雷达系统的教案

雷达系统的教案第1页/共69页1.1典型的雷达系统机载相控阵雷达系统第2页/共69页机载相控阵雷达在雷达对抗、电子战中的典型应用第3页/共69页1.1典型的雷达系统地面/海岸警戒雷达第4页/共69页1.2典型雷达系统的基本组成

常规脉冲雷达系统的基本组成:雷达天线、发射机、接收机、信号处理器等。第5页/共69页

相控阵雷达系统的基本组成:

雷达天线阵列、T/R组件、信号处理器等。第6页/共69页1.2典型雷达系统的基本组成(1)典型的雷达天线相控阵雷达天线

双极化平板裂缝天线

线极化平板裂缝天线

共型阵列天线第7页/共69页

外军的典型相控阵雷达天线第8页/共69页(2)典型的雷达发射机

磁控管发射机

速调管发射机

行波管发射机第9页/共69页(3)典型的雷达接收机包括：微波接收机；中频接收机(或数字接收机)。第10页/共69页(4)典型的雷达信号处理机以FPGA和宽带ADC器件为核心构成的宽带雷达信号处理系统以高速DSP器件为核心构成的雷达信号处理系统第11页/共69页(5)T/R组件微波光子收发组件微波收发组件第12页/共69页数字T/R组件结构第13页/共69页

雷达(radar):“无线电探测与定位”。

雷达的基本任务是探测目标、测定目标距离、方向、速度等状态参数。

目标距离测定:雷达准确测量从电磁波发射时刻到接收到回波时刻的延迟时间，这个延迟时间是电磁波从发射机到目标，再由目标返回雷达接收机的传播时间。目标的方向性测定:通过机械和电气上的组合作用，雷达把天线的指向雷达要探测的方向，一旦发现目标，雷达读出此时天线的指向角，就是目标的方向角。现代雷达多用单脉冲测角方法。目标的运动速度测定:当目标和雷达之间存在着相对位置运动时，目标回波的频率就会发生改变，频率的改变量称为多普勒频移，据此确定目标的相对径向速度。1.3雷达系统的基本原理第14页/共69页地面雷达：高塔、车、船、地基等为雷达平台空载雷达：飞机、导弹、气球、飞艇等天基雷达：卫星、飞船、空间站、航天飞机等雷达平台电磁波的特性:第15页/共69页1.4雷达系统的基本方程（1）脉冲雷达方程设Pt为雷达系统的发射功率，Gt为雷达天线增益，Gr为雷达天线增益，目标的等效反射截面为RCS，

Pt为雷达发射功率，Rt为目标与雷达之间的距离，Lt为雷达的发射机馈线损耗，Lr为雷达的接收馈线损耗。雷达系统接收功率Prs：当雷达收发共用天线Gt=Gr时,脉冲雷达系统的方程：第16页/共69页

雷达方程的局限性（应用中注意的问题）：

（1）雷达方程实际上是一个超越方程

如方程中RCS（雷达散射截面）是波长λ的函数。

方程中系统损耗L等参数也是波长λ的函数。

（2）雷达方程是一个能量关系方程

方程中各种影响参量都折算成系统损耗或系统增益反映在方程中。

在雷达对抗中，压制干扰功率可折算为系统损耗，但欺骗性干扰对雷达系统的影响无法用等效的损耗系数来描述。因此必须考虑更准确的描述形式。第17页/共69页（2）脉冲雷达的干扰方程式中，PjGj为雷达干扰机辐射的等效功率；

Rj为干扰机与雷达间的距离；

Lpol为干扰机极化不匹配损耗；

Lf为雷达接收机带宽与干扰频谱宽度比；

Lj为干扰机馈线损耗系数；Lr为雷达接收馈线损耗系数；

θ为雷达天线副瓣波束角，即雷达天线在干扰方向与

雷达天线在目标方向（雷达天线主瓣方向）的夹角；

Gt(θ)为雷达天线在干扰机方向的副瓣增益。第18页/共69页雷达、目标与干扰机的空间位置关系

当取Rt=Rj，Gt=Gt(θ)时，由上式得到自卫式干扰的干扰方程。第19页/共69页(3)干扰压制系数Kj干扰压制系数Kj表示干扰机对雷达系统能够进行有效干扰。当雷达系统目标检测概率降低为Pd=0.1时，在雷达接收机的输入端所需要的干扰信号功率与目标回波信号的功率最小比值。

