电子科技大学雷达原理

雷达原理讲义江朝抒2012年8月雷达原理主要内容绪论雷达发射机雷达接收机雷达终端显示和录取设备雷达作用距离第一章第一章绪论绪论——雷达的任务什么是雷达RADAR：RadioDetectionandRanging辐射电磁波——目标反射——接收目标回波目标回波携带目标的信息根据接收的回波进行目标检测与目标参数测量雷达的基本构成绪论——雷达的基本构成发射机接收机显示器信号处理机噪声收发开关天线R目标距离的测量目标到雷达距离：PRI：脉冲重复间隔tr：电磁波往返时间雷达的距离分辨力为：绪论——目标距离的测量ttrPRI目标回波噪声噪声目标回波噪声噪声噪声目标回波τ发射脉冲发射脉冲发射脉冲雷达波束与目标角位置的测量目标回波最强的方向雷达的角分辨力等于波束宽度D为天线孔径绪论——目标角位置的测量t目标回波幅度0多普勒效应fr：接收信号频率ft：发射信号频率绪论——目标径向速度的测量θvtvr目标形状的测量fr：接收信号频率ft：发射信号频率距离分辨力：信号带宽角分辨力：天线孔径绪论——目标形状的测量ΔRRΔθ绪论——雷达的工作频率频段频率(MHz)UHF300-1,000L1,000-2,000S2,000-4,000C4,000-8,000X8,000-12,000Ku12,000-18,000K18,000-27,000Ka27,000-40,000mm40,000-300,000THz1000,000按战术来分（军用雷达）预警雷达（地基、机载、天基）搜索和警戒雷达引导和指挥雷达火控雷达制导雷达战场监视雷达无线电测高仪雷达引信绪论——雷达的分类民用雷达气象雷达，航空管制雷达，交会对接雷达按信号形式常规脉冲雷达，脉冲压缩雷达，脉冲多普勒雷达，连续波雷达，噪声雷达按角跟踪方式单脉冲脉冲雷达，圆锥扫描雷达绪论——雷达的分类按测量目标的参量测高雷达，两坐标雷达，三坐标雷达，测速雷达，目标识别雷达按信号处理的方式频率分集雷达，极化分集雷达，MTI雷达，SAR雷达按天线扫描的方式机械扫描雷达，相控阵雷达，频率扫描雷达绪论——雷达的分类绪论——雷达的历史与发展1.电磁波理论与电磁波的试验验证绪论——雷达的历史与发展•第一个雷达的实际应用ChristianHuelsmeyer（德）在1904年用于检测船只(距离为3km)绪论——雷达的历史与发展3.二十世纪早期的技术进展与局限发射机(真空管)/天线/接收机（相干接收）局限：低工作频率低发射功率连续波低接收机灵敏度绪论——雷达的历史与发展4.二次世界大战中的雷达德国海军海军用Freya雷达–陆基飞机检测雷达–工作频率：120to130MHz–脉宽：3us，PRF:500Hz–峰值功率：15to20kW–最大探测距离：100nmi–建造数量：1000–安装于北海岸绪论——雷达的历史与发展德国防空用Wurzburg雷达–工作频率：560MHz–最大探测距离：25nmi–距离分辨力：100m–测角精度：0.2o被英军实施无源干扰被美军实施有源干扰绪论——雷达的历史与发展英国Chainhome雷达网络，近岸防空–工作频率20to30MHz–功率:350KW(后增至750)–PRF:25and12.5Hz–脉宽:20us–探测距离:200nmi绪论——雷达的历史与发展二次大战中和大战后–微波雷达（1941，英美S/X波段雷达）–PPI显示–超外差接收绪论——现代雷达ANTPS-75v长程对搜索雷达(台空军东引岛)绪论——现代雷达俄罗斯道尔M2E的搜索雷达可有效拦截飞机、直升机、巡航导弹、制导炸弹和无人机等中低空目标绪论——现代雷达俄制对手-GE三坐标雷达防空系统自动化控制系统和空中交通管制系统在高强度雷达对抗条件下，精确传送目标信息，为歼击机进行目标指引。同时保障地面防空导弹营目标指示数据。最大测高距离200公里，能发现近太空近地轨道上的卫星目标。采用相控阵雷达天线，方向图扇区0-45度，超低旁瓣天线，能自动抗有源噪声干扰。