《雷达原理与系统》PPT课件

雷达原理与系统 西安电子科技大学电子对抗研究所2014年2月 主要内容 1 绪论2 雷达发射机3 雷达接收机4 雷达终端显示器与录取设备5 雷达作用距离6 目标距离的测量7 目标角度的测量8 目标速度的测量 主要内容 9 连续波雷达10 脉冲多普勒雷达11 相控阵雷达12 数字阵列雷达13 脉冲压缩雷达14 双基地雷达15 合成孔径雷达 1 绪论 1 1雷达的任务1 2雷达的基本组成1 3雷达的工作频率1 4雷达的应用和发展1 5电子战和军用雷达的发展 1 1雷达的任务 正北为方位0 仰角以水平面为0正北同上 以海面 地平面高度为0 1 1雷达的任务 1 1雷达的任务 1 1雷达的任务 1 1雷达的任务 1 1雷达的任务 1 2雷达的基本组成 1 3雷达的工作频率 雷达的工作频率 3MHz 300GHz 100m 1mm 主要工作频段 300MHz 18GHz 1m 2cm 3 30MHz战略预警超视距雷达30 300MHz米波远程预警雷达300MHz分米波 厘米波警戒 引导 制导 30GHz火控 末制导雷达30 300GHz毫米波火控 末制导雷达 1 4雷达的应用和发展 1 4 1雷达的应用军用雷达 按照作用距离 远程预警雷达R 600km中 近程搜索和警戒雷达150km R 600km近程引导指示雷达R 150km按照功能 用途 警戒引导雷达大范围发现目标 粗定位 不引导导弹 火力射击制导火控雷达小范围发现 跟踪目标 引导导弹 火力射击精密跟踪雷达对单个目标进行精确跟踪和火力打击多功能雷达 同时具备上述多种功能和用途的雷达 如 SPY 1特种雷达 具有特定功能的雷达 如 雷达高度表 雷达引信按照装载平台 星载雷达 弹载雷达 机载雷达 舰载雷达 车载雷达 背负雷达按照技术体制 收发关系和位置单基地 双多基地 非协同探测 PCL MIMO天线技术单波束 多波束 机械 电 混合扫描 发射 接收机技术相参 非相参收发 捷变频 频率分集 信号处理技术MTI MTD PC PD SAR ISAR 民用雷达 气象雷达 航管雷达 宇航雷达 遥感雷达 1 5电子战和军用雷达的发展 1 5 1电子战 EW 定义 敌我双方利用无线电电子装备或器材所进行的电磁信息斗争 电子战包括电子对抗和电子反对抗电子对抗 ECM 为了探测敌方无线电电子装备的电磁信息 电子侦察 削弱或破坏其使用效能所采取的一切战术 技术措施 电子干扰 伪装 隐身和摧毁 电子反对抗 ECCM 在敌方实施电子对抗的条件下 保证我方有效使用电磁信息所采取的一切战术 技术措施 反侦察 抗干扰 反伪装 反隐身 反摧毁 1 5 2雷达反干扰天线抗干扰 低旁瓣 旁瓣对消 旁瓣消隐 波束烧穿 随机扫描 波束分集等发射机抗干扰 提高辐射功率 频率捷变 频率编码 频率分集 脉冲压缩 波形隐蔽 窄脉冲 重频时变 诱饵发射等接收机 信号处理抗干扰 接收机抗饱和 重频 脉宽鉴别 MTI MTD 积累检测 恒虚警 宽限窄 前沿跟踪等隐身与反隐身隐身 通过形体设计和材料选择降低目标的RCS 反隐身 增加照射功率 组网雷达 短波 米波雷达 双 多基地雷达 PCL等检测隐身目标反侦察和反摧毁低截获的发射波形 噪声雷达 冲击雷达 大时宽 带宽积信号 信号隐匿 诱饵辐射等 2 雷达发射机 2 1任务和基本组成2 2主要质量指标2 3单级振荡和主振放大式发射机2 4固态发射机2 5脉冲调制器 2 1任务和基本组成 Tr 2 1 1任务 产生大功率 指定调制特性 振幅 相位 的电磁波 单级振荡式大功率振荡和调制一次完成 直接形成大功率振荡和调制 脉冲调制器 射频振荡器 2 1 2基本组成 主振放大式先产生小功率振荡和调制 再经放大达到大功率 射频振荡器 激励放大器 末级放大器 基准振荡器 脉冲调制器 脉冲调制器 分频器 2 2主要质量指标 1 工作频率或波段2 输出功率脉冲 峰值 功率 平均功率例如 则3 总效率 为供给发射机的各种交直流功率之和上例中 若发射机供电 220V 15A 28V 20A 则4 信号形式振幅调制 脉冲 连续波载频调制 单载频 频率捷变 线性调频 频率分集 频率编码等相位调制 随机相位 稳定相位 相位编码 2 2主要质量指标 5 信号稳定度或频谱纯度周期性不稳 杂散抑制随机性不稳 相位噪声 例如 在频谱仪上测得主信号与最大杂散信号功率分别为20dBm和 50dBm 则杂散抑制为70dB 例如 在频谱仪上测得主信号功率为20dBm 测量带宽为100Hz 在偏离1KHz处噪声功率为 50dBm 则相噪为90dBc 2 3单级振荡和主振放大式发射机 2 3 1单级振荡式发射机射频振荡器 磁控管振荡器 微波三极管振荡器 固态振荡器等脉冲调制器 刚性开关由外加脉冲控制开关导通 截至的调制器软性开关由外加触发脉冲控制开关导通 开关自行截至的调制器特点 效率较高 只适用于调幅 频率稳定度差 相位噪声很大 系统组成简单 价格低廉 广泛用于非相干信号处理雷达 目前已经很少使用 2 3单级振荡和主振放大式发射机 2 3 2主振放大式发射机基准振荡器 恒温或温补晶振 一般相位噪声为130dBc 1KHz射频振荡器 晶振倍频利用非线性电路与选频网络 变频快 相噪差 杂散小锁相倍频利用锁相环 变频慢 相噪好 杂散大放大链 激励放大常用固态放大器 末级放大常用行波管 速调管放大器等特点 