遙測遙控-03

1、雷達原理簡介,1.1 雷 達 的 任 務,1.1.1 雷達回波中的可用信息 當雷達探測到目標后, 就要從目標回波中提取有關信息: 可對目標的距離和空間角度定位, 目標位置的變化率可由其距離和角度隨時間變化的規(guī)律中得到，并由此建立對目標跟蹤; 雷達的測量如果能在一維或多維上有足夠的分辨力, 則可得到目標尺寸和形狀的信息; 采用不同的極化，可測量目標形狀的對稱性。原理上，雷達還可測定目標的表面粗糙度及介電特性等。,目標在空間

2、、陸地或海面上的位置, 可以用多種坐標系來表示。最常見的是直角坐標系, 即空間任一點目標P的位置可用x、 y、z三個坐標值來決定。在雷達應用中, 測定目標坐標常采用極(球)坐標系統(tǒng), 如圖1.1所示。圖中, 空間任一目標P所在位置可用下列三個坐標確定: (1) 目標的斜距R： 雷達到目標的直線距離OP; (2) 方位角α：目標斜距R在水平面上的投影OB與某一起始方向(正北、 正南或其它參考方向)在水平面上

3、的夾角。,圖1.1 用極(球)坐標系統(tǒng)表示目標位置,(3) 仰角β：斜距R與它在水平面上的投影OB在鉛垂面上的夾角, 有時也稱為傾角或高低角。 如需要知道目標的高度和水平距離, 那么利用圓柱坐標系統(tǒng)就比較方便。在這種系統(tǒng)中, 目標的位置由以下三個坐標來確定: 水平距離D，方位角α，高度H。 這兩種坐標系統(tǒng)之間的關系如下:D=R cosβ， H=Rsinβ，α=α 上述這些關系僅在目標

4、的距離不太遠時是正確的。當距離較遠時, 由于地面的彎曲, 必須作適當的修改。,圖1-2 雷達的原理及其基本組成,由雷達發(fā)射機產生的電磁能, 經收發(fā)開關后傳輸給天線, 再由天線將此電磁能定向輻射于大氣中。電磁能在大氣中以光速(約3×108m/s)傳播, 如果目標恰好位于定向天線的波束內, 則它將要截取一部分電磁能。目標將被截取的電磁能向各方向散射, 其中部分散射的能量朝向雷達接收方向。雷達天線搜集到這部分散射的電磁波后, 就經傳

5、輸線和收發(fā)開關饋給接收機。接收機將這微弱信號放大并經信號處理后即可獲取所需信息, 并將結果送至終端顯示。,1. 目標斜距的測量,2R=ctr,或,式中, R為目標到雷達站的單程距離, 單位為m; tr為電磁波往返于目標與雷達之間的時間間隔, 單位為s; c為光速，c=3×108m/s。 由于電磁波傳播的速度很快, 雷達技術常用的時間單位為μs, 回波脈沖滯后于發(fā)射脈沖為一個微秒時, 所對應的目標斜距離R為,能測

6、量目標距離是雷達的一個突出優(yōu)點, 測距的精度和分辨力與發(fā)射信號帶寬(或處理后的脈沖寬度)有關。脈沖越窄, 性能越好。,圖1.3 雷達測距,2. 目標角位置的測量 目標角位置指方位角或仰角, 在雷達技術中測量這兩個角位置基本上都是利用天線的方向性來實現(xiàn)的。雷達天線將電磁能量匯集在窄波束內, 當天線波束軸對準目標時, 回波信號最強, 如圖1.4實線所示。當目標偏離天線波束軸時回波信號減弱, 如圖上虛線所示。根據接收回波最強時

7、的天線波束指向, 就可確定目標的方向, 這就是角坐標測量的基本原理。天線波束指向實際上也是輻射波前的方向。,圖1.4 角坐標測量,3. 相對速度的測量 有些雷達除確定目標的位置外, 還需測定運動目標的相對速度, 例如測量飛機或導彈飛行時的速度。當目標與雷達站之間存在相對速度時, 接收到回波信號的載頻相對于發(fā)射信號的載頻產生一個頻移, 這個頻移在物理學上稱為多卜勒頻移, 它的數值為,式中, fd為多卜勒頻移，單位為Hz;

8、vr為雷達與目標之間的徑向速度， 單位為m/s; λ為載波波長，單位為m。,當目標向著雷達站運動時, vr＞0, 回波載頻提高; 反之vr ＜0, 回波載頻降低。雷達只要能夠測量出回波信號的多卜勒頻移fd, 就可以確定目標與雷達站之間的相對速度。 徑向速度也可以用距離的變化率來求得, 此時精度不高但不會產生模糊。無論是用距離變化率或用多卜勒頻移來測量速度, 都需要時間。觀測時間愈長，則速度測量精度愈高。

9、 多卜勒頻移除用作測速外, 更廣泛的是應用于動目標顯示(MTI)、脈沖多卜勒(PD)等雷達中，以區(qū)分運動目標回波和雜波。,4. 目標尺寸和形狀 如果雷達測量具有足夠高的分辨力, 就可以提供目標尺寸的測量。由于許多目標的尺寸在數十米量級, 因而分辨能力應為數米或更小。目前雷達的分辨力在距離維已能達到, 但在通常作用距離下切向距離(RQ)維的分辨力還遠達不到, 增加天線的實際孔徑來解決此問題是不現(xiàn)實的。然而當雷達和目標的各個部

