雷达基本工作原理

雷达与ARPA大连海事大学航海学院仪器教研室第一部分雷达基本工作原理雷达:——Radar——Radiodetectionandranging——无线电探测和测距。定义：雷达是一种通过发射电磁波和接收回波，对目标进行探测和测定目标信息的设备。直线传播二次辐射（反射）目标雷达所能发现的所有目标。船舶岛屿（陆地）浮标海浪杂波雨雪杂波相对位置（距离和方位）真速度真航向CPA（ClosestPointofApproach)TCPA(DistancetoCPA)(1)避碰距离，方位，速度，航向...测量目标参数(2)无视线限制(1)远距离探测尽早发现目标三个主要用途:(2)定位导航1.2海上雷达的用途雷达/ARPA,ECDIS,GPS/DGPS和自动舵构成的自动船桥系统是未来主要的导航系统雷达结构及其工作原理雷达影像失真的特点及其产生原因影响雷达正常观测的诸要素雷达测距/测方位雷达定位与导航雷达航标1.3雷达考核内容雷达的测距与测向原理方向扫描量程:回波(at10nm)Δt＝123.5μs荧光屏边缘本船目标岛屿12nm目标90°245°245EBL901802700方位标志海图平面雷达平面Fig.距离与方位测量扫描线固定距标圈HL岛屿本船雷达不能“感知”目标的背面，因此目标的后沿是不可见的.往返于天线与目标的时间,C:电磁波在空间传播速度3×108m/s。2.雷达测向原理借助于定向天线－扫描.1.4雷达的测距与测向原理1tCRΔ2×=触发器显示器~4000MHz7.5~15cm3050MHzX波段3cm波长8000~12500MHz2.4~3.75cm9375MHz。2.脉冲宽度τ每次发射脉冲的射频振荡持续时间.0.05~0.2us3雷达相关技术参数天气好:Xband;天气坏(雨/雪):Sband脉冲重复周期Tf（P.R.FPulseRepeatFrequency）每相邻两次发射脉冲的时间间隔。（400~4000Hz）4.发射峰值功率Pt:在脉宽持续时间内的功率3雷达相关技术参数5.发射平均功率Pm:在脉冲重复周期内的功率Tpptmt=6.接收机灵敏度Prmin:表示接收机接收微弱信号的能力Prmin=kT△f·N△f接收机通频带N接收机噪声K波尔兹曼常数T接收机端绝对温度接收机带宽△f指在放大情况下，允许通过接收机的信号频率范围。3雷达相关技术参数长脉冲→窄范围的频谱△f↑→噪声↑→灵敏度↓→失真↓△f↓→噪声↓→灵敏度↑→失真↑兼顾:远量程△f↓→灵敏度↑近量程△f↑→灵敏度↓航海雷达1～25MHz天线增益定向天线最大辐射方向的功率与点状天线各向均匀辐射的平均功率之比。表示定向天线的功率集束能力。3雷达相关技术参数=2a4GeaGeAAaGllp9.水平波束宽度θH在水平面内的波束半功率点的宽度。LHlq70=LqH方位分辩率一般为1ºθH半功率点ABBCC水平方向性图PLR半功率点表示在垂直面内的波束半功率点的宽度。为防止船舶摇摆时不至丢失目标，一般15º~30º。3雷达相关技术参数HBWVBW棒状波束通过分析雷达使用性能及其影响因素，了解雷达影像失真的特点及其产生原因，是正确理解和使用雷达图像信息的前提。