效率较低 适用于调幅 调频 调相及其组合的复杂调制 频率稳定度高 相位噪声低 系统组成复杂 成本较高 广泛用于相干信号处理雷达 收集极 输入 输出 2 4固态发射机 2 4 1特点频率高 已达100GHz 工作电压低供电方便 12V 寿命长 体积 重量小 可靠性高 成本低 单管 片功率小 30W 且随频率降低 2 4 2发展趋势通过电路合成提高组件 模块的功率 1000W 随频率降低 通过组件模块的空间功率合成 相控阵 提高系统的发射功率 2 5脉冲调制器 作用为电真空类的微波管提供高压 大功率的视频调制脉冲组成 充电元件储能元件高压电源调制开关耦合元件微波管高压电源 提供充足 稳定的直流能量 满足工作要求 高压 大电流 充电元件 将直流能量及时传递给储能元件 一般由R L 二极管D等担任储能元件 在开关截止时保存充电能量 在开关导通时释放保存的能量 C等 调制开关 刚性在输入脉冲的控制作用下 脉冲期间导通 脉冲过后截止软性在输入脉冲的触发作用下导通 储能元件能量释放尽后截止耦合元件 将高压 大电流脉冲耦合作用到微波管上分类 刚性开关由控制信号直接控制开关的导通与截止软性开关由控制信号触发开管导通 有电路状态决定开关截止 2 5 1刚性开关脉冲调制器 阴极脉冲调制器充电 E R1 C L C上电压放电 C V1 V2 C上电压设计要素 对于给定的 一般选择 脉冲重复周期内充满 放电允许顶降 小于允许值 2 5 1刚性开关脉冲调制器 阴极脉冲调制器设计举例要求Tr 200 s 1 s E 104V 0 95 RH 1K 2 5 1刚性开关脉冲调制器 调制阳极脉冲调制器前沿充电 E V1 C0 恒流充电Ic前沿时间后沿放电 C0 偏压 V2 恒流放电Id后沿时间 E Ic C0 Eg 偏压 V3 V2 偏压与激励电路 偏压与激励电路 V1 前沿触发 后沿触发 C0波形 Eg E 2 5 1刚性开关脉冲调制器 调制阳极脉冲调制器设计举例要求E 4000V C0 200PF Eg 200V Ic 20A Id 10A 求前后沿时间 2 5 2软性开关脉冲调制器 典型电路谐振充电 E Lch PFN B 充电时间匹配放电 PFN V1 B 放电时间PFN节数n 每节电感L 电容C E PFN VD1 Lch R2 C2 V2 R1 V1 脉冲触发 PFN上端 脉冲变压器次级波形 2E 2E VD2 2 5 2软性开关脉冲调制器 软性开关脉冲调制器设计举例要求 Tr 1ms 2 s B 1 1 RH 1K n 5根据脉宽和特性阻抗建立方程组 求解L C根据Tr求解Lch 3雷达接收机 3 1接收机组成与主要质量指标3 2噪声系数和灵敏度3 3接收机的高频部分3 4本振和自动频率控制3 5动态范围和增益控制3 6滤波和接收机带宽 3 1接收机组成与主要质量指标 接收机的作用 放大需要的目标回波信号 抑制各种干扰信号3 1 1接收机组成保护器 在发射或收到强信号时 保护接收机 使用收发开关和限幅器 LNA 低噪放 抑制噪声 放大微弱的目标回波信号 如 F 2 G 25dB MIX 混频 将回波信号频率迁移到合适 固定的中频 fi 30MHz 60MHz等 中放 放大中频带内目标回波信号 G 100 120dB 抑制带外噪声LO 本振 提供稳定振荡fL 与发射频率f0保持稳定的中频频差 fi fL f0增益控制 保持输出信号功率处于预定的范围 线性 近程增益控制 STC 瞬时自动增益控制 IAGC AGC 非线性 对数放大器 限幅放大器等检波器 解调回波调制信号 包络检波器 振幅 相位检波器 频率和相位 视放 放大信号电平使之适合于信号处理 线性放大 限幅放大 对数放大 3 1接收机组成与主要质量指标 3 1 2主要质量指标灵敏度 典型值满足检测要求的最小输入信号功率测试方法 3 1接收机组成与主要质量指标 3 1 2主要质量指标工作带宽 分别为雷达最低 最高工作频率动态范围 为满足检测要求的最大输入信号功率选择性和滤波特性 接收带宽B 匹配滤波特性工作稳定性和频率稳定度抗干扰能力 抗有源干扰 无源干扰和杂波干扰等 3 2噪声系数和灵敏度 3 2 1接收机噪声内噪声 有接收机内部电路和器件产生的噪声 如晶体管噪声 电阻噪声等外噪声 由电磁环境和其它物体辐射产生的噪声 如宇宙噪声 工业噪声等 等效输入功率为 分别为波尔兹曼常数 天线噪声温度 等效噪声带宽为频率 仰角 位置等函数 典型地面雷达参见p54图3 6 等效噪声带宽 效噪声带宽Bn与常用接收机带宽B的比较 3 2噪声系数和灵敏度 3 2 2噪声系数和噪声温度定义 线性系统输入端信噪比与输出端信噪比的比值 对于无源网络测试方法 3 2噪声系数和灵敏度 3 2 2噪声系数与噪声温度例如 已知线性接收机输入端接匹配负载时测得输出功率为 接入输入信号时测得输出功率为 接收机带宽为2MHz 求该接收机噪声系数解 3 2噪声系数和灵敏度 3 2 2噪声系数与噪声温度等效噪声温度 将等效为噪声温度增量系统噪声 内外噪声 温度级联电路的噪声系数证明 3 2噪声系数和灵敏度 3 2 2噪声系数与噪声温度例如 某线性接收机及组成部件参数如图 求其噪声系数解 接收机前端部件对系统噪声的影响巨大 LNA贡献重大 馈线 收发开关 限幅保护器 LNA MIX 中放 G 0 2 F 2G 25dB F 2 