雷达原理介绍

雷达原理介绍2012年7月16日定义与任务雷达，英文Radar的音译，源于RadioDetectionandRanging的缩写，原意是“无线电探测和测距”，即用无线电方法发现目标并测定它们的空间位置。随着雷达技术的发展，雷达的种类越来越多，不同雷达的功能范围也从单纯的测量目标位置扩展到测量目标速度，甚至测量目标的尺寸、形状、表面粗糙度及介电特性等。基本原理将雷达的接收信号与发射信号进行比较，就可以获得目标的位置、速度、形状等信息，根据这些信息，雷达进而可以完成对目标的检测、跟踪、识别等任务。发射系统接收系统目标基本原理雷达发射周期性脉冲，记脉冲宽度为Tp，重复周期为Tr，雷达峰值功率（即脉冲期间的平均功率）为Pt，雷达平均功率（即周期内的平均功率）为Pav，工作比（即脉冲宽度与重复周期之比）为D。显然有：D=Tp/Tr=Pt/Pav≤1当雷达发射信号是连续波时，其工作比D=1。发射信号：TrTpt基本原理接收信号：雷达接收机输出波形由两部分组成：一是各种目标被发射电磁波照射后的反射回波（图中假设只有一个目标），称之为信号；另一是接收机噪声，无论有没有目标回波，它总是存在并影响对信号的分析。记信号峰值功率为Ps，噪声平均功率为Pn，定义雷达接收信噪比SNR：SNR=Ps/Pn显然SNR越高，目标回波就越显著，就越有利于信号分析。目标回波噪声t发射功率不考虑各种损耗，影响目标回波峰值功率Ps的因素有：雷达发射峰值功率Pt、目标的雷达截面积（RCS）、目标与雷达的相对距离R。它们之间存在关系：Ps=Pt/R4是与雷达系统及环境有关的常数。若过小或R过大，则接收信噪比SNR会过低，从而可能导致无法发现目标：提高SNR的一个直接途径是增加发射峰值功率Pt，但是限于元器件的发展水平，仅仅依靠发射机的输出供功率尚无法满足人们对雷达探测性能的要求。t？距离分辨率如果目标是理想点目标（=1），将雷达接收机的输出称为雷达系统响应。通常将系统响应的3dB宽度称为雷达距离分辨率，它表征了雷达将相邻目标区分开的能力。若接收机没有脉冲压缩，可用发射脉宽Tp近似距离分辨率；若有脉冲压缩，分辨率将会远远优于脉宽Tp。与雷达相距r的目标回波相对于发射脉冲的延时=2r/c，c为电磁波的传播速度。那么，与雷达的相对距离差为r的两个目标回波的延时差等于=2r/c。t分辨率3dB宽度Tprrr角度分辨率雷达的角度分辨率表征了雷达将目标从角度上分开的能力。雷达的发射波束越窄，其角度分辨率越高而天线孔径越大，波束越窄，角分辨率就越高。但是，限于天线的制造、加工和安装水平，真实天线的孔径存在着无法逾越的上限。rr1212雷达波束张角与发射波长、天线孔径D之间存在近似关系：/D雷达发射信号雷达发射脉冲p(t)的一般形式为：p(t)=a(t)exp(j2f0t)a(t)为信号的调制波形，称之为信号形式或信号包络；f0是信号的载波频率，简称为信号载频。显然，发射脉冲p(t)是信号包络a(t)被调制到载频f0上的结果，因为只有振荡的信号才能通过雷达天线发射到充满介质的自由空间形成发射电磁波。当目标被发射电磁波照射才会产生反射电磁波，反射电磁波被雷达接收从而发现目标。矩形振幅是一种常用的信号包络：a(t)=Arect(t/Tp)a(t)At02pT2pT雷达发射信号雷达的工作频率是雷达系统的重要参数，不同的频率参数赋予了雷达不同的功能特性。一般可用频带宽度B和工作波段来描述雷达工作频率。大多数情况下，信号包络a(t)的中心频率为零，它决定了带宽B；当Bf0时，工作波段主要决定于载频f0。1、雷达的距离分辨率r与带宽B之间存在近似关系：r=1/B。可见频带越宽，分辨率越高。2、定义相对带宽B=B/f0。大多数雷达B1，称之为窄带雷达，如：B=10MHz，f0=10GHz，B=0.001。某些雷达B0.25，甚至B1.0，则称之为宽带或超宽带雷达，如：B=300MHz，f0=500MHz，B=0.6。f|A(f)|信号包络频谱f|P(f)|f0B发射信号频谱00雷达发射信号所谓“L波段雷达”、“X波段雷达”等说法表达了雷达的工作频率所处的频段，这主要由发射载频f0决定。雷达常用的工作频率范围220MHz~35GHz，某些雷达在低端或高端超出了上述范围，绝大部分雷达工作于220MHz~10GHz。