雷达考试总结讲解

1、CHAPTER 、1 空管监视技术一、监视的概念 监视：为空中交通管理系统提供航空器和机场场面车辆的活动信息， 是进行空中交通管理的 基础。 空中交通管制等运行单位利用监视信息判断、 跟踪航空器和机场场面车辆位置， 获取 航空器和机场场面车辆识别信息 , 掌握航空器飞行轨迹和意图，调整航空器间隔及监视机场 场面运行态势，提高空中交通安全的保障能力。二、监视技术分类1、独立非协作式监视 无需依靠机载电子系统，计算飞机二维位置 监视者：独立，被监视者（目标） ：被动 e.g.PSR2、独立协作式监视提供计算的飞机三维位置和识别、机载参数等其他信息 监视者：独立，被监视者（目标） ：被动e.g.SS

2、R （A/C、S），MLAT3、非独立协作式监视 提供机载设备（ GPS/INS）获得的位置信息和识别、机载参数等其他信息 监视者：非独立，被监视者（目标） ：主动（自动）e.g.ADS （A/C、B）CHAPTER 2一次雷达（ PSR）一、工作原理及基本组成1、工作原理由雷达发射机产生的电磁能 , 经收发开关后传输给天线 , 再由天线将此电磁能定向辐 射于大气中。电磁能在大气中以光速 （约 3108m/s）传播 , 如果目标恰好位于定向天线的波 束内 , 则它将要截取一部分电磁能。 目标将被截取的电磁能向各方向散射 , 其中部分散射的 能量朝向雷达接收方向。 雷达天线搜集到这部分散射的电磁

3、波后 , 就经传输线和收发开关馈 给接收机。接收机将这微弱信号放大并经信号处理后即可获取所需信息 , 并将结果送至终端噪声噪声 接收机信号 处理机显示器二、优缺点1、一次雷达优点： 非协作式：所有可以反射电磁波的物体都有可能被探测到 独立：一次雷达不依赖于任何机载设备2、一次雷达缺点： 所有可以反射电磁波的物体都有可能被探测到，因此，不感兴趣的物体也可能被探 测到，如地面反射电磁波所形成的回波不能获取高度信息三、任务( R、v) 当雷达探测到目标后 , 就要从目标回波中提取有关信息 : 可对目标的距离和空间角度 定位 , 目标位置的变化率可由其距离和角度随时间变化的规律中得到， 并由此建立对目

4、标跟 踪; 雷达的测量如果能在一维或多维上有足够的分辨力 , 则可得到目标尺寸和形状的信息 采用不同的极化， 可测量目标形状的对称性。 原理上， 雷达还可测定目标的表面粗糙度及介 电特性等。1、 目标斜距的测量( R)雷达工作时 , 发射机经天线向空间发射一串重复周期一定的高频脉冲。 如果在电磁波传 播的途径上有目标存在 , 那么雷达就可以接收到由目标反射回来的回波。 由于回波信号往返, 即 R ctr于雷达与目标之间 , 它将滞后于发射脉冲一个时间 tr。 我们知道电磁波的能量是以光速传 播的 , 设目标的距离为 R, 则传播的距离等于光速乘上时间间隔式中, R为目标到雷达站的单程距离 ,

5、单位为 m; tr 为电磁波往返于目标与雷达之间的8时间间隔 , 单位为 s; c 为光速， c=3 108m/s能测量目标距离是雷达的一个突出优点 , 测距的精度和分辨力与发射信号带宽 ( 或处理 后的脉冲宽度 ) 有关。脉冲越窄 , 性能越好。2、目标角位置的测量 ( ) 目标角位置指方位角或仰角 , 在雷达技术中测量这两个角位置基本上都是利用天线的 方向性来实现的。 雷达天线将电磁能量汇集在窄波束内 , 当天线波束轴对准目标时 , 回波信 号最强 , 如图实线所示。 当目标偏离天线波束轴时回波信号减弱 , 如图虚线所示。 根据接收 回波最强时的天线波束指向 , 就可确定目标的方向 , 这

