雷達(dá)原理與系統(tǒng)-雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

1雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真實(shí)驗(yàn)雷達(dá)原理與系統(tǒng)2本章主要內(nèi)容

8.1雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般流程8.2某地基雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)8.3某末制導(dǎo)雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)8.4虛擬仿真實(shí)驗(yàn)38.1雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般流程雷達(dá)的任務(wù)雷達(dá)的工作頻段和工作頻率范圍雷達(dá)的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)雷達(dá)的體制和工作方式雷達(dá)總體指標(biāo)的計(jì)算雷達(dá)威力的計(jì)算功率、孔徑分辨率、精度波形及其參數(shù)、天線分系統(tǒng)的性能指標(biāo)分系統(tǒng)設(shè)計(jì)、加工系統(tǒng)聯(lián)調(diào)、測試外場測試（檢飛）48.1雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般流程任務(wù)

頻段和頻率范圍以地面警戒雷達(dá)為例Rmax

雷達(dá)的工作方式雷達(dá)機(jī)掃、電掃？Rmax

重頻fr=c/(2Ru)測角精度

波束寬度距離分辨率

瞬時(shí)帶寬天線孔徑數(shù)據(jù)率

駐留時(shí)間Ti工作比D

脈寬T根據(jù)雷達(dá)方程，估算功率Pt天線增益參數(shù)優(yōu)化波形設(shè)計(jì)雜波抑制抗干擾性能

抗干擾措施威力圖天線孔徑（體積）、天線增益、波束寬度、副瓣電平、極化形式、損耗、帶寬、重量、收拆時(shí)間等

天饋線

峰值功率Pt、平均功率Pav、發(fā)射機(jī)總效率、功率放大鏈總增益、頻帶、冷卻方式等發(fā)射機(jī)輸出激勵(lì)信號的工作頻率、信號帶寬、脈沖重復(fù)頻率、脈沖寬度、調(diào)制方式、功率，本振頻率，相噪等

頻綜噪聲溫度（或噪聲系數(shù)）、動(dòng)態(tài)范圍、靈敏度、增益、ADC等接收機(jī)通道數(shù)、運(yùn)算量及處理平臺、數(shù)據(jù)傳輸率，MTI/MTD改善因子，積累方式及信噪比，CFAR處理方法，抗干擾SLC/SLB等信號處理目標(biāo)批次數(shù)、數(shù)據(jù)率等數(shù)據(jù)處理8.1雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般流程分系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)68.2某地基雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)地面制導(dǎo)雷達(dá)威脅目標(biāo)：飛機(jī)和導(dǎo)彈攔截器的攔截距離Rmin=30km，飛行時(shí)間120s，即雷達(dá)需要在該時(shí)間之前，有效地發(fā)現(xiàn)并跟蹤目標(biāo)。78.2某地基雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)一部地面制導(dǎo)雷達(dá)，主要要求：檢測目標(biāo)速度高度平均RCS最大探測距離飛機(jī)400m/s7km6dBsm（4m2）Ra=90km導(dǎo)彈150m/s2km

10dBsm(0.1m2)Rm=55km雷達(dá)工作頻率f=3GHz。采用拋物面天線，方位波束寬度小于3°的扇形波束，在方位維進(jìn)行ΘA=360°的機(jī)械掃描，掃描速率為

2s/圈。接收機(jī)的噪聲系數(shù)F=6dB，系統(tǒng)總的損失L=8dB。假定檢測門限為SNR=15dB（檢測概率Pd=0.99，虛警概率Pfa=10–7）。在搜索模式和跟蹤模式下距離分辨率分別為

75m和7.5m。要求對目標(biāo)的最小攔截距離Rmin=30km，攔截時(shí)間120s

。工作比不超過10%。雷達(dá)對飛機(jī)和導(dǎo)彈的探測距離：Ra=30km+120*400=78km，選取Ra=90km

Rm=30km+120*150=48km，選取Rm=55km

（

=0.1m）88.2某地基雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)確定脈沖重復(fù)頻率、天線的孔徑和單個(gè)脈沖的峰值功率雷達(dá)對目標(biāo)的最大、最小仰角覆蓋為

