雷達(dá)原理完整

一、緒論雷達(dá)：無線電探測與測距。利用電磁波對目標(biāo)檢測、定位、跟蹤、成像和識別。雷達(dá)利用目標(biāo)對電磁波的反射或散射現(xiàn)象來發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并測定其位置的。定時(shí)器發(fā)射機(jī)收發(fā)開關(guān)天線顯示器接收機(jī)天控系統(tǒng)組成框圖雷達(dá)測量原理雷達(dá)發(fā)射信號：雷達(dá)接收信號：雷達(dá)利用收發(fā)信號之間的相關(guān)性獲取目標(biāo)信息雷達(dá)組成：天線：向確定的方向發(fā)射和接收特定頻段的電磁波收發(fā)開關(guān)：發(fā)射狀態(tài)將發(fā)射機(jī)輸出功率接到天線，保護(hù)接收機(jī)輸入端接收狀態(tài)將天線接收信號接到接收機(jī)，防止發(fā)射機(jī)旁路信號發(fā)射機(jī)：在特定的時(shí)間、以特定的頻率和相位產(chǎn)生大功率電磁波接收機(jī)：放大微弱的回波信號，解調(diào)目標(biāo)信息雷達(dá)的工作頻率：工作頻率范圍：22mhz--35ghz擴(kuò)展范圍：2mhz--94ghz絕大部分雷達(dá)工作在：200mhz--10000ghz雷達(dá)的威力范圍：最大作用距離、最小作用距離、最大仰角、最小仰角、方位角范圍分辨力：區(qū)分點(diǎn)目標(biāo)在位置上靠近的能力距離分辨力：同一方向上兩個(gè)目標(biāo)之間最小可區(qū)別的距離角度分辨力：在同一距離上的兩個(gè)不同方向的點(diǎn)目標(biāo)之間最小能區(qū)別的角度數(shù)據(jù)率：雷達(dá)對整個(gè)威力范圍內(nèi)完成一次搜索所需要的時(shí)間倒數(shù)，也就是單位時(shí)間內(nèi)雷達(dá)所能提供對一個(gè)目標(biāo)數(shù)據(jù)的次數(shù)。跟蹤速度：自動跟蹤雷達(dá)連續(xù)跟蹤運(yùn)動目標(biāo)的最大可能速度發(fā)射功率的和調(diào)制波形：發(fā)射功率的大小直接影響雷達(dá)的作用距離發(fā)射信號的調(diào)制波形：早期簡單脈沖波形，近代采用復(fù)雜波形脈沖寬度：脈沖雷達(dá)發(fā)射信號所占的時(shí)間。影響探測能力和距離分辨力重復(fù)頻率：發(fā)射機(jī)每秒發(fā)射的脈沖個(gè)數(shù)，其倒數(shù)是重復(fù)周期。決定單值測距的范圍，影響不模糊速區(qū)域大小天線波束形狀天線：一般用水平面和垂直面內(nèi)的波束寬度來表示天線的掃描方式：搜索和跟蹤目標(biāo)時(shí)，天線的主瓣按照一定規(guī)律在空間所作的反復(fù)運(yùn)動。機(jī)械性掃描和電掃描接收機(jī)的靈敏度：通常規(guī)定在保證50%、90%的發(fā)現(xiàn)概率條件下，接收機(jī)輸入端回波信號的功率作為接收機(jī)的最小可檢測信號功率。這個(gè)功率越小接收機(jī)的靈敏度越高，雷達(dá)的作用距離越遠(yuǎn)。顯示器的形式和數(shù)量：雷達(dá)顯示器是向操縱人員提供雷達(dá)信息的一種終端設(shè)備，是人際聯(lián)系的一個(gè)環(huán)節(jié)。