第1章雷達技術基礎

1、現(xiàn) 代 雷 達 技 術第第1 1章章 雷達技術基礎雷達技術基礎第1章 雷達技術基礎課程介紹 課程簡介課程簡介 課程內容：雷達技術基礎、主要現(xiàn)代雷達介紹課程內容：雷達技術基礎、主要現(xiàn)代雷達介紹 學習目標：學習目標： 鞏固雷達基礎知識鞏固雷達基礎知識 全面掌握現(xiàn)代雷達技術及其原理全面掌握現(xiàn)代雷達技術及其原理 了解現(xiàn)代雷達新技術、新體制及發(fā)展方向了解現(xiàn)代雷達新技術、新體制及發(fā)展方向第1章 雷達技術基礎課程介紹 參考資料參考資料張明友、汪學剛，張明友、汪學剛，雷達系統(tǒng)（第二雷達系統(tǒng)（第二版）版），電子工業(yè)出版社，電子工業(yè)出版社（教材）（教材） Merrill I. Skolnik,Radar Hand

2、book 丁鷺飛、耿富錄，雷達原理（第三版），丁鷺飛、耿富錄，雷達原理（第三版），西安電子科技大學出版社西安電子科技大學出版社 中航雷達與電子設備研究院，中航雷達與電子設備研究院，雷達系統(tǒng)雷達系統(tǒng)，國防工業(yè)出版社國防工業(yè)出版社第1章 雷達技術基礎1.1 雷達的概念 雷達的定義？雷達的定義？ 雷達雷達 Radar Radio Detection and Ranging 原意：無線電原意：無線電探測探測與與測距測距，無線電定位，無線電定位 利用電磁波的二次輻射、轉發(fā)或目標固有輻射利用電磁波的二次輻射、轉發(fā)或目標固有輻射來探測目標，獲取目標空間坐標、速度、特征來探測目標，獲取目標空間坐標、速度、特征

3、等信息的一種無線電技術，相應的設備稱為雷等信息的一種無線電技術，相應的設備稱為雷達站或雷達機，簡稱雷達達站或雷達機，簡稱雷達第1章 雷達技術基礎1.1 雷達的概念 電磁波電磁波 變化變化的電場產(chǎn)生磁場的電場產(chǎn)生磁場 變化變化的磁場產(chǎn)生電場的磁場產(chǎn)生電場 隨機熱運動，所有物體都輻射電磁波能量，包隨機熱運動，所有物體都輻射電磁波能量，包括：無線電波、光、熱輻射，波長不同括：無線電波、光、熱輻射，波長不同 雷達輻射的電磁波：強電流激勵調諧回路，向雷達輻射的電磁波：強電流激勵調諧回路，向空間傳播交變的電磁能量，高頻正弦波空間傳播交變的電磁能量，高頻正弦波電磁波，輻射能量電磁波，輻射能量第1章 雷達技術

4、基礎1.1 雷達的概念 無線電磁波的特征無線電磁波的特征 傳播速度傳播速度：真空中，無線電磁波以光速傳播：真空中，無線電磁波以光速傳播 傳播方向傳播方向：與電場和磁場方向垂直（右手法則，：與電場和磁場方向垂直（右手法則，E = H）。遇到反射體時，方向反向）。遇到反射體時，方向反向 功率密度功率密度：電磁波的平均強度：電磁波的平均強度 電磁波強度：在垂直于傳播方向的平面內，電磁波強度：在垂直于傳播方向的平面內，每秒通過單位面積的能量。瞬時值每秒通過單位面積的能量。瞬時值 = EH 接收功率接收功率 = 電磁波功率密度電磁波功率密度 天線孔徑面積天線孔徑面積第1章 雷達技術基礎1.1 雷達的概念

5、 無線電磁波的特征（續(xù)）無線電磁波的特征（續(xù)） 天線極化天線極化：習慣上取為：習慣上取為電場方向電場方向 線極化：垂直和水平極化線極化：垂直和水平極化 圓極化：水平圓極化：水平 + 垂直極化垂直極化 接收天線與極化同向，吸收能力最大接收天線與極化同向，吸收能力最大 反射物改變極化方向，目標識別輔助手段反射物改變極化方向，目標識別輔助手段橢圓極化橢圓極化第1章 雷達技術基礎1.1 雷達的概念 雷達接收（回波）信號雷達接收（回波）信號 目標目標：待測目標的電磁波反射或散射，如飛機、：待測目標的電磁波反射或散射，如飛機、云雨、天體、艦船、山川、森林、陸地、建筑云雨、天體、艦船、山川、森林、陸地、建筑