绪论——现代雷达APG-77机载雷达(用于F22)工作波段X体制AESAPD波束锐化SARISAR空对空模式：空空搜索与跟踪，空战机动ACM,RWS,VSR,STT,来袭群目标分辨，改善上视搜索，战情提示，气象探测，非合作识别等空对地模式：增强实波束地形测绘，扩展地形测绘，多普勒波束锐化（选用地图冻结），信标，地面动目标跟踪，地面动目标显示空对海模式：海面目标探测，固定目标跟踪，海面动目标显示，海面动目标跟踪作用距离：160英里（迎头目标大范围搜索）120英里(TWS模式，多目标跟踪)80英里(增强实波束测绘探测地面目标)40英里(用GMTI方式对陆地和海面目标)10英里(ACM自动锁定第1个目标)31英里（STT方式自动锁定第1个目标）跟踪目标数量：30(空中目标)，16（地面目标）绪论——现代雷达中国炮瞄雷达绪论——现代雷达美国炮瞄雷达绪论——现代雷达雷神GBR绪论——现代雷达雷神GBR绪论——现代雷达ANFPS-85相控阵空间监视雷达绪论——现代雷达COSMO-SkyMed雷达卫星绪论——现代雷达美军天基雷达绪论——现代雷达美军SBX雷达绪论——现代雷达长沙气象雷达站绪论——现代雷达郑州机场雷达站绪论——雷达面临的四大威胁电子干扰压制式干扰，欺骗式干扰低空飞行器低空由于多径形成雷达盲区反辐射导弹隐身目标绪论——习题1.简述雷达测距、测角和测速的基本原理；2.已知某常规脉冲雷达的发射信号脉宽为2μs，求其距离分辨力；3.已知雷达的工作频率f0=9.5GHz，天线尺寸为1m×0.5m，求该雷达的方位角分辨力和俯仰角分辨力。4.已知雷达工作频率为f0=3GHz，若一目标以1马赫（1马赫=1000ft/s，1ft=30.48cm）速度朝雷达飞行，则雷达收到的回波频率与发射频率之差（即目标的多普勒频率）为多少？5.已知f0=9.5GHz，天线尺寸为1m×0.5m（水平×垂直），求雷达的方位角分辨力和俯仰角分辨力，设k=π/4，求天线增益（用dB表示）。第二章第二章雷达发射机雷达发射机——功能功能1.产生符合要求的波形2.调制到射频3.放大获得要求的发射功率类型单级振荡式、主振放大式雷达发射机——组成单级振荡式发射机特点：简单、成本低频率稳定度差、难以实现脉间相参和复杂波形脉冲调制器大功率射频振荡器电源定时信号至天线TrTrTr雷达发射机——组成主振放大式发射机特点：高频稳度、容易实现复杂波形和脉间相参固体微波源电源主控振荡器至天线中间功率放大器输出射频功率放大器定时器脉冲调制器脉冲调制器脉冲调制器射频放大链触发脉冲雷达发射机——组成固态发射机集成微波功率器件、低噪声放大器、固态发射或收发模块。体积小、重量轻、系统设计灵活多用于相控阵雷达雷达发射机——主要技术指标工作频率或波段、带宽决定了发射管种类1GHz，微波三、四极管1GHz，多腔磁控管，大功率速调管，行波管和前向波管输出功率峰值（脉冲）功率Pt与平均功率Pav的关系：τ/Tr称为工作比或占空比。雷达发射机——主要技术指标总效率发射机输出功率/总输入功率信号形式常规脉冲、脉冲压缩波形（含LFM和相位编码）、调频连续波信号的稳定度或频谱纯度信号的各参数（如幅度、频率、脉宽、脉冲重复频率）随时间的变化f0f0+1/τ1/Tr信号谱线离散型寄生谱线分布型寄生输出雷达发射机——习题1.简述雷达发射机选择和设计时应考虑的主要因素。2.简述雷达发射机的主要功能。第三章第三章雷达接收机雷达接收机——组成发射机接收机保护器收发开关天线LNA混频器中频放大器中频增益衰减线性放大器同步检波器对数放大器包络检波器相位检波器LCO视频放大器AGC中频滤波器近程增益控制STC稳定本振雷达接收机——主要技术指标灵敏度接收机灵敏度定义为最小可检测信号功率Si,min，即接收机可以正常接收并检测信号的最小信号功率接收机灵敏度主要受噪声电平的限制发射脉冲噪声目标雷达接收机——主要技术指标工作带宽接收机频率变化范围抗干扰性能：需要大带宽高灵敏度：窄带宽动态范围接收机正常工作容许的输入信号强度的变化范围从Si,min-接收机过载时的输入信号功率中频的选择和滤波特性接收机中频的选择：取决于发射波形、接收机工作带宽、前端器件性能滤波特性：匹配滤波雷达接收机——主要技术指标工作稳定性及频率稳定度工作稳定性：当环境（含电源）发生变化时，接收机性能受影响的程度。