現(xiàn)代通信與雷達原理基礎(chǔ)教程 課件 第9章 現(xiàn)代雷達系統(tǒng)簡介

第9章現(xiàn)代雷達系統(tǒng)簡介9.1脈沖多普勒雷達9.2脈沖壓縮雷達9.3相控陣雷達9.4合成孔徑雷達

主要內(nèi)容基本概念脈沖多普勒雷達(PulseDopplerRadar,PDRadar)：在動目標顯示雷達基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型體制雷達，具有如下優(yōu)點：具有脈沖雷達的距離分辨力；具有連續(xù)波雷達的速度分辨力，有更強的抑制雜波的能力；能在較強的雜波背景中分辨出動目標回波。產(chǎn)生時間及背景：20世紀60年代，為了解決機載下視雷達強地雜波的干擾，研制了脈沖多普勒體制雷達，即PD雷達。9.1脈沖多普勒雷達

基本概念PD雷達的三大特征：具有足夠高的脈沖重復(fù)頻率，使雜波和目標無速度模糊;能夠?qū)崿F(xiàn)對脈沖串頻譜單根譜線的多普勒濾波(頻域濾波);由于PRF很高，通常對觀測目標產(chǎn)生距離模糊;關(guān)于PD雷達的廣義定義：能實現(xiàn)對雷達信號脈沖串頻譜單根譜線濾波(頻域濾波)，具有對目標進行速度分辨能力的雷達，就可稱為PD雷達?；靖拍钪饕獞?yīng)用于那些需要在強雜波背景下檢測動目標的雷達系統(tǒng)PD雷達的應(yīng)用基本概念PD雷達的分類PD雷達高PRF中PRF低PRF全相參全相參接收相參全相參AN/APG-63是為F-15所研制的機載多功能火控雷達美國首部采用了高、中、低PRF（PulseRepetitionFrequency：重復(fù)頻率）全波形設(shè)計的數(shù)字化PD雷達。MPRF可單獨使用，也可與HPRF（波形交替使用。載機對全高度、全方位進入的目標均具有良好的上視和下視探測能力。為了確保MPRF的探測距離，采用了13位巴克碼脈壓。這是美國第一部真正實現(xiàn)了全向、全高度、無速度覆蓋缺口的下視探測雷達?；靖拍畹?、中、高PRF的PD雷達性能對比低中高測距清晰模糊模糊測速模糊模糊清晰測距設(shè)備簡單復(fù)雜復(fù)雜信號處理簡單復(fù)雜復(fù)雜測速精度很低高最高旁瓣雜波電平低中高主瓣雜波抑制差良優(yōu)允許方位掃描角小中大分辨地、空動目標能力差良優(yōu)P1s1P2s2P3s3t

脈沖雷達距離模糊圖解Tτ（圖中，P1－P3為雷達發(fā)射脈沖，s1-s3為回波脈沖，T為發(fā)射脈沖重復(fù)周期，τ為回波延遲時間。）基本概念雷達脈沖重復(fù)頻率PRF與雷達模糊距離距離模糊，指回波延遲時間大于T，比如對應(yīng)于P1的回波在s2位置，我們不能判斷延遲時間為τ還是T+τ。又設(shè)脈沖寬度為δ，雷達最大不模糊距離Rm為：（c為光速，fr為脈沖重復(fù)頻率）當(dāng)脈沖重復(fù)頻率為300Hz時，最大不模糊距離約為500千米。解決距離模糊的方法：降低雷達脈沖重復(fù)頻率脈沖重復(fù)頻率參差基本概念高PRF的PD雷達對所有感興趣的目標速度都能不模糊地測量。不模糊測量的最大多普勒頻移為：-1800180度天線方向圖主瓣旁瓣機載PD雷達下視情況垂直雜波旁瓣雜波主瓣雜波地面

