第九章雷达原理

第九章雷达原理1雷达也称为“无线电定位”，是英文Radar的音译。利用目标对电磁波的反射、应答或自身的辐射发现目标并测定其在空间的位置、速度，以及获取更多有关目标的信息。雷达一般工作在超短波或微波波段。这是由于波长越小，目标面积与波长的比值就越大，波的反射越强。另外，高空的电离层对短波是会反射的，而频率超过30兆赫以上的超短波就能穿过电离层直上太空，这就避免了电离层对无线电波反射作用的影响。所以，雷达必须工作在超短波或微波波段才能有效地发挥作用，探测到目标。2波段的划分3关于雷达波段的由来（1）最早用于搜索雷达的电磁波波长为23cm，这一波段被定义为L波段（英语Long的字头），后来这一波段的中心波长变为22cm。当波长为10cm的电磁波被使用后，其波段被定义为S波段(英语Short的字头，意为比原有波长短的电磁波）。在主要使用3cm电磁波的火控雷达出现后，3cm波长的电磁波被称为X波段，因为X代表座标上的某点。为了结合X波段和S波段的优点，逐渐出现了使用中心波长为5cm的雷达，该波段被称为C波段（C即Compromise，英语“结合”一词的字头）。在英国人之后，德国人也开始独立开发自己的雷达，他们选择1.5cm作为自己雷达的中心波长。这一波长的电磁波就被称为K波段。4“不幸”的是，德国人以其日尔曼民族特有的“精确性”选择的波长可以被水蒸气强烈吸收。结果这一波段的雷达不能在雨中和有雾的天气使用。战后设计的雷达为了避免这一吸收峰，通常使用比K波段波长略长（Ka，即英语K－above的缩写，意为在K波段之上）和略短（Ku，即英语K－under的缩写，意为在K波段之下）的波段。最后，由于最早的雷达使用的是米波，这一波段被称为P波段（P为Previous的缩写，即英语“以往”的字头）。关于雷达波段的由来（2）59.1雷达的基本工作原理在雷达应用中，测定目标坐标常采用极（球）坐标系统，如图所示。空间任一目标P所在位置可用下列三个坐标确定：(1)

目标的斜距R——雷达到目标的直线距离OP；(2)方位角——目标斜距R在水平面上的投影OB与某一起始方向（正北、正南或其它参考方向）在水平面上的夹角；(3)仰角——斜距R与它在水平面上的投影OB在铅垂面上的夹角，有时也称为倾角或高低角。69.1.1目标斜距测量1.脉冲测距测量高频脉冲反射回波时间避免混叠现象（回波模糊）。脉冲测距的精度主要取决于信噪比和脉冲前沿的斜率。72.连续波测距决定雷达作用距离的最主要因素是平均发射功率，在允许的峰值功率相同的条件下，连续波信号比一般的脉冲信号具有更大的平均功率，因此深空测量多采用连续波测距方式。发射一连续的高频无线电波，并用较长周期的电信号调制，同时在接收端接收后把较长周期的电信号解调出来，与发射调制信号相比较，从而获得时间差，即相位差，这就是“连续波测距”。如图9-4所示为调制信号为单一正弦波的连续波测距原理。连续波信号分为侧音信号（谐波信号）和数字信号（非谐波信号），如伪随机码、快捕码及序列码等。侧音信号中包括定侧音与扫描侧音。定侧音是指频率固定的正弦波作调制信号，而扫描侧音是指频率按一定规律变化的正弦波作调制信号。定侧音又分为单侧音（单一正弦波）和多侧音（频率比为整数的一系列正弦波）。899.1.2目标角位置测量测量空间目标相对于地面站角度的方法分为两大类：相位法和振幅法。相位法测角(平面波)利用目标回波信号相位差别进行测角的方法叫相位法测角。图9-5为相位法测角的示意图。10振幅法测角（三种）振幅法测角分最大信号法等信号法最小信号法。1.最大信号法以波束轴对准目标接收到最大回波时的角度作为目标的角坐标。