第1章雷达技术基础.

1、现 代 雷 达 技 术第第1 1章章 雷达技术基础雷达技术基础第1章 雷达技术基础课程介绍 课程课程简介简介 课程内容：课程内容：雷达雷达技术基础技术基础、主要现代雷达介绍主要现代雷达介绍 学习目标：学习目标： 巩固雷达基础知识巩固雷达基础知识 全面掌握现代雷达技术及其原理全面掌握现代雷达技术及其原理 了解现代雷达新技术、新体制及发展方向了解现代雷达新技术、新体制及发展方向第1章 雷达技术基础课程介绍 参考资料参考资料张明友、汪学刚，张明友、汪学刚，雷达雷达系统（第二系统（第二版）版），电子工业电子工业出版社出版社（教材）（教材） Merrill I. Skolnik,Radar Handbo

2、ok 丁鹭飞、耿富录，丁鹭飞、耿富录，雷达原理（第三版）雷达原理（第三版），西安电子科技大学出版社西安电子科技大学出版社 中航雷达与电子设备研究院，中航雷达与电子设备研究院，雷达雷达系统系统，国防工业国防工业出版社出版社第1章 雷达技术基础1.1 雷达的概念 雷达的雷达的定义定义？ 雷达雷达 Radar Radio Detection and Ranging 原意：原意：无线电无线电探测探测与与测距测距，无线电定位，无线电定位 利用电磁波的二次辐射、转发或目标固有辐射利用电磁波的二次辐射、转发或目标固有辐射来探测目标，获取目标空间坐标、速度、特征来探测目标，获取目标空间坐标、速度、特征等信息的

3、一种无线电技术，相应的设备称为雷等信息的一种无线电技术，相应的设备称为雷达站或雷达机，简称雷达达站或雷达机，简称雷达第1章 雷达技术基础1.1 雷达的概念 电磁波电磁波 变化变化的电场产生磁场的电场产生磁场 变化变化的磁场产生电场的磁场产生电场 随机热运动，所有物体都辐射电磁波能量，包随机热运动，所有物体都辐射电磁波能量，包括：无线电波、光、热辐射，波长不同括：无线电波、光、热辐射，波长不同 雷达辐射的电磁波：强电流激励调谐回路，向雷达辐射的电磁波：强电流激励调谐回路，向空间传播交变的电磁能量，高频正弦波空间传播交变的电磁能量，高频正弦波电磁波，辐射能量电磁波，辐射能量第1章 雷达技术基础1.

4、1 雷达的概念 无线电磁波的特征无线电磁波的特征 传播速度传播速度：真空中，无线电磁波以光速传播：真空中，无线电磁波以光速传播 传播方向传播方向：与电场和磁场方向垂直（右手法则，：与电场和磁场方向垂直（右手法则，E = H）。遇到反射体时，方向反向）。遇到反射体时，方向反向 功率密度功率密度：电磁波的平均强度：电磁波的平均强度 电磁波强度：在垂直于传播方向的平面内，电磁波强度：在垂直于传播方向的平面内，每秒通过单位面积的能量。瞬时值每秒通过单位面积的能量。瞬时值 = EH 接收功率接收功率 = 电磁波功率密度电磁波功率密度 天线孔径面积天线孔径面积第1章 雷达技术基础1.1 雷达的概念 无线电

5、磁波的特征（续）无线电磁波的特征（续） 天线极化天线极化：习惯上取为：习惯上取为电场方向电场方向 线极化：垂直和水平极化线极化：垂直和水平极化 圆极化：水平圆极化：水平 + 垂直极化垂直极化 接收天线与极化同向，吸收能力最大接收天线与极化同向，吸收能力最大 反射物改变极化方向，目标识别辅助手段反射物改变极化方向，目标识别辅助手段椭圆极化椭圆极化第1章 雷达技术基础1.1 雷达的概念 雷达接收（回波）信号雷达接收（回波）信号 目标目标：待测目标的电磁波反射或散射，如待测目标的电磁波反射或散射，如飞机、飞机、云雨、天体、舰船、山川、森林、陆地、建筑云雨、天体、舰船、山川、森林、陆地、建筑物、车辆、

6、兵器、人员等物、车辆、兵器、人员等 杂波杂波：不需要的电磁波反射，如地面、海面、：不需要的电磁波反射，如地面、海面、植被、山区、建筑物等植被、山区、建筑物等 干扰干扰：有源干扰、无源干扰：有源干扰、无源干扰 噪声噪声：环境噪声、系统热噪声：环境噪声、系统热噪声第1章 雷达技术基础1.1 雷达的概念 雷达雷达坐标系坐标系 极坐标系极坐标系：斜距、方位角、俯仰角，常用斜距、方位角、俯仰角，常用 其它坐标其它坐标：斜距、方位角、高度，测高仪斜距、方位角、高度，测高仪 雷达回波中的可用信息雷达回波中的可用信息 斜距斜距 角度：角度：方位角方位角和和俯仰角俯仰角（高低角）（高低角） 径向速度径向速度 目

