雷达原理

雷达原理1雷达组成和测量原理2雷达新技术3雷达主要指标4雷达的信号形式5雷达种类6建议的雷达测试解决方案1雷达组成和测量原理雷达(Radar)是RadioDetectionandRanging的缩写，原意“无线电探测和测距”，即用无线电方法发现目标并测定它们在空间的位置。现代雷达的任务不仅是测量目标的距离、方位和仰角，而且还包括测量目标速度，以及从目标回波中获取更多有关目标的信息。1.1雷达组成雷达简单组成框图雷达主要组成框图雷达主要由天线、发射机、接收机、信号处理和显示设备组成，基本组成框图如图1所示。通常雷达工作频率范围为2MHz～35GHz，其中超视距雷达工作频率为2～30MHz，工作频率为100～1000MHz范围一般为远程警戒雷达，工作频率为1～4GHz范围一般为中程雷达，工作频率在4GHz以上一般为近程雷达。老式雷达发射波形简单，通常为脉冲宽度为τ、重复频率为Tτ的高频脉冲串。天线采用机械天线，接收信号处理非常简单。这种雷达存在的问题是抗干扰能力非常差，无法在复杂环境下使用。由于航空、航天技术的飞速发展，飞机、导弹、人造卫星及宇宙飞船等采用雷达作为探测和控制手段，对雷达提出了高精度、远距离、高分辨力及多目标测量要求，新一代雷达对雷达原有技术作了相当大的改进，其中频率捷变和线性相位信号、采用编码扩频的低截获概率雷达技术、动态目标显示和脉冲多普勒技术是非常重要的新技术。雷达频率分段波段名称频率分配雷达频段HF2～30超视距雷达VHF/UHF100～1000MHz420~450MHz890~940MHz远程雷达L1～2GHz1.215~1.4GHz中程雷达S2～4GHz2.3~2.5GHz2.7~3.7GHz中/近程雷达C4～8GHz5.25~5.925GHz近程雷达X8～12GHz13.4~14GHz15.7~17.7GHz近程雷达Ku12～18GHz13.4~14GHz15.7~17.7GHzK18~27GHz24.05~24.25GHzKa27~40GHz33.4~36GHz1)目标斜距的测量脉冲雷达接收时域波形1.2雷达测量原理脉冲雷达接收时域波形连续波雷达频域波形在雷达系统测试中需要测试雷达到目标的距离和目标速度，雷达到目标的距离是由电磁波从发射到接收所需的时间来确定，雷达接收波形参见图3，雷达到达目标的距离R为：R＝0.5×c×tr式（2）式中c=3×108m/s，tr为来回传播时间2)目标角位置的测量目标角指方位角或仰角，这两个角位置基本上是利用天线的方向性来实现。雷达天线将电磁能汇集在窄波束内，当天线对准目标时，回波信号最强。回波的角位置还可以用测量两个分离接收天线收到信号的相位差来决定。1)目标斜距的测量3)目标尺寸和形状当雷达测量具有足够高的分辨率，可以提供目标尺寸的测量。当雷达和目标有相对运动时，可以利用多普勒效应切向距维的分辨率。此外，比较目标对不同极化波的散射场，可以提供目标形状不对称性的量度。复杂目标的回波振幅随时间会变化，可通过谱分析检测到，这些信息为目标识别提供了相应的基础。4)相对速度的测量由于多普勒效应，从运动目标反射回来的回波信号频率与发射信号频率相比，增加了一个多普勒频率偏移成分，上图是多普勒雷达回波信号频谱。测量回波信号的多普勒频移，可得到目标速度信息Vr：Vr＝0.5×fd/λ式（3）式中为fd为多普勒频移，λ为雷达信号波长。目标面对雷达飞行，多普勒频率为正，当目标背向雷达飞行，多普勒频率为负。UHF频段fd为多普勒频移在10Hz～100Hz范围，HF频段多普勒频移1Hz～10Hz，我们可以估算UHF频段多普勒雷达频率准确度约在10－8～10－9，HF频段多普勒雷达频率准确度约在10－7～10－8，此时AWG需要外接标频。多普勒雷达回波信号频谱1.3雷达探测能力――基本雷达方程雷达能在多远距离上发现目标，由雷达方程来回答。雷达方程将雷达作用距离和雷达发射、接收、天线和环境等因素连续起来。