频率稳定度（相参本振）：影响相参积累的性能抗杂波和干扰能力杂波抑制、频率捷变。微电子化和模块化结构雷达接收机——接收机噪声接收机噪声热噪声：功率N0=kTBn，玻尔兹曼常数k，噪声温度T，噪声带宽Bn天线噪声：主要包括热噪声和宇宙噪声，当接收机电阻与天线辐射电阻匹配时，功率NA=kTABn等效噪声带宽：雷达接收机——接收机噪声系数噪声系数与噪声温度噪声系数：ΔN：接收机内部噪声在输出端呈现的功率等效噪声温度（Te）：将ΔN等效为输入热噪声所产生的输出，则雷达接收机——接收机噪声系数级联电路的噪声系数NiF1,G1,BnSiF2,G2,BnS1N1N2S2雷达接收机——接收机灵敏度接收机灵敏度为识别系数，即接收机输出端的最小可检测信噪比雷达接收机——接收机的高频部分与本振AFC接收机的高频部分主要包括收发开关、低噪放（高放），混频器等接收机本振的AFC控制电路锁相环（PLL）雷达接收机——接收机的动态范围及控制电路接收机的动态范围自动增益控制（AGC）用于对目标的自动方向跟踪中频放大器包络检波视频放大器LPF峰值检波器UAGC雷达接收机——接收机的动态范围及控制电路瞬时自动增益控制（IAGC）IAGC的主要作用：使干扰衰减而目标的增益不变干扰持续期为τn，目标脉冲宽度为τ则小时间常数电路的时间常数τi设计为：τi=(5~20)ττn中频放大器小时间常数电路控制电压放大器控制电压检波器Ec入出Ed雷达接收机——灵敏度时间控制（STC）灵敏度时间控制（STC）STC的主要作用：抑制近程杂波和干扰干扰功率距离0控制电压距离0雷达接收机——滤波和接收机带宽匹配滤波器在所有线性滤波器中，匹配滤波器的输出信噪比最大，为2E/N0常规矩形脉冲的匹配滤波器：匹配滤波器输出：2E/N0=A2τ/N0实际中，只能实现近似匹配h(t)=s*(t0-t)s(t)+n(t)so(t)+no(t)雷达接收机——接收机带宽的选择接收机带宽的选择1.警戒雷达要求高灵敏度，但测距精度要求不高。带宽选取为：射、中频带宽：BRI=Bopt+Δf;视频带宽：Bv≥Bopt/22.跟踪雷达要求波形失真小。总带宽选取为：Bo=2~5/τ雷达接收机——习题1.说明雷达AGC、IAGC及STC在雷达接收机中的作用。2.说明雷达接收机噪声的计算方法及其与接收机参数之间的关系。3.说明雷达接收机灵敏度的定义及其与接收机参数和识别系数之间的关系。4.说明匹配滤波器的原理及其在雷达接收机中的作用。第四章第四章雷达终端显示和录取设备雷达终端显示和录取设备——主要类型距离显示器1.A型显示器2.A/R型显示器3.J型显示器主波目标回波距离刻度主波目标回波RA主波目标回波目标回波雷达终端显示和录取设备——主要类型平面显示器1.PPI显示器2.B型显示器雷达位置距离方位角距离方位角0雷达终端显示和录取设备——主要类型高度显示器（E显）综合显示器一次画面，二次画面仰角距离0高度距离0雷达终端显示和录取设备——习题1.说明常用雷达显示器的类型及其图像的含义第五章第五章雷达作用距离雷达作用距离——雷达方程基本一次雷达方程发射功率Pt，全向发射→距离R处的单位面积的功率为Pt/(4πR2)→目标RCS为σ，目标反射的功率为Ptσ/(4πR2)→目标反射后回到雷达天线处的单位面积的功率为Ptσ/(4πR2)2→雷达天线的接收功率为Si=PtσAr/(4πR2)2，Ar为天线孔径面积→考虑雷达发射天线增益为Gt，则雷达天线的接收