10、分有相對運動時, 就可以利用多卜勒頻率域的分辨力來獲得切向距離維的分辨力。例如，裝于飛機和宇宙飛船上的SAR(綜合孔徑)雷達, 與目標的相對運動是由雷達的運動產生的。 高分辨力雷達可以獲得目標在距離和切向距離方向的輪廓(雷達成像)。,此外, 比較目標對不同極化波(例如正交極化等)的散射場, 就可以提供目標形狀不對稱性的量度。復雜目標的回波振幅隨著時間會變化, 例如，螺旋槳的轉動和噴氣發(fā)動機的轉動將使回波振幅的調制各具特點, 可經過譜分析

11、檢測到。這些信息為目標識別提供了相應的基礎。,實際雷達總是使用定向天線將發(fā)射機功率集中輻射于某些方向上。天線增益G用來表示相對于各向同性天線, 實際天線在輻射方向上功率增加的倍數。 因此當發(fā)射天線增益為G時, 距雷達R處目標所照射到的功率密度為,目標截獲了一部分照射功率并將它們重新輻射于不同的方向。 用雷達截面積σ來表示被目標截獲入射功率后再次輻射回雷達處功率的大小, 或用下式表示在雷達處的回波信號功率密度:,σ的大小隨具體目標而異,

12、它可以表示目標被雷達“看見”的尺寸。雷達接收天線只收集了回波功率的一部分, 設天線的有效接收面積為Ae, 則雷達收到的回波功率Pr為,當接收到的回波功率Pr等于最小可檢測信號Smin時, 雷達達到其最大作用距離Rmax, 超過這個距離后, 就不能有效地檢測到目標。,,1.2 雷達的基本組成,圖1.5 脈沖雷達基本組成框圖,,1.3 雷達的工作頻率,按照雷達的工作原理, 不論發(fā)射波的頻率如何, 只要是通過輻射電磁能量和利用從目標反射回來的

13、回波, 以便對目標探測和定位, 都屬于雷達系統(tǒng)工作的范疇。常用的雷達工作頻率范圍為220~35 000MHz(220MHz~35GHz), 實際上各類雷達工作的頻率在兩頭都超出了上述范圍。 例如天波超視距(OTH)雷達的工作頻率為4MHz或5MHz, 而地波超視距的工作頻率則低到2MHz。 在頻譜的另一端, 毫米波雷達可以工作到94 GHz, 激光(Laser)雷達工作于更高的頻率。工作頻率不同的雷達在工程實現(xiàn)時差別很大。,雷達的工作頻

14、率和整個電磁波頻譜示于圖1.6, 實際上絕大部分雷達工作于200 MHz至10 000MHz頻段。由于70年代中制成能產生毫米波的大功率管, 毫米波雷達已獲得試制和應用。 目前在雷達技術領域里常用頻段的名稱,用L、S、C、X等英文字母來命名。這是在第二次世界大戰(zhàn)中一些國家為了保密而采用的, 以后就一直延用下來, 我國也經常采用。,圖1.6 雷達頻率和電磁波頻譜,表1.1 雷達頻段和對應的頻率,22 cm為中心的20~25

15、cm(S代表10 cm為中心, 相應地, C代表5cm, X代表3 cm, Ku代表2.2 cm, Ka代表8 mm等)。表中還列出國際電信聯(lián)盟分配給雷達的具體波段, 例如, L波段包括的頻率范圍應是1000 MHz到2000MHz, 而L波段雷達的工作頻率卻被約束在1215MHz到1400MHz的范圍。,,1.4 雷達的應用和發(fā)展,1.4.1 應用情況,軍用雷達按戰(zhàn)術來分可有下列主要類型: 1) 預警雷達(超遠程雷達)

16、 它的主要任務是發(fā)現(xiàn)洲際導彈, 以便及早發(fā)出警報。它的特點是作用距離遠達數千公里, 至于測定坐標的精確度和分辨力是次要的。目前應用預警雷達不但能發(fā)現(xiàn)導彈, 而且可用以發(fā)現(xiàn)洲際戰(zhàn)略轟炸機。,2) 搜索和警戒雷達 其任務是發(fā)現(xiàn)飛機, 一般作用距離在400 km以上, 有的可達600 km。對于測定坐標的精確度、分辨力要求不高。 對于擔當保衛(wèi)重點城市或建筑物任務的中程警戒雷達要求有方位360°的搜索空城。 3) 引導

17、指揮雷達(監(jiān)視雷達) 這種雷達用于對殲擊機的引導和指揮作戰(zhàn), 民用的機場調度雷達亦屬這一類。其特殊要求是: (1)對多批次目標能同時檢測; (2)測定目標的三個坐標, 要求測量目標的精確度和分辨力較高, 特別是目標間的相對位置數據的精度要求較高。,4) 火控雷達 其任務是控制火炮(或地空導彈)對空中目標進行瞄準攻擊, 因此要求它能夠連續(xù)而準確地測定目標的坐標, 并迅速地將射擊數據傳遞給火炮(或地空導彈)。這類雷達的作用距離較小, 一般只