6、物、車輛、兵器、人員等物、車輛、兵器、人員等 雜波雜波：不需要的電磁波反射，如地面、海面、：不需要的電磁波反射，如地面、海面、植被、山區(qū)、建筑物等植被、山區(qū)、建筑物等 干擾干擾：有源干擾、無源干擾：有源干擾、無源干擾 噪聲噪聲：環(huán)境噪聲、系統(tǒng)熱噪聲：環(huán)境噪聲、系統(tǒng)熱噪聲第1章 雷達技術基礎1.1 雷達的概念 雷達坐標系雷達坐標系 極坐標系極坐標系：斜距、方位角、俯仰角，常用斜距、方位角、俯仰角，常用 其它坐標其它坐標：斜距、方位角、高度，測高儀斜距、方位角、高度，測高儀 雷達回波中的可用信息雷達回波中的可用信息 斜距斜距 角度：方位角角度：方位角和和俯仰角（高低角）俯仰角（高低角） 徑向速度徑

7、向速度 目標特征：大小；形狀；表面粗糙度；介電特目標特征：大小；形狀；表面粗糙度；介電特性性第1章 雷達技術基礎1.1 雷達的概念 雷達回波中的可用信息雷達回波中的可用信息 斜距斜距 R （ Rmax 可由可由雷達方程估算雷達方程估算） 方位角方位角 a a （q q） 俯仰角俯仰角 b b （j j） 徑向速度徑向速度 vrvr目標PHRBDbaO正北雷達第1章 雷達技術基礎1.1 雷達的概念 目標斜距的測量目標斜距的測量 利用電磁波從發(fā)射機經(jīng)目標反射或散射到達接收利用電磁波從發(fā)射機經(jīng)目標反射或散射到達接收機的傳播用時機的傳播用時 測距方法：時延法；三角定位法測距方法：時延法；三角定位法 物

8、理依據(jù)物理依據(jù) 電磁波在均勻介質中的直線傳播特性電磁波在均勻介質中的直線傳播特性 電磁波在大氣或真空中的傳播速度接近光速，電磁波在大氣或真空中的傳播速度接近光速，且誤差可忽略且誤差可忽略 各種物體對電磁波的散射特性各種物體對電磁波的散射特性第1章 雷達技術基礎1.1 雷達的概念 目標角度的測量目標角度的測量 利用雷達天線波束的指向性利用雷達天線波束的指向性 測角方法：振幅法（最大信號法，雙波束法）；測角方法：振幅法（最大信號法，雙波束法）；相位法；時延法相位法；時延法 物理依據(jù)物理依據(jù) 電磁波在均勻介質中的直線傳播特性電磁波在均勻介質中的直線傳播特性 雷達天線的指向性，或電磁波的定向傳播特性雷

9、達天線的指向性，或電磁波的定向傳播特性第1章 雷達技術基礎1.1 雷達的概念 目標速度的測量目標速度的測量 利用運動目標回波中的多普勒頻移信息利用運動目標回波中的多普勒頻移信息 測速方法：多普勒濾波；斜距變化率測速方法：多普勒濾波；斜距變化率 物理依據(jù)物理依據(jù) 物體相對運動所產(chǎn)生多普勒頻移現(xiàn)象物體相對運動所產(chǎn)生多普勒頻移現(xiàn)象，目標背離，目標接近0000)()/(2)(rrrdvvmsmvHzf第1章 雷達技術基礎1.1 雷達的概念 目標大小、形狀的測量目標大小、形狀的測量利用高分辨雷達利用高分辨雷達距離分辨力，大帶寬脈沖壓縮距離分辨力，大帶寬脈沖壓縮切向分辨力（角度分辨力）：大孔徑、合成切向分