压制系数（Kj）是干扰样式、雷达接收机响应特性、信号处理方式等的综合函数。压制系数（Kj）越小，说明雷达系统的抗干扰性能越差；压制系数（Kj）越大，说明雷达的抗干扰性能越好。压制系数也是比较各种干扰信号优劣的标准之一。第20页/共69页自卫式干扰(Rt=Rj，Gt=Gt(θ)):掩护式干扰:第21页/共69页(a)干扰机功率PjGj和雷达功率PtGt成正比，亦即压制大功率雷达所需干扰功率也大。对雷达来讲，增大PtGt就可提高其抗干扰能力；对于干扰机来讲，增大干扰机功率PjGj就可提高对雷达压制的有效性。(b)干扰机的有效辐射功率PjGj与雷达天线的主、副瓣增益比Gt/Gt(θ)成正比。说明雷达天线方向性越强，抗干扰性能越好，需要的干扰功率就越大。(c)干扰机有效功率PjGj与目标散射截面RCS成正比。说明被掩护目标的有效反射面积越大，所需要干扰功率PjGj就越大。(d)有效干扰功率PjGj和压制系数Kj成正比，Kj越大，所需要的PjGj就越大。第22页/共69页(4)干扰条件下雷达方程RCS：目标的单基地雷达截面积（m2）；Gt和Gr：分别为目标方向雷达发射、接收天线增益；D0：雷达系统抗干扰因子；Rt：目标与雷达之间的距离（m）；Lt：雷达发射综合损耗；Lr：雷达接收综合损耗；LAtm：电磁波在大气中的传输损耗；λ：雷达系统的工作波长（m）。第23页/共69页

雷达系统的抗干扰改善因子是雷达系统引入某种抗干扰措施后，雷达接收机输出端的信干比（S/J）与雷达未采取抗干扰措施时的接收机输出端的信干比(S’/J’)的比值，即：

雷达对某种干扰有几种抗干扰措施，每种抗干扰措施的效果是不同的，某一种干扰的总干扰改善因子D0：

其中，D1，D2，···，Dn分别代表旁瓣对消、脉压、频率捷变、脉冲积累、宽-限-窄处理、低副瓣天线、CFAR等抗干扰改善因子。第24页/共69页雷达受到远距离支援干扰时，若假定远距离干扰机固定在某一空域，则雷达的探测区将变为以干扰机和雷达连线的水平投影为轴对称的一个心形曲线的内部。如图所示。远距离支援干扰时雷达探测区第25页/共69页雷达天线具有强的方向性(APY-3天线方向图)第26页/共69页1.5雷达的技术指标（参数）雷达的战术指标：(1)作用距离:由雷达距离方程确定(2)测距分辨力与精度

距离分辨率取决于雷达发射信号带宽:(3)测角分辨力与精度角分辨率取决于雷达系统天线波束宽度

(4)测速分辨力与精度

取决于雷达信号处理中的频谱估计算法的分辨率与精度第27页/共69页1.6雷达系统的分类与主要特点

脉冲多普勒雷达

相控阵雷达

脉冲压缩雷达

合成孔径雷达

数字阵列雷达毫米波雷达和激光雷达第28页/共69页1.7雷达新技术和新概念1.7.1新概念、新体制雷达技术:（1）具有信息处理能力的多基地和组网雷达。（2）分布式多传感器系统。（3）具有较高数据率和目标照射时间的新波形。如宽带、低截获概率(LPI)、高精度/实时性。（4）多波束：聚集波束、隔行扫描、后视能力、利