5G 0 3 F 4G 100dB 3 2噪声系数和灵敏度 3 2 3灵敏度定义 当接收机能够以正常的发现概率和虚警概率检测目标时 线性系统输出信噪比 在接收机输入端的最小输入信号功率数值关系 临界灵敏度 3 2噪声系数和灵敏度 灵敏度计算举例假设接收机各部分组成如下图 试求其临界灵敏度 馈线 开关 保护器 LNA MIX BPF 中放 G 0 2 0 5 G 25dBF 3 BPF G 0 5B 200MHz G 0 1B 5MHz G 90dB F 5B 5MHz 1 计算接收机噪声系数1 3 计算接收机临界灵敏度 2 计算接收机噪声系数2 3 3接收机的高频部分 组成收发开关和保护器TR管 有源 无源 常态时开路或透射 气体放电时短路 惰性较大 30 300ns 固态限幅器采用PIN管或变容管 在外加功率下呈现不同反射阻抗 级联限幅 反应快 2ns LNA低噪声参放分为常参与冷参 F 1 2低噪声场放噪声系数F 2 5dB 价格低廉 普遍使用MIX平衡混频器 可有效抑制本振噪声 镜像抑制混频器 还可有效抑制镜频 20 40dB 前置中放当高频部分与接收机后端相距较远时 增加前置中放 增益20 40dB 以降低噪声 3 4本振和自动频率控制 3 4 1磁控管发射机的自动频率控制 AFC 3 4本振和自动频率控制 3 4 2稳定本振 3 5动态范围和增益控制 3 5 1动态范围定义 为接收机工作时的最大 饱和 可输入信号功率 工作动态范围 不限制时间和接收机状态调整瞬时动态范围 同一时刻和同一状态下的动态范围的需求因素 目标距离远近 RCS大小和起伏 信号处理的合适范围3 5 2增益控制主要指标 控制范围 响应时间 控制特性曲线自动增益控制 AGC 特点 控制范围大 80 100dB 响应时间长 接近秒级 普遍用于雷达的自动跟踪系统 3 5动态范围和增益控制 瞬时自动增益控制 IAGC 特点 控制范围较小 20 40dB 响应时间短 5 20 用于抑制长时间强干扰 使接收机在强干扰结束后迅速恢复近程增益控制 STC 根据回波信号的迟延时间 距离 控制接收机增益 例如 R0 10km G0 30dB k 30dB当R 20km时的增益为39dB 3 5动态范围和增益控制 人工增益控制 MGC 特点 控制范围较大 40 80dB 通常人工进行AGC MGC选择 少数只控视放 用于在复杂背景 干扰 多目标等 下辅助人工检测和参数测量对数中放限幅中放 例如 Si1 10 10W k 106 kL 1mWSi 10 8W时 输出功率为3 10 3WSi 10 3W时 输出功率为8 10 3W 中放 检波器 视放 MGC电压 中频信号输入 选择开关 合成 MGC AGC 中频信号输出 STCIAGC 非线性中放会形成交调 产生大量的其它频谱分量 必须通过中频滤波器抑制 3 6滤波和接收机带宽 3 6 1匹配滤波和准匹配滤波匹配滤波满足最大信噪比准则的滤波器为匹配滤波器白噪声背景中的匹配滤波器特性为 匹配滤波器的输出信噪比 准匹配滤波选择物理可实现的实际滤波器和参数逼近匹配滤波器 称为准匹配滤波 两者输出信噪比的比值定义失配损失 3 6滤波和接收机带宽 3 6 1匹配滤波和准匹配滤波各种常用准匹配滤波器的带宽时宽积由 求得Bopt 3 6滤波和接收机带宽 3 6 2接收机带宽选择警戒雷达尽可能提高检测信噪比 故按照Bopt设计带宽中频带宽 为AFC跟踪残差视频带宽 跟踪雷达已有较高的检测信噪比 需要提高时间测量精度 故按照包络前沿时间设计中放和视放带宽 3 6滤波和接收机带宽 3 6 2接收机带宽选择举例警戒雷达发射矩形脉冲宽度0 5 s 无AFC跟踪残差接收机中放为5级参差调谐 解得中频带宽和视频带宽为跟踪雷达发射矩形脉冲宽度0 5 s 无AFC跟踪残差接收机中放为5级参差调谐 解得中频带宽和视频带宽为 4 雷达终端显示器与录取设备 4 1雷达终端显示器4 2距离显示器4 3平面位置显示器4 4计算机图形显示4 5雷达数据的录取 4 1雷达终端显示器 4 1 1显示器的主要类型与指标1 显示信号类型模拟显示 一次显示直接显示接收机输出的模拟信号数字显示 二次显示显示经过数字信号处理后的数字信号2 显示屏类型CRT阴极射线管LEDLCD3 显示色彩单色 多色 彩色4 显示目标信息距离 幅度 距离显示 距离 方位 幅度 平面位置显示 距离 仰角 高度 幅度距离 方位 仰角 幅度 空间位置显示 如飞行员头盔显示 综合本课程主要讨论 模拟 CRT 单色显示器 4 1雷达终端显示器 4 1 1显示器的主要类型与指标5 模拟 CRT 单色显示器的主要指标扫描方式不加信号时电子束在显示屏上的轨迹形状直线扫描 圆周扫描 径向圆周扫描 光栅扫描目标回波信号对电子束的作用偏转调制 亮度调制显示亮度的保持时间短余辉 s级 中余辉 ms级 长余辉 s级 最小扫略线 亮点宽度d mm 最大显示尺寸圆形r cm 矩形L cm W cm 最大分辨数圆形4 r2 d2 矩形L W d2 4 1雷达终端显示器 4 1 1显示器的主要类型 4 1雷达终端显示器 4 1 1显示器的主要类型形成R显的参数 量程RRmax Km 扫略长度LRmax cm 标尺系数CR RRmax LRmax扫略时间TR ms RRmax 150km 偏转电压VRmax LRmax S 