基于雷达的测控技术

第7章基于雷达的测控技术主要内容雷达基本概念雷达基本组成雷达测量原理典型雷达系统7.1雷达基本概念Radar（RadioDetectionandRanging）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在空间的位置。雷达的任务不仅是测量目标的距离、方位和仰角，还包括目标的速度，以及从目标回波中获取更多有关目标的其它信息。7.1雷达基本概念雷达探测原理发射机接收机显示器收发转换开关天线发射的电磁波接收的电磁波信号处理机目标雷达发射机产生的电磁波经天线辐射到大气中后，以光速在大气中传播，位于天线波束内的物体或目标遇到电磁波后会反射一部分电磁波。雷达接收机将天线接收到的微弱回波加以放大，然后将射频信息转换成视频或数字信号，经处理得出所需目标的多种信息。7.1雷达基本概念目标位置的极坐标表示雷达目标PRHB正北OD斜距：雷达到目标的直线距离方位角：斜距在水平面上的投影与正北方向的夹角仰角：斜距R与它在水平面上的投影OB之间的夹角7.1.1基本雷达方程222min2434maxmax4(4)trtriPAPGPSRRtP1/42max2min4triPARS1/422max3min(4)tiPGRS雷达发射功率雷达天线的增益所用波长目标的散射截面积雷达距离方程的两种基本形式，表明了作用距离和雷达参数以及目标特性间的关系。tG雷达接收功率rP雷达接收天线的有效接收面积rA7.1.2雷达工作波段分米波段：对空监视雷达、舰载雷达，可进行目标跟踪。在气象上常用作测风。厘米波段：武器火控系统，体积小、精度高。在气象上则用作测雨。毫米波段：机载雷达，天线小、精度高、分辨率高。气象上用于研究云和降雨形成、发展的物理过程。7.2雷达基本组成主要由天线、发射机、接收机、信号处理机、同步设备和终端设备等组成。高放收发开关高放和混频调制器激励器中放/检波/视放电源同步器信号处理显示底座和伺服天线7.2雷达基本组成发射机：产生辐射所需强度的脉冲功率，波形是脉冲宽度为t而周期为T的高频脉冲串。天线：将波束辐射到空间。天线具有很强的方向性，以便集中辐射能量获得较大的观测距离。接收机：把微弱的回波信号放大到足以进行信号处理的电平，同时尽量减小接收机的内部噪声，以保证接收机的高灵敏度。同步设备：雷达机的频率和时间标准。信号处理机：消除不需要的信号（如杂波）及干扰，通过或加强由目标产生的回波信号。信号处理是在做出检测判决之前完成的。7.2.1雷达发射机1.单级振荡式发射机脉冲调制器大功率射频振荡器电源至天线定时信号TT为雷达提供一个载波受到调制的大功率射频号。振荡器输出的是受到调制的大功率射频信号。例如一般的常规脉冲雷达要求的是包络为矩形脉冲序列的大功率射频信号，所以控制振荡器工作的脉冲调制器的输出也就是一个矩形的视频脉冲序列。7.2.1雷达发射机2.主振放大式发射机固体微波源中间射频放大器输出射频功率放大器脉冲调制器脉冲调制器脉冲调制器定时器电源触发脉冲主控振荡器射频放大电路至天线固体微波源代表主控振荡器，一般由振荡器、倍频器及变频器等构成射频放大电路。射频放大电路一般由二至三级射频功率放大器级联组成，对于脉冲雷达而言，各级功率放大器都要受到各自脉冲调制器的控制，并且还要有定时器协调它们的工作。7.2.2雷达接收机接收机保护器低噪声高频放大器混频器中频放大器（匹配滤波器）检波器视频放大器本机振荡器高频输入至终端设备超外差式雷达接收机的组成通过适当的滤波将天线上接收到的微弱高频信号从伴随的噪声和干扰中选择出来，并经过放大和检波后，送至显示器、信号处理器或由计算机控制的雷达终端设备。7.2.3目标显示与数据记录计算机信号控制、处理、存储电路显示读出装置操作员计算机通信装置操作员动作雷达终端显示器用来显示雷达所获得的目标信息和情报，显示的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。