现代雷达技术_研08

1、现 代 雷 达 技 术第第1 1章章 雷达概述雷达概述现代雷达技术课程介绍 课程简介课程简介 课程内容：课程内容： 雷达技术基础雷达技术基础 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 掌握现代雷达技术及其原理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、新体制及发展方向现代雷达技术参考资料 参考资料参考资料 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（教材）（教材） Merrill I. Skolnik,Radar Handbook 中航雷

2、达与电子设备研究院，中航雷达与电子设备研究院，雷达系统雷达系统，国防工业出版社国防工业出版社 张明友、汪学刚，张明友、汪学刚，雷达系统（第二版）雷达系统（第二版），电子工业出版社电子工业出版社 Merrill I. Skolnik,雷达系统导论（第三版）雷达系统导论（第三版）（英文版）（英文版）现代雷达技术雷达的概念 什么是雷达？什么是雷达？ 雷达雷达 Radar Radio Detection and Ranging 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 类似系统类似系统 Ladar、Sonar、Sodar现代雷达技术雷达的概念 雷达的基本概念雷达的基本概念 利用电磁波的

3、利用电磁波的二次辐射二次辐射、转发转发或目标或目标固有辐射固有辐射来探测目标，获取目标来探测目标，获取目标空间坐标空间坐标、速度速度、特征特征等信息的一种无线电技术，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 二次辐射二次辐射：反射（单基地）、散射（多基地）：反射（单基地）、散射（多基地） 转发转发：二次雷达（导航）：二次雷达（导航） 固有辐射固有辐射：通信及雷达信号（被动：通信及雷达信号（被动/无源）、随无源）、随机热运动电磁辐射（导引头）机热运动电磁辐射（导引头）现代雷达技术雷达的概念 电磁波电磁波 变化变化的电场产生磁场的电场产生

4、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 传播速度：真空中，电磁波以光速直线传播传播速度：真空中，电磁波以光速直线传播电磁波，辐射能量电磁波，辐射能量现代雷达技术雷达的概念 电磁波（续）电磁波（续） 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）。

5、遇到反射体时反向）。遇到反射体时反向 极化极化：电场或磁场的振动方向：电场或磁场的振动方向 习惯上取为习惯上取为电场方向电场方向 线极化：垂直极化、水平极化线极化：垂直极化、水平极化 （椭）圆极化：水平极化（椭）圆极化：水平极化 + 垂直极化垂直极化 接收天线与极化同向，接收能量最大接收天线与极化同向，接收能量最大现代雷达技术雷达的概念 电磁波（续）电磁波（续） 电磁波强度电磁波强度：在垂直于传播方向的平面内，每：在垂直于传播方向的平面内，每秒通过单位面积的能量。瞬时值秒通过单位面积的能量。瞬时值 = EH 功率密度功率密度：电磁波的平均强度：电磁波的平均强度 接收功率接收功率 = 电磁波功率

6、密度电磁波功率密度 天线孔径面积天线孔径面积 通常通常，雷达发射的是经过，雷达发射的是经过调制的高频正弦波调制的高频正弦波 a(t)cos(w w(t)t + j j(t) = a(t)cos(2p pf(t)t + j j(t)现代雷达技术雷达的概念 相位相参（干）性相位相参（干）性 相位相参性相位相参性：同频振荡信号的相位之间存在着：同频振荡信号的相位之间存在着确定的关系确定的关系 全相参系统全相参系统：系统中各主要振荡信号都来源于：系统中各主要振荡信号都来源于同一基准信号（频率综合器）且保持相位严格同一基准信号（频率综合器）且保持相位严格相参的雷达系统相参的雷达系统 相参处理：通过调整相

7、参信号间的相位关系来相参处理：通过调整相参信号间的相位关系来实现所需的信号处理任务。例如：待测目标的实现所需的信号处理任务。例如：待测目标的同相相加同相相加，或干扰信号的，或干扰信号的反相相消反相相消现代雷达技术雷达的概念 雷达接收信号的组成雷达接收信号的组成 目标目标：需要的电磁波反射，也称：需要的电磁波反射，也称（目标）回波（目标）回波，如飞机、云雨、天体、舰船、山川、森林、陆如飞机、云雨、天体、舰船、山川、森林、陆地、建筑物、车辆、兵器、人员等地、建筑物、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

8、筑物等 干扰干扰：有源干扰（发射电磁波）、无源干扰：有源干扰（发射电磁波）、无源干扰 噪声噪声：环境噪声、系统热噪声：环境噪声、系统热噪声现代雷达技术雷达的概念 雷达信号处理雷达信号处理 目标信号总是被淹没于目标信号总是被淹没于杂波（杂波（+干扰）干扰）+ 噪声噪声的背景中的背景中 杂波及干扰强度往往超过目标信号的千万倍杂波及干扰强度往往超过目标信号的千万倍 信号处理作用信号处理作用 增强待测目标信噪比，提取目标参数增强待测目标信噪比，提取目标参数 抑制杂波和干扰信号抑制杂波和干扰信号现代雷达技术雷达探测原理 雷达坐标系雷达坐标系 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

9、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（径向距离）（径向距离） 角度：角度：方位角方位角和和俯仰角俯仰角（高低角，俯角，仰角）（高低角，俯角，仰角） 径向速度径向速度 目标目标特征特征：大小；形状；表面粗糙度；介电特：大小；形状；表面粗糙度；介电特性性现代雷达技术雷达探测原理 雷达回波中的可用信息（续）雷达回波中的可用信息（续） 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现代雷达技术雷