18、有幾十公里, 但測量的精度要求很高。 5) 制導雷達 它和火控雷達同屬精密跟蹤雷達, 不同的是制導雷達對付的是飛機和導彈, 在測定它們的運動軌跡的同時, 再控制導彈去攻擊目標。制導雷達要求能同時跟蹤多個目標, 并對分辨力要求較高。這類雷達天線的掃描方式往往有其特點, 并隨制導體制而異。,6) 戰(zhàn)場監(jiān)視雷達 這類雷達用于發(fā)現(xiàn)坦克、 軍用車輛、 人和其它在戰(zhàn)場上的運動目標。 7) 機載雷達 這類雷達除機載預警雷

19、達外， 主要有下列數種類型: (1) 機載截擊雷達。當殲擊機按照地面指揮所命令, 接近敵機并進入有利空域時, 就利用裝在機上的截擊雷達, 準確地測量敵機的位置, 以便進行攻擊。 它要求測量目標的精確度和分辨率高。,(2) 機載護尾雷達。 它用來發(fā)現(xiàn)和指示機尾后面一定距離內有無敵機。這種雷達結構比較簡單, 不要求測定目標的準確位置, 作用距離也不遠。 (3) 機載導航雷達。它裝在飛機或艦船上，用以顯示地面或

20、港灣圖像, 以便在黑夜和大雨、 濃霧情況下, 飛機和艦船能正確航行。 這種雷達要求分辨力較高。,(4) 機載火控雷達。20世紀70年代后的戰(zhàn)斗機上火控系統(tǒng)的雷達往往是多功能的。它能空對空搜索和截獲目標，空對空制導導彈，空對空精密測距和控制機炮射擊，空對地觀察地形和引導轟炸，進行敵我識別和導航信標的識別, 有的還兼有地形跟隨和回避的作用, 一部雷達往往具有七八部雷達的功能。 ,對于機載雷達共同的要求是體積小、重量輕、工作可靠性高。

21、 8) 無線電測高儀 它裝置在飛機上。這是一種連續(xù)波調頻雷達, 用來測量飛機離開地面或海面的高度。 9) 雷達引信 這是裝置在炮彈或導彈頭上的一種小型雷達, 用來測量彈頭附近有無目標, 當距離縮小到彈片足以擊傷目標的瞬間, 使炮彈(或導彈頭)爆炸, 提 高了擊中目標的命中率。,在民用雷達方面, 舉出以下一些類型和應用: 1) 氣象雷達 這是觀察氣象的雷達, 用來測量暴風雨和云層的位置及其移動路

22、線。 2) 航行管制(空中交通)雷達 在現(xiàn)代航空飛行運輸體系中, 對于機場周圍及航路上的飛機, 都要實施嚴格的管制。 航行管制雷達兼有警戒雷達和引導雷達的作用, 故有時也稱為機場監(jiān)視雷達, 它和二次雷達配合起來應用。 二次雷達地面設備發(fā)射詢問信號, 機上接到信號后, 用編碼的形式, 發(fā)出一個回答信號, 地面收到后在航行管制雷達顯示器上顯示。這一雷達系統(tǒng)可以鑒定空中目標的高度、速度和屬性, 用以識別目標。,3) 宇宙航行中

23、用雷達 這種雷達用來控制飛船的交會和對接, 以及在月球上的著陸。某些地面上的雷達用來探測和跟蹤人造衛(wèi)星。 4) 遙感設備 安放在衛(wèi)星或飛機上的某種雷達, 可以作為微波遙感設備。 它主要感受地球物理方面的信息, 由于具有二維高分辨力而可對地形、 地貌成像。 雷達遙感也參與地球資源的勘探, 其中包括對海的情況、 水資源、冰覆蓋層、 農業(yè)森林、 地質結構及環(huán)境污染等進行測量和地圖描繪。 也曾利用此類雷達來探測月亮和行星(雷達

24、天文學)。,此外，在飛機導航, 航道探測(用以保證航行安全), 公路上車速測量等方面, 雷達也在發(fā)揮其積極作用。 為了滿足多種用途不同的要求, 已研制了各雷達。 例如, 按照雷達信號的形式分類, 可以分為以下幾類： 1) 脈沖雷達 此類雷達發(fā)射的波形是矩形脈沖, 按一定的或交錯的重復周期工作, 這是目前使用最廣的。,2) 連續(xù)波雷達 此類雷達發(fā)射連續(xù)的正弦波, 主要用來測量目標的速度。如需同時測量目標的距離

25、, 則往往需對發(fā)射信號進行調制, 例如，對連續(xù)的正弦信號進行周期性的頻率調制。 3) 脈沖壓縮雷達 此類雷達發(fā)射寬的脈沖波, 在接收機中對收到的回波信號加以壓縮處理, 以便得到窄脈沖。目前實現(xiàn)脈沖壓縮主要有兩種。 線性調頻脈沖壓縮處理和相位編碼脈沖壓縮處理。 脈沖壓縮能解決距離分辨力和作用距離之間的矛盾。20世紀70年代研制的新型雷達絕大部分采用脈沖壓縮的體制。 此外，還有脈沖多卜勒雷達、噪聲雷達、頻率捷變

26、雷達等。,也可以按其它標準對雷達進行分類, 例如:#; (1) 按角跟蹤方式分, 有單脈沖雷達、 圓錐掃描雷達、 隱蔽錐掃雷達等。 (2) 按測量目標的參量分, 有測高雷達、 兩坐標雷達、 三坐標雷達、測速雷達、目標識別雷達等。 (3) 按信號處理方式分, 有各種分集雷達(頻率分集, 極化分集等等)、相參或非相參積累雷達、 動目標顯示雷達、合成孔徑雷達等。 (4) 按天線掃描