10、辨力（角度分辨力）：大孔徑、合成孔徑孔徑 目標電磁特征的測量目標電磁特征的測量利用目標的散射特性。極化；散射空間分布利用目標的散射特性。極化；散射空間分布用于目標識別、成像、敵我識別用于目標識別、成像、敵我識別第1章 雷達技術基礎1.3 雷達的工作頻率 雷達的工作頻率雷達的工作頻率 常用常用 220MHz35GHz；實際實際 3MHz300GHz 工作頻率不同的雷達在工程實現(xiàn)時差別很大工作頻率不同的雷達在工程實現(xiàn)時差別很大 工程中常采用字母來命名雷達波段：工程中常采用字母來命名雷達波段：L：1G3G，22cmS：2G4G，10cmC：4G8G，5cmX：8G12G，3cmKu：12G18G，2

11、.2cmKa：27G40G，8mm米波、毫米波、激光波段米波、毫米波、激光波段第1章 雷達技術基礎1.3 雷達的工作頻率 雷達分辨力雷達分辨力 雷達區(qū)分兩個相鄰目標的能力雷達區(qū)分兩個相鄰目標的能力 距離分辨力：脈沖寬度；與帶寬成反比距離分辨力：脈沖寬度；與帶寬成反比 角度分辨力：波束寬度；與孔徑成反比角度分辨力：波束寬度；與孔徑成反比單脈沖測角，鑒角曲線陡度單脈沖測角，鑒角曲線陡度 速度分辨力（多普勒分辨力）：與相干積累時速度分辨力（多普勒分辨力）：與相干積累時間成反比；相干積累脈沖個數(shù)間成反比；相干積累脈沖個數(shù)第1章 雷達技術基礎1.3 雷達的工作頻率 雷達系統(tǒng)組成雷達系統(tǒng)組成 天線及掃描控

12、制天線及掃描控制 收發(fā)轉換開關及微波濾波收發(fā)轉換開關及微波濾波 激勵及同步：主振信號源、頻率合成激勵及同步：主振信號源、頻率合成 發(fā)射機：波形產(chǎn)生、調制、發(fā)射機：波形產(chǎn)生、調制、RF放大鏈放大鏈 接收機：接收機：LNA、IF放大、檢波放大、檢波 信號處理機：匹配濾波、干擾抑制、信號處理機：匹配濾波、干擾抑制、CFAR 數(shù)據(jù)處理機：特征提取、跟蹤、識別、航跡數(shù)據(jù)處理機：特征提取、跟蹤、識別、航跡 輸出設備（顯示和記錄結果）輸出設備（顯示和記錄結果）第1章 雷達技術基礎1.2 雷達的基本組成調制器電源收發(fā)開關高頻和混頻激勵器中放同步器信號處理高放激勵和同步微波顯示器底座和伺服發(fā)射機操作員天線接收機

13、脈沖雷達基本組成框圖脈沖雷達基本組成框圖 脈沖雷達的基本組成脈沖雷達的基本組成第1章 雷達技術基礎雷達方程與雷達系統(tǒng)設計 基本雷達方程基本雷達方程 一個統(tǒng)計值，只在概率意義上講一個統(tǒng)計值，只在概率意義上講, 當虛警概率當虛警概率（如（如10-6）和發(fā)現(xiàn)概率（如）和發(fā)現(xiàn)概率（如90%）給定時的最）給定時的最大作用距離是多少大作用距離是多少LDFTkGGELBDFTkGGPLSAPRnrttnrttrt0022032min224max)()4()()4(4第1章 雷達技術基礎雷達方程與雷達系統(tǒng)設計 發(fā)射信號的峰值功率發(fā)射信號的峰值功率 Pt 和平均功率和平均功率 Pa 天線增益天線增益 G 目標雷

14、達截面積目標雷達截面積 點目標、大目標、分別目標點目標、大目標、分別目標 目標（后向）散射功率目標（后向）散射功率 / 照射目標的功率密度照射目標的功率密度 波長、視角、極化、目標特性的復雜函數(shù)波長、視角、極化、目標特性的復雜函數(shù)jqBBAGr3200042第1章 雷達技術基礎雷達方程與雷達系統(tǒng)設計101.00.10.010.0010.10.2 0.3 0.5 0.8 1.022010853瑞利區(qū)振蕩區(qū)光學區(qū)2rr 2球第1章 雷達技術基礎雷達方程與雷達系統(tǒng)設計dB5101520253035飛機的雷達截面積飛機的雷達截面積 （工作波長（工作波長10cm10cm）第1章 雷達技術基礎雷達方程與雷