以字母命名工作频段是雷达技术领域内的习惯说法：波段名称频率波段名称频率UHF300~1000MHzKu12~18GHzL1000~2000MHzK18~27GHzS2000~4000MHzKa27~40GHzC4000~8000MHzmm40~300GHzX8000~12000MHz雷达接收信号到达雷达接收天线的信号是被照射目标的回波的叠加：kkktpts)()(kkkkkkktfjtatpts)(2exp)()()(0注意，接收信号的频谱中心仍为f0，所以称之为射频信号。f|s(f)|f0接收信号频谱0式中忽略了各种衰减与损耗，k表示第k个目标的RCS。将p(t)=a(t)exp(j2f0t)代入：t距离波门雷达接收信号为了对接收信号进行积累、显示等处理，必须将接收的射频信号进行下变频以转化为视频信号（即中心频率等于0）。正交解调接收机即可完成这样的下变频处理：sm(t)=s(t)exp(-j2f0t)可见，正交解调处理将信号的中心频率降低了f0。f|s(f)|f0正交解调前f|sm(f)|正交解调后00s(t)sm(t)exp(-j2f0t)脉冲压缩如前所述，元器件发展水平使得不能仅以增加发射机功率Pt来提高接收信号SNR，同时，太高的发射功率也使得己方雷达容易被敌方发现并摧毁。于是产生了各种复杂的信号包络，具有这种信号形式的雷达以相对较低的功率发射宽脉冲；对于接收信号，通过脉冲压缩等信号处理手段来改善SNR，从而等效地提高了雷达的发射功率。tt噪声信号匹配滤波器脉冲压缩是通过匹配滤波器（MatchedFilter）实现的：匹配滤波器h(t)sMF(t)sm(t)式中的t表示关于t的线性卷积，匹配滤波器响应h(t)发射信号包络a(t)之间存在时域、频域的对应关系：h(t)=a*(-t)H(f)=A*(f)匹配滤波器的作用有两点：1.将分布于宽时段内的能量汇聚到窄时段内，从而提高了SNR。2.将宽脉冲压缩成窄脉冲，从而提高了距离分辨率。d)()()()()(mmMFhtsthtstst线性调频信号线性调频(LinearFrequencyModulation，LFM)信号：a(t)=Aexp(jKt2)rect(t/Tp)根据其相位函数－时间可以求得其频率－时间函数：(t)=Kt2f(t)=(t)/2=Kt由于它的频率是随时间线性变化的，所以称之为线性调频信号，称K为调频斜率。显然，LFM信号频率变化范围，即频谱宽度B等于：B=KTpt(t)tf(t)2pT2pT2pT2pT2B2B0005010015020025030000.020.040.060.080.10.12010020030040050002468线性调频信号LFM信号具有良好的性质。利用驻定相位原理可以求得LFM信号频谱的近似解析表达式：A(f)Afexp(jf2/K)rect(f/B)当TpB100时，其幅度谱可视作为矩形函数。具有矩形幅度谱的信号的匹配滤波输出是辛克函数（sinc(x)）形状的窄脉冲。TpB=100LFM信号幅度谱LFM信号与压缩波形TpB=100线性调频信号时间－带宽积等于TpB的线性调频信号的压缩增益：1、因为压缩输出窄脉冲的3dB宽度TMFB-1，所以压缩前后的脉冲宽度比，即距离分辨率改善倍数为：CR=Tp/TMFTpB。2、如果接收机噪声为白噪声，可以证明：压缩后的SNR改善了(TpB)1/2倍。对于Tp=20us，B=200MHz的LFM信号，其距离分辨率等于r=c/2/B=0.75m；SNR的压缩增益：(TpB)1/263。相应地，由于接收信号功率：Ps=Pt/R4，所以雷达能探测的最小目标缩小了63倍，或者雷达的作用距离R增加了(TpB)1/82.8倍。LFM信号接收流程LFM信号的接收流程框图与各信号表达式如下所示：匹配滤波器h(t)sMF(t)s(t)sm(t)exp(-j2f0t)kkkkkkktfjtatpts)(2exp)()()(0p(t)=a(t)exp(j2f0t)，a(t)=Aexp(jKt2)rect(t/Tp)sm(t)=s(t)exp(-j2f0t)d)()()()()(mmMFhtsthtststh(t)=a*(-t)=Aexp(-jKt2)rect(t/Tp)