雷达基本工作原理

1、雷达相关原理 第一部分 雷达基本工作原理 1.1基本概念 雷达雷达: Radar Radio detection and ranging 无线电探测和测距。无线电探测和测距。 定义：定义： 雷达是一种通过发射电磁波和接雷达是一种通过发射电磁波和接 收回波，对目标进行探测和测定目标收回波，对目标进行探测和测定目标 信息的设备。信息的设备。 电磁波特性 直线传播 二次辐射（反射） 目标 雷达目标 雷达所能发现的所有目标。 船舶船舶 岛屿（陆地）岛屿（陆地） 浮标浮标 海浪杂波海浪杂波 雨雪杂波雨雪杂波 目标信息 相对位置（距离和方位） 真速度 真航向 CPA（Closest Point of Ap

2、proach) TCPA(Distance to CPA) (1) 避碰避碰 距离，方位，速度，航向距离，方位，速度，航向. 测量目标参数测量目标参数 (2) 无视线限制无视线限制 (1) 远距离探测远距离探测 尽早发现目标尽早发现目标 三个主要用途三个主要用途: (2) 定位定位 导航导航 1.2海上雷达的用途 雷达雷达/ARPA, ECDIS, GPS/DGPS和自动舵构成的自动和自动舵构成的自动 船桥系统是未来主要的导航系统船桥系统是未来主要的导航系统 雷达结构及其工作原理 雷达影像失真的特点及其产生原因 影响雷达正常观测的诸要素 雷达测距/测方位 雷达定位与导航 雷达航标 1.3雷达考

3、核内容 1.4 雷达的测距与测向原理 方向扫描方向扫描 量程量程: 回波回波 (at 10 nm) t123.5s s 荧光屏边缘荧光屏边缘 本船本船 目标目标岛屿岛屿 12 nm 目标目标 90 245 245 EBL 90 180 270 0 方位标志方位标志 海图平海图平 面面 雷 达 平雷 达 平 面面 Fig. 距离与方位测量距离与方位测量 扫描线扫描线 固定距标圈固定距标圈 HL 岛屿岛屿 本船本船 雷达不能雷达不能“感知感知”目标的背面，目标的背面， 因此目标的后沿是不可见的因此目标的后沿是不可见的. 1. 雷达测距原理雷达测距原理 t: 往返于天线与目标的时间往返于天线与目标的

4、时间, C: 电磁波在空间传播速度电磁波在空间传播速度3108m/s。 2. 雷达测向原理雷达测向原理 借助于定向天线借助于定向天线 扫描扫描. 1.4 雷达的测距与测向原理 1 t CR 2 = = 2 雷达基本组成 发射脉冲发射脉冲 回波回波 发射机发射机 接收机接收机 电源电源 船电船电 船首线船首线 微波传输线微波传输线 天线天线 方位方位 回波回波 T/R 触发器触发器 显示器显示器 1. 波长波长 S 波段波段 10cm波长波长 20004000MHz 7.515cm 3050MHz X 波段波段 3cm波长波长 800012500MHz 2.43.75cm 9375MHz 。 2

5、. 脉冲宽度脉冲宽度 每次发射脉冲的射频振荡持续时间每次发射脉冲的射频振荡持续时间.0.050.2us 3 雷达相关技术参数 天气好天气好: X band; 天气坏天气坏(雨雨/雪雪) : S band 3. 脉冲重复频率脉冲重复频率f/脉冲重复周期脉冲重复周期T f f（P.R.F Pulse Repeat FrequencyP.R.F Pulse Repeat Frequency） 每相邻两次发射脉冲的时间间隔每相邻两次发射脉冲的时间间隔 。（。（4004000Hz） 4. 发射峰值功率发射峰值功率Pt: 在脉宽持续时间内的功率在脉宽持续时间内的功率 3 雷达相关技术参数 5. 发射平均功

6、率发射平均功率Pm: 在脉冲重复周期内的功率在脉冲重复周期内的功率T pp tm t t = = 6. 接收机灵敏度接收机灵敏度Prmin:表示接收机接收微弱信号的能力表示接收机接收微弱信号的能力 P rmin = kTfN f接收机通频带接收机通频带 N接收机噪声接收机噪声 K波尔兹曼常数波尔兹曼常数 T接收机端绝对温度接收机端绝对温度 7.接收机带宽接收机带宽 f 指在放大情况下，允许通过接收机的信号频率范围。指在放大情况下，允许通过接收机的信号频率范围。 3 雷达相关技术参数 长脉冲长脉冲 窄范围的频谱窄范围的频谱 f 噪声噪声灵敏度灵敏度 失真失真 f 噪声噪声 灵敏度灵敏度 失真失真