10、达探测原理 目标斜距的测量（雷达测距）目标斜距的测量（雷达测距） 脉冲延时法脉冲延时法：直接测距方法：直接测距方法根据根据电磁波在电磁波在雷达与目标之间往返一次的用时雷达与目标之间往返一次的用时 tr 推算目标距离推算目标距离R = c tr /2物理依据：物理依据：电磁波在自由空间以电磁波在自由空间以 光速匀速直线光速匀速直线传播，光速传播，光速 c = 3 108 m/s（每秒（每秒30万公里）万公里） 1m ms = 150m或或 1ms = 150km现代雷达技术雷达探测原理 目标斜距的测量（续）目标斜距的测量（续）发射脉冲回波噪声trtrttrrctRcRt212现代雷达技术雷达探测

11、原理 目标目标径向径向速度的测量（雷达测速）速度的测量（雷达测速）斜距变化率法：精度低，很少用斜距变化率法：精度低，很少用多普勒频移法：多普勒频移法：根据运动目标回波载频的多普根据运动目标回波载频的多普勒频移勒频移 fd 推算目标相对于雷达站的推算目标相对于雷达站的径向速度径向速度物理依据：物理依据：当目标相对于雷达站存在径向运动当目标相对于雷达站存在径向运动时，目标回波信号的载频将偏离发射信号载频，时，目标回波信号的载频将偏离发射信号载频，即发生多普勒频移现象即发生多普勒频移现象，目标背离，目标接近0000)()/(2)(rrrdvvmsmvHzf现代雷达技术雷达探测原理 目标角度的测量（雷

12、达测角目标角度的测量（雷达测角/测向）测向）指向性天线指向性天线机械扫描机械扫描相控阵天线相控阵天线电扫描，数字波束形成（电扫描，数字波束形成（DBFDBF）物理依据：物理依据：电磁波在均匀介质中直线传播，并电磁波在均匀介质中直线传播，并且雷达天线具有方向性（指向性）且雷达天线具有方向性（指向性）目标O现代雷达技术雷达探测原理 目标大小、形状的测量目标大小、形状的测量利用高分辨雷达利用高分辨雷达距离分辨力，大带宽距离分辨力，大带宽切向分辨力（角度分辨力）：大孔径切向分辨力（角度分辨力）：大孔径 目标电磁特征的测量目标电磁特征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；

13、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、敌我识别现代雷达技术雷达探测原理 雷达分辨力雷达分辨力 雷达区分彼此靠近的两个目标的能力雷达区分彼此靠近的两个目标的能力 距离分辨力距离分辨力：脉冲宽度；与带宽成反比：脉冲宽度；与带宽成反比 角度分辨力角度分辨力：波束宽度；与孔径成反比：波束宽度；与孔径成反比 速度分辨力（多普勒分辨力）速度分辨力（多普勒分辨力）：多普勒滤波器：多普勒滤波器带宽；与能量积累时间成反比带宽；与能量积累时间成反比 数值数值 ，分辨力，分辨力 雷达精度雷达精度现代雷达技术雷达的基本组成 雷达系统的基本组成雷达系统的基本组成 发射机发射机、收发开关、天线、收发

14、开关、天线、接收机接收机、信号处信号处理理、数据处理、输出设备（显示和记录结果）、数据处理、输出设备（显示和记录结果）现代雷达技术雷达的基本组成 雷达系统的基本组成（续）雷达系统的基本组成（续） 天线及扫描控制（伺服系统）天线及扫描控制（伺服系统） 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、频率综合激励及同步：主振信号源、频率综合 发射机：波形产生、调制、射频（发射机：波形产生、调制、射频（RF）放大链）放大链 接收机：低噪高放（接收机：低噪高放（LNA）、）、IF放大、放大、检波检波 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

15、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、存储、传输输出设备：显示、存储、传输现代雷达技术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本组成框图脉冲雷达基本组成框图 现代雷达技术雷达的工作频率 雷达频率和电磁波频谱雷达频率和电磁波频谱甚低频(超长波)低频(长波)中频(中波)高频(短波)甚高频(超短波)特高频(分米波)超高频(厘米波)极高频(毫米波)亚毫米波100 km10 km1 km100 m10 m1 m10 cm1 cm1 mm0.1 mm雷达频率广播段红

16、外线音频视频微波段频率3 kHz30 kHz 300 kHz 3 MHz 30 MHz 300 MHz 3 GHz30 GHz 300 GHz3000 GHz波长现代雷达技术雷达的工作频率 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 频率频率 ，波长，波长 ，大气传播衰减，大气传播衰减 ，可达到的作，可达到的作用距离用距离 ，但折射，但折射 ，测距精度，测距精度 雷达波段选取雷达波段选取 远距离战略雷达：米波、分米波远距离战略雷达：米波、分米波 近距离战术雷达：厘米

17、波、毫米波、激光近距离战术雷达：厘米波、毫米波、激光现代雷达技术雷达的工作频率 雷达工作频率的字母命名雷达工作频率的字母命名 二次大战中为二次大战中为保密保密而采用而采用 L、S、X 等字母来命等字母来命名雷达波段，因名雷达波段，因使用方便使用方便而延用至今，成为业而延用至今，成为业内标准。我国也采用此标准。内标准。我国也采用此标准。 工程中常用雷达波段：工程中常用雷达波段：L：1G3G，22cmS：2G4G，10cmC：4G8G，5cmX：8G12G，3cmKu：12G18G，2.2cmKa：27G40G，8mm米波、毫米波、激光波段米波、毫米波、激光波段现代雷达技术雷达的工作频率波段名称波