15、達系統(tǒng)設計類類 型型 / / m2普通無人駕駛帶翼導彈普通無人駕駛帶翼導彈0.5小型單引擎飛機小型單引擎飛機1小型殲擊機或四座噴氣機小型殲擊機或四座噴氣機2大型殲擊機大型殲擊機6中型轟炸機或中型噴氣客機中型轟炸機或中型噴氣客機20大型轟炸機或大型噴氣客機大型轟炸機或大型噴氣客機40小船（艇）小船（艇）0.02 2巡邏艇巡邏艇10第1章 雷達技術基礎雷達方程與雷達系統(tǒng)設計 慢起伏目標與快起伏目標慢起伏目標與快起伏目標 施威林（施威林（Swerling）起伏模型，）起伏模型，型型 型型型（慢起伏）與型（慢起伏）與型（快起伏）瑞利分布型（快起伏）瑞利分布型（慢起伏）與型（慢起伏）與型（快起伏）型（快

16、起伏）exp1)(p2exp4)(2p第1章 雷達技術基礎雷達方程與雷達系統(tǒng)設計波長波長 ：目標特性，功能、體積、對抗等：目標特性，功能、體積、對抗等接收機靈敏度接收機靈敏度Smin：最小可檢測：最小可檢測SNRSNR接收機輸入額定噪聲功率接收機輸入額定噪聲功率接收機噪聲系數(shù)接收機噪聲系數(shù)要求：低噪高放要求：低噪高放LNALNA00000min00min)()()()(DFBTkDFBTkSNRFBTkSoBTkNi010ooiioiNSNSSNRSNRF1212131210111NNGGGFGGFGFFF第1章 雷達技術基礎雷達方程與雷達系統(tǒng)設計15201050 5 15 100.0010.

17、010.10.50.90.990.99910 110 2Pfa 10 1610 1410 1210 1010 810 610 510 410 3檢測因子Do / dB檢測概率 Pd非起伏目標單非起伏目標單個脈沖線性檢個脈沖線性檢波時檢測概率波時檢測概率和所需信噪比和所需信噪比( (檢測因子檢測因子) )的的關系曲線關系曲線 第1章 雷達技術基礎雷達方程與雷達系統(tǒng)設計 損耗因子損耗因子L 饋線、信號處理、傳播、其它饋線、信號處理、傳播、其它 發(fā)射總能量發(fā)射總能量Et 天線有效接收面積天線有效接收面積Ar 相關處理間隔相關處理間隔 CPI 門限檢測門限檢測1) 發(fā)現(xiàn)概率發(fā)現(xiàn)概率Pd：有目標時判為有

18、目標的概率：有目標時判為有目標的概率2) 漏警概率漏警概率Pla ：有目標時判為無目標的概率：有目標時判為無目標的概率3) 不發(fā)現(xiàn)概率不發(fā)現(xiàn)概率Pan：無目標時判為無目標的概率：無目標時判為無目標的概率4) 虛警概率虛警概率Pfa： 無目標時判為有目標的概率無目標時判為有目標的概率第1章 雷達技術基礎天線波束與掃描方式 天線掃描方式天線掃描方式 常用掃描方式常用掃描方式 圓周掃描、圓錐掃描、扇形掃描、鋸齒形掃圓周掃描、圓錐掃描、扇形掃描、鋸齒形掃描、螺旋掃描描、螺旋掃描 實現(xiàn)掃描方法實現(xiàn)掃描方法 機械掃描、電掃描（相掃、頻掃）機械掃描、電掃描（相掃、頻掃） 波束形狀波束形狀 常用波束形狀常用波

19、束形狀 扇形波束、針狀波束、余割平方形波束扇形波束、針狀波束、余割平方形波束第1章 雷達技術基礎天線波束與掃描方式b0a0仰 角 掃 描范 圍(a)(b)(c)方 向 角仰角螺旋掃描螺旋掃描分行掃描分行掃描鋸齒掃描鋸齒掃描地面雷達扇形波束圓周掃描地面雷達扇形波束圓周掃描 針狀波束針狀波束 扇形波束扇形波束第1章 雷達技術基礎天線波束與掃描方式 余割平方形波束余割平方形波束 同一高度不同距離的回波強度基本相同同一高度不同距離的回波強度基本相同 如圖，如圖，R=H/sinb b =Hcscb b ，代入雷達方程得，代入雷達方程得 H 一定，一定，Pr 一定，則一定，則 G/csc2b b = K