雷达能探测最远距离Rmax如下：Rmax＝(PtGAeσ/(16π2Smin))1/4式中Pt为发射机功率，G为天线增益，Ae为天线有效接收面积，σ为雷达回波功率截面积，Smin为雷达最小可探测信号。雷达方程可以正确反映雷达各参数对其检测能力影响的程度，不能充分反映实际雷达的性能。因为许多影响作用距离的环境和实际因素在方程中没有包括。由于航空、航天技术的飞速发展，飞机、导弹、人造卫星及宇宙飞船等采用雷达作为探测和控制手段，对雷达提出了高精度、远距离、高分辨力及多目标测量要求，新一代雷达对雷达原有技术作了相当大的改进，主要体现在：锁相技术和高稳定振荡器；频率捷变和线性相位；采用编码扩频的低截获概率雷达技术；动态目标显示和脉冲多普勒技术；电扫描与相控阵；数字信号处理与高速信号处理芯片；超高速集成电路与专用集成电路。2雷达新技术一般雷达测试除进行频率、功率、相位噪声、噪声系数等常规测试外，但是这样测试都只是在较低层次上进行射频、微波部件测试，同时提供测试用雷达信号形式非常简单，不能满足复杂雷达信号测试需求。更为重要的是，雷达在实际工作过程中接收到的信号并不是纯净的发射回波，它包含各种杂波和多普勒效应，特别是在地形复杂或海面各种时，接收机接收到的杂波比需要探测的物体回波大的多，而这一切目前没有通用测量设备来生成雷达接收机所接收到的实际波形。因此各个雷达研制单位投入大量人力、物力研制各种雷达模拟器，但这些模拟器往往受各种设计因素影响，只是实际雷达波形的简化，并只考虑到典型的应用，对复杂的应用环境无法模拟。这样无法及时发现雷达研制和使用过程中问题和隐患。因此我们需要寻找一种新的手段模拟实际环境下的雷达信号，Tektronix的AWG、WCA、TDS8000、TLA是解决这一问题的有利工具。3.1雷达主要战术技术指标观察空域观察时间与数据率测量精度分辨率抗干扰能力观察与跟踪的目标数数据的录取与传输能力工作可靠性与可维修性工作环境条件核爆炸和抗轰炸能力机动性能3雷达主要指标天馈线性能雷达信号形式发射机性能接收机性能测角方程雷达信号处理雷达数据处理能力3.2雷达的主要技术指标工作频率输出功率发射机效率信号稳定度或频谱纯度3.3雷达发射机主要指标灵敏度工作频带宽度动态范围中频的选择和滤波特性工作稳定性和频率稳定性抗干扰能力3.4雷达接收机主要指标按雷达信号脉冲形式可分为连续波雷达和脉冲雷达，绝大多数雷达为脉冲雷达。按不同信号调制形式分为多普勒雷达、脉冲压缩雷达和频率捷变雷达等。按信号瞬时带宽，雷达可分为窄带雷达和宽带雷达。4雷达的信号形式4.1雷达调制制式雷达常用信号形式4.2雷达发射波形简单脉冲雷达信号时域波形简单脉冲雷达信号频谱雷达信号频谱不同参数频谱脉冲压缩雷达波形典型C波段本振相位噪声巴克码由于具有非常尖锐的自相关性，在雷达中采用非常广泛。位数巴克码2+-3++-4+-++5+++-+7+++--+11+++---+--+-13+++++--++-+-+巴克码码型各种雷达波形巴克码相关特性5雷达种类5.1雷达分类雷达种类特点应用预警雷达(超远程雷达)数千公里，精度不高发现洲际导弹和战略轰炸机搜索和警戒雷达600km以上，精度不高搜索飞机引导指挥雷达(机场调度、监视雷达)多批次目标检测，目标三坐标，目标精度要求较高对歼击机引导和指挥作战，火控雷达几十公里，精度很高控制火炮(地空导弹)对空瞄准制导雷达精度较高、多批次目标跟踪测量飞机或导弹运动轨迹，控制导弹攻击战场监视雷达发现坦克、车辆、人等运动目标机载截击雷达精度高测量和攻击敌机机载护尾雷达精度低发现尾部有无敌机机载导航雷达精度较高显示地面图象，用于全天候导航无线电高度仪连续波调频雷达测量飞机离开地面或海面距离军用雷达按作用分类雷达按调制制式分类及关键指标CW雷达：相位噪声、收发隔离度、灵敏度/动态范围FM－CW雷达：相位噪声、隔离度调制线性简单脉冲雷达：测量分辨率、更高的收发隔离