目标回波 距离刻度 发射主波 目标回波 A显 4 1雷达终端显示器 4 1 1显示器的主要类型 4 1雷达终端显示器 4 1 1显示器的主要类型 30 20 100102030 6050403020100 方位 距离 目标 4 1雷达终端显示器 4 1 1显示器的主要类型 E显 仰角 6050403020100 距离 020406080100120 目标 RHI 高度 水平距离 目标 1086420 020406080100120 4 1雷达终端显示器 4 1 1显示器的主要类型 F001 140 50 距离 方位 0 60 0 30 30 左舵 右舵 0 0 E001 14 36 4 1雷达终端显示器 4 1 2对显示器的主要要求根据任务要求选择显示器种类和数量与雷达的任务 功能 目标环境密切相关对比度与工作背景亮度密切相关图像重显频率模拟显示与脉冲重复周期 天线扫描周期密切相关数字显示与视觉滞留有关 50Hz显示失真和误差 4 2距离显示器 4 2 1A显A显画面1 1目标回波上偏转1 2距离刻度下偏转1 3水平扫略从左至右1 4亮度控制显示与量程对应的时间1 5加亮控制对特定时间显示加亮A显波形与各级电压 4 2距离显示器 4 2 1A显A显组成方波产生器锯齿电压形成电路差分放大器振铃电路限幅放大正向微分移动距标形成辉亮放大主要参数设计示波管偏转灵敏度 S cm V 锯齿电压幅度 Vmax Lmax S正程时间 T s 量程 Rmax 0 15 T Km 单位刻度 R Km 刻度波周期 T R 0 15 s 4 2距离显示器 举例 某雷达A显量程为300km 示波管偏转灵敏度为0 1cm V 扫略线长度为20cm 距离刻度为15km 目标距离25km 试求 正程扫略时间 2 扫略电压幅度 3 刻度波周期 4 标尺系数 5 目标所在的扫略长度解 1 正程扫略时间Tmax 300km 150km 2ms2 扫略电压幅度V 20cm 0 1cm V 200V3 刻度波周期TC 15km 150km 100 s4 标尺系数C 300km 20cm 15km cm5 目标所在的扫略长度L 25km 25km 15km 5 3cm 4 2距离显示器 4 2 2A R显A R显画面对A显局部距离范围进行放大显示R显可有单独的距离刻度A R显组成单束A R显只有一个电子束 A R各有扫描电路 按照次序A R A分时进行 R在A上空缺双束A R显同时有两个电子束和扫描电路 分别用作A显和R显 R在A上加亮 A显 A显 单束A R显 双束A R显 4 3平面位置显示器 4 3 1画面特点正上方对准正北方向 顺时针圆周角为方位圆心为雷达站位置 径向长度正比于距离目标回波为加亮弧段回波信号幅度对应亮度方位刻度为等分直径线距离刻度为同心圆周线径向扫略与雷达脉冲重频同步圆周扫略与雷达天线方位圆周扫描同步 主要参数 量程Rmax Km 径向扫略长度Lmax cm 标尺系数C Rmax Lmax径向扫略时间T ms Rmax 150km 径向偏转灵敏度S cm A 径向偏转电流Imax Lmax S 4 3平面位置显示器 4 3 2动圈式平面位置显示器由天线同步发电机带动示波管同步电动机 偏转线圈旋转 形成圆周扫描 由偏转线圈中锯齿波电流驱动电子束径向偏转组成与波形系统设计距离扫略偏转灵敏度S cm A 锯齿电流幅度Imax Lmax S方位扫略由同步收发电机完成距离刻度同A显方位刻度由天线刻度盘和光电检测器完成 4 3平面位置显示器 4 3 3定圈式平面位置显示器采用X Y固定的偏转线圈 经过扫描电流的分解实现距离 方位扫描距离 方位扫描的力矩电流 扫略电流的分解 旋转变压器定圈式平面位置显示器的组成方波产生锯齿电流形成功率放大电流放大钳位水平偏转线圈振铃电路辉亮放大阳极电流放大钳位垂直偏转线圈刻度形成混合电路阴极视频放大方位刻度天线转盘 天线转轴 4 4计算机图形显示 4 4 1计算机图形显示系统与分类系统的组成计算机信号控制 处理 存储电路显示读出装置操作员 接口信号控制 处理 存储电路 显示卡 以显示系统约定的格式保存需要显示的全部图形数据 显示读出装置以约定的格式从存储电路中读出显示数据 并将其表现在显示屏幕上 操作员 计算机通信装置通过人机界面 完成对显示数据的实施修改和控制分类根据CRT内电子束的偏转方式分类随机扫描显示器电子束根据显示的内容控制其在X Y平面内的偏转 扫描 和亮度 Z 书写速度快 扫描复杂 较少使用光栅扫描显示器电子束按照规定的轨迹在X Y平面内进行偏转 如由上至下 由左至右 根据显示内容控制电子束在偏转过程中的轨迹亮度 书写速度慢 扫描简单 普遍使用 4 4计算机图形显示 4 4 2字符产生器主要技术指标字符种类 字符尺寸 m n 书写速率 字符 s 显示效率 字符辉亮时间与书写时间的比值 随机扫描字符产生器书写步骤 1给出需要书写的字符码C和C在显示器上的初始位置x0 y0 置入x y计数器 字符译码逻辑查找其在字符库中的存储位置2给出书写起始信号 同步控制逻辑发出存储器读出时钟 存储器依次给出x y单位变化和辉亮3顺序点阵法经过确定的时钟 书写自行停止 每个字符具有相同的点阵数 程控点阵法存储器读出结束 输出书写停止 每个字符的点阵数不同 4 4计算机图形显示 4 4 2字符产生器1 顺序点阵法规定 起点 终点 