4雷达使用性能及其影响因素最大探测距离最大作用距离最小作用距离距离分辨率方位分辨率在考虑地球曲率、天线高度、物标高度及雷达电波传播空间大气折射影响时，雷达可能观测的最大距离4.1最大探测距离)2.23(21hhR+=几何地平1.93光学地平2.07雷达地平2.23雷达地平和最大探测距离hh天线雷达地平目标雷达地平21一台雷达在一定的电波传播条件下，对某一特定的物标，雷达能满足一定发现概率是，所能观测到物标的最大距离，其影响因素包括：4.2最大作用距离雷达技术参数物标反射性能海面反射（工作环境）大气衰减=rAtPGPRplPt:天线发射的脉冲功率；GA：天线增益；λ：工作波长；Prmin：接收机门限电压；σ0：物标有效散射面积最大作用距离大小尺寸物标形状表面结构入射波的方向物标质地工作波长侧视图俯视图海面（镜面）反射对雷达最大作用距离的影响4.2最大作用距离到达物标有直射波和海面反射波，两者互相作用造成雷达波束在垂直方向上的分裂现象。回波将时隐时现。目标直射波反射波平静的海面最大作用距离与工作频率有关，S波段强于X波段大雾对雷达回波有影响与天线波束宽度及脉冲宽度有关指雷达波在大气层传播过程中受到大气吸收或散射导致雷达波能量的衰减，其特点是：最小作用距离指雷达能在显示器屏幕上显示并测定物标的最近距离，最小作用距离取决于：)(2Cmin1rtR+=t脉冲宽度τ和收发开关恢复时间tr雷达的安装位置，吃水，垂直波束宽度min1RRmin2θH最小作用距离受垂直波束宽度影响零发射线半功率发射线…………Rmin2=H·ctgθv距离分辨率指雷达分辨同方位的两个相邻物标的能力，取决于：量程选择脉冲宽度和回波波形屏幕大小及象素点接收带宽带宽失真距离分瓣率荧光屏边缘AB方位分辨率指雷达分辨距离相同方位相邻的两个物标的能力，取决于：水平波束宽度荧光屏及象素点大小增益亮度调整方位分瓣率象素分瓣率θHθH雷达指标对使用性能影响工作波长λ脉冲宽度τ脉冲重复频率f*发射峰值功率Pt*天线波束宽度天线转速nA天线极化型式*接收机通频带△f*工作波长对使用性能影响正常天气观测较小的物标时，3cm雷达的rmax要比10cm的大雨雪天，则10cm雷达的rmax要比3cm雷达的大得多1对最大作用距离的影响2对距离分辨率和测距精度的关系工作波长越短，脉冲前沿越短，测距精度高；脉冲前沿越短，有利于缩短脉冲宽度，提高距离分辨率3对方位分辨率和测方位精度的关系工作波长越短，天线水平波束宽度越窄，方位分辨率和测方位进度越高4抗杂波干扰能力的关系工作波长越短，雨雪海浪等对雷达波德反射越强，干扰越大脉冲宽度对使用性能影响脉冲宽度越大，能量越大，作用距离越大1对最大作用距离的影响2对最小作用距离的关系脉冲宽度越小，rmin越小3对距离分辨率和测距精度的关系脉冲宽度越小，△rmin越小，距离分辨率越高脉冲宽度越小，雷达回波图像外侧的图像扩大效应越小，图像失真小，有利于提高测距精度4对抗杂波干扰能力的关系脉冲宽度越短，缩短照射在雨雪及海浪上的时间，干扰回波较弱天线波束宽度对使用性能影响θH越小，GA越大，rmax越大θH越小，△amin越小，方位分辨率越高θH越小，回波图像的“角向肥大”（θH/2）越小,测方位精度越高θH越小，照射到海浪、雨雪等范围小，杂波干扰回波强度小1天线水平波束宽度θH2天线垂直波束宽度θvθv越小，GA越大，rmax越大θv越大，最小作用距离越小θv越小，θv越小，照射到海浪、雨雪等范围小，杂波干扰回波强度小天线转速对使用性能影响在天线θH与F一定的情况下，天线波束扫过物标时可增加照射物标的次数，获得更多的回波脉冲累积数，增加雷达最大作用距离1天线转速低2天线转速高图像连续性较好有利于观察高速运动的物标有利于抗海浪干扰