ψψTvR脈沖多普勒雷達的雜波PD雷達通常為機載雷達，在頻域－時域分布范圍廣、功率強的背景雜波中檢測出有用的信號。背景雜波主要是地雜波，相對于飛機，它是運動雜波，稱之為脈沖多普勒雜波。機載雷達共有3種雜波：主瓣雜波：天線波束主瓣照射區(qū)的地面雜波旁瓣雜波：視角范圍寬廣的天線旁瓣照射的雜波高度回波：雷達正下方的地面回波PD雷達雜波概述研究PD雷達的雜波的重要意義PD雷達的基本特點之一：在頻域-時域分布相當(dāng)廣且功率相當(dāng)強的背景雜波中檢測出有用信號。雜波頻譜的形狀和強度決定著雷達對具有不同多普勒頻率的目標的檢測能力。脈沖多普勒雜波脈沖多普勒雜波的頻譜是多普勒頻率-距離的函數(shù)。固定PD雷達的地雜波譜：零多普勒頻率附近極窄范圍內(nèi)運動PD雷達的地雜波譜：雜波頻譜被相對運動速度所展寬接收信號的頻譜為：PD雷達只利用各種回波信號頻譜中一根譜線，常取中心最強的那根機載下視PD雷達接收信號頻譜載機與地面水平飛行，相對速度為vR目標在載機前下方，速度vT

:載機主波束軸線與地面夾角

:載機主波束軸線與地面夾角(1)主瓣雜波主波束中心與地平面有一個銳角ψ0，多普勒頻移為：

主波束增益最高，雜波也最強。主波束有一定的立體角，在該立體角中不同方位回波的多普勒頻移也是不同的.設(shè)主波束寬度為θB,主瓣雜波的邊沿位置間的最大多普勒頻率差為:機載PD雷達的主瓣雜波強度與下列因數(shù)有關(guān):發(fā)射機功率,天線增益,地物反射特性,雷達距地面高度等.具體強度可以比雷達接收機的噪聲高70-90分貝.脈沖多普勒雷達的雜波(2)旁瓣雜波雷達天線總是存在若干副瓣(旁瓣)，通過旁瓣產(chǎn)生旁瓣雜波．旁瓣與主瓣是由不同的地物產(chǎn)生的旁瓣雜波的頻率為：脈沖多普勒雷達的雜波的變化范圍為

，旁瓣雜波的多普勒頻率范圍

為：當(dāng)PD雷達不運動時：旁瓣雜波和主瓣雜波頻域重合當(dāng)PD雷達運動時，由于主瓣波束和旁瓣波束方向角的不同，旁瓣雜波和主瓣雜波是不同的。(3)垂直(高度線)雜波雷達副瓣垂直照射地面，地面反射較強，回波中存在一個較強的＂零頻＂雜波．機載下視PD雷達地雜波中位置上的雜波.(4)無雜波區(qū)適當(dāng)選擇雷達脈沖重復(fù)頻率使地面雜波不連續(xù)不重疊，形成無雜波區(qū)．在無雜波區(qū)域，只有接收機噪聲，沒有地面雜波，有利于發(fā)現(xiàn)該區(qū)域的運動目標．脈沖多普勒雷達的雜波脈沖重復(fù)頻率的選擇

旁瓣雜波適用情況

在距離上重疊情況在頻域上重疊情況低PRF很少嚴重低速目標中PRF部分部分機載高PRF無無機載根據(jù)技術(shù)要求和用途(如要求雷達在無雜波區(qū)檢測目標還是滿足無模糊測速)，也可以根據(jù)戰(zhàn)術(shù)要求選擇高，中，低脈沖重復(fù)頻率段．1.PD雷達的地雜波譜主雜波、高度線雜波區(qū)、旁瓣雜波區(qū)、無雜波區(qū);主雜波強度最高，干擾最強，其次是高度線雜波;目標可能出現(xiàn)在雜波區(qū)或無雜波區(qū);雜波重疊與PRF選擇2.目標環(huán)境與PRF關(guān)系目標與載機迎面運動，相對速度，回波多普勒頻率：

當(dāng)高時，目標落入無雜區(qū)對目標檢測能力最強雜波重疊與PRF選擇載機尾追目標時，相對速度,回波多普勒頻率：

當(dāng)太小，目標落入雜波區(qū)目標檢測取決于回波功率譜措施：①

降低天線副瓣雜波功率譜提高相對強度②

提高載機飛行高度雷達作用距離與距離分辨力存在矛盾：對于脈沖雷達，有以下關(guān)系因此通過增加發(fā)射信號的能量來提高作用距離的途徑有兩條提高發(fā)射功率Pt----受限于雷達發(fā)射器件功率容限；增大脈沖寬度τ脈沖壓縮的作用9.2脈沖壓縮雷達

