒耦合问题。(5)调频步进频率信号调频步进频率信号是在步进频率信号的基础上，在每个脉冲宽度内进行线性调频。线性调频步进信号是一种重要的高分辨信号，但它也是一种多普勒敏感信号，存在距离-多普勒耦合问题。])(2exp[])(exp[]/)[()(0210tfnfjnTtKjTnTtrecttsrNnpr其中，Tp为子脉冲时宽；Tr为脉冲重复周期(PRT)；K为子脉冲调频斜率；f0为常载频；Δf为步进频；N为脉冲串子脉冲个数。雷达宽带发射信号产生实例（VCO方法）(1)本射频信号源主要由PC计算机、USB总线电路（CY7C68013）、FPGA逻辑控制电路（XC9536）、RF频率综合器（ADF4360-7）、差分功率放大器（AD8351）、RF变压器（ECT-1-13）及功分器（可选，ADP-2-20）。射频信号源分为四个独立的通道，每个通道有两个输出端口（SMA接口）。每个通道的RF输出信号频率、输出功率都可以独立设定，以满足各种不同的需要。输出信号频率：350~1800MHz；输出信号幅度：-10dBm~+10dBm。RF信号频率、幅度可在控制计算机上界面设定。FPGA1(XC9536XL)I通道RF输出SPI总线PLL/VCO-1RFA(ADF4360-7)RFBI通道信号Q通道信号差分RF放大器-1NHIOPHI（AD8351）INLOOPLOI通道信号Q通道信号RF变压器-1（ETC-1-13）Q通道RF输出I通道RF输出SPI总线PLL/VCO-2RFA（ADF4360-7）RFBI通道信号Q通道信号差分RF放大器-2INHIOPHI（AD8351）INLOOPLOI通道信号Q通道信号RF变压器-2（ETC-1-13）Q通道RF输出FPGA2(XC9536XL)I通道RF输出SPI总线PLL/VCO-3RFA（ADF4360-7）RFBI通道信号Q通道信号差分RF放大器-3INHIOPHI（AD8351）INLOOPLOI通道信号Q通道信号RF变压器-3（ETC-1-13）Q通道RF输出I通道RF输出SPI总线PLL/VCO-4RFA（ADF4360-7）RFBI通道信号Q通道信号差分RF放大器-4INHIOPHI（AD8351）INLOOPLOI通道信号Q通道信号RF变压器-4（ETC-1-13）Q通道RF输出USB控制器(CY7C68013)PC微型计算机USB2.0总线CY7C68013的PA口、PB口、PD口等数字控制射频信号源电路总体框图数字控制射频信号源电路实物图数字控制射频信号源电路测试图基于VC