為了保證至少90km的無模糊距離，最大PRF為因此，選取fr

=1000Hz，脈沖重復(fù)周期Tr=1000μs。

即仰角覆蓋范圍

E=11°，取仰角波束寬度

e=

E=11°，則天線在俯仰維的有效孔徑為(m)俯仰維的方向圖函數(shù)高斯方向圖仰角波束寬度

e=11°fxt=exp(-2.8*((tht-zhix)/the3db).^2);8.2某地基雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)108.2某地基雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求方位波束寬度小于3°的扇形波束，若取方位波束寬度

a=2°，則天線在方位維的有效孔徑為掃描速率為2s/圈，在一個(gè)波束寬度內(nèi)輻射到目標(biāo)上的脈沖數(shù)為(m)Da

De

1.5m2，選擇天線的有效面積為Ae=2m2，若孔徑效率為ρ=0.7，天線的物理面積為

A=Ae/ρ=2.857m2，增益為（取k=1），得到方位波束寬度為=34(dB)因此，可以對一個(gè)波位的8個(gè)脈沖進(jìn)行非相干積累或相干積累，以降低單個(gè)脈沖的峰值功率。118.2某地基雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)8個(gè)脈沖非相干積累，達(dá)到檢測要求的SNR=15dB，利用式(6.3.14)計(jì)算，在Pd=0.99，Pfa=10

7的情況下，8個(gè)脈沖進(jìn)行非相干積累的改善因子近似為=7.49(dB)圖8.3給出了8個(gè)脈沖非相干積累的檢測概率與SNR關(guān)系。當(dāng)Pd=0.99時(shí)，所要求的單個(gè)脈沖的SNR為(SNR)1,NCI=15

7.49=7.51(dB)

Pfa=10

7該式有約0.8dB的計(jì)算誤差8個(gè)脈沖相干積累，所要求的單個(gè)脈沖的SNR為(SNR)1,CI=15

10lg(8)=6(dB)

(SNR)1,NCI=15

(7.49

0.8)=8.31(dB)

128.2某地基雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)檢測導(dǎo)彈和飛機(jī)所要求的單個(gè)脈沖的能量分別為根據(jù)雷達(dá)方程

(4

)3kT0FL(SNR)1G2

2Rm4

mRa4

a數(shù)值

0.12(50

103)4

(90

103)4

dB33

204687.5168

20187.96

10198.176Em=

171+6+8+187.96+7.51

68+20+10=0.47(dBJ)=100.47/10(J)=1.1143(J)Ea=

171+6+8+198.17+7.51

68+20

6=

5.32(dBJ)=10–5.32/10(J)=0.2983(J)以非相干積累

為例：Em=

171+6+8+187.96+8.31

68+20+10=1.27(dBJ)=101.27/10(J)=1.34(J)138.2某地基雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)根據(jù)距離分辨率?R=75m的要求，可以計(jì)算出帶寬B=c/(2?R)=2MHz。若發(fā)射單載頻脈沖信號，則發(fā)射脈沖寬度為Te=1/B=0.5μs。因此，對兩種類型目標(biāo)都滿足要求的單個(gè)脈沖的峰值功率為為了降低峰值功率，假定采用大時(shí)寬帶寬積的LFM信號，雷達(dá)在搜索模式和跟蹤模式下的分辨率?R分別為75m和7.5m，則調(diào)頻帶寬分別為2MHz和20MHz。要求雷達(dá)的最小作用距離Rmin≥30km，雷達(dá)發(fā)射期間不接收，雷達(dá)的最大脈沖寬度為

若單個(gè)脈沖的峰值功率不超過20kW，最小脈沖寬度為

要求雷達(dá)的工作比小于10%，綜上，選取發(fā)射脈沖寬度Te

=80μs，Tr=1ms，Te/Tr=0.08，滿足工作比小于10%的要求。峰值功率太高!