6、就是角坐标测量的基本原理。 天线波束指向实际上也是辐射波前的方向。图：角坐标测量3、相对速度的测量（ v）有些雷达除确定目标的位置外 , 还需测定运动目标的相对速度 , 例如测量飞机或导弹 飞行时的速度。 当目标与雷达站之间存在相对速度时 , 接收到回波信号的载频相对于发射信 号的载频产生一个频移 , 这个频移在物理学上称为多卜勒频移 , 它的数值为 f2vr式中 , f d 为多卜勒频移， 单位为 Hz; vr 为雷达与目标之间的径向速度， 单位为 m/s; 为载波波长，单位为 m。当目标向着雷达站运动时 , vr 0, 回波载频提高 ; 反之 vr 0), 因此 F1, 只有当接收机是“理

7、想接收机”时 , 才会有 F=1。 下面对噪声系数作几点说明 : 噪声系数只适用于接收机的线性电路和准线性电路 , 即检波器以前部分。 检波器 是非线性电路 , 而混频器可看成是准线性电路 , 因其输入信号和噪声都比本振电压小 很多 , 输入信号与噪声间的相互作用可以忽略。To=290K 时产生的热噪声为标准 接收机本身参数确定。 为使噪声系数具有单值确定性 , 规定输入噪声以天线等效电阻RA 在室温所以由式 F 1 N 可以看出 , 噪声系数只由 kT0BnGa 噪声系数 F是没有单位的数值 , 通常用分贝表示 F=10 lg F(dB) 噪声系数的概念与定义 , 可推广到任何无源或有源的四

8、端网络。 接收机的馈线、放电器、移相器等属于无源四端网络 , 图中 Ga 为额定功率传输 系数。由于具有损耗电阻 , 因此也会产生噪声 , 下面求其噪声系数。无源四端 网 络Ga从网络的输入端向左看是一个电阻为 RA 的无源二端网络 , 它输出的额定噪声功NiGa kT0 BnGa率为 Ni kT0 Bn经过网络传输 , 加于负载 RL 上的外部噪声额定功率为从负载电阻 RL向左看 , 也是一个无源二端网络 , 它是由信号源电阻 RA和无源四端网络组合而成的 , 同理 , 这个二端网络输出的额定噪声功率仍为kToBn, 它也就是无源四端网络输出的总额定噪声功率 , 即 No kT0BnNoNo

9、1根据式 F 可得： F 根据式NiGa 可得：NiGa Ga由于无源四端网络额定功率传输系数Ga 1, 因此其噪声系数 F1。2)级联电路的噪声系数两级电路的级联2总噪声系数 ：F0 F1 FG2 11n 级电路级联总噪声系数：F0F1F2 1F3 1 Fn1G1G1G2G1G2Gn1上式给出了重要结论 : 为了使接收机的总噪声系数小 , 要求各级的噪声系数小、 额 定功率增益高。 而各级内部噪声的影响并不相同 , 级数越靠前 , 对总噪声系数的影响越高增益低噪声高频放大。所以总噪声系数主要取决于最前面几级 , 这就是接收机要采用大器 的主要原因。典型雷达接收机的高、中频部分GR FRGIF

10、IGf1/GfGl 1/GlGcFcGg1/Gg将图中各级的额定功率增益和噪声系数代入n 级电路级联公式, 即可求得接收机的1 Gf GgG1 般都采用高增益 ( GR20dB)低噪声高频放大器 , 因此上式可简化为 ：F0FR总噪声系数 :FR Fc 1 F1 1 GRGRGcGfGgG1 t F 1 若不采用高放 , 直接用混频器作为接收机第一级 , 则可得： F0c 1Gf Gg G1Gc 式中 t c 为混频器的噪声比 , 本振噪声的影响一般也计入在内。 f g 1 c4) 接收机灵敏度(1) 灵敏度噪声总是伴随着微弱信号同时出接收机的灵敏度表示接收机接收微弱信号的能力。现 , 要能检