用分布式天线系统的优势。（5）灵巧蒙皮，共形宽带天线与数字波束形成结合。（6）数字阵列雷达系统。（7）分布式多基地雷达。第29页/共69页1.7.2现代雷达信息处理技术

信息处理算法(如噪声/杂波/干扰信号中的目标信息提取、空时自适应处理、先跟踪后探测、波形和扫描智能化管理)将成为影响雷达性能的关键因素。信息处理是雷达系统的核心，而对处理能力的要求是无穷无尽的。时域频域空域极化域雷达信号处理系统及方法第30页/共69页1.7.3阵列天线与数字波束形成

在舰载雷达雷达中，顶层集成桅杆概念正在研究开发中。雷达截面积、天线集成和传播预测、频率综合技术是在雷达系统设计和开发中需要重点考虑的因素。对未来的雷达系统，厚度小/宽带有源天线已是不可或缺的，它能够提供完善的适应能力以及监视、搜索和识别优化组合模式所需的各种波形。第31页/共69页数字阵雷达灵活的波束形式第32页/共69页1.7.4波形产生及编码技术

在杂波环境下检测到隐身目标，需要有高纯度本振。超导空腔和光学器件是最佳选择。小型化数字波形发生器也将成为可能，通过数-模变换器的优化，可获得所需的频谱纯度。对于低频雷达(L和S波段)来说，充分利用现有通信设备的优势来实现全分布式天线的灵活性，而无需预先确定子阵，并最终提供直接数字接收模块。(1)单/多载频脉冲信号(2)脉间捷变频和线性调频信号(3)相位编码脉冲信号第33页/共69页(4)步进频率信号其中，Tp为子脉冲时宽；Tr为脉冲重复周期(PRT)；f0为常载频；Δf为步进频；N为脉冲串子脉冲个数。频率步进信号将带宽为B=NΔf的信号分成N次发射，降低了系统的瞬时带宽，从而减轻了数字信号处理的负担。频率步进信号是一种距离高分辨信号，但它是一种多普勒敏感信号，存在距离-多普勒耦合问题。第34页/共69页(5)调频步进频率信号调频步进频率信号是在步进频率信号的基础上，在每个脉冲宽度内进行线性调频。线性调频步进信号是一种重要的高分辨信号，但它也是一种多普勒敏感信号，存在距离-多普勒耦合问题。其中，Tp为子脉冲时宽；Tr为脉冲重复周期(PRT)；K为子脉冲调频斜率；f0为常载频；Δf为步进频；N为脉冲串子脉冲个数。第35页/共69页

雷达宽带发射信号产生实例（VCO方法）(1)

本射频信号源主要由PC计算机、USB总线电路（CY7C68013）、FPGA逻辑控制电路（XC9536）、RF频率综合器（ADF4360-7）、差分功率放大器（AD8351）、RF变压器（ECT-1-13）及功分器（可选，ADP-2-20）。射频信号源分为四个独立的通道，每个通道有两个输出端口（SMA接口）。每个通道的RF输出信号频率、输出功率都可以独立设定，以满足各种不同的需要。

输出信号频率：350~1800MHz；输出信号幅度：-10dBm~+10dBm。RF信号频率、幅度可在控制计算机上界面设定。第36页/共69页FPGA1(XC9536XL)I通道RF输出SPI总线PLL/VCO-1

RFA(ADF4360-7)

RFBI通道信号Q通道信号

差分RF放大器-1NHIOPHI

（AD8351）

INLOOPLOI通道信号Q通道信号RF变压器-1（ETC-1-13）Q通道RF输出I通道RF输出SPI总线PLL/VCO-2RFA

（ADF4360-7）

RFBI通道信号Q通道信号

差分RF放大器-2INHIOPHI

（AD8351）

INLOOPLOI通道信号Q通道信号RF变压器-2（ETC-1-13）Q通道RF输出FPGA2(XC9536XL)I通道RF输出SPI总线PLL/VCO-3RFA