20、(常數(shù)常數(shù))或或 G = Kcsc2b bG(b b)為余割平方形為余割平方形機載雷達余割平方波束圓周掃機載雷達余割平方波束圓周掃b bHb4241421csc1GHKRGKPr第1章 雷達技術基礎天線波束與掃描方式 機械掃描（機掃）機械掃描（機掃） 饋源不動，反射體圍繞饋源往復運動饋源不動，反射體圍繞饋源往復運動 反射體不動，饋源左右擺動反射體不動，饋源左右擺動天線收發(fā)開關接收機距離高度顯示器發(fā)射機天線擺動機構飛機目標等長度的波導輸出喇叭輸入喇叭饋源不動反射體動饋源不動反射體動風琴管式掃描器風琴管式掃描器第1章 雷達技術基礎天線波束與掃描方式 電掃描電掃描 相（位）掃（描）：移相器改變陣元激

21、勵相位相（位）掃（描）：移相器改變陣元激勵相位 頻（率）掃（描）：改變延遲線上各陣元相位頻（率）掃（描）：改變延遲線上各陣元相位 時（間）延（遲）：大型天線陣或相干雷達陣時（間）延（遲）：大型天線陣或相干雷達陣rfbaf 2r2fba移 相 器短 路(a)(b)相掃的光學饋電系統(tǒng)：相掃的光學饋電系統(tǒng)： (a) 透鏡系統(tǒng)透鏡系統(tǒng); (b) 反射鏡系統(tǒng)反射鏡系統(tǒng)第1章 雷達技術基礎天線波束與掃描方式相掃的強制饋電系統(tǒng)相掃的強制饋電系統(tǒng)： (a) 串聯(lián)系統(tǒng)串聯(lián)系統(tǒng); (b) 并聯(lián)系統(tǒng)并聯(lián)系統(tǒng)(a)(b)串聯(lián)饋電示意圖串聯(lián)饋電示意圖并聯(lián)饋電示意圖并聯(lián)饋電示意圖第1章 雷達技術基礎雷達發(fā)射機 雷達發(fā)射機

22、雷達發(fā)射機 提供調制的大功率射頻信號，由天線輻射出去提供調制的大功率射頻信號，由天線輻射出去 單級振蕩式：一級大功率射頻振蕩器，非相參單級振蕩式：一級大功率射頻振蕩器，非相參 主振放大式：主控振蕩器主振放大式：主控振蕩器 + 射頻放大鏈，相參射頻放大鏈，相參 主要質量指標主要質量指標 電性能指標：波段、功率、效率、波形、信電性能指標：波段、功率、效率、波形、信號穩(wěn)定度或頻譜純度號穩(wěn)定度或頻譜純度 結構指標：體積、重量、散熱、防震、防潮結構指標：體積、重量、散熱、防震、防潮 使用指標：監(jiān)控、檢修、可靠性使用指標：監(jiān)控、檢修、可靠性 成本指標成本指標第1章 雷達技術基礎雷達發(fā)射機固 體微波源中間射

23、頻功率放大器輸出射頻功率放大器脈沖調制器脈沖調制器脈沖調制器定時器主控振蕩器射頻放大鏈電 源觸發(fā)脈沖至天線主振放大式發(fā)射機主振放大式發(fā)射機 第1章 雷達技術基礎雷達發(fā)射機 固態(tài)發(fā)射機固態(tài)發(fā)射機 優(yōu)點：不需陰極加熱、優(yōu)點：不需陰極加熱、 壽命長壽命長; 可靠性高；體積可靠性高；體積小、重量輕；寬帶高效；設計運用靈活；易維小、重量輕；寬帶高效；設計運用靈活；易維護，低成本護，低成本 缺點：平均功率大而峰值功率受限缺點：平均功率大而峰值功率受限 MMIC：微波單片集成收發(fā)模塊：微波單片集成收發(fā)模塊 應用：應用： 高工作比雷達（如脈壓）或連續(xù)波雷達高工作比雷達（如脈壓）或連續(xù)波雷達 相控陣雷達和全固態(tài)雷達相控陣雷達和全固態(tài)雷達第1章 雷達技術基礎雷達發(fā)射機 脈沖調制器脈沖調制器 為射頻提供視頻調制脈沖為射頻提供視頻調制脈沖 類型：剛性開關，軟性開關類型：剛性開關，軟性開關充電元件儲能元件(電容器或人工線)耦合元件(脈沖