9.2.1脈沖壓縮雷達概述雷達距離分辨率取決于雷達發(fā)射信號帶寬B。這是通用公式，對于簡單脈沖雷達，B＝1/τ，距離分辨率簡化為：可見，增加脈沖寬度雖然會增加雷達作用距離，但同時也會降低距離分辨力，即δr與Rmax存在矛盾。

脈沖壓縮的作用脈沖壓縮體制的提出發(fā)射時采用寬脈沖以提高發(fā)射的平均功率，保證足夠的最大作用距離；接收時采用相應(yīng)的脈沖壓縮法獲得窄脈沖，以提高距離分辨力；其等效帶寬Be滿足因此，脈沖壓縮雷達可用寬度τ的發(fā)射脈沖獲得相當(dāng)于發(fā)射脈沖有效寬度為τe的脈沖系統(tǒng)的分辨力；所以脈沖壓縮可以很好的解決δr與Rmax之間的矛盾.定義的比值為脈沖壓縮比，D=

τ/

τe=

τBe脈沖壓縮的優(yōu)點：時寬帶寬互相基本獨立，可選擇較寬的脈沖寬度，有較大的作用距離。有較高的距離分辨率。有較好的抗干擾能力。脈沖壓縮的缺點：由于加大了“T”，最小作用距離增加了。信號處理復(fù)雜。存在距離旁瓣存在一定的測距模糊和測速模糊。脈沖壓縮的特點雷達類型距離(km)脈沖寬度分辨率(m)空中交通管制1001μs200遠程監(jiān)視3001μs200近程監(jiān)視400.4μs50目標截獲200.1-0.2μs20跟蹤10-2050ns10高分辨搜索1020ns4幾種雷達的典型脈沖寬度脈沖壓縮的實現(xiàn)發(fā)射脈沖必須有非線性的相位譜，或必須使其脈沖寬度與有效頻譜寬度的乘積遠大于1；接收機中必須有一個壓縮網(wǎng)絡(luò)，其相頻特性應(yīng)與發(fā)射信號實現(xiàn)“相位共軛匹配”。根據(jù)以上要求，可以構(gòu)造理想的脈沖壓縮系統(tǒng)：

壓縮網(wǎng)絡(luò)

脈沖壓縮的實現(xiàn)

壓縮網(wǎng)絡(luò)

我們假定，電波傳播和目標發(fā)射過程中，信號無失真，且增益為1.因此，壓縮網(wǎng)絡(luò)輸入端的目標回波脈沖信號就是發(fā)射脈沖信號，其包絡(luò)寬度為τ，頻譜為：壓縮網(wǎng)絡(luò)的頻率特性為H（ω）,根據(jù)匹配條件應(yīng)滿足下式：其中K為比例常數(shù)，td0為壓縮網(wǎng)絡(luò)的固定延時，經(jīng)壓縮后輸出信號包絡(luò)寬度被壓縮成τe，峰值提高了，脈沖壓縮的輸出表達式為：

基本原理根據(jù)實現(xiàn)脈沖壓縮的條件判斷可行性：線性調(diào)頻脈沖信號具有拋物線式的非線性相位譜，且Bτ遠大于1；接收機中設(shè)置與發(fā)射信號“相位共軛匹配”的壓縮網(wǎng)格，在頻率時間特性上則為調(diào)頻斜率相同，方向相反。所以滿足實現(xiàn)壓縮的兩個充要條件，基本原理可以用下圖說明9.2.2線性調(diào)頻(LFM)脈沖壓縮由圖(d)得到網(wǎng)絡(luò)對信號各斜率成分的延時關(guān)系為

說明線性調(diào)頻寬脈沖信號經(jīng)過壓縮網(wǎng)絡(luò)后，成為窄脈沖?；驹硇阅芨纳疲ㄝ敵龇逯倒β试龃驞倍）

若壓縮網(wǎng)絡(luò)是無源的，根據(jù)能量守恒原理。

無源網(wǎng)絡(luò)不產(chǎn)生噪聲，而輸入噪聲具有隨機性，所以經(jīng)過壓縮網(wǎng)絡(luò)不會被壓縮。（輸出脈沖信號信噪比與輸入信號之比增大D倍）27若輸入脈沖幅度為Ai,輸出脈沖幅度為A0（輸出脈沖幅度增大