度脉冲多普勒雷达：相位噪声、峰值功率、PRF、噪声系数、I/Q通道匹配、ADC量化脉冲压缩（线性调频、非线性调频）雷达:：chirp带宽、脉冲压缩范围脉冲压缩（相位编码）雷达：编码形式、多普勒容限频率捷变雷达：频率捷变速度、频率捷变带宽MTI动态目标显示雷达：MTIcancellation、PRF、Coherent-on-receive相控阵雷达双基雷达测量雷达：测量分辨率、水平/垂直极化5.2超视距雷达低空与超低空现代飞机和巡航导弹的重要作战手段之一，普通地面雷达地球曲率的影响，无法解决该问题，即使机载预警雷达，探测距离只有300～400km。此外，隐形飞机的隐身设计，使普通雷达难以探测。天波超视距雷达工作在6～28MHz，探测距离一般为1000～3500km。地波超视距雷达工作频率在3～12MHz，探测距离一般为300～400km。短波信号传播原理超视距雷达探测隐身飞机的原理是因为飞机尺寸与超视距雷达的波长相当，产生谐振，使信号放大，容易检测。另外隐形飞机的电波吸收材料主要在较高频段起作用。超视距雷达工作原理5.3复杂的实际接收环境雷达回波当探测低空目标时，雷达势必会接收到强地面/海面反射的背景杂波，为了探测巡航导弹和雷达截面积小的飞行目标，必须要求雷达有很高的杂波可见度。杂波可见度是描述脉冲多普勒雷达或动目标显示雷达检测地杂波目标能力的一个品质系数。复杂回波信号频谱地面雷达以固定的大地为雷达平台，地面物体相对雷达静止不动，地面反射回波没有多普勒频率偏移，只在信号中心频率附近有微小的展宽。机载雷达平台处于运动中，原来静止不动的物体的回波都会产生多普勒频率偏移。因此区分“运动”的地物和“运动”的目标比起地面雷达困难的多，如下图所示的复杂回波信号频谱，模拟该信号对雷达性能测试更具有意义。多目标信号频谱5.4雷达新技术发展在更大空域范围内观察多种目标的能力。提高对雷达截面积减小10～30dB的隐身目标的能力提高雷达在恶劣环境下工作的可靠性/有效性和生存能力。提高雷达测量的分辨率和精度，以适应具有精确打击能力的各类作战平台的发展需要。进行目标分类，识别和判别目标属性。对地面（海面）与空中运动目标进行高分辨率成像。多部雷达组网，雷达信息进入各类C3I系统和作战平台的综合能力。从军事需求上看，对新一代雷达提出的重点要求如下：雷达频率的扩展。工作频率高端朝毫米波/红外/激光雷达方向发展，低端朝VHF/UHF和HF波段发展。雷达目标识别。根据雷达观察数据和从雷达回波中提取的目标信息，对目标进行分类/识别，识别目标属性，区分真假目标。雷达成像技术。采用大的瞬时带宽，可进行目标的高分辨率一维成像，同时采用合成孔经雷达（SAR）和逆合成孔经雷达（ISAR）相控阵天线技术。与相控阵天线相关的发射/接收组件，数字波束形成技术，数字信号处理技术，自适应波束形成技术先进的信号处理与数据处理技术为满足军事日益增高的需求，雷达新技术不断地得到发展，主要表现如下：6建议的雷达测试解决方案6.1TDS8000和TDS7000用于时域波形频率测量时域测量中心频率瞬时功率占用带宽PRI/PRF（脉冲重复频率）寄生和谐波PRI抖动通断比inter-pulsemodulation示波器测量的优点：通用工具宽的带宽容易使用要注意：频率混淆动态范围频响存储深度FFT分析抖动分析：连接图如下TDS800086100AD采样分辨率14bit12bit时间间隔准确度21ps/d8ps+0.001%≤20ps/d1ps+1%8ps+0.1%TDS8000与Agilent86100比较6.2AWG用于信号模拟（略）6.3WCA用于矢量分析WCA330/38089600系列通道/频段多通道（RF、I/Q、基带）WCA330：DC～3GHzWCA380：DC～8GHz89641A:DC~6GHz单通道89640A:DC~2.7GHz单通道89610A:DC~40MHz单通道(可选双通道)AD