電子戰(zhàn)對抗中的雷達(dá)：電子戰(zhàn)（EW）:敵我雙方利用無線電電子裝備或器材所進(jìn)行的電磁信息斗爭，包括電子對抗和電子反對抗。電子對抗（ECM）：為了探測敵方無線電電子裝備的電磁信息（電磁偵察），削弱或破壞其使用效能所采取的一切戰(zhàn)術(shù)、技術(shù)措施（電子干擾、偽裝、隱身和摧毀）電子反對抗（ECCM）：在敵方實(shí)施電子對抗的條件下，保證我方有效采用電磁信息所采取的一切戰(zhàn)術(shù)、技術(shù)措施（反偵察、抗干擾、反偽裝、反隱身、反摧毀）雷達(dá)反干擾天線抗干擾：低旁瓣、旁瓣對消、波束控制、隨機(jī)掃描發(fā)射機(jī)抗干擾：提高有效輻射功率、頻率捷變、頻率編碼、頻率分集、脈沖壓縮、波形隱蔽、窄脈沖、重頻時(shí)變接收機(jī)、信號處理機(jī)抗干擾：接收機(jī)抗飽和、重頻、脈寬鑒別、MTI、MTD、積累檢測二、發(fā)射機(jī)發(fā)射機(jī)任務(wù)：產(chǎn)生大功率高頻振蕩發(fā)射信號。脈沖雷達(dá)要求發(fā)射機(jī)產(chǎn)生一定寬度、一定重復(fù)頻率、一定波形的大功率射頻脈沖列基本類型：連續(xù)波發(fā)射機(jī)、脈沖調(diào)制發(fā)射機(jī)（單極振蕩式發(fā)射機(jī)、主振蕩式發(fā)射機(jī)）輸出功率：發(fā)射機(jī)送到天線輸入端的功率峰值功率：脈沖期間發(fā)射機(jī)輸出功率的平均值（不要過分增大法設(shè)計(jì)的峰值功率）平均功率：脈沖重復(fù)周期內(nèi)輸出功率的平均值：工作比D:常規(guī)脈沖雷達(dá)工作比脈沖多普勒雷達(dá)工作比10-2~10-1量級連續(xù)波雷達(dá)工作比100%總功率：發(fā)射機(jī)輸出功率與輸入功率之比主振放大式發(fā)射機(jī)特別注意改善輸出級效率信號形式：信號形式由雷達(dá)體制決定常規(guī)脈沖雷達(dá)為簡單脈沖波形，特殊體制雷達(dá)為復(fù)雜調(diào)制波形雷達(dá)常用信號形式波形調(diào)制類型工作比簡單脈沖脈沖壓縮高工作比多普勒調(diào)頻連續(xù)波連續(xù)波矩形振幅調(diào)制線性調(diào)制脈內(nèi)相位編碼矩形調(diào)幅線性調(diào)頻正弦調(diào)頻相位編碼30--50100100信號的穩(wěn)定度或頻譜純度信號的穩(wěn)定度：信號各項(xiàng)參數(shù)（振幅、頻率（或相位）、脈沖寬度及脈沖重復(fù)頻率）是否隨時(shí)間做不應(yīng)有的變化信號的頻譜純度：雷達(dá)信號在應(yīng)有信號頻譜之外的寄生輸出（頻譜純度為穩(wěn)定度在頻域中的表示）相參信號：信號的相參性：兩個(gè)信號相位間存在確定關(guān)系。單級振蕩式發(fā)射機(jī)：振蕩器工作狀態(tài)由脈沖調(diào)制器控制，每個(gè)射頻脈沖起始射頻相位由振蕩器噪聲決定具有隨機(jī)性，即射頻信號相位不相參。主振放大式發(fā)射機(jī)：主控振蕩器提供基準(zhǔn)連續(xù)波信號，射頻脈沖通過脈沖調(diào)制器控制射頻功率放大器產(chǎn)生。相繼射頻脈沖具有固定的相位關(guān)系。脈沖調(diào)制器任務(wù)：產(chǎn)生等幅、等寬、等時(shí)間間隔的視頻脈沖序列控制發(fā)射機(jī)輸出高頻脈沖序列。