11、测信号 , 微弱信号的功率应大于噪声功率或者可以和噪声功率相比。因此灵敏度用接收机输入端的最小可检测信号功率Si min 来表示。在噪声背景下检测目标 ,接收机输出端不仅要使信号放大到足够的数值 , 更重要的是使其输出信号噪声比 So/ No 达到所需的数值。通常雷达终端检测信号的质量取决于信噪比。为了保证雷达检测系统发现目标的质量(如在虚警概率为 10-6 的条件下发现概率是SoNo min50 %或 90 %等), 接收机的中频输出必须提供足够的信号噪声比 , 令 So/ No( So/ No) min 时对应的接收机输入信号功率为最小可检测信号功率 , 即接收机实际灵敏度为 Si min

12、 kT0BnF0通常,我们把 ( So/ No) min称为“识别系数” , 并用 M表示 , 所以灵敏度又可以写成Si minkT0BnF0M为了提高接收机的灵敏度 , 即减少最小可检测信号功率 Si min , 应做到 : 尽量 降低接收机的总噪声系数 Fo, 所以通常采用高增益、低噪声高放 ; 接收机中频放大 器采用匹配滤波器 , 以便得到白噪声背景下输出最大信号噪声比 ; 式中的识别系数 M 与所要求的检测质量、 天线波瓣宽度、扫描速度、雷达脉冲重复频率及检测方法等 因素均有关系。在保证整机性能的前提下 , 尽量减小 M的数值。 (2)临界灵敏度为了比较不同接收机线性部分的噪声系数Fo

13、 和带宽 Bn 对灵敏度的影响 , 需要排除接收机以外的诸因素 , 因此通常令 M=1, 这时接收机的灵敏度称为“临界灵敏度”， 其 为 Si min kT0Bn F0雷达接收机的灵敏度以额定功率表示 , 并常以相对 1 mW的分贝数计值 , 即Simin (dBmW ) 10lg Sim1i0n (W3 )(dBmW)一般超外差接收机的灵敏度为 -90-110 dBmW。对米波雷达 , 可用最小可检测电压 ESi min 表示灵敏度 ESimin 2 SiminRA 对一般超外差式接收机 , ESi min 为 10-6 10-7V。将 kTo 的数值代入式 S i m i n k ,T S

14、0BnF0i min 仍取常用单位 dBmW, 则可得到简便计算公式为： Si min (dBmW)=-114dB+10 lgBn(MHz)+10 lgF o不同噪声带宽 （Bn=BRI） 时接收机灵敏度与噪声系数的关系曲线0.1 MHz 0.5 M Hz 1 MHz 2 MHz3 MHz4 MHz5 MHz6 MHz7 MHz8 MHz9 MHz10 MHz5）接收机的动态范围对一般放大器 , 当信号电平较小时 , 输出电压 Uom随输入电压 Uim 线性增大 , 放大器工作正常。 但信号过强时 , 放大器发生饱和现象 , 失去正常的放大能力 , 结果输出电压 Uom 不再增大 , 甚至反而

15、会减小 , 致使输出 - 输入振幅特性出现弯曲下 降, 见下图。 这种现象称为放大器发生“过载”。 图中表示宽脉冲干扰与回波信 号共同通过中频放大器的情况 （ 为了简便起见 , 仅画出它们的调制包络 ）: 当干扰电 压振幅 Unm较小时 , 输出电压中有与输入信号 Uin 相对应的增量 ; 但当 Unm较大时 , 由于放大器饱和 , 致使输出电压中的信号增量消失 , 即回波信号被丢失。同理 , 视 频放大器也会发生上述的饱和过载现象。信号与宽脉冲干扰共同通过中频放大器的示意图 （输出 - 输入振幅特性）因此 , 对于叠加在干扰上的回波信号来说 示, 它是放大器振幅特性曲线上某点的斜率其放大量应

