第6讲--雷达天线、雷达显示器

第7讲雷达天线、雷达显示器延迟符2.3雷达天线天线的作用：将发射机产生的导波场转换为空间辐射场，在电波传输过程中，完成从“波导”或“传输线”到“空间”的转换；然后接受目标反射的空间回波，将回波能量转换成导波场，完成电磁波从“空间”到“导波”或“传输线”的环节，并馈送给雷达接收机。天线的前一个作用称为发射，后一个作用称为接受。2.3雷达天线雷达天线一般要求实现的功能：（1）发射时，像探照灯一样，将辐射能量集中照射目标方向；（2）接收时，收集指定方向返回的目标微弱回波，在天线接收端产生可检测的电压信号，同时抑制其他方向来的杂波或干扰；（3）分辨不同目标并测量目标的距离和方向。雷达天线一般要满足高功率和高分辨力两个要求。2.3雷达天线雷达天线的参数：（1）增益：天线将辐射能量集中照射在某个方向的能力。增益与天线的孔径面积成正比，与工作波长的平方成正比。（2）天线的有效孔径面积：雷达天线接收时，其收集目标回波的能力用天线的有效孔径面积表示。大的有效孔径面积等效于高的天线增益。（3）方向性：天线都具有方向性，即天线向不同方向辐射的功率密度不同，或接收时对不同方向入射电磁波的响应不同。2.3.1天线的方向性和增益主瓣旁瓣2.3.1天线的方向性和增益1.天线增益天线增益：一个称为方向性增益或方向性，它把天线看作一个无耗的换能器；另一个称为功率增益，简称增益，包含与天线有关的损耗。天线的方向性系数GD（方向性增益）定义为最大辐射强度与平均辐射强度之比，即辐射强度辐射强度平均最大DG辐射强度以单位立体角内的功率来表示，记为P（θ，φ），其中θ为方位角，φ为俯仰角。2.3.1天线的方向性和增益增益：天线所指方向上能量集中程度的度量天线增益等于在某一特定方向上单位立体角内所辐射的功率与同样功率所在方向上（即等方向均匀辐射时）单位立体角内所辐射的功率比。2.3.1天线的方向性和增益2.天线有效孔径与天线增益对应，天线的有效孔径Ae也表示天线将能量放大的程度。42GAe式中，λ为电磁波波长。天线有效孔径Ae与天线增益G成正比，天线有效孔径越大，天线增益越大。2.3.1天线的方向性和增益2.天线有效孔径天线的有效孔径Ae表示“天线在接收电磁波时呈现的有效面积”，与天线实际面积A有关，但不相同。天线的有效孔径Ae等于天线实际孔径面积A与一个小于1的因子ρa（孔径效率）的乘积，即：AAae显然，波长一定时，天线增益与Ae和A都成正比。天线有效孔径体现为面积的量纲，它与入射电磁波功率密度Pi相乘后即可得到天线的接收功率Pr，即Pr=Pi·Ae2.3.1天线的方向性和增益3.天线辐射方向图天线辐射的电磁能量在三维空间中的分布变时成相对（归一化）基础上的曲线（曲面）时，称为天线辐射方向图，通常称为天线方向图。天线方向图通常用表示，θ和φ表示方位角和俯仰角，电场强度记为E（θ，φ），Emax为最大辐射方向上的电场强度，则有maxEEF，，，F2.3.1天线的方向性和增益天线方向图描述了辐射（接收）能量集中的程度或辐射能量在角度上的分布。主瓣旁瓣或副瓣若已知天线增益G（最大增益）和天线方向图F（θ，φ），则可获得天线在某方向（θ，φ）上的增益G（θ，φ），且G（θ，φ）=G·F2（θ，φ）2.3.1天线的方向性和增益2.3.1天线的方向性和增益4.天线的主瓣和旁瓣雷达辐射的大部分能量集中在主瓣中，余下的能力集中在旁瓣里。旁瓣的增益越低越好。（1）波束宽度雷达天线方向图主瓣的宽度称为波束宽度。它是波束相对的边缘之间的角度。波束通常是不对称的，因此通常要区分水平波束宽度和垂直波束宽度。为了使波束宽度具有明确的意义，必须规定什么是波束的边缘。2.3.1天线的方向性和增益最容易的定义波束边缘是主瓣两边的零点，按照主瓣两侧第一个零点夹角定义的波束宽度称为第一零点波束宽度。