（ADF4360-7）

RFBI通道信号Q通道信号

差分RF放大器-3INHIOPHI

（AD8351）

INLOOPLOI通道信号Q通道信号RF变压器-3（ETC-1-13）Q通道RF输出I通道RF输出SPI总线

PLL/VCO-4RFA

（ADF4360-7）

RFBI通道信号Q通道信号

差分RF放大器-4INHIOPHI

（AD8351）

INLOOPLOI通道信号Q通道信号RF变压器-4（ETC-1-13）Q通道RF输出USB控制器(CY7C68013)

PC微型计算机USB2.0总线CY7C68013的PA口、PB口、PD口等数字控制射频信号源电路总体框图第37页/共69页数字控制射频信号源电路实物图第38页/共69页数字控制射频信号源电路测试图第39页/共69页基于VCO的数字控制射频信号源电路优缺点基于VCO的射频源优点：（1）电路结构简单、频率范围宽。（2）输出信号频率稳定，相噪、杂散指标高。基于VCO的射频源缺点：（1）输出频率调整（控制）时间较长。（2）输出频率、幅度（功率）设定步长大、分辨率较低。（3）无法设定输出信号相位，不能作为相参频率源使用。（4）信号形式单一（只能是正弦信号)。第40页/共69页

宽带发射信号产生实例（宽带DAC方法）(2)

以XILINXV5FPGA和宽带DAC（D/A变换器，采样率1.2GHz）为核心构成，具有对600MHz带宽的射频信号直接进行产生及频率合成的能力。第41页/共69页基于OSERDES的FPGA与DAC接口电路OSERDES实现串并转换，将低速并行数据转成高速串行数据第42页/共69页宽带DAC射频源电路实物图第43页/共69页宽带DAC射频源电路测试图第44页/共69页宽带DAC射频源电路输出杂散等技术指标测试图第45页/共69页基于FPGA+DAC的射频源电路优缺点:优点：（1）可产生任意复杂的波形。（2）输出信号频率稳定，相噪、杂散指标高。（3）通过数字正交调制方法，可实现信号频率、幅度、相位的控制。

缺点：（1）电路复杂、调试/开发困难。（2）输出信号带宽一般不大于1GHz。第46页/共69页1.7.5宽带发射/接收技术

为了从杂波(如空时自适应处理、隔行扫描或同时多模扫描)中提取目标特性，雷达系统都要求有宽带多通道收发系统。如前所述，对未来多功能雷达来说，固态功率放大器(SSPA)是其关键。对机载平台和导弹来说，还需要进行射频前端的封装和集成。射频光电子学可能是获得的用于多通道系统信号分布的理想技术。第47页/共69页1.8新体制雷达及其关键技术1.8.1新体制雷达系统1.8.1.1

有源固态相控阵雷达有源固态相控阵雷达通过计算机控制数控移相器来实现波束扫描控制。这种雷达具有高低空监视、敌我识别等功能，既可引导攻击敌机又可引导截击来袭导弹，且能同时跟踪和打击多个目标。美国F-22的AN/APG-77、F-35的AN/APG-81、F-16E/F的AN/APG-80和E-2D的AN/APY-9。其中F22的APG77的相控阵天线还可用于通信和发射干扰信号。有源相控阵技术与数字处理技术、计算机控制技术等结合，使雷达具有十分灵活、复杂的扫描方式、信号波形等，这给电子侦察和电子干扰均带来了极大的挑战。第48页/共69页反导反隐身相控阵雷达作战视图（美航母雷达系统）第49页/共69页1.8.1.2超宽带合成孔径雷达（SAR/ISAR）合成孔径雷达(SAR)是一种新体制雷达，在星载、机载、无人机载等方面获得了广泛应用。星载合成孔径雷达(由于高空无需侧视)的地面分辨率已达0.3~1m，如美国的“长曲棍球”系统。可全天时、全天候、全方位地工作，能透过树木探测到隐蔽的机动导弹发射架，透过地表发现地下数米处的掩蔽部，透过海水探测一定深度的潜艇等。美国的AN/APS-137海上逆合成孔径雷达(ISAR)与跟踪多模式雷达地面分辨率已达到1m。SAR/ISAR采用二维相参处理技术，具有很强的抗干扰能力。