27、方法分, 有機械掃描雷達、 相控陣雷達、 頻掃雷達等。,2.1 雷達發(fā)射機的任務和基本組成,雷達是利用物體反射電磁波的特性來發(fā)現(xiàn)目標并確定目標的距離、方位、高度和速度等參數的。因此, 雷達工作時要求發(fā)射一種特定的大功率無線電信號。發(fā)射機在雷達中就是起這一作用的, 也就是說, 它為雷達提供一個載波受到調制的大功率射頻信號, 經饋線和收發(fā)開關由天線輻射出去。,2.2 雷達發(fā)射機的主要質量指標,1. 工作頻率或波段 雷達

28、的工作頻率或波段是按照雷達的用途確定的。為了提高雷達系統(tǒng)的工作性能和抗干擾能力, 有時還要求它能在幾個頻率上跳變工作或同時工作。工作頻率或波段的不同對發(fā)射機的設計影響很大, 它首先牽涉到發(fā)射管種類的選擇, 例如目前在1000MHz以下主要采用微波三、四極管, 在1 000 MHz以上則有多腔磁控管、 大功率速調管、行波管以及前向波管等。,2. 輸出功率 發(fā)射機的輸出功率直接影響雷達的威力和抗干擾能力。 通常規(guī)定發(fā)射機

29、送至天線輸入端的功率為發(fā)射機的輸出功率。 有時為了測量方便, 也可以規(guī)定在指定負載上(饋線上一定的電壓駐波比)的功率為發(fā)射機的輸出功率。如果是波段工作的發(fā)射機，則還應規(guī)定在整個波段中輸出功率的最低值, 或者規(guī)定在波段內輸出功率的變化不得大于多少分貝。,脈沖雷達發(fā)射機的輸出功率又可分為峰值功率Pt和平均功率Pav。Pt是指脈沖期間射頻振蕩的平均功率(注意不要與射頻正弦振蕩的最大瞬功率相混淆)。Pav是指脈沖重復周期內輸出功率的平均值。如果

30、發(fā)射波形是簡單的矩形脈沖列, 脈沖寬度為τ, 脈沖重復周期為Tr, 則有,式中的fr=1/Tr是脈沖重復頻率。τ/Tr=τfr稱作雷達的工作比D。 常規(guī)的脈沖雷達工作比的典型值為D=0.001, 但脈沖多卜勒雷達的工作比可達10-2數量級, 甚至達10-1數量級。顯然, 連續(xù)波雷達的D=1。,4. 信號形式(調制形式),表 2.1 雷達的常用信號形式,圖 2.4 三種典型雷達信號和調制波形,5 . 信號的穩(wěn)定度或頻譜純度

31、 信號的穩(wěn)定度是指信號的各項參數, 例如信號的振幅、 頻率(或相位)、 脈沖寬度及脈沖重復頻率等是否隨時間作不應有的變化。后面將會分析到, 雷達信號的任何不穩(wěn)定都會給雷達整機性能帶來不利的影響。例如對動目標顯示雷達, 它會造成不應有的系統(tǒng)對消剩余, 在脈沖壓縮系統(tǒng)中會造成目標的距離旁瓣以及在脈沖多卜勒系統(tǒng)中會造成假目標等。信號參數的不穩(wěn)定可分為規(guī)律性的與隨機性的兩類, 規(guī)律性的不穩(wěn)定往往是由電源濾波不良、機械震動等原因引起的, 而

32、隨機性的不穩(wěn)定則是由發(fā)射管的噪聲和調制脈沖的隨機起伏所引起的。,圖 2.5 矩形射頻脈沖列的理想頻譜,圖 2.6 實際發(fā)射信號的頻譜,3.1 雷達接收機的組成和主要質量指標,3.1.1 超外差式雷達接收機的組成,超外差式雷達接收機的簡化方框圖如圖3.1所示。 它的主要組成部分是:  (1) 高頻部分, 又稱為接收機“前端”, 包括接收機保護器、低噪聲高頻放大器、混頻器和本機振蕩器;  (2) 中頻放

33、大器, 包括匹配濾波器;  (3) 檢波器和視頻放大器。,圖3.1 超外差式雷達接收機簡化方框圖,從天線接收的高頻回波通過收發(fā)開關加至接收機保護器, 一般是經過低噪聲高頻放大器后再送到混頻器。在混頻器中, 高頻回波脈沖信號與本機振蕩器的等幅高頻電壓混頻, 將信號頻率降為中頻(IF), 再由多級中頻放大器對中頻脈沖信號進行放大和匹配濾波, 以獲得最大的輸出信噪比, 最后經過檢波器和視頻放大后送至終端處理設備。

34、 更為通用的超外差式雷達接收機的組成方框圖如圖3.2所示。 它適用于收、發(fā)公用天線的各種脈沖雷達系統(tǒng)。實際的雷達接收機可以不(而且通常也不)包括圖中所示的全部部件。,圖3.2 超外差式雷達接收機的一般方框圖,3.1.2 超外差式雷達接收機的主要質量指標 1. 靈敏度 靈敏度表示接收機接收微弱信號的能力。能接收的信號越微弱, 則接收機的靈敏度越高, 因而雷達的作用距離就越遠。 雷達