但是，从雷达工作的立场上看，更现实的定义是把波束边缘定义为功率降到波束中心功率某个选定分数值的点，最常用的分数是1/2，即-3dB，因此，在这些点之间测出的波束宽度称为3dB波束宽度或半功率波束宽度，记为θ0.5。通常，无特殊说明，雷达系统中所指的波束宽度就是3dB波束宽度。2.3.1天线的方向性和增益天线波束宽度示意图2.3.1天线的方向性和增益（2）旁瓣天线的旁瓣并不局限于前半空间，它们出现在所有方向上，甚至出现在天线后部（称为后瓣或尾瓣），因此有一定数量的辐射“漏过”天线的边缘。对于地面而言，即使最弱的旁瓣也会产生相当大的回波。军事应用中，旁瓣还增加雷达被敌方探测的灵敏度和对干扰的敏感性。从强噪声干扰机来的干扰可以对主瓣内的小目标或远目标来的回波更强。因此，通常希望头几个旁瓣的增益尽可能低。2.3.1天线的方向性和增益2.3.1天线的方向性和增益（3）天线增益与波束宽度的近似关系天线增益与波束宽度之间存在着以下近似关系：elaz40000G式中，θaz和θel分别为主平面内的方位和俯仰3dB波束宽度（单位为度）。2.3.1天线的方向性和增益（4）角分辨力分辨力不单取决于波束宽度，还取决于波束内的能力分布。通常，3dB波束宽度被用作雷达分辨力的度量。2.3.1天线的方向性和增益（4）角分辨力（5）雷达天线的极化极化是指电场强度E的矢量端在空间固定点上随时间的变化所描绘的轨迹。1.若矢量端轨迹是一条直线，称该波为线极化波。2.若矢量端轨迹是圆，称该波为圆极化波。3.若矢量端轨迹为椭圆，称该波为椭圆极化波。雷达天线的极化方向规定为所辐射和接收电场矢量的方向。波的极化描述在电磁波传播过程中E/H方向的变化。一般情况下，E、H在等相位面上有两个分量，下面以E为例讨论。设电磁波沿+z方向传播。xxyyEeEeE其中cosxxmxEEtkzcosyymyEEtkz2.3.1天线的方向性和增益2.3.2波束形状和扫描方式1.波束形状和扫描方式不同用途的雷达所用的天线波束形状不同，扫描方式也不同。最常用的两种基本波束形状是扇形波束和针状波束（笔形波束）。（1）扇形波束扇形波束在水平面内的波束宽度和垂直面内的波束宽度有较大的差别，主要扫描方式是圆周扫描和扇形扫描。2.3.2波束形状和扫描方式2.3.2波束形状和扫描方式2.3.2波束形状和扫描方式（2）针状波束2.3.2波束形状和扫描方式2.实现波束扫描的基本方法实现波束扫描的基本方法有两种：机械扫描和电扫描。利用整个天线系统或其某一部分的机械运用来实现波束扫描的称为机械扫描。机械扫描的优点是简单，缺点是机械运动惯性大，扫描速度不高。近年来，快速目标、洲际导弹、人造卫星等的出现，要求雷达采用高增益极窄波束，因此天线口径面往往做的非常庞大，再加上常要求扫描波束的速度很快，用机械办法实现波速扫描无法满足要求，必须采用电扫描。2.3.2波束形状和扫描方式2.3.3典型的雷达天线1.反射面天线（1）抛物柱面天线（2）圆孔径抛物面天线（3）卡塞格伦反射器天线（4）双弯曲反射面天线（5）堆积多波束抛物面天线2.阵列天线阵列天线由数目相当多的辐射单元组成，单元按照一定的方式排列（线阵或面阵）。2.3.3典型的雷达天线2.4雷达显示器雷达显示器任务：以光学图形、图像的表现形式，将雷达探测到的目标信息通过视觉传递给雷达操作者。显示内容：包括目标的位置及其运动情况，目标的各种特征参数等。如目标高度、航向、速度、轨迹、架数、机型、敌我属性2.4雷达显示器警戒雷达和引导雷达发现目标和测定目标的坐标。根据目标回波的特点和变化规律来判别目标的性质（机型、架数等）。预警雷达和精密跟踪雷达在搜索状态截获目标，在跟踪状态监视目标运动规律和监视雷达系统的工作状态。指挥控制系统显示情报。综合显示：把多部雷达站的情报综合在一起，经过坐标系的变换和归一，目标数据的融合等加工过程，在指挥员面前形成一幅敌我动态形势图像和数据。指挥控制显示：在综合显示的基础上显示我方的指挥命令。