SAR和ISAR雷达瞬时带宽的提高(如1GHz），不仅提高了距离分辨力，也使对它进行侦察和干扰十分困难。

SAR雷达除不断提高信号带宽外，还发展了地面动目标指示(GMTI)SAR雷达、能进行三维立体成像的干涉合成孔径雷达(InSAR)、双/多基地合成孔径雷达等。第50页/共69页1.8.1.3低截获概率雷达系统低截获概率(LPI)雷达可将辐射能量以类噪音的形式扩散在宽频率范围上，从而使反辐射武器定位系统精度下降，使雷达免遭反辐射导弹的攻击。LPI雷达的实现途径有：

一是雷达发射的脉冲随机变化，使电子侦察系统和反辐射导弹难以捕捉和跟踪一个“恒定”的信号；

二是对雷达实施热屏蔽，以有效抑制或屏蔽寄生电磁辐射，降低雷达的红外特征；

三是降低雷达旁瓣，减小波束宽度，使电子侦察系统和反辐射导弹难以截获雷达辐射信号，有效降低其攻击精度，减少损失；

四是发射功率控制，如隐身飞机雷达，在无源探测定位系统或预警机支援下，只在最需要时开机工作，且同时严格控制其发射功率(满足目标探测所需的最低功率)。第51页/共69页1.8.1.4毫米波雷达系统毫米波雷达波束窄，角分辨力高，频带宽，具备低截获概率性能（隐蔽性好），抗干扰能力强，体积小，重量轻。与红外、激光设备相比较，它具有很好的穿透烟、尘埃、雨雪、雾的传播特性，所有这些特点使毫米波雷达在军事上得到了广泛的运用。特别是新型高效的大功率毫米波功率源、介质天线、集成天线、低噪声接收机芯片等相继问世，使毫米波雷达发生了更新换代的变革，且大大拓宽了其应用领域。毫米波雷达的应用范围包括目标捕获、近程火控、靶场测量、战地监视和导弹制导等。为了在严重干扰和杂波背景中对抗隐身目标、低空目标和反辐射导弹，毫米波雷达已成为作战系统的主要发展方向之一。第52页/共69页1.8.1.5双/多基地雷达系统这是一种收发异址、多发多收、以离散形式布站命名的雷达系统。根据不同需要，可以采用多种配置方式，如地发/地收、空发/空收等。按照发射系统和接收系统的多少，还可编组成一发一收、两发一收、三发两收等不同形式。这些突出的特性，使其可充分利用隐身飞行器散射雷达波信号的空间特征，接收隐身飞行器的侧向或前向散射雷达波信号，达到探测和定位的目的。此外，由于双(多)基地雷达系统的发射与接收分系统分开配置，且发射分系统多点配置，因而还可有效地防止反辐射导弹的攻击。第53页/共69页双/多基地雷达系统的收发波束指向与空间同步第54页/共69页双基雷达的收发系统分置在不同平台上，由于这种特殊的协同工作方式，双站间的空间、时间、频率同步是雷达系统的核心技术之一，而某些平台（如弹载平台）由于高速运动使其具有瞬时动态大、精度要求高、控制难度大等特点，使其空时频同步的实现难度显著增大，要实现双基雷达探测系统必须解决平台之间收发系统的同步问题。