7、标特征：大小；形状；表面粗糙度；介电特目标特征：大小；形状；表面粗糙度；介电特性性第1章 雷达技术基础1.1 雷达的概念 雷达回波中的可用信息雷达回波中的可用信息 斜距斜距 R （ Rmax 可由可由雷达方程估算雷达方程估算） 方位角方位角 a a （q q） 俯仰角俯仰角 b b （j j） 径向速度径向速度 vrvr目标PHRBDbaO正北雷达第1章 雷达技术基础1.1 雷达的概念 目标斜距的测量目标斜距的测量 利用电磁波从发射机经目标反射或散射到达接收利用电磁波从发射机经目标反射或散射到达接收机的传播用时机的传播用时 测距方法：时延法；三角定位法测距方法：时延法；三角定位法 物理依据物理

8、依据 电磁波在均匀介质中的直线传播特性电磁波在均匀介质中的直线传播特性 电磁波在大气或真空中的传播速度接近光速，电磁波在大气或真空中的传播速度接近光速，且误差可忽略且误差可忽略 各种物体对电磁波的散射特性各种物体对电磁波的散射特性第1章 雷达技术基础1.1 雷达的概念 目标目标角度角度的测量的测量 利用雷达天线波束的指向性利用雷达天线波束的指向性 测角方法：振幅法（最大信号法，双波束法）；测角方法：振幅法（最大信号法，双波束法）；相位法；时延法相位法；时延法 物理依据物理依据 电磁波在均匀介质中的直线传播特性电磁波在均匀介质中的直线传播特性 雷达天线的指向性，或电磁波的定向传播特性雷达天线的指

9、向性，或电磁波的定向传播特性第1章 雷达技术基础1.1 雷达的概念 目标目标速度速度的测量的测量 利用运动目标回波中的多普勒频移信息利用运动目标回波中的多普勒频移信息 测速方法：多普勒滤波；斜距变化率测速方法：多普勒滤波；斜距变化率 物理依据物理依据 物体相对运动所产生多普勒频移现象物体相对运动所产生多普勒频移现象，目标背离，目标接近0000)()/(2)(rrrdvvmsmvHzf第1章 雷达技术基础1.1 雷达的概念 目标目标大小、形状大小、形状的测量的测量利用高分辨雷达利用高分辨雷达距离分辨力，大带宽脉冲压缩距离分辨力，大带宽脉冲压缩切向分辨力（角度分辨力）：大孔径、合成切向分辨力（角度

10、分辨力）：大孔径、合成孔径孔径 目标目标电磁特征电磁特征的测量的测量利用目标的散射特性。极化；散射空间分布利用目标的散射特性。极化；散射空间分布用于目标识别、成像、敌我识别用于目标识别、成像、敌我识别第1章 雷达技术基础1.3 雷达的工作频率 雷达的工作频率雷达的工作频率 常用常用 220MHz35GHz；实际实际 3MHz300GHz 工作频率不同的雷达在工程实现时差别很大工作频率不同的雷达在工程实现时差别很大 工程中常采用字母来命名雷达波段：工程中常采用字母来命名雷达波段：L：1G3G，22cmS：2G4G，10cmC：4G8G，5cmX：8G12G，3cmKu：12G18G，2.2cmK

11、a：27G40G，8mm米波、毫米波、激光波段米波、毫米波、激光波段第1章 雷达技术基础1.3 雷达的工作频率 雷达分辨力雷达分辨力 雷达区分两个相邻目标的能力雷达区分两个相邻目标的能力 距离分辨力：脉冲宽度；与带宽成反比距离分辨力：脉冲宽度；与带宽成反比 角度分辨力：波束宽度；与孔径成反比角度分辨力：波束宽度；与孔径成反比单脉冲测角，鉴角曲线陡度单脉冲测角，鉴角曲线陡度 速度分辨力（多普勒分辨力）：与相干积累时速度分辨力（多普勒分辨力）：与相干积累时间成反比；相干积累脉冲个数间成反比；相干积累脉冲个数第1章 雷达技术基础1.3 雷达的工作频率 雷达系统组成雷达系统组成 天线及扫描控制天线及扫

12、描控制 收发转换开关及微波滤波收发转换开关及微波滤波 激励及同步：主振信号源、频率合成激励及同步：主振信号源、频率合成 发射机：波形产生、调制、发射机：波形产生、调制、RF放大链放大链 接收机：接收机：LNA、IF放大、检波放大、检波 信号处理机：匹配滤波、干扰抑制、信号处理机：匹配滤波、干扰抑制、CFAR 数据处理机：特征提取、跟踪、识别、航迹数据处理机：特征提取、跟踪、识别、航迹 输出设备（显示和记录结果）输出设备（显示和记录结果）第1章 雷达技术基础1.2 雷达的基本组成调制器电源收发开关高频和混频激励器中放同步器信号处理高放激励和同步微波显示器底座和伺服发射机操作员天线接收机脉冲雷达基