x y顺序 点阵数m n 只需要进行字符辉亮分解 zi m n特点 xy规则变化 与字符无关 每个字符具有相同m n举例 字符A 7 5点阵 起点 终点 顺序如图 分解得到的辉亮点阵顺序如下表 4 4计算机图形显示 4 4 2字符产生器2 程控点阵法 xy阶跃变化 每个字符点阵数不同 规定 起点 方向 按字符轨迹分解 xi xi yi yi zi i特点 书写效率高 每个字符的分解点阵数不同举例 起点左下角 x y正方向如图中箭头 书写顺序如红线所连 结果见下表3 单位线段法 xy连续变化 其余同程控点阵法 光栅扫描字符产生器全屏幕的顺序点阵法字符产生器 4 4计算机图形显示 4 4 3矢量产生器矢量与图形具有一定方向和长度的直线称为矢量 图形可表现为一组首尾相接的矢量的集合矢量产生器作图原理单条矢量的完成时间 1 f在该时间里发生的计数脉冲数 x 4 4计算机图形显示 4 4 3矢量产生器速率乘法矢量产生器负边沿计数分频 正边沿微分输出 ck F1 F2 F3 F4 由各增量位选择相应的分频器正边沿微分输出 经或门用作计数脉冲 4 4计算机图形显示 4 4 3矢量产生器速率乘法矢量产生器作图过程1 x y 送对应寄存器 线长检测器按照高位共有0数设置分频链位置2 启动分频链对ck分频 产生相应的计数脉冲进行加减计数 经DAC输出扫掠电压3 检测到分频链全0 也可作下段矢量绘图启动 本段矢量绘制结束 4 4计算机图形显示 4 4 3矢量产生器速率乘法矢量产生器作图过程1 x y 送对应寄存器 移位控制按照高位共有0数设置寄存器移位2 启动两个累加器按ck时钟累加 x y 产生相应的进位脉冲进行加减计数 经DAC输出扫掠电压3 检测到两个累加器全0 也可作下段矢量绘图启动 本段矢量绘制结束 4 4计算机图形显示 累加法矢量产生器初始全零 用累加器的溢出作为矢量增 减的时钟 结束全零 x 寄存x累加器x扫掠计数器xDAC移位控制全零检测 y 寄存y累加器y扫掠计数器yDAC累加器长度n决定矢量的最大长度移位控制使 x y 的最高位不同时为0 自适应调整作图的时间 Sgn x Sgn y 启停 4 5雷达数据的录取 4 5 1引言检测 测量 记录 保存和分发目标数据称为雷达数据的录取人工录取由人操作完成上述过程半自动录取由人完成目标检测和引导 设备完成其他过程全自动录取由设备完成上述过程4 5 2目标距离数据的录取 距离编码器计数脉冲距离计数器0距离脉冲 清零 检测脉冲目标计数器距离存储器各目标距离输出影响距离录取精度的因素 距离量化误差 脉冲前沿斜率 噪声 系统稳定度4 5 3目标角坐标数据的录取 光电转换读取角度码盘单向增量码盘双向增量码盘二进制码盘循环码盘低位 15 16 高位单向扫描双向扫描任意相邻码只差一位 正北 5 雷达作用距离 5 1雷达方程5 2最小可检测信号5 3脉冲积累对检测性能的改善5 4目标截面积及其起伏特性5 5系统损耗5 6传播过程中各种因素的影响5 7雷达方程的几种形式 5 1雷达方程 5 1 1基本雷达方程 表现空间能量关系5 1 2目标的雷达截面积 RCS 分别为散射总功率 入射功率密度 距离R处的散射功率密度 通常采用如下的测试方法 1 测量距离R处镀金或银的标准金属球 0 回波信号功率2 测量距离R1处的目标回波信号功率 尽量使R R1 以便降低不同大气衰减的影响3 计算 5 1雷达方程 例如 某雷达测得20km处10m2标准金属球的回波信号功率为10 12W 在同样距离处测得目标的回波信号功率为5 10 12W 计算可得该目标的雷达截面积为 10m2 5 50m2 注意 的散射默认为各方向相同 无方向性 如标准金属球 而实际目标的散射都具有方向性 因此它是目标入射角的函数 与目标的物理投影面积不同 例如 边长为a的三角形反射器 当电磁波从 35 锥角内入射时 4 a4 3 2 若a 1m 3cm 则 4654m2 a a a 5 2最小可检测信号 5 2 1最小可检测信噪比D0 M 满足检测性能要求 虚警概率 发现概率 时 在接收机线性系统输出端单个脉冲检测需要的最小信噪比5 2 2门限检测将接收机输出信号与检测门限进行比较 高于门限时判为有目标判决结果存在4种可能1 无目标判为有目标称为虚警 虚警概率2 3 有目标判为有目标称为发现 发现概率4 其中只有两种独立结果 虚警 发现 检测 无目标判为无目标 概率 有目标判为无目标称为漏警 概率 5 2最小可检测信号 5 2 3检测性能和信噪比解决虚警与发现概率的矛盾 N P准则 首先满足虚警概率的要求 然后达到发现概率最大 恒虚警 CFAR 检测门限此时达到的最大发现概率结论 对于给定的 仅是信噪比的函数 5 2最小可检测信号 其它常用描述检测特性的参数平均虚警宽度 发生一次虚警的平均时间宽度 近似为等效噪声带宽 接收机带宽 的倒数平均虚警时间 发生虚警的平均时间周期 因为虚警数 在时间里最大可能出现的虚警次数重要设计 P137图5 7例如 虚警概率10 6 发现概率0 9 查图可得 5 3脉冲积累对检测性能的改善 在目标方向发射的每一个信号都会存在目标回波 短时间内距离不变 将相同距离单元的n个回波信号求和 再进行信号检测称为脉冲积累 在中频求和时称为中频积累 相参积累 线性 在视频求和时称为视频积累 非相参积累 非线性 5 3 