（1）空间同步空间同步的目的是保证收发系统的天线波束能覆盖同一目标区域，从而保证雷达波束能够覆盖足够的目标区域且目标区域回波有足够的信噪比。要实现空间同步，首先要获取收发平台位置信息、姿态信息及天线的指向信息等。对于运动平台，由于运动速度和姿态的瞬态变化大，需要高精度的定位和惯导系统来对收发平台进行定位和测量姿态，同时也需要精确的天线伺服控制系统来完成空间同步。第55页/共69页（2）时间同步技术由于收发系统分置，收发系统之间不再共用一个时钟源，双基雷达要计算出目标的距离，则接收平台必须知道发射脉冲信号的起始时间，同时根据自身的时钟时间计算出目标的距离，这就需要保证收发系统之间的时间同步。时间同步的目的是保证回波同步记录和距离信息的完整性。时间同步包含两方面的内容，一是时刻同步，指在某一时间点，两同步时钟的时间读数相同；二是时间保持，表示完成时刻同步后，两同步时钟时间的走时准确性，其决定于两时钟的频率偏差、漂移及相位噪声等。当接收平台与发射平台的时间基准不一致时，两站之间会产生时间同步误差，这将导致接收平台实际A/D采样窗口与理想窗口之间产生偏差。第56页/共69页（3）频率同步双基地雷达（以双基地SAR系统为例）是一种全相参体制的雷达系统，为了实现距离向脉冲压缩与方位聚焦处理，必须保证距离向、方位向回波之间的相干性。对于收发分置、收发系统之间使用了不同的频率源、不同频率源之间的频率偏差及相位误差，将使双基SAR回波信号产生相位误差，影响成像质量；并且运动平台由于其高机动特性，触发同步问题比其它平台难度大很多，因此保持接收平台、发射平台频率源之间的相位关系，消除或减弱回波信号中的相位误差，完成频率同步，是实现双基SAR成像探测系统的关键技术之一。收发平台的雷达发射信号、本振信号等分别由独立的频率源产生，当两频率源有频差或频率不稳定时，回波信号都将产生相位差而影响成像，导致成像性能下降。第57页/共69页1.8.1.6组网雷达系统雷达组网，是在一定区域内有计划地对雷达站分散配置，通过建立的计算机网络和指挥情报传递控制链路，构成动态、一体化、智能、高效的雷达情报关系。雷达组网是将多部不同体制、不同平台、不同频段、不同极化方式的雷达适当布站，对网内各部雷达的信息完成“网状”收集和传递，并由中心站平滑、滤波、外推、内插、加权等综合处理和控制管理，从而形成一个统一的有机整体。将网内各雷达的信息(原始视频、点迹、航迹)汇集至中心站综合处理得出雷达网覆盖范围内的目标情报信息、战术与战略态势，使系统的效能不仅是网内多部雷达效能的叠加，而且有质的飞跃，派生出许多单台雷达所不具备的新功能。避免单基地雷达的弱点和局限，除具有频率分集、空间分集与能量分集的特点外，主要是提高了反导、抗干扰、反隐身能力和防空部队快速反应能力。第58页/共69页1.8.1.7数字阵列雷达

数字阵列雷达是一种接收和发射都采用数字波束形成技术的全数字阵列扫描雷达。由于数字雷达的收发波束均以数字方式形成，并且可通过改变程序来执行完全不同的工作模式，所以它拥有模拟雷达所不具备的许多优良性能。能很精确地增强弱目标信号并滤掉杂波信号，提高雷达的检测和跟踪能力。数字阵列雷达具有改善时间-能量资源管理、提高系统可靠性、延长寿命和降低成本的潜力。数字阵列雷达发展的一个重要内容是将“认知无线电”思想引入雷达系统的设计和研制，使未来雷达具备更高“智能”。当电子信息系统采用“认知无线电”策略后，将具备对环境的即时感知能力，并通过对环境的即时感知，实现对环境的智能化适应，实现资源调度、利用等的自适应和自治管理。第59页/共69页数字阵列雷达工作原理示意图第60页/共69页密布舰体的数字阵列无线网络化的数字阵列雷达第61页/共69页1.8.1.8MIMO雷达/统计MIMO雷达和网雷达MIMO雷达发射正交波形，在空间形成宽的低增益发射波束，接收端则使用DBF技术综合形成多个发射波束和接收波束。MIMO