35、接收機的靈敏度通常用最小可檢測信號功率Si min來表示。 當接收機的輸入信號功率達到Si min時, 接收機就能正常接收而在輸出端檢測出這一信號。如果信號功率低于此值, 信號將被淹沒在噪聲干擾之中, 不能被可靠地檢測出來, 如圖3.3所示。由于雷達接收機的靈敏度受噪聲電平的限制, 因此要想提高它的靈敏度, 就必須盡力減小噪聲電平, 同時還應使接收機有足夠的增益。,圖3.3 顯示器上所見到的信號與噪聲,2. 接收機的工作頻帶寬度

36、 接收機的工作頻帶寬度表示接收機的瞬時工作頻率范圍。 在復雜的電子對抗和干擾環(huán)境中, 要求雷達發(fā)射機和接收機具有較寬的工作帶寬, 例如頻率捷變雷達要求接收機的工作頻帶寬度為(10~20)%。接收機的工作頻帶寬度主要決定于高頻部件(饋線系統(tǒng)、高頻放大器和本機振蕩器)的性能。 需要指出, 接收機的工作頻帶較寬時, 必須選擇較高的中頻, 以減少混頻器輸出的寄生響應對接收機性能的影響。,3. 動態(tài)范圍 動態(tài)范圍表示接

37、收機能夠正常工作所容許的輸入信號強度變化的范圍。最小輸入信號強度通常取為最小可檢測信號功率Si min, 允許最大的輸入信號強度則根據正常工作的要求而定。 當輸入信號太強時, 接收機將發(fā)生飽和而失去放大作用, 這種現(xiàn)象稱為過載。使接收機開始出現(xiàn)過載時的輸入功率與最小可檢測功率之比, 叫做動態(tài)范圍。為了保證對強弱信號均能正常接收, 要求動態(tài)范圍大, 就需要采取一定措施, 例如采用對數放大器、 各種增益控制電路等抗干擾措施。,4. 中頻的選

38、擇和濾波特性 接收機中頻的選擇和濾波特性是接收機的重要質量指標之一。 中頻的選擇與發(fā)射波形的特性、 接收機的工作帶寬以及所能提供的高頻部件和中頻部件的性能有關。在現(xiàn)代雷達接收機中, 中頻的選擇可以從30 MHz到4GHz之間。當需要在中頻增加某些信號處理部件, 如脈沖壓縮濾波器, 對數放大器和限幅器等時, 從技術實現(xiàn)來說, 中頻選擇在30MHz至500MHz更為合適。 對于寬頻帶工作的接收機, 應選擇較高的中頻, 以

39、便使虛假的寄生響應減至最小。  減小接收機噪聲的關鍵參數是中頻的濾波特性, 如果中頻濾波特性的帶寬大于回波信號帶寬, 則過多的噪聲進入接收機。 反之, 如果所選擇的帶寬比信號帶寬窄, 信號能量將會損失。這兩種情況都會使接收機輸出的信噪比減小。 在白噪聲(即接收機熱噪聲)背景下, 接收機的頻率特性為“匹配濾波器”時, 輸出的信號噪聲比最大。,5. 工作穩(wěn)定性和頻率穩(wěn)定度一般來說, 工作穩(wěn)定性是指當環(huán)境條件(例如溫度

40、、 濕度、 機械振動等)和電源電壓發(fā)生變化時, 接收機的性能參數(振幅特性、 頻率特性和相位特性等)受到影響的程度, 希望影響越小越好。 大多數現(xiàn)代雷達系統(tǒng)需要對一串回波進行相參處理, 對本機振蕩器的短期頻率穩(wěn)定度有極高的要求(高達10-10或者更高), 因此，必須采用頻率穩(wěn)定度和相位穩(wěn)定度極高的本機振蕩器, 即簡稱的“穩(wěn)定本振”。,6. 抗干擾能力 在現(xiàn)代電子戰(zhàn)和復雜的電磁干擾環(huán)境中, 抗有源干擾和無

41、源干擾是雷達系統(tǒng)的重要任務之一。 有源干擾為敵方施放的各種雜波干擾和鄰近雷達的異步脈沖干擾, 無源干擾主要是指從海浪、雨雪、地物等反射的雜波干擾和敵機施放的箔片干擾。 這些干擾嚴重影響對目標的正常檢測, 甚至使整個雷達系統(tǒng)無法工作?，F(xiàn)代雷達接收機必須具有各種抗干擾電路。 當雷達系統(tǒng)用頻率捷變方法抗干擾時, 接收機的本振應與發(fā)射機頻率同步跳變。 同時接收機應有足夠大的動態(tài)范圍, 以保證后面的信號處理器有高的處理精度。,5.1.1 基本雷達

42、方程,5.1 雷 達 方 程,設雷達發(fā)射功率為Pt, 雷達天線的增益為Gt, 則在自由空間工作時, 距雷達天線R遠的目標處的功率密度S1為,(5.1.1),目標受到發(fā)射電磁波的照射, 因其散射特性而將產生散射回波。 散射功率的大小顯然和目標所在點的發(fā)射功率密度S1以及目標的特性有關。用目標的散射截面積σ(其量綱是面積)來表征其散射特性。若假定目標可將接收到的功率無損耗地輻射出來, 則可得到由目標散射的功率(二次輻射功率)為,(5.1.2