脈沖調(diào)制器解決的關(guān)鍵問題：盡可能降低對于電源部分的高峰值功率的要求，實(shí)現(xiàn)用較小功率電源產(chǎn)生較大峰值功率射頻脈沖。固態(tài)發(fā)射機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：1、不需要陰極加熱、壽命長；2、具有很高的可靠性；3、體積小、重量輕；4、工作頻帶寬、效率高；5、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)用靈活；6、維護(hù)方便，成本較低。

固態(tài)高功率放大器模塊：應(yīng)用先進(jìn)的集成電路工藝和微波網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將多個(gè)大功率晶體管的輸出功率并行組合，即可制成固態(tài)高功率放大器模塊。輸出功率并行組合的主要要求是高功率和高效率。根據(jù)使用要求，主要有兩種典型的輸出功率組合方式。

三、接收機(jī)接收機(jī)的任務(wù)：接收和檢測雷達(dá)的回波信號并進(jìn)行處理，為測量系統(tǒng)及控制系統(tǒng)提供包含目標(biāo)信息的各種必須信號。

處理信號：選擇信號——時(shí)間、頻率，放大信號——高放、中放、視放，變換信號——混頻、檢波

超外差式雷達(dá)接收機(jī)主要組成部分：高頻部分，又稱為接收機(jī)“前端”，包括接收機(jī)保護(hù)器、低噪聲高頻放大器、混頻器和本機(jī)振蕩器；

中頻放大器，包括匹配濾波器；檢波器和視頻放大器。接收機(jī)的工作頻帶寬度：表示接收機(jī)的瞬時(shí)工作頻率范圍。要求雷達(dá)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)具有較寬的工作帶寬。頻率捷變雷達(dá)要求接收機(jī)的工作頻帶寬度為(10—20)%。

動態(tài)范圍：表示接收機(jī)能夠正常工作所容許的輸入信號強(qiáng)度變化的范圍。表示方法：使接收機(jī)開始出現(xiàn)過載時(shí)的輸入功率與最小可檢測功率之比

措施：采用對數(shù)放大器、各種增益控制電路等抗干擾措施中頻的選擇和濾波特性：減小接收機(jī)噪聲的關(guān)鍵參數(shù)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(jìn)入接收機(jī)。如果所選擇的帶寬比信號帶寬窄,信號能量將會損失。

工作穩(wěn)定性和頻率穩(wěn)定度：工作穩(wěn)定性是指當(dāng)環(huán)境條件(例如溫度、濕度、機(jī)械振動等)和電源電壓發(fā)生變化時(shí),接收機(jī)的性能參數(shù)(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(shù)現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)需要對一串回波進(jìn)行相參處理,對本機(jī)振蕩器的短期頻率穩(wěn)定度有極高的要求(高達(dá)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(jī)振蕩器,即簡稱的“穩(wěn)定本振”?？垢蓴_能力：有源干擾和無源干擾有源干擾：敵方施放的各種雜波干擾和鄰近雷達(dá)的異步脈沖干擾。無源干擾：指從海浪、雨雪、地物等反射的雜波干擾和敵機(jī)施放的箔片干擾。

這些干擾嚴(yán)重影響對目標(biāo)的正常檢測,甚至使整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)無法工作。常見的接收機(jī)噪聲模型：電阻熱噪聲、天線噪聲天線噪聲：天線噪聲是外部噪聲,它包括天線的熱噪聲和宇宙噪聲,前者是由天線周圍介質(zhì)微粒的熱運(yùn)動產(chǎn)生的噪聲,后者是由太陽及銀河星系產(chǎn)生的噪聲,這種起伏噪聲被天線吸收后進(jìn)入接收機(jī),就呈現(xiàn)為天線的熱起伏噪聲。天線噪聲的大小用天線噪聲溫度TA表示,其電壓均方值為式中,RA為天線等效電阻。P(f)與f有關(guān)，稱之為色噪聲。噪聲系數(shù)和噪聲溫度：額定功率增益：四端網(wǎng)絡(luò)輸出額定信號功率與輸入額定信號功率之比，即信噪比：信號與噪聲功率之比噪聲系數(shù)：接收機(jī)輸入端信噪比與輸出端信噪比的比值。Si為輸入額定信號功率;Ni為輸入額定噪聲功率(Ni=kT0Bn);S0為輸出額定信號功率;0為輸出額定噪聲功率。噪聲系數(shù)F表示由于接收機(jī)內(nèi)部噪聲的影響,使接收機(jī)輸出端的信噪比相對其輸入端的信噪比變差的倍數(shù)。表示實(shí)際接收機(jī)輸出的額定噪聲功率No與“理想接收機(jī)”輸出的額定噪聲功率NiGa之比。接收機(jī)的靈敏度：表示接收機(jī)接收微弱信號的能力。用接收機(jī)輸入端的最小可檢測信號功率Simin來表示。受噪聲電平的限制。