1积累的效果相参积累的信噪比改善 n倍 因为n个同相正弦波叠加后功率提高n2倍 n个非相关噪声叠加后功率提高n倍 因此相参积累后信噪比改善n倍非相参积累的信噪比改善倍 是信号与噪声合成包络的叠加 无解析式 由P139 140图5 9 5 10查表计算D0 n 表中单位为dB组合积累n个脉冲中 每m个作相参积累 n m个再作非相参积累 其检测因子 D0 D0 n m 10lgmdB积累后的检测因子 5 3脉冲积累对检测性能的改善 举例 某雷达脉冲积累数为25 虚警概率10 6 发现概率0 9 试求其在相参积累 非相参积累 m 5时组合积累条件下的检测因子解 1 由图5 7查得虚警概率10 6 发现概率0 9时的单个脉冲检测因子为13dB 相参积累时2 由图5 10查得虚警概率10 6 发现概率0 9时 非相参积累D0 25 2 2dB3 由图5 10查得虚警概率10 6 发现概率0 9时 非相参积累D0 25 5 7 3dB组合积累5 3 2积累脉冲数的确定分别为雷达脉冲重复频率 波束在目标方向的驻留时间和目标在雷达距离分辨单元的驻留时间 对方位机械扫描雷达分别为方位波束宽度 扫描速度和仰角 分别为雷达的距离分辨和目标径向运动速度 5 3脉冲积累对检测性能的改善 设计举例某雷达发射功率105W G 30dB 10cm 接收机噪声系数F 6dB 等效接收机带宽2MHz 天线圆周扫描 6转 分钟 方位波束宽度3 重频500Hz 相参积累 Pfa 10 10 Pd 0 5 仰角0 求其对RCS为1m2非起伏目标的作用距离 解 1 计算脉冲积累数扫描速度2 求M根据Pfa 10 10 Pd 0 5 查P137图5 7得D01 13 6dB相参积累改善后的D0 13 6 16 2 2 6dB3 求接收机灵敏度Simin 114dBm 6 10lg2 2 6 107 59dBm4 计算作用距离 5 4目标截面积及其起伏特性 5 4 1点目标特性与波长的关系以半径为r的镀金或银金属球测试结果目标雷达截面积 与球半径r的关系 可推广到一般目标 瑞利区 r r2 目标散射特性相对稳定 主要目标 5 4目标截面积及其起伏特性 5 4 2常用简单形状目标的雷达截面积 裁剪自P143表5 1 表5 2 5 4目标截面积及其起伏特性 5 4 3目标特性与极化的关系目标散射矩阵无源物体满足收发极化互易性 为主极化散射面积 也是无源目标散射的主分量 因此一般雷达具有相同的收发信号极化 且共用同一天线 与入射方向对称的目标满足正交极化分量对消性 利用目标极化散射矩阵可识别目标特性 例如先发射 正交接收再发射 正交接收 利用得到完整的目标散射矩阵 观察雷达天线波导口的状态 可判断其极化 垂直于长边方向 为水平 垂直入射电场的功率密度 5 4目标截面积及其起伏特性 5 4 4复杂目标的雷达截面积由多个不同形状 不同位置的物体共同组成的目标称为复杂目标 它的雷达截面积是一系列小散射体雷达截面积的矢量合成 雷达的分辨能力 距离分辨 例如带宽为10MHz的雷达信号一般雷达角度分辨点目标 目标尺寸 V 本章讨论点目标 复杂目标 是电波入射方向的复杂函数 参见P147图5 12 起伏30dB复杂目标 举例 P148表5 3 一般以各向平均值表示 5 4目标截面积及其起伏特性 5 4 5目标起伏模型目标 随时间的变化称为起伏 相对运动引起 归纳为4种极限情况 模型号 分布振幅A分布散射点分布相对运动Swerling1均匀慢速 扫描间起伏 S级 Swerling2快速 脉间起伏 ms级 Swerling3非均匀 有强散射点慢速 扫描间起伏Swerling4快速 脉间起伏对检测性能的影响 通过查表P151图5 15 修订起伏模型对D0的影响 例如发现概率0 5时 情况1 2损失2 7dB 情况3 4损失1dB发现概率0 9时 情况1 2损失8dB 情况3 4损失4 2dB 5 5系统损耗 射频传输损耗由于射频信号在系统内传输引起的损耗 如转换开关 旋转关节 传输波导等天线波束形状损失天线波束宽度边缘增益低于最大值引起叠加损失参与积累的脉冲中有一部分不含有目标信号引起设备不完善损失匹配滤波不理想 时间 频率漂移 信号采集边缘化等引起其他损失对作用距离的影响 5 6传播过程中各种因素的影响 5 6 1大气传播影响大气衰减由大气中水蒸气和氧气形成 与波长 仰角 气象条件有关 主要特点 1 频率越高衰减越大 氧气衰减在40GHz以下较平缓 100GHz附近有小衰减区 称为传播窗 所以远程雷达选用较低频率2 测量单程衰减 晴天地面雷达 P157图5 18 雨雾天图5 193 对雷达作用距离查P158图5 20修正 修正方法a 首先计算无衰减时作用距离Rmax 再查图得到有衰减时R maxb 首先根据有衰减R max查图得到Rmax 再分配计算无衰减时作用距离例如 求10cm波长雷达 5 仰角 在晴天和小雨天对300km目标的单程衰减解 将km换算为海里海里 由图5 18b查得双程衰减0 73dB 求得此时单程衰减为小雨天由图5 19查得单程雨衰减0 01dB km全天候雷达按照考核的天气条件计算作用距离雷达最大作用距离是在中取最小值 5 6传播过程中各种因素的影响 5 6 1大气传播影响大气折射与雷达直视距离由于电磁波呈直线传播 雷达频段主能量透射大气层 地球曲率影响作用距离 大气密度非均匀 