18、段名称IEEE 标称频率范围标称频率范围ITU 分配的美洲地区雷达频段分配的美洲地区雷达频段HF3 MHz30 MHzVHF30 MHz300 MHz138 MHz144 MHz216 MHz225 MHzUHF300 MHz1000 MHz420 MHz450 MHz890 MHz942 MHzL1000 MHz2000 MHz1215 MHz1400 MHzS2000 MHz4000 MHz2300 MHz2500 MHz2700 MHz3700 MHzC4000 MHz8000 MHz5250 MHz5925 MHzX8000 MHz12000 MHz8500 MHz10680 MHzK

19、u12 GHz18 GHz13.4 GHz14.0 GHz15.7 GHz17.7 GHzK18 GHz27 GHz24.05 GHz24.25 GHzKa27 GHz40 GHz33.4 GHz36.0 GHzV40 GHz75 GHz59 GHz64 GHzW75 GHz110 GHz76 GHz81 GHz92 GHz100 GHzmm110 GHz300 GHz126 GHz142 GHz144 GHz149 GHz231 GHz235 GHz238 GHz248 GHz现代雷达技术1.电子战与雷达四抗 电子战与雷达四抗电子战与雷达四抗 电子战：电子对抗电子战：电子对抗 + 电子反对抗

20、电子反对抗 电子对抗电子对抗：探测、消弱或破坏敌方无线电电子：探测、消弱或破坏敌方无线电电子装备效能所采取的一切技战术措施装备效能所采取的一切技战术措施 电子反对抗电子反对抗：在电子对抗条件下保证我方有效：在电子对抗条件下保证我方有效使用电磁信息所采取的一切技战术措施使用电磁信息所采取的一切技战术措施 现代军用雷达必须具备现代军用雷达必须具备四抗四抗能力：能力：反（电子）侦查、反（电磁）干扰、反隐身反（电子）侦查、反（电磁）干扰、反隐身（及反伪装）、反摧毁（尤其反辐射导弹）（及反伪装）、反摧毁（尤其反辐射导弹）现 代 雷 达 技 术第第2 2章章 雷达系统雷达系统现代雷达技术雷达发射机简介 雷

21、达发射机的任务雷达发射机的任务 为雷达系统提供为雷达系统提供载波受到调制的大功率射频信载波受到调制的大功率射频信号号，由天线辐射出去，由天线辐射出去 雷达发射机的分类雷达发射机的分类 单级振荡式：只有一级大功率射频振荡器单级振荡式：只有一级大功率射频振荡器 主振放大式：主振放大式：多级组成，主控振荡器产生射频多级组成，主控振荡器产生射频信号，再经射频放大链多级放大信号，再经射频放大链多级放大现代雷达技术雷达发射机简介 相参发射机与非相参发射机相参发射机与非相参发射机 非相参发射机：相继脉冲的射频相位是随机的，非相参发射机：相继脉冲的射频相位是随机的，即射频信号相位不相参即射频信号相位不相参单级

22、振荡式发射机为非相参发射机单级振荡式发射机为非相参发射机 相参发射机：相继射频脉冲间具有固定的相位相参发射机：相继射频脉冲间具有固定的相位关系，即射频信号相位相参关系，即射频信号相位相参主振放大式发射机为相参发射机主振放大式发射机为相参发射机现代雷达技术 雷达发射机简介 单级振荡式发射机单级振荡式发射机 优点：优点：简单简单、经济、较轻便、经济、较轻便 缺点：频率稳定度差、难以形成复杂波形、相缺点：频率稳定度差、难以形成复杂波形、相邻射频脉冲间相位邻射频脉冲间相位不相参不相参脉冲调制器大功率射频振荡器电 源定时信号至天线TrTrTr单级振荡单级振荡式发射机式发射机 现代雷达技术雷达发射机简介固

23、 体微波源中间射频功率放大器输出射频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主振放大式发射机式发射机 主振放大式发射机主振放大式发射机 优点：频率稳定度很高、发射信号相位相参、优点：频率稳定度很高、发射信号相位相参、适用于高性能雷达、能产生复杂波形适用于高性能雷达、能产生复杂波形现代雷达技术雷达发射机简介 固态发射机固态发射机 逐步替代常规微波电子管发射机，优点如下逐步替代常规微波电子管发射机，优点如下 寿命长、可靠性高寿命长、可靠性高 体积小、重量轻体积小、重量轻 工作频带宽、效率高工作频带宽、效率高 系统设计和运用灵活、维护方便系统设计

24、和运用灵活、维护方便, 成本较低成本较低 平均功率大而峰值功率受限，适用于高工作比平均功率大而峰值功率受限，适用于高工作比雷达，如连续波雷达雷达，如连续波雷达 在在 UHF L 波段发展较快波段发展较快现代雷达技术雷达发射机简介 脉冲调制器脉冲调制器 为射频提供视频（基带）调制脉冲为射频提供视频（基带）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(脉冲变压器)调制开关(刚性的或软性的)电源部分射 频发生器脉冲调制器的组成框图脉冲调制器的组成框图 现代雷达技术雷达发射机电性能指标 雷达发射机的主要指标雷达发射机的主要指标 电性能指标电性能指