13、本组成框图脉冲雷达基本组成框图 脉冲雷达的基本组成脉冲雷达的基本组成第1章 雷达技术基础雷达方程与雷达系统设计 基本雷达方程基本雷达方程 一个统计值，只在概率意义上讲一个统计值，只在概率意义上讲, 当虚警概率当虚警概率（如（如10-6）和发现概率（如）和发现概率（如90%）给定时的最）给定时的最大作用距离是多少大作用距离是多少LDFTkGGELBDFTkGGPLSAPRnrttnrttrt0022032min224max)()4()()4(4第1章 雷达技术基础雷达方程与雷达系统设计 发射信号的峰值功率发射信号的峰值功率 Pt 和平均功率和平均功率 Pa 天线增益天线增益 G 目标雷达截面积目

14、标雷达截面积 点目标、大目标、分别目标点目标、大目标、分别目标 目标（后向）散射功率目标（后向）散射功率 / 照射目标的功率密度照射目标的功率密度 波长、视角、极化、目标特性的复杂函数波长、视角、极化、目标特性的复杂函数jqBBAGr3200042第1章 雷达技术基础雷达方程与雷达系统设计101.00.10.010.0010.10.2 0.3 0.5 0.8 1.022010853瑞利区振荡区光学区2rr 2球第1章 雷达技术基础雷达方程与雷达系统设计dB5101520253035飞机的雷达截面积飞机的雷达截面积 （工作波长（工作波长10cm10cm）第1章 雷达技术基础雷达方程与雷达系统设计

15、类类 型型 / / m2普通无人驾驶带翼导弹普通无人驾驶带翼导弹0.5小型单引擎飞机小型单引擎飞机1小型歼击机或四座喷气机小型歼击机或四座喷气机2大型歼击机大型歼击机6中型轰炸机或中型喷气客机中型轰炸机或中型喷气客机20大型轰炸机或大型喷气客机大型轰炸机或大型喷气客机40小船（艇）小船（艇）0.02 2巡逻艇巡逻艇10第1章 雷达技术基础雷达方程与雷达系统设计 慢起伏目标与快起伏目标慢起伏目标与快起伏目标 施威林（施威林（Swerling）起伏模型，）起伏模型，型型 型型型（慢起伏）与型（慢起伏）与型（快起伏）瑞利分布型（快起伏）瑞利分布型（慢起伏）与型（慢起伏）与型（快起伏）型（快起伏）ex

16、p1)(p2exp4)(2p第1章 雷达技术基础雷达方程与雷达系统设计波长波长 ：目标特性，功能、体积、对抗等：目标特性，功能、体积、对抗等接收机灵敏度接收机灵敏度Smin：最小可检测：最小可检测SNRSNR接收机输入额定噪声功率接收机输入额定噪声功率接收机噪声系数接收机噪声系数要求：低噪高放要求：低噪高放LNALNA00000min00min)()()()(DFBTkDFBTkSNRFBTkSoBTkNi010ooiioiNSNSSNRSNRF1212131210111NNGGGFGGFGFFF第1章 雷达技术基础雷达方程与雷达系统设计15201050 5 15 100.0010.010.1

17、0.50.90.990.99910 110 2Pfa 10 1610 1410 1210 1010 810 610 510 410 3检测因子Do / dB检测概率 Pd非起伏目标单非起伏目标单个脉冲线性检个脉冲线性检波时检测概率波时检测概率和所需信噪比和所需信噪比( (检测因子检测因子) )的的关系曲线关系曲线 第1章 雷达技术基础雷达方程与雷达系统设计 损耗因子损耗因子L 馈线、信号处理、传播、其它馈线、信号处理、传播、其它 发射总能量发射总能量Et 天线有效接收面积天线有效接收面积Ar 相关处理间隔相关处理间隔 CPI 门限检测门限检测1) 发现概率发现概率Pd：有目标时判为有目标的概率

18、：有目标时判为有目标的概率2) 漏警概率漏警概率Pla ：有目标时判为无目标的概率：有目标时判为无目标的概率3) 不发现概率不发现概率Pan：无目标时判为无目标的概率：无目标时判为无目标的概率4) 虚警概率虚警概率Pfa： 无目标时判为有目标的概率无目标时判为有目标的概率第1章 雷达技术基础天线波束与扫描方式 天线天线扫描扫描方式方式 常用常用扫描方式扫描方式 圆周扫描、圆锥扫描、扇形扫描、锯齿形扫圆周扫描、圆锥扫描、扇形扫描、锯齿形扫描、螺旋扫描描、螺旋扫描 实现实现扫描方法扫描方法 机械扫描、电扫描（相扫、频扫）机械扫描、电扫描（相扫、频扫） 波束形状波束形状 常用波束形状常用波束形状 扇