靈敏度和噪聲系數(shù)的關(guān)系：識別系數(shù)，用M表示

識別系數(shù)，用M表示提高靈敏度就是減少最小可檢測信號功率，即：①降低接收機(jī)的總噪聲系數(shù)F0——高增益、低噪聲高放；

②合理的選擇Bn；

③在保證整機(jī)性能的前提下，盡量減小M的數(shù)值。引起頻率變化的原因：1、磁控管振蕩器的預(yù)熱漂移、溫度漂移、負(fù)載變化引起的頻率拖曳效應(yīng)以及電子頻移2、電源變化、溫度變化引起本機(jī)振蕩器的頻率漂移3、采用機(jī)械跳頻抗干擾的雷達(dá)中，由于機(jī)械跳頻統(tǒng)調(diào)不準(zhǔn)確而引起的失諧誤差。

接收機(jī)的動態(tài)范圍：接收機(jī)能正常工作所容許的輸入信號強(qiáng)度變化范圍。增益控制電路：作用：1、防止過載（強(qiáng)信號），在弱信號時(shí)使接收機(jī)處于高增益狀態(tài)2、確保接收機(jī)有穩(wěn)定的增益，補(bǔ)償接收機(jī)增益的變化

3、滿足不同的觀測條件和調(diào)整狀態(tài)時(shí)的不同要求目的：在雷達(dá)工作時(shí)，在雷達(dá)的作用范圍內(nèi)，通過適時(shí)適當(dāng)?shù)卣{(diào)整接收機(jī)的增益，使其輸出的信號基本上穩(wěn)定在所需的電平上，而不隨目標(biāo)的距離、接收機(jī)本身參數(shù)的變化而改變。

種類：自動增益控制AGC，瞬時(shí)自動增益控制IAGC，近程增益控制STC

自動增益控制AGC：在跟蹤雷達(dá)中,為了保證對目標(biāo)的自動方向跟蹤,要求接收機(jī)輸出的角誤差信號強(qiáng)度只與目標(biāo)偏離天線軸線的夾角(稱為“誤差角”)有關(guān),而與目標(biāo)距離的遠(yuǎn)近、目標(biāo)反射面積的大小等因素?zé)o關(guān)。為了得到這種歸一化的角誤差信號,使天線正確地跟蹤運(yùn)動目標(biāo),必須采用自動增益控制(AGC)。

近程增益控制STC：近程增益控制電路又稱“時(shí)間增益控制電路”或“靈敏度時(shí)間控制(STC)電路”,它用來防止近程雜波干擾所引起的中頻放大器過載。

匹配濾波器：匹配濾波器是在白噪聲背景中檢測信號的最佳線性濾波器,其輸出信噪比在某個(gè)時(shí)刻可以達(dá)到最大。

如果已知輸入信號s(t),其頻譜為S(ω),則可以證明匹配濾波器在頻率域的特性為:四、雷達(dá)終端顯示器顯示器的任務(wù)：以光學(xué)圖形、圖像的表現(xiàn)形式，將雷達(dá)探測到的目標(biāo)信息通過視覺傳遞給雷達(dá)操作者。顯示內(nèi)容：包括目標(biāo)的位置及其運(yùn)動情況，目標(biāo)的各種特征參數(shù)等。計(jì)算機(jī)圖形顯示主要優(yōu)點(diǎn)：1、控制靈活，改動方便2、可以實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的功能