16、该用增量增益”表KddUom dUim由上图所示的振幅特性 , 可求得 Kd- Uim的关系曲线 , 如下图所示。 可知, 只要接收机中某一级的增量增益 Kd 0, 接收机就会发生过载 , 即丢失目标回波信号接收机抗过载性能的好坏 , 可用动态范围 D来表示 , 它是当接收机不发生过载Pimax 时允许接收机输入信号强度的变化范围 , 其定义式如下 : D 10lg Pimax (dB) UPimin或：D 20lg UU i max (dB)U i min式中 , Pi min 、Ui min 为最小可检测信号功率、电压 ; Pi max、 Ui max 为接收机 不发生过载所允许接收机输入

17、的最大信号功率、电压。Acos 0t si (t)0|t | 2|t|2时刻可以达到最大。(2)单个矩形中频脉冲的匹配滤波器多数常规雷达采用简单矩形脉冲调制 , 所以有必要研究一下矩形包络的单个中频脉冲的匹配滤波器。设矩形脉冲的幅度为 A, 宽度为 , 信号波形的表达式为 傅里叶变换可求得信号频谱 Si ()由 H()= S*() 可得匹配滤波器的传输函数 H( )(c)匹配滤波器输出的最大信噪比为NS max理想匹配滤波器的特性一般比较难于实现2E A2N0 N0, 例如对于单个矩形中频脉冲来说图 (c) 所示的频率特性 H( ) 就不易实现。因此需要考虑它的近似实现 , 即采用准匹配滤波器

18、。五、雷达作用距离1、最大作用距离 Rmax1) 当 Pr 正好等于 Si min 时,就可得到雷达检测该目标的最大作用距离Rmax，雷达距离方程的 两种基本形式 ：RmaxPt Ar224Si minRPtG2 2Rmax(4 )3Si miPt 为雷达发射功率 , Gt 为雷达天线的增益， Ar 为雷达接收天线的有效接收面积(单i min基地脉冲雷达通常收发共用天线 , 即 Gt= Gr= G, At=Ar )，为目标的散射截面积， Si min为最小可检测信号功率 ， 为所用波长4A2) 天线增益和有效面积之间有以下关系 : G3) 雷达方程虽然给出了作用距离和各参数间的定量关系, 但因

19、未考虑设备的实际损耗和环境因素 , 而且方程中还有两个不可能准确预定的量 : 目标有效反射面积 和最小可检测信号 Si min , 因此它常用来作为一个估算的公式 , 考察雷达各参数对作用距离影响的程度。 4) 接收信号处理框图N o min DoSi min检测门限1/4 2 1/4REtGt ArPt GtGr 2用检测因子 Do 表示的雷达方程 为 ： Rmax(4 )2kT0FnD0CBL(4 )3kT0FnD0CBL上式中增加了带宽校正因子CB 1, 它表示接收机带宽失配所带来的信噪比损失 , 匹配时 CB=1；L表示雷达各部分损耗引入的损失系数；Fn 为接收机的噪声系数； T0为标

20、准室温 , 一般取 290K； 检测因子 Do= ( S/N) o min5) 环境因素：大气传播影响(大气衰减、大气折射和雷达直视距离)、地面或水面反射对作用距离的影响2、门限检测检测时门限电压的高低影响以下两种错误判断的多少 :有信号而误判为没有信号 （ 漏警） 只有噪声时误判为有信号 （ 虚警） 应根据两种误判的影响大小来选择合适的门限。 1） 虚警概率 Pfa虚警是指没有信号而仅有噪声时 , 噪声电平超过门限值被误认为信号的事件。 噪声超过 门限的概率称虚警概率。包络检波器输出端噪声电压振幅的概率密度函数为P（ r）发现概率就是信号加噪声电压超过门限的概率。2、目标的雷达截面积 （RC