25、标 工作频率或波段、输出功率、总效率、信号工作频率或波段、输出功率、总效率、信号形式（调制形式）、信号稳定度或频谱纯度形式（调制形式）、信号稳定度或频谱纯度 结构方面结构方面 体积重量、通风散热、防震防潮体积重量、通风散热、防震防潮 使用方面使用方面 监控、检修、可靠性监控、检修、可靠性 成本方面成本方面现代雷达技术雷达发射机电性能指标 输出功率输出功率 常指发射机送至天线输入端的功率常指发射机送至天线输入端的功率 峰值功率峰值功率 Pt ：脉冲期间射频振荡平均功率：脉冲期间射频振荡平均功率 平均功率平均功率 Pav ：脉冲重复周期内功率平均值：脉冲重复周期内功率平均值 脉宽为脉宽为重复周期为

26、重复周期为Tr 的简单矩形脉冲串的简单矩形脉冲串fr = 1/Tr 为为脉冲重复频率（脉冲重复频率（PRF）/Tr =fr 称作雷达的称作雷达的工作比（占空比）工作比（占空比）rtrtavfPTPP现代雷达技术雷达发射机电性能指标 工作频率或波段工作频率或波段 由雷达用途确定，有时需在多个频率间跳变或由雷达用途确定，有时需在多个频率间跳变或同时工作来提高系统性能和抗干扰能力同时工作来提高系统性能和抗干扰能力 频率频率 ，波长，波长 ，大气传播衰减，大气传播衰减 ，可达到的作，可达到的作用距离用距离 ，但测距精度，但测距精度 总效率总效率 发射机输出功率与其输入总功率之比发射机输出功率与其输入总

27、功率之比 耗电指标对野外工作的雷达影响较大耗电指标对野外工作的雷达影响较大现代雷达技术雷达发射机电性能指标 信号形式（调制形式）信号形式（调制形式） 不同信号形式对发射机的要求各异不同信号形式对发射机的要求各异波波 形形调调 制制 类类 型型工作比（占空比）工作比（占空比）%简简 单单 脉脉 冲冲矩形调幅矩形调幅0.01 1大时宽带宽积大时宽带宽积线性调频、相位编码线性调频、相位编码 0.1 10高工作比多普勒高工作比多普勒矩形调幅矩形调幅 30 50调调 频频 连连 续续 波波线性调频、正弦调频、相位线性调频、正弦调频、相位编码编码 100连连 续续 波波 100现代雷达技术雷达发射机电性能

28、指标 信号稳定度或频谱纯度信号稳定度或频谱纯度 信号稳定度信号稳定度表征雷达信号各参数（振幅、频率、表征雷达信号各参数（振幅、频率、相位、脉宽、相位、脉宽、PRF等）的时变特性等）的时变特性两类不稳定：两类不稳定：规律性、随机性规律性、随机性 频谱纯度频谱纯度是信号稳定度的频域表示，描述雷达是信号稳定度的频域表示，描述雷达信号在应有频谱之外是否存在寄生输出信号在应有频谱之外是否存在寄生输出两类寄生输出：两类寄生输出：离散型（规律性）、分布型离散型（规律性）、分布型（随机性）（随机性） 现代雷达对信号频谱纯度的要求很高现代雷达对信号频谱纯度的要求很高现代雷达技术雷达发射机电性能指标 20 40

29、60 80 1000123信号的第一谱线离 散 型寄生输出分布型寄生输出fm / kHz /(dB/Hz)04实际发射信号的频谱实际发射信号的频谱 信号稳定度或频谱纯度（续）信号稳定度或频谱纯度（续）现代雷达技术雷达接收机 雷达接收机雷达接收机 任务任务：对天线接收到的雷达信号进行必要的信：对天线接收到的雷达信号进行必要的信号处理和数据处理，将目标从伴随的噪声、杂号处理和数据处理，将目标从伴随的噪声、杂波和干扰背景中提取出来，送至雷达终端波和干扰背景中提取出来，送至雷达终端 超外差式超外差式：灵敏度高、增益大、适用性广：灵敏度高、增益大、适用性广 现代雷达技术雷达接收机 超外差式雷达接收机的主

30、要指标超外差式雷达接收机的主要指标 灵敏度灵敏度 工作带宽工作带宽 动态范围动态范围 中频选择和滤波特性中频选择和滤波特性 工作稳定性和频率稳定度工作稳定性和频率稳定度 抗干扰能力抗干扰能力 微电子化和模块化结构微电子化和模块化结构现代雷达技术I/Q正交通道处理 中频放大后的处理方法：中频放大后的处理方法： 非相参（干）处理：非相参（干）处理：幅度信息幅度信息匹配滤波匹配滤波 + 视频放大视频放大 + 包络检波包络检波 相参（干）处理：相参（干）处理：幅度信息相位信息幅度信息相位信息1）同相（同相（I）通道）通道 + 正交（正交（Q）通道）通道 = 基带信基带信号号，也称为，也称为 IQ正交信

31、号正交信号 或或 复信号复信号2）对复的基带信号进行数字信号处理）对复的基带信号进行数字信号处理现代雷达技术I/Q正交通道处理 正交双通道处理（零中频处理）正交双通道处理（零中频处理）)()()2/1 ()()2/1 ()(cos)()(*)()(tjtjttjttjiiiiietuetueetatttatswwjwjwjwttjsttsetsetutueetuetuetsiitjtjtjtjtjtjiiiiiiwwwwwwwwsin)(cos)()()()2/1 ()()2/1 ()(*)()2/1 ()(2*)()(sin)()(cos)()()()(ttjattaetatutjjjj基带