電子束偏轉(zhuǎn)方式：隨機(jī)掃描：用隨機(jī)定位的方式控制電子束的運(yùn)動。只要給出與位置(X,Y)相應(yīng)的掃描電壓(電流)，就可在熒光屏上的任意位置顯示信息。

光柵掃描：由在屏幕上一條接一條的水平掃描線構(gòu)成，根據(jù)輸入指令相應(yīng)地增強(qiáng)某些部分的水平掃描線時(shí)，就可產(chǎn)生顯示信息。

雷達(dá)信息處理內(nèi)容：1、從雷達(dá)接收機(jī)的輸出中檢測目標(biāo)回波，判定目標(biāo)的存在。

2、測量并錄取目標(biāo)的坐標(biāo)。3、錄取目標(biāo)的其它參數(shù)，如機(jī)型、架數(shù)、國籍、發(fā)現(xiàn)時(shí)間等，并對目標(biāo)進(jìn)行編批。目標(biāo)角坐標(biāo)的錄取：等信號法和加權(quán)法五、雷達(dá)的作用距離天線增益和面積的關(guān)系：天線增益定義：在相同輸入功率的條件下，天線在最大方向上產(chǎn)生的功率密度與理想點(diǎn)源天線（無方向性理想天線）在同一點(diǎn)產(chǎn)生的功率密度的比值，即為該天線的增益系數(shù)。根據(jù)接收機(jī)信號檢測理論：當(dāng)時(shí)，雷達(dá)才能可靠地發(fā)現(xiàn)目標(biāo)

當(dāng)時(shí)，雷達(dá)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的距離Rmax所以：

當(dāng)時(shí)，雷達(dá)不能檢測目標(biāo)由方程得出的結(jié)論：與發(fā)射機(jī)輸出脈沖功率的四次方根成正比與接收機(jī)靈敏度的四次方根成反比或與天線增益或有效接收面積的平方根成正比與目標(biāo)截面積的四次方根成正比與有關(guān)：呈反比關(guān)系；呈正比關(guān)系二次雷達(dá)方程：--目標(biāo)上裝有應(yīng)答器目標(biāo)應(yīng)答器收到雷達(dá)信號后，轉(zhuǎn)發(fā)特定的應(yīng)答信號。特點(diǎn)：1、雷達(dá)收到的回波信號只經(jīng)過單程傳播2、二次雷達(dá)系統(tǒng)能可靠地工作。應(yīng)答器能收到雷達(dá)信號、雷達(dá)能檢測應(yīng)答器轉(zhuǎn)發(fā)的信號(1)上行作用距離Rmax：已知：雷達(dá)發(fā)射功率Pt，雷達(dá)天線增益Gt，應(yīng)答天線增益，應(yīng)答器的靈敏度則：上行作用距離(2)下行作用距離R·max下行作用距離最小可檢測信號：根據(jù)雷達(dá)作用距離，可確定檢測目標(biāo)信號所需的最小輸出信噪比以及接收機(jī)最小可檢測信號功率。門限檢測：將接收機(jī)輸出的視頻信號與門限電壓進(jìn)行比較。

檢測的四種情況（1）有目標(biāo)判有目標(biāo)——發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)概率稱發(fā)現(xiàn)概率Pd

（2）有目標(biāo)判無目標(biāo)——漏報(bào)，出現(xiàn)概率稱漏報(bào)概率Pla

（3）無目標(biāo)判無目標(biāo)——不發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)概率稱不發(fā)現(xiàn)概率Pan

（4）無目標(biāo)判有目標(biāo)——虛警，出現(xiàn)概率稱虛警概率Pfa

四種概率相互關(guān)系:雷達(dá)最佳檢測準(zhǔn)則（奈曼—皮爾遜準(zhǔn)則）

在給定信噪比的條件下，滿足一定的虛警概率時(shí)，使雷達(dá)的發(fā)現(xiàn)概率最大。按這個(gè)準(zhǔn)則確定出的檢測門限，稱為最佳檢測門限。