2.4雷达显示器雷达终端显示器主要包括：距离显示器B型显示器（平面显示器）E型显示器（高度显示器）平面位置显示器情况显示器和综合显示器2.4雷达显示器2.4.1距离显示器距离显示器主要显示目标距离，它可以绘出接收机输出幅度和距离的曲线关系。常用的距离显示器有A型显示器、A/R型显示器。距离显示器显示目标的斜距坐标,它是一度空间显示器,用光点在荧光屏上偏转的振幅来表示目标回波的大小,所以又称为偏转调制显示器。距离显示器中常见的为A型显示器，其为直线扫描,扫描线起点与发射脉冲同步,扫描线长度与雷达距离量程相对应,主波与回波之间的扫描线长代表目标的斜距。A型显示器的画面包括发射脉冲（主波）、近区地物回波和目标回波，距离刻度可以是电子式的，也可以是机械式的。A显示器类似于常见的示波器。2.4.1距离显示器1、A型显示器画面上有固定的距离刻度,有时还有移动距标,它迟后于主波的时间可以由人工控制。根据回波出现位置所对应的刻度(或移动距标迟后主波的时间)就可以读出目标的距离。0102030405060708090100发射脉冲近区地物回波目标回波机械距离刻度2.4.1距离显示器2.4.1距离显示器在A型显示器上,我们可以控制移动距标去对准目标回波,然后根据控制元件的参量(电压或轴角)而算得目标的距离数据。由于人的固有惯性,在测量中不可能做到使移动距标完全和目标重合,它们之间总会有一定的误差Δl,这个误差我们称为重合误差。对于不同的量程,重合误差Δl对应的距离误差ΔR将不同。例如,A型显示器扫描线长度为100mm,重合误差Δl=1mm,当其量程Rm为100km时,Δl引起的误差为1km,如果量程为1km,则Δl引起的距离误差只有10m。但减小量程后,不能达到有效地监视雷达全程的目的。在实际工作中常常既要能观察全程信息,又要能对所选择的目标进行较精确的测距,这时只用一个A型显示器很难兼顾,如果加一个显示器来详细观察被选择目标及其附近的情况,则其距离量程可以选择得较小,这个仅显示全程中一部分距离的显示器通常称为R型显示器。由于它和A型显示器配合使用,因而统称为A/R型显示器。2.4.1距离显示器2、A/R型显示器2.4.1距离显示器发射脉冲近区地物回波目标回波目标回波移动距标A型（显示全量程）R型（显示一小段）122A/R型显示器画面如图所示,画面上方是A扫掠线,下方是R扫掠线。在图中A扫掠线显示出发射脉冲、近区地物回波以及目标回波1和2。R扫掠线显示出目标2及其附近一段距离的情况,还显示出精移动距标。精移动距标以两个亮点夹住了目标回波2。通常在R扫掠线上所显示的那一段距离在A扫掠线上以缺口方式、加亮显示方式或其它方式显示出来,以便使用人员观测。2.4.2B型显示器平面显示器既可以用极坐标显示距离和方位,也可以用直角坐标来显示距离和方位,若为后者，则其画面如图4.4所示,称为B式显示器,它以横坐标表示方位,纵坐标表示距离。通常方位角不是取整个360°,而是取其中的某一段,即雷达所监视的一个较小的范围。如果距离也不取全程,而是某一段,这时的B式就叫做微B显示器。在观察某一波门范围以内的情况时可以用微B显。B式显示器的图像方位距离2.4.3E型显示器高度显示器用在测高雷达和地形跟随雷达系统中,统称为E式显示器,如图所示,横坐标表示距离,纵坐标表示仰角或高度,表示高度者又称为RHI显示器。在测高雷达中主要用RHI显示器。但在精密跟踪雷达中常采用E式,并配合B显使用。仰角距离距离高度2.4.4平面位置显示器平面位置显示器显示雷达目标的斜距和方位两个坐标,是二维显示器。它用平面上的亮点位置来表示目标的坐标,属亮度调制显示器。平面显示器是使用最广泛的雷达显示器,因为它能够提供平面范围的目标分布情况,这种分布情况与通用的平面地图是一致的。显示器的图像如图所示。方位角以正北为基准(零方位角),顺时针方向计量;距离则沿半径计量;圆心是雷达站(零距离)。图的中心部分大片目标是近区的杂波所形成的,较远的小亮弧则是动目标,大的是固定目标。P型显示器的画面330°300°