148.2某地基雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)因此，雷達(dá)的設(shè)計(jì)參數(shù)主要為：發(fā)射峰值功率Pt：20kW脈沖重復(fù)頻率為fr：1000Hz發(fā)射脈沖寬度為Te：80μs調(diào)頻帶寬B：2MHz（搜索模式）、20MHz（跟蹤模式）根據(jù)雷達(dá)方程，驗(yàn)算雷達(dá)的威力，在搜索模式下導(dǎo)彈回波信號脈壓后單個(gè)脈沖的信噪比為

PtTeG2

2FLR4數(shù)值20e380e-6

0.12

(50

103)4dB43.01

40.9768

20

1033

20468187.96SNR1=43.01

40.97+68

20

10+171

6

8

187.96=9.08(dB)M=8個(gè)脈沖進(jìn)行非相干積累（NCI）和相干積累（CI）后的信噪比為158.2某地基雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩種目標(biāo)在積累和不積累情況下SNR與距離的關(guān)系曲線。

在導(dǎo)彈和飛機(jī)的最大作用距離處均可以達(dá)到SNR為15dB的要求。

168.2某地基雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)假設(shè)天線方向圖是高斯型，雷達(dá)的架設(shè)高度為5m，發(fā)射峰值功率為20kW，距離分辨率為75m，考慮天線的平均副瓣電平為

20dB，地雜波散射系數(shù)

0=-15dBsm/sm，計(jì)算目標(biāo)在不同距離時(shí)進(jìn)入雷達(dá)的雜波的RCS，以及信號、雜波、噪聲的功率之比。(a)導(dǎo)彈(b)飛機(jī)導(dǎo)彈目標(biāo)在50km處的SIR約為

10dB，要達(dá)到15dB的檢測SIR的要求，需要采取措施抑制雜波，雜波衰減要大于25dB178.2某地基雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)對地雜波雜波抑制，計(jì)算改善因子。

雜波種類

v(m/s)

f

(Hz)

s

(Hz)

c

(Hz)I2(dB)I3(dB)I4(dB)地雜波0.326.431.832.416.830.640.2云雨雜波

48031.886.18.313.714.7箔條雜波

1.214

31.834.716.229.538.431.8(Hz)

一般雷達(dá)對地雜波的改善因子要求

40dB188.2某地基雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)若兩個(gè)目標(biāo)的最小距離間隔為150m，仿真驗(yàn)證對多個(gè)目標(biāo)的分辨能力。結(jié)合仿真分析脈壓對SNR的改善。設(shè)計(jì)脈沖壓縮處理方案。假設(shè)兩個(gè)目標(biāo)的距離分別為75km和75.15km，輸入SNR均為0dB，圖8.5給出了脈壓的仿真結(jié)果。能夠較好地分辨這兩個(gè)目標(biāo)。脈壓處理后，兩個(gè)目標(biāo)的SNR約為24dB，脈壓對SNR的改善達(dá)24dB。(a)

脈壓輸入信號的實(shí)部(c)

脈壓輸出結(jié)果局部放大198.3彈載末制導(dǎo)雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

主動(dòng)式尋的制導(dǎo)系統(tǒng)的導(dǎo)彈上裝有雷達(dá)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)。彈上雷達(dá)主動(dòng)向目標(biāo)發(fā)射無線電波。尋的制導(dǎo)系統(tǒng)根據(jù)目標(biāo)反射回來的電波，確定目標(biāo)的坐標(biāo)及運(yùn)動(dòng)參數(shù)，形成控制信號，送給彈上控制計(jì)算機(jī)，操縱導(dǎo)彈沿理論彈道飛向目標(biāo)。

優(yōu)點(diǎn)：導(dǎo)彈在飛行過程中完全不需要彈外設(shè)備提供任何能量或控制信息；缺點(diǎn)：彈上設(shè)備復(fù)雜，設(shè)備的質(zhì)量、尺寸受到限制，作用距離不可能很大。