32、信号基带信号 I 通道通道 Q 通道通道 低通滤波后低通滤波后 低通滤波器低通滤波器 回波射频信回波射频信号号 现代雷达技术I/Q正交通道处理 正交双通道处理（零中频处理）（续）正交双通道处理（零中频处理）（续） I、Q 基带信号保留了目标回波所承载的全部信息基带信号保留了目标回波所承载的全部信息相位相位检波器检波器相参相参振荡器振荡器9090o o移相器移相器相位相位检波器检波器模数转换模数转换A/D模数转换模数转换A/D信号处理信号处理I 支路支路信号处理信号处理Q 支路支路22QI 中频中频信号信号检测检测器器IQ正交双通道处理原理框图正交双通道处理原理框图现代雷达技术接收机噪声系数 雷

33、达接收机的噪声雷达接收机的噪声 内部噪声：系统部件产生的各种热噪声内部噪声：系统部件产生的各种热噪声 外部噪声：各种环境噪声、天线热噪声外部噪声：各种环境噪声、天线热噪声 在接收机通带内，接收噪声功率谱可近似为在接收机通带内，接收噪声功率谱可近似为白白的，其的，其“额定额定”噪声功率噪声功率 N0 = kTBn k = 1.3810-23 J/K，玻尔兹曼常数；室温，玻尔兹曼常数；室温17时，时，绝对温度绝对温度T = 290K；Bn 为噪声带宽为噪声带宽现代雷达技术 噪声系数噪声系数 接收机检测能力由其输出的信噪比决定接收机检测能力由其输出的信噪比决定 因内部噪声影响，接收机输出因内部噪声影

34、响，接收机输出 SNR 相对输入相对输入 SNR 变差，变差的倍数称为变差，变差的倍数称为噪声系数噪声系数其中，其中，Ga 增益，增益，N 额定噪声功率额定噪声功率 只适用于线性和准线性电路，即检波器之前只适用于线性和准线性电路，即检波器之前 通常以室温通常以室温 T0 = 290K 时的热噪声为标准时的热噪声为标准接收机噪声系数1/aioooiiGNNNSNSF现代雷达技术接收机噪声系数 等效噪声温度等效噪声温度 把接收机内部噪声看成是把接收机内部噪声看成是“理想接收机理想接收机” 在在“等效噪声温度等效噪声温度” Te 时所产生的。时所产生的。Te 也也简称为简称为“噪声温度噪声温度” 与

35、与 F 相比，相比，Te 可放大差异，常用来比较低噪接可放大差异，常用来比较低噪接收机和低噪器件的噪声性能收机和低噪器件的噪声性能)K(290) 1() 1(0FTFTe现代雷达技术接收机噪声系数 级联电路的噪声系数级联电路的噪声系数 n 级电路级联时接收机级电路级联时接收机总噪声系数总噪声系数为为 为使接收机总噪声系数小，要求各级噪声系数为使接收机总噪声系数小，要求各级噪声系数 F 要要小、功率增益小、功率增益 G 要要高高 总噪声系数主要取决于最前面几级的内部噪声，总噪声系数主要取决于最前面几级的内部噪声，级数越靠前，影响越大级数越靠前，影响越大1212131210111nnGGGFGGF

36、GFFFF1， G1， BnF2， G2， BnNo No12 N2Ni kT0Bn现代雷达技术接收机灵敏度发射脉冲噪声被噪声淹没的信号显示器上所见到显示器上所见到的信号与噪声的信号与噪声 接收机灵敏度接收机灵敏度 接收机接收机接收微弱信号的能力接收微弱信号的能力。能感知的回波信。能感知的回波信号功率号功率 ，灵敏度，灵敏度 ，雷达作用距离，雷达作用距离 等于等于最小可检测信号功率最小可检测信号功率 Si min 雷达检测信号的性能雷达检测信号的性能取决于接收机输出的取决于接收机输出的SNR现代雷达技术接收机灵敏度 接收机灵敏度（续）接收机灵敏度（续） 识别系数识别系数：为保证雷达满足目标检测

37、指标，接：为保证雷达满足目标检测指标，接收机必须输出的最小收机必须输出的最小SNR，M = (So / No)min 提高接收机灵敏度（即减小提高接收机灵敏度（即减小 Si min）的措施）的措施 高增益、低噪声高放高增益、低噪声高放降低总噪声系数降低总噪声系数 F0 匹配滤波器匹配滤波器，白噪声背景下输出最大，白噪声背景下输出最大SNR 信号能量信号能量积累积累，减小识别系数，减小识别系数 M 的数值的数值MFBTkNSFBTkSnooni00min00min现代雷达技术接收机灵敏度 接收机灵敏度（续）接收机灵敏度（续） 临界灵敏度临界灵敏度：取：取 M =1 ，用于比较不同接收机线，用于比

38、较不同接收机线性部分的噪声系数和带宽对灵敏度的影响，常性部分的噪声系数和带宽对灵敏度的影响，常以相对以相对 1mW 的分贝数计值的分贝数计值03minminlg10)MHz(lg10dB114)dBmW(10)W(lg10)dBmW(FBSSniiMFBTkNSFBTkSnooni00min00min现代雷达技术接收机灵敏度不同噪声带宽不同噪声带宽( (B Bn n= =B BRIRI) )时接收机灵敏度与噪声系数的关系曲线时接收机灵敏度与噪声系数的关系曲线 051015201151101051009590Simin/(dB/mW)10 MHz9 MHz8 MHz7 MHz6 MHz5 MHz