脈沖積累：雷達(dá)不是靠一個(gè)回波脈沖實(shí)現(xiàn)目標(biāo)檢測，而是根據(jù)對一串回波脈沖的觀察做出判決，這是一個(gè)脈沖積累過程。

實(shí)現(xiàn)：人工法和自動法作用：提高接收機(jī)的輸出信噪比種類：中頻積累--積累在檢測器之前完成；視頻積累--積累在檢測器之后完成。中頻積累后信噪比（1）信號：要求發(fā)射機(jī)發(fā)射相參脈沖信號--相鄰脈沖初相位有嚴(yán)格的相位關(guān)系（完全同相）?；夭妷禾岣遪倍；回波功率提高n2倍（2）噪聲：隨機(jī)信號且在Tr內(nèi)相互獨(dú)立、不相關(guān)隨機(jī)變量和的方差，等于各個(gè)變量方差的和

噪聲方差的物理意義表示噪聲功率，噪聲功率提高n倍（3）信噪比提高n倍

六、雷達(dá)距離的測量磁波在均勻介質(zhì)中以光速勻速直線傳播；測量目標(biāo)回波滯后于發(fā)射信號的延遲時(shí)間的測量：脈沖雷達(dá)采用脈沖法；連續(xù)波雷達(dá)采用頻率法和相位法確定回波到達(dá)的位置：前沿法：以目標(biāo)回波脈沖的前沿測量到達(dá)時(shí)間。

特點(diǎn)：物理概念清楚（適用于人工測量）、前沿受回波大小及噪聲影響

中心法：以回波脈沖的中心測量回波到達(dá)時(shí)間。

特點(diǎn)：到達(dá)時(shí)間的測量不受波形的影響、適用于自動跟蹤系統(tǒng)，采用專用電路；提高距離分辨力：發(fā)射脈寬窄、管子聚焦性要好、降低顯示器量程、提高電子束掃描速度提高單值可測距離：降低重復(fù)頻率、多重頻率法、舍脈沖法

人工距離跟蹤特點(diǎn)：1、鋸齒電壓法：跟蹤范圍大，精度低2、相位調(diào)制法：跟蹤范圍小，精度高3、復(fù)合法：跟蹤范圍大，精度高七、角度測量雷達(dá)角度坐標(biāo)的確定方位角α，高低角β絕對坐標(biāo)表示法：方位角α——基準(zhǔn)為正北，順時(shí)針方向?yàn)檎?。高低角β——基?zhǔn)為水平面，向上方向?yàn)檎?/p>

相對坐標(biāo)表示法：測出目標(biāo)相對于天線軸線的偏離角，再根據(jù)天線軸線的實(shí)際角度，計(jì)算出目標(biāo)實(shí)際角度。角度分辨力：雷達(dá)將相同距離上相互靠近的兩個(gè)目標(biāo)區(qū)分的最小角度。角度分辨力由天線半功率波束寬度決定。振幅法：利用天線收到的回波信號幅度值進(jìn)行角度測量。最大信號法：天線作圓周掃描或扇形掃描時(shí)，找出回波脈沖串的最大值（中心值）對應(yīng)的波束軸線指向角度，即為目標(biāo)所在方向。等信號法：采用兩個(gè)相同且彼此部分重疊的波束，當(dāng)兩個(gè)波束收到的回波信號相等時(shí)，等信號軸所指方向即為目標(biāo)方向。最小信號法：采用兩個(gè)在零點(diǎn)處相切的波束，轉(zhuǎn)動天線使顯示器上的回波消失或最小時(shí)，天線零值軸所指方向即為目標(biāo)的角度。波束的掃描方法：1、機(jī)械掃描：利用整個(gè)天線系統(tǒng)或其中一部分機(jī)械運(yùn)動實(shí)現(xiàn)波束掃描。（1）整個(gè)天線系統(tǒng)轉(zhuǎn)動

（2）饋源不動，反射體擺動

（3）反射體不運(yùn)動，饋源動

優(yōu)點(diǎn)：簡單

缺點(diǎn)：機(jī)