主動(dòng)式無線電尋的制導(dǎo)系統(tǒng)208.3彈載末制導(dǎo)雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)某彈載末制導(dǎo)雷達(dá)系統(tǒng)要求：不模糊探測距離80km；工作比不超過20%；波長

=3cm；天線等效孔徑D=0.25m(直徑)；噪聲系數(shù)F=3dB；系統(tǒng)損耗L=4dB；天線波束寬度θ3dB=6°；目標(biāo)的RCS:

=1500m2

。彈目之間的相對運(yùn)動(dòng)關(guān)系如圖。目標(biāo)航速Vs=15m/s，導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)速度Va=600m/s，目標(biāo)航向與彈軸方向之間的夾角為α′=30°，目標(biāo)偏離彈軸方向的角度為β=1°，則在艦船位置P，導(dǎo)彈對目標(biāo)視線與目標(biāo)航向的夾角α=α′+β。VaβiSPP′MM′Riαiαα′R0VsO′OR1β從t=0時(shí)刻開始，導(dǎo)彈從O向O

位置運(yùn)動(dòng)，目標(biāo)從P向P

位置運(yùn)動(dòng)。說明：這是投影在同一平面的位置關(guān)系，實(shí)際導(dǎo)彈有一定的高度，例如導(dǎo)彈的飛行高度為500m.218.3彈載末制導(dǎo)雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作狀態(tài)距離(km)脈沖重復(fù)周期(

s)脈沖寬度(

s)調(diào)頻帶寬(MHz)距離分辨率(m)脈壓比相干積累脈沖數(shù)搜索(-45°~+45°)30~80800160115016064小角度扇掃跟蹤(TWS)(-10°~10°)20~5080010027520032單脈沖跟蹤3~3025010101510032228.3彈載末制導(dǎo)雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)1．采用線性調(diào)頻脈沖信號，推導(dǎo)信號的模糊函數(shù)，并給出|

(

,fd)|、|

(

,0)|、|

(0,fd)|的圖形，|

(

,fd)|的-4dB切割等高線圖。線性調(diào)頻信號的復(fù)包絡(luò)可表示為：238.3某末制導(dǎo)雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)Te=160e-6；Bm=1e6;Te=10e-6；Bm=10e6;258.3某末制導(dǎo)雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.計(jì)算天線的有效面積Ae和增益G=0.05(m2)（28dB）268.3某末制導(dǎo)雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.若接收機(jī)的帶寬B=10.3MHz，輸出中頻fIF=60MHz，線性動(dòng)態(tài)范圍DR-1=60dB，A/DC的最大輸入信號電平為2Vp-p（峰峰值，50Ω負(fù)載），（1）計(jì)算接收機(jī)的臨界靈敏度Si,min、輸入端的最大信號功率、最大輸出信號功率、增益；（2）選擇合適的A/DC，估算A/D噪聲對系統(tǒng)噪聲系數(shù)的影響(1)接收機(jī)的臨界靈敏度Si,min=-114+F+10lg(B)=

114+3+10lg(10.3)≈

101(dBm)接收機(jī)輸入端的最大信號(即1dB增益壓縮點(diǎn)輸入信號)功率為Pin-1=Smin+DR-1≈

101+60=?41(dBm)接收機(jī)最大輸出信號功率為因此，接收機(jī)的增益為

Pout?1?Pin?1=10?(?41)=51(dB)0.01(W)=10(mW)=10(dBm)278.3某末制導(dǎo)雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)288.3某末制導(dǎo)雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.若天線在