39、4 MHz3 MHzBRI2 MHz1 MHz0.5 MHz0.1 MHzF0 /dB现代雷达技术雷达接收机高频部分 雷达接收机的高频部分雷达接收机的高频部分 又称接收机又称接收机“前端前端”发射机接收机保护器低噪声高 放本机振荡收发开关(T/R)前置中放天线混频器至主中放雷达接收机的高频部分雷达接收机的高频部分 现代雷达技术雷达接收机高频部分 收发转换开关和接收机保护器收发转换开关和接收机保护器 收发转换开关简称收发开关（收发转换开关简称收发开关（T/R 或或 TR） 发射时只接发射机发射时只接发射机，以免高功率发射信号烧，以免高功率发射信号烧毁接收机电路毁接收机电路 接收时只接接收机接收时

40、只接接收机，以免发射机旁路使微弱，以免发射机旁路使微弱接收信号受损接收信号受损 通常，收发开关和接收机之间还要再插入一个通常，收发开关和接收机之间还要再插入一个接收机保护器接收机保护器进一步衰减发射机泄露信号能量进一步衰减发射机泄露信号能量现代雷达技术雷达接收机高频部分 高频放大器高频放大器 低噪声高增益高频放大器能降低接收机总体噪低噪声高增益高频放大器能降低接收机总体噪声系数，提高接收机灵敏度声系数，提高接收机灵敏度 混频器与稳定本振混频器与稳定本振 本机振荡器和混频器将高频回波变换成中频本机振荡器和混频器将高频回波变换成中频 现代雷达相参处理要求本机振荡器的短期频率现代雷达相参处理要求本机

41、振荡器的短期频率稳定度和相位稳定度极高，即要求稳定度和相位稳定度极高，即要求稳定本振稳定本振 自动频率控制（自动频率控制（AFC）保证高稳定度）保证高稳定度 稳定本振可用作相参标准稳定本振可用作相参标准现代雷达技术接收机动态范围 动态范围动态范围 接收机正常工作所接收机正常工作所容许的输入信号强度的变化容许的输入信号强度的变化范围范围，是接收机开始出现，是接收机开始出现过载时的输入功率与过载时的输入功率与最小可检测功率之比最小可检测功率之比 过载过载现象：当输入信号太强时，接收机将发生现象：当输入信号太强时，接收机将发生饱和而失去放大作用饱和而失去放大作用 最小输入信号强度最小输入信号强度通常

42、接收机灵敏度通常接收机灵敏度 Si min 保证大动态范围的措施：保证大动态范围的措施：对数放大，增益控制对数放大，增益控制 现代雷达技术接收机增益控制 增益控制增益控制 信号太弱，不能检测信号太弱，不能检测 信号太强，接收机饱和过载，目标丢失信号太强，接收机饱和过载，目标丢失 常用抗过载措施：常用抗过载措施： 自动增益控制（自动增益控制（AGC） 灵敏度时间控制灵敏度时间控制 对数放大器对数放大器 现代雷达技术增益控制 近程增益控制近程增益控制 又称又称“时间增益控制时间增益控制”或或“灵敏度时间控灵敏度时间控制制”，防止近程杂波，防止近程杂波引起的中频放大器过引起的中频放大器过载载 基本原

43、理：接收机增基本原理：接收机增益与杂波功率的时变益与杂波功率的时变规律相规律相“匹配匹配”Pn iOR(t)R(t)UCO(a)(b)(a) (a) 杂波与时间的关系杂波与时间的关系(b) (b) 控制电压与时间的关系控制电压与时间的关系现代雷达技术接收机带宽与滤波特性 接收机工作带宽接收机工作带宽 接收机的工作频率范围接收机的工作频率范围 在复杂的电子对抗和干扰环境中，要求雷达发射在复杂的电子对抗和干扰环境中，要求雷达发射机和接收机具有较宽的工作带宽机和接收机具有较宽的工作带宽 中频选择和滤波特性中频选择和滤波特性 中频的选择与具体应用有关，带宽中频的选择与具体应用有关，带宽 ，中频，中频

44、在在白噪声白噪声背景下，背景下， “匹配滤波器匹配滤波器” 输出的信噪输出的信噪比比 SNR 最大最大现代雷达技术匹配滤波器 匹配滤波器匹配滤波器 匹配滤波器是在匹配滤波器是在白噪声背景白噪声背景中检测信号的中检测信号的最佳最佳线性滤波器线性滤波器 传输函数是输入信号频谱的复共轭传输函数是输入信号频谱的复共轭 脉冲响应是输入信号的镜像函数脉冲响应是输入信号的镜像函数 匹配滤波器的输出匹配滤波器的输出SNR在时刻在时刻 t0 达到最大达到最大0)()(*jwtewSkwH)()(0*ttskth现代雷达技术匹配滤波器 准匹配滤波器准匹配滤波器 理想匹配滤波器难以实现理想匹配滤波器难以实现 准匹配

45、滤波器用高斯形等容易实现的典型频率准匹配滤波器用高斯形等容易实现的典型频率特性来近似匹配滤波器特性来近似匹配滤波器 带宽稍大于最佳值不会引起明显的失配损失，带宽稍大于最佳值不会引起明显的失配损失，但能减小因多普勒频移或接收机调谐误差所造但能减小因多普勒频移或接收机调谐误差所造成的信号波形失真成的信号波形失真 高斯型通带的频域和时域边界特性俱佳，有利高斯型通带的频域和时域边界特性俱佳，有利于同时防止偏频窄带干扰和脉冲干扰于同时防止偏频窄带干扰和脉冲干扰现代雷达技术接收机抗干扰能力 接收机抗干扰能力接收机抗干扰能力 抗干扰是现代雷达系统的重要任务之一抗干扰是现代雷达系统的重要任务之一 有源干扰有源