使电磁波传播会向地表弯曲 对作用距离有一定的改善 考虑大气折射后的等效地球半径为R 8490km直视距离例如 海岸边天线高度10m的雷达 观测海面2m目标的直视距离为雷达探测需要同时满足能量条件和直视距离条件 所以实际最大作用距离是在两者中取最小值雷达天线都应具有尽可能大的高度 5 6传播过程中各种因素的影响 5 6 2地面或水面反射对作用距离的影响条件 主瓣打地 0 5 且存在地 水面镜反射 表面粗糙度 8 多径路程差分析对雷达最大作用距离的影响 雷达 R R1 R2 ha ht 目标 解决方法 1 采用垂直极化波减小镜反射2 采用较高的频率避免镜反射 5 7雷达方程的几种形式 5 7 1二次雷达方程在目标上加装收发信机与雷达收发信号相互协同工作称为二次雷达第1收发信机作用距离 第2收发信机作用距离 二次雷达作用距离 举例 某地面测控雷达发射功率100W 波长10cm 收发天线增益30dB 接收机灵敏度 120dBm 星上应答机发射功率10W 收发天线增益20dB 灵敏度 110dBm 忽略大气衰减与直视距离 求其作用距离解 特点1 协作目标2 作用距离远 5 7雷达方程的几种形式 5 7 2双基地雷达方程收发不在相同位置处的雷达为双多基地雷达接收信号功率 条件 收发天线均对准目标作用距离 举例 某地面双基地雷达发射功率105W 波长10cm 收发天线增益30dB 接收机灵敏度 120dBm 目标的侧向雷达截面积1m2 忽略大气衰减 求其作用距离积解 特点 双基地雷达作用距离没有明显差别 但收发信号时间 空间 频谱同步复杂有利于隐蔽接收 抗干扰 反隐身 发射源可借用多种形式 5 7雷达方程的几种形式 5 7 3用信号能量表示的雷达方程在雷达方程中带入参数条件 相参积累数M 按照准匹配滤波选择带宽 失配损失CB 带入雷达方程主要表明 照射目标的能量越大 作用距离越远 包括增加脉冲积累数M 提高发射功率Pt 加大脉宽 提高天线增益 5 7 4搜索雷达方程在雷达方程中带入参数条件 主要表明 搜索空间 越小 搜索时间Tf越长 作用距离越远 5 7雷达方程的几种形式 5 7 5跟踪雷达方程在t0时间内连续跟踪一个目标 带入参数带入雷达方程 主要表明 天线在目标方向跟踪的时间t0越长 作用距离越远雷达可用天线连续照射目标方向方式提高作用距离 距离烧穿 但t0仍然会受到目标在雷达分辨单元内驻留时间的限制 5 7雷达方程的几种形式 5 7 5干扰环境下的雷达方程有源干扰雷达天线指向目标 干扰天线指向雷达接收有源干扰功率 接收目标回波功率 忽略接收机内噪声影响 检测目标需要的信干比得到有源干扰环境下的雷达方程 分别为干扰发射功率 W 天线增益 倍 雷达在干扰方向天线增益 倍 干扰极化失配损失 典型值0 5 干扰机距离 m 干扰信号带宽 Hz 雷达信号带宽 Hz 5 7雷达方程的几种形式 5 7 5干扰环境下的雷达方程举例 某雷达发射功率105W 波长10cm 收发天线增益30dB 线极化 接收机带宽2MHz 灵敏度 120dBm 目标的雷达截面积1m2 自卫干扰机的发射功率100W 干扰发射天线增益10dB 圆极化 干扰带宽10MHz S N 0 10 1 忽略大气衰减 试求其在无干扰和有干扰时的最大作用距离解 无干扰自卫干扰时方程简化为 5 7雷达方程的几种形式 5 7 5干扰环境下的雷达方程目标处于无源干扰物中 接收无源干扰功率 体杂波 0为单位体积无源干扰的雷达截面积面杂波 0为单位面积无源干扰的雷达截面积忽略接收机内噪声影响 检测需要的信杂比 举例 某舰载雷达的距离 方位 仰角分辨力分别为150m 2 5 波长10cm 目标舰艇的雷达截面积为8000m2 距离1km 脉冲宽度1 s 如果 S C 0 0 3 试求 1 箔条云干扰时的箔条数量 2 波条走廊干扰时的箔条密度解 1 箔条云干扰时2 波条走廊干扰 6 目标距离的测量 6 1脉冲法测距6 2调频测距法6 3距离跟踪原理6 4数字式自动测距器 6 1脉冲法测距 6 1 1基本原理测量目标回波脉冲包络的迟延时间tr 主要分为前沿测量法以回波脉冲包络过门限的时刻度量tr 受波形 噪声影响较大 中值测量法以包络过门限且两侧波门内能量相等度量tr 受波形 噪声影响较小6 1 2影响测距精度的因素电波传播误差 c c 299792km s 0 001 是空间位置的函数 时间测量 判读 误差 tr6 1 3距离分辨力和测距范围距离分辨力d光点直径 cm vn光点扫描速率cm s测距范围最小距离 t0为恢复时间 最大无模糊测距 解模糊测距 N为最大可解模糊数 6 1脉冲法测距 6 1 4判距离模糊的方法双重频解模糊假设采用两种重频互质 且相差很小 测量方程为 其中未知 作如下判断 如果 则 如果 则从而实现解模糊计算但在多目标时存在组合错误例如 某雷达采用100 s和105 s两种重复周期 当2目标位于20km和220km时 求其迟延时间和对两种重频的迟延尾数 并验证解模糊算法解 迟延时间尾数解模糊计算 6 1脉冲法测距 6 1 4判距离模糊的方法舍脉冲去模糊方法在发射脉组中舍脉冲 下图中红色脉冲 检测从发射舍脉冲到接收舍脉冲之间的脉冲重复周期整数m和尾数 tr解模糊计算 各种解模糊方法对多目标环境都可能造成组合错误 因此一般脉冲雷达探测均采用无模糊测距方法 6 1脉冲法测距 举例 