最大信号法测角的优点是测角过程简单，缺点是测角准确度不高，一般只能达到波束宽度的10％－25％。由于天线波束方向图在最大值附近比较平坦，变化率很小，因此目标在轴线左右，回波强度变化缓慢，不易判别，所以目标的角度不易测准。112.等信号法在等信号法中，两个波束可同时存在，也可交替出现。两套天线接收系统同时工作，叫做同时（瞬时）波瓣法；两套天线轮流工作或用最大辐射方向偏离等信号线一个角度的波束旋转来得到，叫做顺序波瓣法。等信号法的优点是测角精度较高，收发天线分开时，测角精度比最大信号法约提高6倍，收发天线共用时约提高12倍。它的缺点是天线设备比较复杂；另外由于等信号轴方向不是波束最大方向，在发射功率同样的情况下，它的作用距离比最大信号法的作用距离要近些。123.最小信号法最小信号法测角从理论上说具有较高的精度，因为在方向图的零点附近变化率最大，但实际上由于噪声干扰不可能得到高的测角精度；另外当方向对准目标时方向图的最小目标回波消失，从而失去了测距的可靠性，作用距离不远；也不能进行自动测角。所以，雷达中很少用这种测角方法来测目标的方位角，只是在波长较长（如米波）的雷达中，由于天线波束较宽，垂直瓣受地面反射的影响发生分裂，形成多瓣，可利用垂直波瓣的零方向来粗略地测目标的仰角。139.1.3相对速度的测量目标径向速度的测量方法有两种：距离变化率直接求速度；多普勒频移求速度。单向多普勒测速双向多普勒测速如果由地面三个或三个以上已知位置的测量站分别测出目标相对于各测量站的径向速度，且已知目标在该时刻的位置，则由3RR定位方法可求得目标速度的大小及方向。149.1.4雷达的主要战术参数（应用参数）1.雷达用途。2.雷达威力范围：它由最大作用距离、最小作用距离、最大仰角及方位角范围决定。3.分辨率：能区分两个点目标之间的最小距离ΔR与最小角度。4.数据率：单位时间内雷达所能提供对一个目标数据的次数，即雷达对整个威力范围内完成一次搜索所需时间的倒数。5.跟踪速度：自动跟踪雷达连续跟踪运动目标的最大可能速度。6.抗干扰能力：雷达通常在各种自然干扰和人为干扰的的条件下工作的能力。7.雷达的准确度及精密度：159.2雷达发射机和接收机169.3目标及其发现目标是雷达观测的对象。雷达发射的电磁波，在传播时遇见目标，—部分能量被目标所吸收，转化为热而消耗了，另一部分被目标所重新辐射。目标重新辐射，可认为是没有方向性的，这一重新辐射的能量，将有一小部分被接收天线所截获进入接收机，从而发现目标。所以，雷达接收机一定是对弱信号的处理，SNR的概念与蜂窝通信理论截然不同。Maximum&Balanced17目标的回波信号与目标本身信息的对应关系可以简单的归纳如下：反射信号的存在代表着目标的存在；信号的时延代表着目标与雷达发射机有一定的距离；目标的多普勒频移代表着目标的径向速度；回波波前的法向方向代表着目标的角度信息；幅度对空间的变化率可以反映出目标的形状；幅度对时间的变化率可以反映出目标的自旋特征；幅度对频率的变化率可以反映出目标的大小和体积。目标18由于噪声的存在，判定是否有目标，并不是绝对，也就是说，目标的发现应以概率的大小来度量。在判断的过程中，有目标存在，监测器判定有目标，这种事件发生的概率叫做发现概率；没有目标只有噪声存在，监测器也判定有目标，这种错误事件发生的概率叫做虚警概率。对于检测器来说，希望有较高的发现概率和较低的虚警概率。发现概率和虚警概率是信号检测问题中两个重要的性能指标。发现19自然界中的物体是否属于雷达目标要视雷达的任务而定。一般说，希望观测的物体都可称为雷达目标，如对搜索和跟踪