7、 兼顾兼顾: 远量程远量程 f 灵敏度灵敏度 近量程近量程 f 灵敏度灵敏度 航海雷达航海雷达 125 MHz 8.天线增益天线增益 定向天线最大辐射方向的功率与点状天线各向均匀辐射的平均功率之比。定向天线最大辐射方向的功率与点状天线各向均匀辐射的平均功率之比。 表示定向天线的功率集束能力。表示定向天线的功率集束能力。 3 雷达相关技术参数 = = 2 a 4 G e a G e A A a Gl l l l p p 9.水平波束宽度水平波束宽度 在水平面内的波束半功率点的宽度。在水平面内的波束半功率点的宽度。 L H l q 70 = L q H 方位分辩率 一般为1 H H 半功率点半功率

8、点 A B B C C 水平方向性图水平方向性图 P L R 半功率点半功率点 10.垂直波束宽度垂直波束宽度 表示在垂直面内的波束半功率点的宽度。为防止船舶摇摆时不至丢失目标，表示在垂直面内的波束半功率点的宽度。为防止船舶摇摆时不至丢失目标， 一般一般15 30 。 3 雷达相关技术参数 HBW VBW 棒状波束 通过分析雷达使用性能及其影响因素，了解雷达影像失通过分析雷达使用性能及其影响因素，了解雷达影像失 真的特点及其产生原因，是正确理解和使用雷达图像信息的真的特点及其产生原因，是正确理解和使用雷达图像信息的 前提。前提。 4 雷达使用性能及其影响因素 最大探测距离 最大作用距离 最小作

9、用距离 距离分辨率 方位分辨率 在考虑地球曲率、天线高度、物标高度及雷达电波传播在考虑地球曲率、天线高度、物标高度及雷达电波传播 空间大气折射影响时，雷达可能观测的最大距离空间大气折射影响时，雷达可能观测的最大距离 4.1 最大探测距离 )2.23( 21 hhR+ += = 几何地平几何地平 1.93 光学地平光学地平 2.07 雷达地平雷达地平 2.23 雷达地平和最大探测距离雷达地平和最大探测距离 h h 天线雷达地平天线雷达地平 目标雷达地平目标雷达地平 2 1 一台雷达在一定的电波传播条件下，对某一特定的物标，一台雷达在一定的电波传播条件下，对某一特定的物标， 雷达能满足一定发现概率

10、是，所能观测到物标的最大距离，雷达能满足一定发现概率是，所能观测到物标的最大距离， 其影响因素包括：其影响因素包括： 4.2 最大作用距离 雷达技术参数 物标反射性能 海面反射（工作环境） 大气衰减 1 雷达技术参数对雷达最大作用距离的影响雷达技术参数对雷达最大作用距离的影响 4.2 最大作用距离 4 1 min 2 0 2 max 64 = r At P GP R p l Pt : 天线发射的脉冲功率；天线发射的脉冲功率； GA： 天线增益；天线增益； ：工作波长；：工作波长； P Prmin rmin：接收机门限电压； ：接收机门限电压； 0 0 ： ： 物标有效散射面积物标有效散射面积

11、2 物标反射性能对雷达最大作用距离的影响物标反射性能对雷达最大作用距离的影响 4.2 最大作用距离 大小尺寸大小尺寸 物标形状物标形状 表面结构表面结构 入射波的方向入射波的方向 物标质地物标质地 工作波长工作波长 侧视图侧视图 俯视图俯视图 3 海面（镜面）反射对雷达最大作用距离的影响海面（镜面）反射对雷达最大作用距离的影响 4.2 最大作用距离 到达物标有直射波和海面反射波，两者互相作用造成雷到达物标有直射波和海面反射波，两者互相作用造成雷 达波束在垂直方向上的分裂现象。回波将时隐时现。达波束在垂直方向上的分裂现象。回波将时隐时现。 4 大气衰减对雷达最大作用距离的影响大气衰减对雷达最大作

12、用距离的影响 4.2 最大作用距离 与工作频率有关，与工作频率有关，S波段强于波段强于X波段波段 大雾对雷达回波有影响大雾对雷达回波有影响 与天线波束宽度及脉冲宽度有关与天线波束宽度及脉冲宽度有关 指雷达波在大气层传播过程中受到大气吸收或散射导致指雷达波在大气层传播过程中受到大气吸收或散射导致 雷达波能量的衰减，其特点是：雷达波能量的衰减，其特点是： 4.3 最小作用距离 指雷达能在显示器屏幕上显示并测定物标的最近距离，指雷达能在显示器屏幕上显示并测定物标的最近距离， 最小作用距离取决于：最小作用距离取决于： )( 2 C min1r tR+ += =t t 脉冲宽度脉冲宽度和收发开关恢复时间