19、形波束、针状波束、余割平方形波束扇形波束、针状波束、余割平方形波束第1章 雷达技术基础天线波束与扫描方式b0a0仰角扫描范 围(a)(b)(c)方向角仰角螺旋扫描螺旋扫描分行扫描分行扫描锯齿扫描锯齿扫描地面雷达扇形波束圆周扫描地面雷达扇形波束圆周扫描 针状波束针状波束 扇形波束扇形波束第1章 雷达技术基础天线波束与扫描方式 余割平方形波束余割平方形波束 同一高度不同距离的回波强度基本相同同一高度不同距离的回波强度基本相同 如图，如图，R=H/sinb b =Hcscb b ，代入雷达方程得，代入雷达方程得 H 一定，一定，Pr 一定，则一定，则 G/csc2b b = K (常数常数)或或 G

20、 = Kcsc2b bG(b b)为余割平方形为余割平方形机载雷达余割平方波束圆周扫机载雷达余割平方波束圆周扫b bHb4241421csc1GHKRGKPr第1章 雷达技术基础天线波束与扫描方式 机械扫描（机扫）机械扫描（机扫） 馈源不动，反射体围绕馈源往复运动馈源不动，反射体围绕馈源往复运动 反射体不动，馈源左右摆动反射体不动，馈源左右摆动天线收发开关接收机距离高度显示器发射机天线摆动机构飞机目标等长度的波导输出喇叭输入喇叭馈源不动反射体动馈源不动反射体动风琴管式扫描器风琴管式扫描器第1章 雷达技术基础天线波束与扫描方式 电扫描电扫描 相（位）扫（描）：移相器改变阵元激励相位相（位）扫（描

21、）：移相器改变阵元激励相位 频（率）扫（描）：改变延迟线上各阵元相位频（率）扫（描）：改变延迟线上各阵元相位 时（间）延（迟）：大型天线阵或相干雷达阵时（间）延（迟）：大型天线阵或相干雷达阵rfbaf 2r2fba移 相 器短 路(a)(b)相扫的光学馈电系统：相扫的光学馈电系统： (a) 透镜系统透镜系统; (b) 反射镜系统反射镜系统第1章 雷达技术基础天线波束与扫描方式相扫的强制馈电系统相扫的强制馈电系统： (a) 串联系统串联系统; (b) 并联系统并联系统(a)(b)串联馈电示意图串联馈电示意图并联馈电示意图并联馈电示意图第1章 雷达技术基础雷达发射机 雷达发射机雷达发射机 提供调制

22、的大功率射频信号，由天线辐射出去提供调制的大功率射频信号，由天线辐射出去 单级振荡式：一级大功率射频振荡器，非相参单级振荡式：一级大功率射频振荡器，非相参 主振放大式：主控振荡器主振放大式：主控振荡器 + 射频放大链，相参射频放大链，相参 主要质量指标主要质量指标 电性能指标：波段、功率、效率、波形、信电性能指标：波段、功率、效率、波形、信号稳定度或频谱纯度号稳定度或频谱纯度 结构指标：体积、重量、散热、防震、防潮结构指标：体积、重量、散热、防震、防潮 使用指标：监控、检修、可靠性使用指标：监控、检修、可靠性 成本指标成本指标第1章 雷达技术基础雷达发射机固 体微波源中间射频功率放大器输出射频

23、功率放大器脉冲调制器脉冲调制器脉冲调制器定时器主控振荡器射频放大链电 源触发脉冲至天线主振放大式发射机主振放大式发射机 第1章 雷达技术基础雷达发射机 固态发射机固态发射机 优点：不需阴极加热、优点：不需阴极加热、 寿命长寿命长; 可靠性高；体积可靠性高；体积小、重量轻；宽带高效；设计运用灵活；易维小、重量轻；宽带高效；设计运用灵活；易维护，低成本护，低成本 缺点：平均功率大而峰值功率受限缺点：平均功率大而峰值功率受限 MMIC：微波单片集成收发模块：微波单片集成收发模块 应用：应用： 高工作比雷达（如脉压）或连续波雷达高工作比雷达（如脉压）或连续波雷达 相控阵雷达和全固态雷达相控阵雷达和全固态雷达第1章 雷达技术基础雷达发射机 脉冲调制器脉冲调制器 为射频提供视频调制脉冲为射频提供视频调制脉冲 类型：刚性开关，软性开关类型：刚性开关，软性开关充电元件储能元件(电容器或人工线)耦合元件(脉冲变