46、干扰： 敌方施放的各种干扰（阻塞、欺骗）敌方施放的各种干扰（阻塞、欺骗） 邻近同频雷达的干扰邻近同频雷达的干扰 无源干扰无源干扰： 从海浪、雨雪、地物等反射的杂波干扰从海浪、雨雪、地物等反射的杂波干扰 敌方施放的反射物（如箔片）干扰敌方施放的反射物（如箔片）干扰现代雷达技术雷达终端显示器 显示器的主要类型（按任务分）显示器的主要类型（按任务分） 距离：斜距，距离：斜距，A型型、J型、型、A/R型型 平面：斜距和方位角，平面：斜距和方位角，PPI、偏心、偏心PPI、B型型、微、微B型型 高度：距离和仰角或高度，高度：距离和仰角或高度，E型型 情况和综合，表格，光栅扫描雷达显示器情况和综合，表格，

47、光栅扫描雷达显示器 计算机图形显示计算机图形显示现代雷达技术雷达终端显示器 距离显示器距离显示器 显示显示目标斜距目标斜距 A型型：直线扫掠，扫掠线长代表目标斜距：直线扫掠，扫掠线长代表目标斜距 A/R型：上扫掠线同型：上扫掠线同A型型, 下扫掠线为局部放大下扫掠线为局部放大A A型型A/RA/R型型现代雷达技术雷达终端显示器 平面位置显示器平面位置显示器 PPI：斜距斜距-方位方位极坐标，二维亮度调制极坐标，二维亮度调制现代雷达技术雷达终端显示器 高度显示器高度显示器 用于测高雷达和地形跟随雷达，统称用于测高雷达和地形跟随雷达，统称E型型 斜距斜距-高度或仰角高度或仰角，前者又称，前者又称R

48、HI型型仰角距离距离高度现 代 雷 达 技 术第第3 3章章 目标特性与检测目标特性与检测现代雷达技术目标特性 目标的雷达截面积目标的雷达截面积 （RCS） 目标的后向散射特性由雷达截面积目标的后向散射特性由雷达截面积 s s 来描述来描述P2 为目标反射的总功率，为目标反射的总功率，S1 为照射的功率密度为照射的功率密度12SPsPRS1目标的散射特性目标的散射特性 现代雷达技术目标特性 目标的雷达截面积目标的雷达截面积 （续）（续） 导电性能良好且各向同性的球体的截面积导电性能良好且各向同性的球体的截面积s s 等于等于该球体的几何投影面积该球体的几何投影面积 p p r2 任何一个反射体

49、的截面积都可以等效为一个各任何一个反射体的截面积都可以等效为一个各向同性球体的截面积向同性球体的截面积 实际目标形状复杂，后向散射是各组成部分散实际目标形状复杂，后向散射是各组成部分散射的矢量合成；不同照射方向的射的矢量合成；不同照射方向的s s 值不同值不同 目标的后向散射特性与目标的后向散射特性与波长波长、视角视角、 极化极化以及以及目标本身目标本身有关，其中与波长的关系最大有关，其中与波长的关系最大现代雷达技术目标特性 目标类型目标类型 三维分辨单元三维分辨单元雷达波束立体角雷达波束立体角 W W 的单位为球面度的单位为球面度 点目标点目标：小于三维分辨单元的目标：小于三维分辨单元的目标

50、 大目标大目标：大于分辨单元且形状不规则的目标，：大于分辨单元且形状不规则的目标，如大于分辨单元的一艘大船如大于分辨单元的一艘大船 分布目标分布目标：具有某种统计特性的散射体集合：具有某种统计特性的散射体集合22cRVW现代雷达技术点目标特性 点目标特性与波长的关系点目标特性与波长的关系 球体截面积与波长的关系（投影周长球体截面积与波长的关系（投影周长2p pr ） 瑞利区瑞利区：2p pr ，截面积振荡地趋于投影，截面积振荡地趋于投影面积面积 p p r2，后向散射为主后向散射为主 振荡区：振荡区：2p pr ，截面积在极限值间振荡截面积在极限值间振荡 非球体截面积在光学区不一定趋于一个常数

51、非球体截面积在光学区不一定趋于一个常数现代雷达技术101.00.10.010.0010.10.2 0.3 0.5 0.8 1.022010853瑞利区振荡区光学区2prpr 2s球点目标特性球体截面积与波长球体截面积与波长 的关系的关系现代雷达技术点目标特性 目标特性与极化的关系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目标的散射特性通常与入射场的极化有关 目标的线极化散射场由水平和垂直两部分组成目标的线极化散射场由水平和垂直两部分组成 目标散射场可被相同极化的天线接收目标散射场可被相同极化的天线接收 散射矩阵表明了目标散射特性与极化方向的关散射矩阵表明了目标散射特性与极化方向

52、的关系，它和目标的几何形状间有密切的联系系，它和目标的几何形状间有密切的联系TVVVTHHVTVVHTHHHTVTHVVHVVHHHrVrHEEEEEEEEaaaaaaaa散散射射矩矩阵阵现代雷达技术复杂目标特性 复杂目标的雷达截面积复杂目标的雷达截面积 是许多独立小散射单元截面积的矢量和是许多独立小散射单元截面积的矢量和 是视角和波长的复杂函数是视角和波长的复杂函数, 起伏很大起伏很大，常用某一，常用某一数值数值s s代表，但无一致标准代表，但无一致标准 不同观察方向各单元散射信号间的相位不同，不同观察方向各单元散射信号间的相位不同，其矢量和可能相互增强也可能相互抵消，造成其矢量和可能相互增