45°范圍內(nèi)搜索，掃描速度為60°/s，可積累的脈沖數(shù)N=？若要求發(fā)現(xiàn)概率

Pd=90%，虛警概率

Pfa=10-6，達(dá)到上述檢測性能要求的SNR＝？在搜索狀態(tài)，若采用64個(gè)脈沖相干積累，計(jì)算要求的輻射峰值功率Pt=？若取Pt=25W，計(jì)算目標(biāo)回波相干積累前、后的信噪比SNR與距離的關(guān)系曲線（考慮信號處理總的損失5dB）。(1)天線掃描速度v=60°/s，天線波束寬度θ3dB=6°，在每個(gè)波位駐留時(shí)間tint=θ3dB/v=6/60=0.1s，可積累脈沖數(shù)(2)若要求發(fā)現(xiàn)概率

Pd=90%，虛警概率

Pfa=10-6，查表得到上述檢測性能要求的最小信噪比為SNRo,min=Do=13.2dB。SNRo,min=10*log10((sqrt(log(1e6))-erfcinv(2*0.9))^2-0.5)=13.2(dB)298.3某末制導(dǎo)雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)(3)若采用M

=64個(gè)脈沖相干積累，計(jì)算要求的輻射峰值功率PtM個(gè)脈沖相積累后的信噪比為

根據(jù)雷達(dá)方程，單個(gè)脈沖回波信號的信噪比為

(Pt)dB=33-204+3+4+3+40*lg(80e3)+13.2-28*2-10*lg(0.03^2*160e-6*1500*64)=11(dBW)=12.6(W)

取Pt

=25(W)

Pt=12.9(dBW)=19.5(W)308.3某末制導(dǎo)雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)318.3某末制導(dǎo)雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)5．給出所采用信號的匹配濾波函數(shù)h(t)及其頻譜H(f)。比較加窗(主副瓣比35dB)和不加窗時(shí)的脈沖壓縮結(jié)果，分析主瓣寬度、SNR損失。

328.3某末制導(dǎo)雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)6.在搜索狀態(tài)，假設(shè)目標(biāo)距離為80km。假定中頻正交采樣頻率fs=2MHz。(1)給出目標(biāo)回波的基帶信號模型，推導(dǎo)脈壓、相干處理后的輸出信號模型。(2)假設(shè)在相干積累前導(dǎo)彈自身的速度進(jìn)行了補(bǔ)償，若A/D采樣時(shí)噪聲占10位，目標(biāo)回波信號幅度占8位，即噪聲和目標(biāo)回波功率分別為60dB、48dB。畫出A/D采樣的回波基帶信號、脈壓處理后的輸出信號、相干積累的輸出信號。分析每一步處理的信噪比變化。(3)解釋目標(biāo)所在多普勒通道對應(yīng)的頻率與實(shí)際的多普勒頻率是否相符？(4)對目標(biāo)所在多普勒通道進(jìn)行CFAR處理，畫出目標(biāo)所在多普勒通道信號及其CFAR的比較電平(按第4小題的檢測性能)。

338.3某末制導(dǎo)雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

脈沖壓縮輸出信號目標(biāo)所在距離單元、所在多普勒通道，

相干積累是對M個(gè)脈沖的回波信號在每個(gè)距離單元進(jìn)行FFT。對目標(biāo)所在距離單元進(jìn)行FFT，第k個(gè)多普勒通道的輸出

|Y(k)|才出現(xiàn)峰值348.3某末制導(dǎo)雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)某一個(gè)脈沖重復(fù)周期的原始回波基帶信號，目標(biāo)完全被噪聲淹沒

（2）若A/D采樣時(shí)噪聲、目標(biāo)回波信號分別占10位、8位（不包括符號位），即輸入信噪比為?12dB。358.3某末制導(dǎo)雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)脈壓處理的輸出信號脈壓處理64脈沖相干積累輸出結(jié)果表8.2列出了單次仿真的信號處理過程中功率或SNR的變化。從理論上講，脈壓比為320對應(yīng)的SNR的改善為25dB，64個(gè)脈沖相干積累的SNR的改善為18dB，由此可見，脈壓、相干積累的信噪比的改善與理論相一致。功率或SNR脈壓前(dB)脈壓后(dB)相干積累后(dB)噪聲平均功率60.175685.6767104.3866目標(biāo)回波信