现代雷达系统的图形显示已和计算机融为一体，计算机收集的信息经过处理可以用显示、绘图、打印等方法输出。7.2.3目标显示与数据记录全自动录取：当判断有目标存在时，检测器自动送出发现目标的信号，利用这一信号，计数编码部件就可以开始录取目标的坐标数据。由于录取设备是在多目标的条件下工作的，所以距离和方位编码设备能够提供雷达整个工作范围内的距离和方位数据，而由检测器来控制不同目标的坐标录取时刻。排队控制部件是为了使录取的坐标能够有次序地送往计算机的缓冲存贮器中，并在这里可以加入一些其它的数据。信号检测距离编码方位编码时间编码排队控制缓冲存储时序脉冲产生器到各部件同步控制其它参数接收机输出计算机雷达数据的记录：测量并记录目标坐标和其它参数7.3雷达测量原理雷达的基本任务是探测目标，除了测量目标的距离、方位和仰角，还包括目标的速度，以及从目标回波中获取更多有关目标的其它信息。本节分别介绍雷达测距、测角和测速的基本原理和实现方法。7.3.1目标距离的测量雷达A点，目标B点，测距公式如下根据雷达发射信号的不同，测定延迟时间通常可以采用脉冲法、频率法和相位法。12RRct7.3.1目标距离的测量1.脉冲法测距在脉冲雷达中，回波信号是滞后发射脉冲的回波脉冲。在荧光屏上目标回波出现的时刻滞后于主波，滞后的时间就是测量距离所需时间。测量距离就是要测出时间。现代雷达常常采用电子设备自动测读回波到达的迟延时间。0.15rRt7.3.1目标距离的测量频率计放大器和限幅器混频器调频发射机目标发射天线接收天线直接耦合信号R2.调频连续波雷达测距原理：发射机产生连续高频等幅波，目标回波和发射机直接耦合过来的信号加到接收机混频器内。发射机频率与回波频率的变化使混频器输出端出现差频电压。差频电压的频率与目标距离有关。7.3.1目标距离的测量自动距离跟踪：使电移动指标自动地跟踪目标回波并连续地给出目标距离数据。时间鉴别器控制器跟踪脉冲产生器tt()eufu1()uktt显示器来自接收机的回波脉冲3.距离跟踪原理（以脉冲法测距为例）：测距时需要对目标距离作连续的测量，称为距离跟踪。7.3.2目标角度的测量测量内容：目标角坐标的测定包括目标方位角和高低角（仰角）的测量物理基础：电波在均匀介质中传播的直线性和雷达天线的方向性测量方法：分为相位法和振幅法误差因素：各种情况下的电波传播路径的偏折7.3.2目标角度的测量1.相位测角法：利用多个天线所接收回波信号之间的相位差进行测角。22sinRd接收机接收机dsinRd目标方向天线法线方向为波程差，为雷达波长R设方向有一远区目标，则到达接收点的目标所反射的电波近似为平面波。由于两天线间距为d，故它们所收到的信号由于波程差而存在一相位差7.3.2目标角度的测量混频器混频器本振中放中放自动增益控制自动增益控制相位比较器相位法测角：接收信号经过混频、放大后再加到相位比较器中进行比相。其中自动增益控制电路用来保证中频信号幅度稳定，以免幅度变化引起测角误差。7.3.2目标角度的测量2.振幅法测角振幅法测角是用天线收到的回波信号幅度值来做角度测量的，分为最大信号法和等信号法两大类。①最大信号法原理：当天线波束在一定范围内作匀角速扫描时，对共用收发天线的单基地脉冲雷达而言，找出脉冲串的最大值（中心值），该时刻波束轴线指向即目标所在方向。7.3.2目标角度的测量处理方法：测读时可先将回波脉冲串进行二进制量化，其振幅超过门限时取1，否则取0。可根据出现1和消失1的时刻，方便且精确地找出回波脉冲串“开始”和“结束”时的角度，两者的中间值就是目标的方向。最大信号法测角的优缺点：优点：简单；信噪比最大，利于检测发现目标。缺点：直接测量时测量精度不很高。7.3.2目标角度的测量②等信号法采用两个相同且彼此部分重叠的波束。如果目标在两波束的交叠轴OA方向，则有两波束收到的信号强度相等。