43、),又假設P2均勻地輻射, 則在接收天線處收到的回波功率密度為,(5.1.3),如果雷達接收天線的有效接收面積為Ar, 則在雷達接收處接收回波功率為Pr, 而,(5.1.4),由天線理論知道, 天線增益和有效面積之間有以下關系:,式中λ為所用波長, 則接收回波功率可寫成如下形式:,(5.1.5),(5.1.6),單基地脈沖雷達通常收發(fā)共用天線, 即Gt=Gr=G, At=Ar, 將此關系式代入上二式即可得常用結果。,由式(5.1.4)~

44、(5.1.6)可看出, 接收的回波功率Pr反比于目標與雷達站間的距離R的四次方, 這是因為一次雷達中, 反射功率經過往返雙倍的距離路程, 能量衰減很大。接收到的功率Pr必須超過最小可檢測信號功率Si min, 雷達才能可靠地發(fā)現(xiàn)目標, 當Pr正好等于Si min時, 就可得到雷達檢測該目標的最大作用距離Rmax。 因為超過這個距離, 接收的信號功率Pr進一步減小, 就不能可靠地檢測到該目標。它們的關系式可以表達為,(5.1.7),或,(

45、5.1.8),(5.1.9),式(5.1.8)、(5.1.9)是雷達距離方程的兩種基本形式, 它表明了作用距離Rmax和雷達參數以及目標特性間的關系。,雷達方程雖然給出了作用距離和各參數間的定量關系, 但因未考慮設備的實際損耗和環(huán)境因素, 而且方程中還有兩個不可能準確預定的量: 目標有效反射面積σ和最小可檢測信號Si min, 因此它常用來作為一個估算的公式, 考察雷達各參數對作用距離影響的程度。  雷達總是在噪聲和其

46、它干擾背景下檢測目標的, 再加上復雜目標的回波信號本身也是起伏的，故接收機輸出的是隨機量。 雷達作用距離也不是一個確定值而是統(tǒng)計值, 對于某雷達來講, 不能簡單地說它的作用距離是多少, 通常只在概率意義上講, 當虛警概率(例如10-6)和發(fā)現(xiàn)概率(例如90%)給定時的作用距離是多大。,5.1.2 目標的雷達截面積 (RCS) 雷達是通過目標的二次散射功率來發(fā)現(xiàn)目標的。為了描述目標的后向散射特性, 在雷達方程的推導過程中

47、, 定義了“點”目標的雷達截面積σ, 如式(5.1.2)所示, P2=S1σ P2為目標散射的總功率, S1為照射的功率密度。雷達截面積σ又可寫為,圖 5.1 目標的散射特性,,5.2 最小可檢測信號,5.2.1 最小可檢測信噪比 典型的雷達接收機和信號處理框圖如圖5.2所示, 一般把檢波器以前(中頻放大器輸出)的部分視為線性的, 中頻濾波器的特性近似匹配濾波器, 從而使中放輸出端的信號

48、噪聲比達到最大。,圖 5.2 接收信號處理框圖,噪聲系數Fn可寫成,(5.2.1),將上式整理后得到輸入信號功率Si的表示式為,(5.2.2),根據雷達檢測目標質量的要求,可確定所需要的最小輸出信噪比 , 這時就得到最小可檢測信號Si min為,(5.2.3),5.2.2 門限檢測,圖 5.3 接收機輸出典型包絡,檢測時門限電壓的高低影響以下兩種錯誤判斷的多少:  (1) 有信號而誤判為沒有信號(

49、漏警);  (2) 只有噪聲時誤判為有信號(虛警)。  應根據兩種誤判的影響大小來選擇合適的門限。,門限檢測是一種統(tǒng)計檢測, 由于信號疊加有噪聲, 所以總輸出是一個隨機量。在輸出端根據輸出振幅是否超過門限來判斷有無目標存在, 可能出現(xiàn)以下四種情況:  (1) 存在目標時, 判為有目標, 這是一種正確判斷, 稱為發(fā)現(xiàn), 它的概率稱為發(fā)現(xiàn)概率Pd;  (2) 存在目標時,

50、 判為無目標, 這是錯誤判斷, 稱為漏報, 它的概率稱為漏報概率Pla;  (3) 不存在目標時判為無目標, 稱為正確不發(fā)現(xiàn), 它的概率稱為正確不發(fā)現(xiàn)概率Pan;  (4) 不存在目標時判為有目標, 稱為虛警, 這也是一種錯誤判斷, 它的概率稱為虛警概率Pfa; ,顯然四種概率存在以下關系:,Pd+Pla=1， Pan+Pfa=1,每對概率只要知道其中一個就可以了。 我們下面只討論常用的發(fā)現(xiàn)概率和虛

51、警概率。  門限檢測的過程可以用電子線路自動完成, 也可以由觀察員觀察顯示器來完成。當用觀察員觀察時, 觀察員自覺不自覺地在調整門限, 人在雷達檢測過程中的作用與觀察人員的責任心、熟悉程度以及當時的情況有關。例如, 如果害怕漏報目標, 就會有意地降低門限, 這就意味著虛警概率的提高。 在另一種情況下, 如果觀察人員擔心虛報, 自然就傾向于提高門限, 這樣只能把比噪聲大得多的信號指示為目標, 從而丟失一些弱信號。操縱人員

