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成正比，根据2rdvf,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：min()2cR。因此，脉宽越小，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24/GA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。3.2.5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。3.2.6终端装置和雷达输出数据的形式3.2.7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5、4.1基本雷达方程：2221144max32minmin[][](4)4ttriiPGPARSLSL4.2雷达方程的讨论：4.2.1提高雷达作用距离的途径：（1)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0D表示，其中：0minmin()()roooEDSNRNrE为信号能量。4.3.2用检测因子和能量表示雷达方程21144max320000[][](4)4tptrttrnBnBPtGGEAARkTFDCLkTFDCLk—波尔兹曼常数0T—系统等效噪声温度nF—噪声系数0D—检测因子BC—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，相参积累时的信噪比将改善N倍，1()()CNSNRNSNR，其中()CNSNR表示N各脉冲相参积累时的信噪比，1()SNR表示单个脉冲检测的信噪比。与相参积累相比，非相参积累有一个信噪比损失，称作积累效率，定义如下：1()()()NNCNSNRNSNR，另，积累损耗与积累效率的关系为：11()10lg[]iLN。4.5虚警概率和检测概率4.5.1虚警概率()()TTVPVpd其中，()p表示检波器输出的噪声电压概率密度1111lim1NkkfaNNfaIFkktNPTBTNkT表示相邻两次虚警的间隔时间，kt表示噪声电平超过门限的持续时间。4.5.2检测概率()()TdsTsVPPVpd其中，()sp为检波器输出信号加噪声电压概率密度函数，TV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—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：02*()mjftKUfe5.1.2冲击响应函数：*()mKutt；5.1.3最大输出峰值信噪比0/EN（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02/avEN）；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；5.1.5对于有色噪声，其频率响应函数为：022*()()mjftiUfKeNf5.2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df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：2(,)()*()dmjftdfutute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/2Rc，在径向速度上相差/2dVf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）AAPP1.2.2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maxRP，设想此功率是由一块与来波方向垂直的面积接收，这个面积就叫做天线的有效面积。24eGA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单极振荡式发射机脉冲调制器大功率射频振荡器电源定时信号到天线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。3.2.2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()()innoutSNRFSNR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。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