某雷达采用150 s和160 s两种脉冲重复周期 当目标距离为192km时 试求 1 目标回波的无模糊迟延时间 2 两种重复周期下的有模糊迟延时间 3 进行距离解模糊的计算解 1 无模糊迟延2 有模糊迟延3 解模糊计算 6 2调频测距法 6 2 1调频连续波测距三角波调频测距系统组成发射信号频率正程频差 逆程频差 距离估计 速度估计 频差测量扣除不平稳段测频误差与T成反比 引起的测距误差 所以提高测距精度的主要措施是提高调频带宽正弦波调频测距的计算同三角波 较少使用 计算同三角波调频连续波测距优点 可近距测量 精度较高 组成相对简单 低功率 反侦察缺点 作用距离近 多目标分辨有难度 T tr 6 2调频测距法 调频连续波测距举例某雷达采用三角波调频测距 波长为3cm 三角波周期为20ms 最大频偏为30MHz 如果在15km和18km处各有一个接近运动的目标 径向速度分别为300m s和60m s 试求 两个回波信号在三角波正程和逆程的信号频差解 6 2调频测距法 6 2 2脉冲调频测距一般采用线性步进频率方式测距回波信号频率频率差距离测量 tr是迟延尾数 回波中的多卜勒频率一般用定频发射测量例如 某雷达在高重频步进频率测距情况下 f 3KHz Tr 4 s 如果目标距离为46km 求其回波迟延时间 迟延时间尾数 频差和距离估计值解 6 3距离跟踪原理 连续估计和输出特定目标的空间参数称为跟踪6 3 1人工距离跟踪锯齿电压波法由人工操作光标 指示和跟踪目标距离当锯齿波与比较电平电压相等时 比较器输出反转信号 前沿触发产生跟踪脉冲人工距离跟踪时比较电平由多圈电位器提供相位调制法由人工操作移相器 指示和跟踪目标距离当正弦波发生负向过零点时 检测器输出反转信号 前沿触发产生跟踪脉冲人工距离跟踪时移相电容由多圈电容器提供多圈电位器锯齿电压产生器比较器跟踪脉冲产生器锯波正程时间 T 2Rmax c 电压范围 Vmin Vmax 比较电压范围相同相位调制法正弦波产生器手动移相器过零检测 比较器跟踪脉冲产生器 6 3距离跟踪原理 6 3 2自动距离跟踪组成 搜索状态 转换器由低至高输出慢变化电平 形成波门搜索 前后波门有回波输出时转入跟踪跟踪状态 转换器输出距离跟踪电平 时间鉴别器输出距离跟踪误差 经积分后驱动波门移动 6 4数字式自动测距器 6 4 1数字测距原理 脉冲计数测距计数脉冲产生器距离计数器距离 前 后沿 锁存器中值计算器目标距离输出6 4 2数字式自动跟踪 模拟 数字混合跟踪前波门计数器跟踪波门产生器距离计数器比较器1前波门产生减法器后波门计数器跟踪距离累加器跟踪距离累加器比较器2后波门产生6 4 3自动搜索和截获搜索状态 距离跟踪累加器自动增加 前后波门计数器有输出时 转入跟踪状态跟踪状态 距离跟踪累加器按照距离误差修订跟踪距离6 4 4提高跟踪精度的方法提高计数脉冲频率 时间量化精度 0距离脉冲 回波脉冲 回波脉冲 前波门 后波门 计数脉冲 前波门 后波门 7 目标角度的测量 7 1概述7 2测角方法及其比较7 3天线波束的扫描方法7 4三坐标雷达7 5自动测角的原理和方法 7 1概述 7 1 1雷达测角的基本原理利用雷达天线的方向性 对不同方向电磁波的振幅 相位响应差别 目前主要是利用振幅特性7 1 2天线的振幅方向图雷达天线对不同方向电磁波的振幅响应特性描述余弦函数 描述主瓣特性 忽略旁瓣 解析性差高斯函数 主瓣描述较好 旁瓣偏差较大 解析性好sinc函数 主 旁瓣描述均较好 解析性较差双程方向图特性是单程方向图特性的二次方 收发之间时间短 方向基本不变 7 2测角方法及其比较 7 2 1相位法测角单平面测角基本原理系统组成中放1输出信号 中放2输出信号 相位检波输出与测角处理 测角误差与多值性 无模糊测角要求最大无模糊测角范围测角误差 0法方向方向精度最好 90 方向不可测 d 越大精度越高但无模糊范围越小解决精度与无模糊范围的矛盾 多基线相位法测向 7 2测角方法及其比较 7 2 1相位法测角多基线测角每条基线向的无模糊相位 分别为基线长度与来波方向 实际测量为有模糊相位 测量相位输出在 范围内 一般保证最短基线没有相位模糊测角处理 解模糊并作相位校正 角度估计 只用最长基线或全部基线 7 2测角方法及其比较 该算法可减小相位测量误差对测角精度的影响为 举例 某雷达采用3基线相位法测角 各基线长度分别为2cm 10cm 50cm 波长为5cm如果目标处于30 方向 试求 1 各基线输出回波信号的无模糊相位和有模糊相位2 如果各路测量电路的相位误差分别为23 21 15 则方向估计值为多少 解 1 各基线测量的无模糊相位有模糊相位2 有误差条件下的无模糊相位有模糊相位解模糊计算角度估计 7 2测角方法及其比较 7 2 2振幅法测角最大信号法以天线扫描中接收信号功率最大 两侧功率相等的方向作为目标方向最大信号测角两侧功率测角最大信号方向示意图两侧功率相等方向示意图特点 只需要一个接收调道 系统组成简单天线扫描一个周期 获得一次目标角度测量值目标幅度起伏影响测量精度 误差较大 随机误差均方根值 不便于自动跟踪 7 2测角方法及其比较 7 2 2振幅法测角等信号法以两同时波束接收信号功率相等的方向作为目标方向等信号法测角示意图假设目标偏离等信号方向的夹角为 天线1方向图天线2方向图天线方向图满足对称性 等信号方向是指当