13、和收发开关恢复时间t tr r 雷达的安装位置，吃水雷达的安装位置，吃水 ，垂直波束宽度，垂直波束宽度 min1 R Rmin2 H 最小作用距离最小作用距离 受垂直波束宽度影响受垂直波束宽度影响 零发射线零发射线 半功率发射线半功率发射线 Rmin2 = Hctgv 4.4 距离分辨率 指雷达分辨同方位的两个相邻物标的能力，取决于：指雷达分辨同方位的两个相邻物标的能力，取决于： 量程选择量程选择 脉冲宽度和回波波形脉冲宽度和回波波形 屏幕大小及象素点屏幕大小及象素点 接收带宽接收带宽 带宽失真带宽失真 距离分瓣率距离分瓣率 荧光屏边缘荧光屏边缘 AB 4.5 方位分辨率 指雷达分辨距离相同方

14、位相邻的两个物标的能力，指雷达分辨距离相同方位相邻的两个物标的能力， 取决于：取决于： 水平波束宽度水平波束宽度 荧光屏及象素点大小荧光屏及象素点大小 增益亮度调整增益亮度调整 方位分瓣率方位分瓣率 象素分瓣象素分瓣 率率 H H H H 5 雷达指标对使用性能影响 工作波长工作波长 脉冲宽度脉冲宽度 脉冲重复频率脉冲重复频率f * 发射峰值功率发射峰值功率Pt * 天线波束宽度天线波束宽度 天线转速天线转速nA 天线极化型式天线极化型式 * 接收机通频带接收机通频带f * 5.1 工作波长对使用性能影响 正常天气观测较小的物标时，正常天气观测较小的物标时，3cm雷达的雷达的rmax要比要比1

15、0cm的大的大 雨雪天，则雨雪天，则10cm雷达的雷达的rmax要比要比3cm雷达的大得多雷达的大得多 1 对最大作用距离的影响对最大作用距离的影响 2 对距离分辨率和测距精度的关系对距离分辨率和测距精度的关系 工作波长越短，脉冲前沿越短，测距精度高；脉冲前沿越短，有工作波长越短，脉冲前沿越短，测距精度高；脉冲前沿越短，有 利于缩短脉冲宽度，提高距离分辨率利于缩短脉冲宽度，提高距离分辨率 3 对方位分辨率和测方位精度的关系对方位分辨率和测方位精度的关系 工作波长越短，天线水平波束宽度越窄，方位分辨率和测方位进工作波长越短，天线水平波束宽度越窄，方位分辨率和测方位进 度越高度越高 4 抗杂波干扰

16、能力的关系抗杂波干扰能力的关系 工作波长越短，雨雪海浪等对雷达波德反射越强，干扰越大工作波长越短，雨雪海浪等对雷达波德反射越强，干扰越大 5.2 脉冲宽度对使用性能影响 脉冲宽度越大，能量越大，作用距离越大脉冲宽度越大，能量越大，作用距离越大 1 对最大作用距离的影响对最大作用距离的影响 2 对最小作用距离的关系对最小作用距离的关系 脉冲宽度越小，脉冲宽度越小，rmin越小越小 3 对距离分辨率和测距精度的关系对距离分辨率和测距精度的关系 脉冲宽度越小，脉冲宽度越小， rmin越小，距离分辨率越高越小，距离分辨率越高 脉冲宽度越小，雷达回波图像外侧的图像扩大效应越小，图像失脉冲宽度越小，雷达回

17、波图像外侧的图像扩大效应越小，图像失 真小，有利于提高测距精度真小，有利于提高测距精度 4 对抗杂波干扰能力的关系对抗杂波干扰能力的关系 脉冲宽度越短，缩短照射在雨雪及海浪上的时间，干扰回波较弱脉冲宽度越短，缩短照射在雨雪及海浪上的时间，干扰回波较弱 5.3 天线波束宽度对使用性能影响 越小，越小，GA越大，越大，rmax越大越大 越小，越小， amin越小，方位分辨率越高越小，方位分辨率越高 越小，回波图像的越小，回波图像的“角向肥大角向肥大” （/2 ）越小）越小,测方位精度越测方位精度越 高高 越小，照射到海浪、雨雪等范围小，杂波干扰回波强度小越小，照射到海浪、雨雪等范围小，杂波干扰回波强度小 1 天线水平波束宽度天线水平波束宽度 2 天线垂直波束宽度天线垂直波束宽度 越小，越小，GA越大，越大，rmax越大越大 越大，最小作用距离越小越大，最小作用距离