53、强也可能相互抵消，造成很大起伏很大起伏 实际用统计模型来描述，例如实际用统计模型来描述，例如 大型飞机：瑞利分布大型飞机：瑞利分布 导弹、卫星、船舶：对数正态分布导弹、卫星、船舶：对数正态分布现代雷达技术复杂目标特性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）现代雷达技术复杂目标特性目标雷达截面积举例（微波波段）目标雷达截面积举例（微波波段）类类 型型s / s / m2普通带翼导弹普通带翼导弹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

54、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现代雷达技术目标起伏模型 目标起伏模型目标起伏模型 实际运动目标的截面积是剧烈起伏的实际运动目标的截面积是剧烈起伏的 雷达截面积起伏用概率密度函数（与目标类型雷达截面积起伏用概率密度函数（与目标类型及典型航路有关）和相关函数来描述及典型航路有关）和相关函数来描述 慢起伏目标慢起伏目标：天线一次扫描期间完全相关，而：天线一次扫描期间完全相关，而扫描至扫描间完全不相关扫描至扫描间完全不相关 快起伏目标快起伏目标：脉冲与脉冲之间完全不相关：脉冲与脉冲之间完全不相关 施威林（施威林（Swer

55、ling）起伏模型，）起伏模型，型型 型型 第五类目标：不起伏的目标第五类目标：不起伏的目标现代雷达技术目标起伏模型 四类施威林（四类施威林（Swerling）起伏模型，）起伏模型，A2 =s s 型（慢起伏）与型（慢起伏）与型（快起伏）瑞利分布型（快起伏）瑞利分布目标由大量近似相等的独立单元散射体组成目标由大量近似相等的独立单元散射体组成 型（慢起伏）与型（慢起伏）与型（快起伏）型（快起伏）目标由一个较大反射体和许多小反射体合成，目标由一个较大反射体和许多小反射体合成， 或者一个大的反射体有小的方位变化或者一个大的反射体有小的方位变化20202202,2)(,1)(AAAAAApepssss

56、s20202403234,23exp29)(,2exp4)(AAAAAAppssssss现代雷达技术门限检测 门限检测门限检测 雷达检测信号的能力受同频随机噪声限制，检雷达检测信号的能力受同频随机噪声限制，检测信号有无须根据某种统计检测的最优标准测信号有无须根据某种统计检测的最优标准 奈曼奈曼-皮尔逊准则皮尔逊准则：信号检测要求在给定：信号检测要求在给定SNR下下满足一定虚警概率时的发现概率最大满足一定虚警概率时的发现概率最大 门限检测门限检测：信号包络若超出某一预置门限，则：信号包络若超出某一预置门限，则认为有目标，否则认为没有目标认为有目标，否则认为没有目标现代雷达技术门限检测 门限检测（

57、续）门限检测（续） 门限检测是一种统计检测，四种可能情况：门限检测是一种统计检测，四种可能情况：1) 发现概率发现概率Pd：有目标时判为有目标的概率：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 其中，其中，Pla 和和 Pfa 是错误判断是错误判断Pd + Pla = 1，Pan + Pfa = 1现代雷达技术门限检测 门限检测（续）门限检测（续） 门限门限，Pfa，门

58、限，门限，Pd，需折中考虑，需折中考虑 恒虚警（概）率（恒虚警（概）率（CFAR）检测：电子门限自动检测：电子门限自动调整以保证虚警概率恒定调整以保证虚警概率恒定 雷达信号的检测性能由雷达信号的检测性能由Pd和和Pfa来描述来描述现代雷达技术p(r)1203456r / s7信号 噪声门限噪声(A / s 3)UR/ s 2.5门限检测 虚警概率虚警概率Pfa 0均值高斯噪声均值高斯噪声（高斯分布高斯分布）的概）的概率密度函数，其包率密度函数，其包络为络为瑞利分布瑞利分布 发现概率发现概率Pd 正弦信号（目标回正弦信号（目标回波）波） + 0 均值高斯均值高

59、斯噪声，包络为噪声，包络为莱斯莱斯或广义瑞利分布或广义瑞利分布检测门限确定检测门限确定现 代 雷 达 技 术第第4 4章章 雷达方程雷达方程现代雷达技术基本雷达方程 雷达作用距离雷达作用距离： 雷达能发现目标的距离雷达能发现目标的距离 是一种是一种统计平均意义上的估算和预测统计平均意义上的估算和预测，因为，因为 噪声是随机的噪声是随机的 大部分目标特性是随机起伏的大部分目标特性是随机起伏的 雷达工作环境难以预知：杂波、干扰、大气雷达工作环境难以预知：杂波、干扰、大气衰减衰减 雷达系统存在误差和损耗雷达系统存在误差和损耗现代雷达技术基本雷达方程 基本雷达方程基本雷达方程 理想无损耗、自由空间传播

60、的单基地雷达，峰理想无损耗、自由空间传播的单基地雷达，峰值发射功率值发射功率Pt ，天线增益，天线增益 Gt，距离，距离 R 处的功率处的功率密度密度为为目标目标有效反射有效反射截面积截面积 s s 后向反射的功率为后向反射的功率为214 RGPSttp2124 RGPSPttpss现代雷达技术基本雷达方程 基本雷达方程（续）基本雷达方程（续） P2 均匀辐射，接收天线处的回波功率密度为均匀辐射，接收天线处的回波功率密度为 孔径为孔径为 Ar 的雷达，接收天线接收的回波功率为的雷达，接收天线接收的回波功率为 天线增益和天线有效面积（孔径）之间的关系天线增益和天线有效面积（孔径）之间的关系222