21、S） 雷达是通过目标的二次散射功率来发现目标的。 为了描述目标的后向散射特性 , 在雷达 方程的推导过程中 , 定义了“点”目标的雷达截面积 。目标的后向散射特性除与目标本身 的性能有关外 , 还与入射波的 波长 、极化和视角 有关。1）点目标特性与波长的关系目标的后向散射特性与波长的关系最大 , 常以相对于波长的目标尺寸来对目标进行分 类。为了讨论目标后向散射特性与波长的关系 , 比较方便的办法是考察一个 各向同性的球 体 。 因为球有最简单的外形 , 而且理论上已经获得其截面积的严格解答 , 其截面积与视角 无关, 因此常用 金属球来作为截面积的标准 , 用于校正数据和实验测定。球体截面积

22、与波长的关系如图所示。当球体周长2r 的区域称为 光学区 , 截面积振荡地趋于某一固定值 , 它就是几何光学的投影面积2r 。目标的尺寸相对于波长很小时呈现 瑞利区 散射特性 , 即 -4-4 。绝大多数雷达目标都不处在这个区域中, 但气象微粒对常用的雷达波长来说是处在这一区域的 （ 它们的尺寸远小于波 长） 。处于瑞利区的目标 , 决定它们截面积的主要参数是体积而 不是形状 , 形状不同的影响只作较小的修改即可。通常，雷达目 标的尺寸较云雨微粒要大得多 , 因此降低雷达工作频率可减小 云雨回波的影响而又不会明显减小正常雷达目标的截面积。实际上大多数雷达目标都处在 光学区 。光学区名称的来源是

23、因为目标尺寸比波长大得多时, 如果目标表面比较光滑 , 那么几何光学的原理可以用来确定目标雷达截面积。 按照几何光学的原理 , 表面最强的反射区域是对电磁波波前最突出点附近的小的区域 , 这个区域的大小与该点的曲率半径成正比。 曲率半径越大， 反射区域越大 , 这一反射区域在光学中称为“亮斑”。可以证明2, 当物体在“亮斑”附近为旋转对称时 , 其截面积为 2, 故处于光学区球体的截面积为2 r , 其截面积不随波长 变化。在光学区和瑞利区之间是振荡区 , 这个区的目标尺寸与波长相近 , 在这个区中， 截面积 随波长变化而呈振荡 , 最大点较光学值约高 5.6dB, 而第一个凹点的值又较光学值

24、约低 5.5dB 。实际上雷达很少工作在这一区域。2）目标特性与极化的关系目标的散射特性通常与入射场的极化有关。 先讨论天线幅射 线极化 的情况。 照射到远区 目标上的是线极化平面波 , 而任意方向的线极化波都可以分解为两个正交分量 , 即垂直极 化分量和水平极化分量 , 分别用 ETH和 ETV 表示在目标处天线所幅射的水平极化和垂直极化电场 , 其中上标 T 表示发射天线产生的电场 , 下标 H 和 V分别代表水平方向和垂直方向。S般, 在水平照射场的作用下 , 目标的散射场 E 将由两部分 （ 即水平极化散射场 E H, 和垂直S极化散射场 EV）组成 , 并且有ESETHHH HESE

25、TVHV H；式中， HH表示水平极化入射场产生水平SH VH 同理 , 在垂直照射场作用下 , 目标的散射场也有两部分 : SEVS 式中 , VH 表示垂直极化入射场产生水平极化散射场的散射系数；, 垂直散射场可被垂显然 , 这四种散射成分中 , 水平散射场可被水平极化天线所接收EHHH EHVH EVr直极化天线所接收 , 所以有 HrHH HTVH VT，式中 E H,EHHV EHVV EV收到的目标散射场中的水平极化成分和垂直极化成分，可得出散射矩阵： ej HHej VH： HH e VH eHV ej HVVV ej VV由于雷达截面积严格表示应该是一个复数 , 其中 HH 等