比较两个波束回波的强弱就可以判断目标偏离等信号轴的方向。BACO120kt7.3.2目标角度的测量()F0110()()()kFFF220()()()kFFFk011()()ktuKFKF22()()ktuKFKF1u2ut设天线电压方向性函数为，等信号轴OA指向则波束1、2的方向性函数可分别写成：为波束最大值方向与的偏角。则波束1，2接收到的回波电压值为为目标方向偏离等信号轴的角度。对和信号进行处理，就可以获得目标方向信息。7.3.2目标角度的测量两个波束可以同时存在，若用两套相同的接收系统同时工作，称为同时波瓣法。两波束也可以交替出现，或只要其中一个波束，使它绕OA轴旋转，只用一套接收系统工作，称为顺序波瓣法。等信号法的主要优缺点测角精度比最大信号法高便于自动测角测角系统较复杂等信号轴方向不是方向图的最大值方向，故发射功率相同的条件下，作用距离比最大信号法小些。7.3.3运动目标检测与测速当杂波和运动目标回波在雷达显示器上同时显示时，会使目标的观察变得很困难。选择运动目标回波而抑制固定杂波背景都是一个很重要的问题。区分运动目标和固定杂波的基础是它们在速度上的差别。由于运动速度不同，引起回波信号频率产生的多普勒频移不相等，因此可以从频率上区分不同速度目标的回波。7.3.3运动目标检测与测速1.多普勒效应多普勒效应是指当发射源和接收者之间有相对径向运动时，接收到的信号频率将发生变化。0()cos()stAt0()()cos[()]rrrstksttkAtt连续波信号的多普勒效应设雷达发射信号为：雷达发射站接收到的由目标反射的回波信号为：在径向速度为常数时，产生的频率差为122drdfvdt这就是多普勒频率，它正比于相对运动的速度而反比于工作波长。7.3.3运动目标检测与测速连续波多普勒雷达的原理：发射机产生频率为f0的等幅连续波高频振荡，其中绝大部分能量从发射天线辐射到空间，少部分能量耦合到接收机输入端作为基准电压。混合的发射信号和接收信号经过放大后，在相位检波器输出端输出其差拍电压，隔除直流分量后，得到多普勒频率信号送到终端指示器。连续波发射机放大器相位检波器多普勒滤波器和放大器指示器0fdff0df目标0f7.3.3运动目标检测与测速脉冲多普勒雷达运动目标回波信号中产生一个附加的多普勒频率分量仅在脉冲宽度时间内按重复周期出现。脉冲调制器功率放大器接收机连续振荡器显示系统基准电压发射接收0f0dff7.3.3运动目标检测与测速脉冲雷达测速：为了能同时测量多个目标的速度并提高其测速精度，一般在相位检波器后（或在杂波抑制滤波器后）应串接并联的多个窄带滤波器，滤波器的带宽应和回波信号谱线宽度相匹配，滤波器组相互交叠排列并覆盖全部多普勒频率测量范围。用横向滤波或对输入回波串作离散傅里叶变换可以实现在相参脉冲雷达中产生窄带滤波器组。有了多个相互交叠的窄带滤波器，就可以根据目标回波出现的滤波器序号位置，直接或用内插法决定多普勒频移和相应的目标径向速度。3.速度测量：准确地测出多普勒频移的数值和正负7.4典型雷达系统合成孔径雷达:采用天线合成的方法来实现合成大孔径，即让雷达沿直线移动，并在不同移动位置发射信号，然后对各处回波信号进行综合处理来达到方位分辨，这就是SAR成像。采用这种合成孔径雷达技术的机载（空载）雷达称为合成孔径雷达（SAR）。在合成阵列里，在每个天线位置上所接收的信号，其幅度和相位都被存储起来。这些被存储的数据经过处理，再成像为被雷达所照射区域的图像。目标DLerRD雷达技术中角分辨率为波长，D为天线孔径，R为斜距7.4典型雷达系统合成孔径雷达的特点高分辨能力:SAR最值得推崇的优越之处远距离探测能力：SAR具有防区外探测能力全天候成像：能昼夜工作并穿透尘埃等障碍具有穿透性的观察视场：具有树叶穿透能力的较低频率的SAR也在发展之列7.4典型雷达系统SAR方位分辨率2aDr方位分辨率与目标距离R无关，而与实际天线尺