52、在雷達檢測過程中的能力, 可以用試驗的方法來決定, 但這種試驗只是概略的。,5.2.3 檢測性能和信噪比,1. 虛警概率Pfa 虛警是指沒有信號而僅有噪聲時, 噪聲電平超過門限值被誤認為信號的事件。噪聲超過門限的概率稱虛警概率。顯然, 它和噪聲統(tǒng)計特性、噪聲功率以及門限電壓的大小密切相關。 下面定量地分析它們之間的關系。  通常加到接收機中頻濾波器(或中頻放大器)上的噪聲是寬帶高斯噪聲, 其概率密度函

53、數由下式給出:,(5.2.8),圖 5.4 門限電平和虛警概率,2.發(fā)現(xiàn)概率Pd 為了討論發(fā)現(xiàn)概率Pd , 必須研究信號加噪聲通過接收機的情況, 然后才能計算信號加噪聲電壓超過門限的概率, 也就是發(fā)現(xiàn)概率Pd 。  下面將討論振幅為A的正弦信號同高斯噪聲一起輸入到中頻濾波器的情況。  設信號的頻率是中頻濾波器的中心頻率fIf, 包絡檢波器的輸出包絡的概率密度函數為,(5.2.14),圖 5

54、.8 用概率密度函數來說明檢測性能,,圖 5.7 非起伏目標單個脈沖線性檢波時檢測概率 和所需信噪比(檢測因子)的關系曲線,5.3 脈沖積累對檢測性能的改善,5.3.1 積累的效果 脈沖積累的效果可以用檢測因子D0的改變來表示。  對于理想的相參積累, M個等幅脈沖積累后對檢測因子Do的影響是:,(5.3.1),式中，Do(M)表示M個脈沖相參積累后的檢測因子。因為這種積累使信噪

55、比提高到M倍, 所以在門限檢測前達到相同信噪比時, 檢波器輸入端所要求的單個脈沖信噪比Do(M)將減小到不積累時的Do(1)的M倍。,對于非相參積累(視頻積累)的效果分析, 是一件比較困難的事。要計算M個視頻脈沖積累后的檢測能力, 首先要求出M個信號加噪聲以及M個噪聲脈沖經過包絡檢波并相加后的概率密度函數psn(r)和pn(r), 這兩個函數與檢波器的特性及回波信號特性有關； 然后由psn(r)和pn(r)按照同樣的方法求出Pd和Pfa

56、。,(5.3.2),(5.3.3),圖 5.9 線性檢波非起伏目標檢測因子(所需信噪比)與 非相參脈沖積累數的關系(Pd=0.5),圖 5.10 線性檢波非起伏目標檢測因子與非相參脈沖 積累數的關系Pd=0.9,測量目標的距離是雷達的基本任務之一。 無線電波在均勻介質中以固定的速度直線傳播(在自由空間傳播速度約等于光速c=3×105 km/s)。圖6.1中, 雷達位于A點, 而在B點有

57、一目標, 則目標至雷達站的距離(即斜距)R可以通過測量電波往返一次所需的時間tR得到，即,(6.0.1),而時間tR也就是回波相對于發(fā)射信號的延遲,因此, 目標距離測量就是要精確測定延遲時間tR。根據雷達發(fā)射信號的不同,測定延遲時間通?？梢圆捎妹}沖法, 頻率法和相位法。,圖6.1 目標距離的測量,6.1 脈 沖 法 測 距,6.1.1 基本原理,在常用的脈沖雷達中, 回波信號是滯后于發(fā)射脈沖tR的回波脈沖, 如圖6.2所示。在熒光屏上目

58、標回波出現(xiàn)的時刻滯后于主波, 滯后的時間就是tR, 測量距離就是要測出時間tR 。 回波信號的延遲時間tR通常是很短促的, 將光速c=3×105 km/s的值代入式(6.0.1)后得到,R=0.15 tR,(6.1.1),其中tR的單位為μs, 測得的距離其單位為km, 即測距的計時單位是微秒。測量這樣量級的時間需要采用快速計時的方法。早期雷達均用顯示器作為終端, 在顯示器畫面上根據掃掠量程和回波位置直接測讀

59、延遲時間。 現(xiàn)代雷達常常采用電子設備自動地測讀回波到達的遲延時間tR。,圖6.2 具有機械距離刻度標尺的顯示器熒光屏畫面,圖6.3 回波脈沖中心估計,1. 電波傳播速度變化產生的誤差 如果大氣是均勻的, 則電磁波在大氣中的傳播是等速直線, 此時測距公式(6.0.1)中的c值可認為是常數。 但實際上大氣層的分布是不均勻的且其參數隨時間、地點而變化。大氣密度、濕度、 溫度等參數的隨機變化, 導致大氣傳播介

60、質的導磁系數和介電常數也發(fā)生相應的改變, 因而電波傳播速度c不是常量而是一個隨機變量。由式(6.1.2)可知, 由于電波傳播速度的隨機誤差而引起的相對測距誤差為,(6.1.3),表6.1 在不同條件下電磁波傳播速度,1. 電波傳播速度變化產生的誤差,2. 因大氣折射引起的誤差 當電波在大氣中傳播時, 由于大氣介質分布不均勻將造成電波折射, 因此電波傳播的路徑不是直線而是走過一個彎曲的軌跡。 在正折射時電波傳播途徑為一向下彎