26、表示散射矩阵单元的幅度散射矩阵还可以表示成如下形式：E V 分别表示接收天线所EHrEVrHHVHHVVVHHEHTT极化散射场的散射系数； HV表示水平极化入射场产生垂直极化散射场的散射系数。 ST EHVH EVVV EV VV 表示垂直极化入射场产生垂直极化散射场的散射系数。表示相对应的相位。天线的互易 原理告诉我们 , 不论收发天线各采用什么样的极化 , 当收发天线互易时 可以得到同样效果。 特殊情况 , 比如发射天线是垂直极化 , 接收天线是水平极化 , 当发射 天线作为接收而接收天线作为发射时 , 效果相同 , 可知 HV=VH, 说明散射矩阵交叉项具 有对称性。散射矩阵表明了目标

27、散射特性与极化方向的关系 , 因而它和目标的 几何形状 间有密切 的联系。同理，如果我们采用相同极化的 圆极化 天线作为发射和接收天线 , 那么对于一个近似为 球体的目标 , 接收功率很小或为零。 我们知道， 气象微粒如雨等就是球形或椭圆形 , 为了 滤除雨回波的干扰 , 收发天线常采用同极化的圆极化天线。 不管目标是否对称 , 根据互易 原理，都有 LR= RL。3) 复杂目标的雷达截面积诸如飞机、 舰艇、地物等复杂目标的雷达截面积 , 是 视角和工作波长 的复杂函数。 尺寸 大的复杂反射体常常可以近似分解成许多独立的散射体 , 每一个独立散射体的尺寸仍处于 光学区 , 各部分没有相互作用

28、, 在这样的条件下， 总的雷达截面积就是各部分截面积的矢量2和： k exp j4 dkk这里， k是第 k个散射体的截面积； dk是第k个散射体与接收机之间的距离 , 这一公式对确定散射器阵的截面积有很大的用途。各独立单元的反射回波由于其相对相位关系可以是相加 , 给出大的雷达截面积 , 也可能相减而得到小的雷达截面积。 对于复杂目标，各 散射单元的间隔是可以和工作波长相比的 , 因此当观察方向改变时 , 在接收机输入端收到 的各单元散射信号间的相位也在变化 , 使其矢量和相应改变 , 这就形成了起伏的回波信号。复杂目标的雷达截面积是 视角的函数 , 通常雷达工作时 , 精确的目标姿态及视角

29、是不 知道的 , 因为目标运动时 , 视角随时间变化。因此 , 最好是用统计的概念来描述雷达截面 积，所用统计模型应尽量和实际目标雷达截面积的分布规律相同。大量试验表明 , 大型飞机截面积的概率分布接近瑞利分布 , 当然也有例外 , 小型飞机 和各种飞机侧面截面积的分布与瑞利分布差别较大。 导弹和卫星的表面结构比飞机简单 , 它 们的截面积处于简单几何形状与复杂目标之间 , 这类目标截面积的分布比较接近对数正态 分布。船舶是复杂目标 , 它与空中目标不同之处在于海浪对电磁波反射产生多径效应 , 雷达 所能收到的功率与天线高度有关 , 因而目标截面积也和天线高度有一定的关系。 在多数场合 船舶截

30、面积的概率分布比较接近对数正态分布。 六、测距测量目标的距离是雷达的基本任务之一。 无线电波在均匀介质中以固定的速度直线传5 播（在自由空间传播速度约等于光速 c=3105 km/s） 。雷达位于 A点, 而在 B点有一目标 , 目标至雷达站的距离 （即斜距 ）R可以通过测量电波往返一次所需的时间tR得到， 即而时间 t R也就是回波相对于发射信号的延迟 , 因此, 目标距离测量就是要精确测定延迟时则tR2RcR 2ctR间 t R。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。1、脉冲法测距1）基本原理在常用的脉冲雷达中 , 波出现的时刻滞后于主波 , 延迟时间 t R通常是很短促的其中 t R的单位为s,回波信号是滞后于发射脉冲 t R的回波脉冲。在荧光屏上目标回滞后的时间就是 t R, 测量距离就是要测出时间 t R 。回波信号的发射