61、曲的弧線。 由圖6.4可看出, 雖然目標的真實距離是R0, 但因電波傳播不是直線而是彎曲弧線, 故所測得的回波延遲時間tR=2R/c,這就產生一個測距誤差(同時還有測仰角的誤差Δβ):,(6.1.4),圖6.4 大氣層中電波的折射,3. 測讀方法誤差 測距所用具體方法不同, 其測距誤差亦有差別。 早期的脈沖雷達直接從顯示器上測量目標距離, 這時顯示器熒光屏亮點的直徑大小、所用機械或電刻度的精度、人工測讀

62、時的慣性等都將引起測距誤差。當采用電子自動測距的方法時, 如果測讀回波脈沖中心, 則圖6.3中回波中心的估計誤差(正比于脈寬τ而反比于信噪比)以及計數器的量化誤差等均將造成測距誤差。 自動測距時的測量誤差與測距系統(tǒng)的結構、系統(tǒng)傳遞函數、 目標特性(包括其動態(tài)特性和回波起伏特性)、干擾(噪聲)的強度等因素均有關系, 詳情可參考測距系統(tǒng)有關資料。,6.1.3 距離分辨力和測距范圍 距離分辨力是指同一方向上兩

63、個大小相等點目標之間最小可區(qū)分距離。在顯示器上測距時, 分辨力主要取決于回波的脈沖寬度τ, 同時也和光點直徑d所代表的距離有關。如圖6.5所示的兩個點目標回波的矩形脈沖之間間隔為τ+d/υn, 其中υn為掃掠速度, 這是距離可分的臨界情況, 這時定義距離分辨力Δrc為,式中, d為光點直徑; υn為光點掃掠速度(cm/μs)。,圖6.5 距離分辨力,6.1.4 判距離模糊的方法 1. 多種重復頻率判模糊

64、 設重復頻率分別為fr1和fr2, 它們都不能滿足不模糊測距的要求。fr1和fr2具有公約頻率，其為fr,,N和a為正整數, 常選a=1, 使N和N+a為互質數。fr的選擇應保證不模糊測距。 雷達以fr1和fr2的重復頻率交替發(fā)射脈沖信號。通過記憶重合裝置, 將不同的fr發(fā)射信號進行重合, 重合后的輸出是重復頻率fr的脈沖串。同樣也可得到重合后的接收脈沖串, 二者之間的時延代表目標的真實距離, 如圖6.6(a)所示。,以

65、二重復頻率為例,,n1, n2分別為用fr1和fr2測距時的模糊數。當a=1時, n1和n2的關系可能有兩種, 即n1=n2或n1=n2+1, 此時可算得,或,如果按前式算出tR為負值, 則應用后式。,6.2 調 頻 法 測 距,6.2.1 調頻連續(xù)波測距 調頻連續(xù)波雷達的組成方框圖如圖6.7所示。發(fā)射機產生連續(xù)高頻等幅波, 其頻率在時間上按三角形規(guī)律或按正弦規(guī)律變化, 目標回波和發(fā)射機直接耦合過來的信號加到接收機混頻器內

66、。在無線電波傳播到目標并返回天線的這段時間內, 發(fā)射機頻率較之回波頻率已有了變化, 因此在混頻器輸出端便出現(xiàn)了差頻電壓。 后者經放大、限幅后加到頻率計上。由于差頻電壓的頻率與目標距離有關, 因而頻率計上的刻度可以直接采用距離長度作為單位。,圖6.7 調頻連續(xù)波雷達方框圖,1. 三角形波調制 發(fā)射頻率按周期性三角形波的規(guī)律變化, 如圖6.8所示。 圖中ft是發(fā)射機的高頻發(fā)射頻率, 它的平均頻率是ft0, ft0變化的周

67、期為Tm 。通常ft0為數百到數千兆赫, 而Tm為數百分之一秒。f r為從目標反射回來的回波頻率, 它和發(fā)射頻率的變化規(guī)律相同, 但在時間上滯后tR, tR=2R/c。發(fā)射頻率調制的最大頻偏為±Δf, fb為發(fā)射和接收信號間的差拍頻率, 差頻的平均值用fbav表示。,圖6.8 調頻雷達工作原理示意圖,3. 調頻連續(xù)波雷達的特點 調頻連續(xù)波雷達的優(yōu)點是: (1) 能測量很近的距離, 一般可測到數米

68、, 而且有較高的測量精度。 (2) 雷達線路簡單, 且可做到體積小、 重量輕, 普遍應用于飛機高度表及微波引信等場合。,它的主要缺點是: (1) 難于同時測量多個目標。如欲測量多個目標, 必須采用大量濾波器和頻率計數器等, 使裝置復雜，從而限制其應用范圍。 (2) 收發(fā)間的完善隔離是所有連續(xù)波雷達的難題。發(fā)射機泄漏功率將阻塞接收機, 因而限制了發(fā)射功率的大小。發(fā)射機噪聲的泄漏會直接影

69、響接收機的靈敏度。,7.1 概 述,為了確定目標的空間位置, 雷達在大多數應用情況下, 不僅要測定目標的距離, 而且還要測定目標的方向, 即測定目標的角坐標, 其中包括目標的方位角和高低角(仰角)。  雷達測角的物理基礎是電波在均勻介質中傳播的直線性和雷達天線的方向性。  由于電波沿直線傳播, 目標散射或反射電波波前到達的方向, 即為目標所在方向。 但在實際情況下, 電波并不是在理想均勻的介質中傳播