倍）

由雷達方程知，,這就使脈沖壓縮雷達的探測距離比采用相同發(fā)射脈沖功率和保持相同分辨力的普通脈沖制雷達的探測距離增加了(例如D=16，作用距離增大1倍）綜上分析，接收機輸出的目標回波信號具有：窄的脈沖寬度、高的峰值功率，即符合探測距離遠、距離分辨率高的戰(zhàn)術(shù)要求。性能改善

LFM脈沖信號的頻譜特性由(c)可知調(diào)頻斜率角頻率變化規(guī)律LFM脈沖信號的頻譜特性瞬時相位由此得到LFM脈沖壓縮體制的發(fā)射信號表達式改寫成窗函數(shù)與原函數(shù)乘積的形式，并用復(fù)數(shù)表示LFM脈沖信號的頻譜特性做傅里葉變換通過變量代換，整理得到復(fù)頻譜LFM脈沖信號的頻譜特性稱為菲涅爾積分，具有如下特性：式中此時剩余相位LFM脈沖信號的頻譜特性可以看出，當(dāng)D值很大時LFM信號頻譜的振幅分布近似為矩形，寬度近似等于信號調(diào)制頻偏，相位分布則具有平方律，即：LFM脈沖信號匹配濾波器頻譜特性K為歸一化系數(shù)，幅頻特性即為相頻特性與發(fā)射信號相似，具有相同平方律，但符號相反實現(xiàn)相位共軛匹配，匹配濾波器頻域特性H(ω)滿足如下關(guān)系群延時特性群延時特性：是指網(wǎng)絡(luò)對信號頻譜成本能量的延時，定義為假設(shè)，網(wǎng)絡(luò)輸入端信號有兩個頻率分量網(wǎng)絡(luò)輸出端，兩個頻率分量經(jīng)過不同的相移群延時特性設(shè)能量最大（A1+A2）處經(jīng)過的時延為td,則對于PC網(wǎng)絡(luò)，其相頻特性對應(yīng)的延時特性為可見，PC網(wǎng)絡(luò)群延時隨頻率變化，td0為附加延時。值得注意的是，網(wǎng)絡(luò)的群延時特性正好與信號的相反，因此通過匹配濾波后，相位特性得到補償，使得輸出信號相位均勻，信號出現(xiàn)峰值。

由此可見匹配濾波器的相頻特性與群時延特性有著確定關(guān)系，它們是等價的。群延時特性通過匹配濾波器的輸出波形設(shè)匹配濾波器輸出信號為u0(t),其頻譜U0(ω)為作反傅里葉變換并取實部，得到又f>>B,所以載波為cos2πf(t-td0),信號包絡(luò)為通過匹配濾波器的輸出波形旁瓣抑制輸出脈沖包絡(luò)的第一旁瓣為主瓣電平-13.2dB。在多目標環(huán)境中，旁瓣可能會埋沒附近較小目標的主瓣，導(dǎo)致目標丟失。為提高分辨多目標的能力，須采用旁瓣抑制措施，即加權(quán)技術(shù)。13.2dB9.3.1相控陣雷達簡介傳統(tǒng)雷達:需要通過天線轉(zhuǎn)動來控制雷達波的收/發(fā)方向;每轉(zhuǎn)動一圈就是一個掃描周期;雷達的顯示屏上就會顯示一次掃描結(jié)果;9.3相控陣雷達

相位控制陣列：多個天線單元排成，各陣元饋電相位按一定程序靈活控制，完成特定的空間掃描相同頻率，不同相位的信號疊加后的效果圖9.3.1相控陣雷達簡介優(yōu)點：相掃，無機械慣性，快速波束捷變多目標、遠距離、高數(shù)據(jù)率、高可靠性多功能、多波束、自適應(yīng)抗干擾缺點：波束寬度隨掃描方向變化相控陣雷達工作原理構(gòu)成:9.3.1相控陣雷達簡介移相器控制波束的發(fā)射與接收無源陣：收發(fā)共用一個或幾個發(fā)射機和接收機；有源陣：每個陣元都連有可提供所需輻射功率的收發(fā)（Ｔ/Ｒ）固態(tài)組件，即都是有源的；9.3.1相控陣雷達簡介移相器：實現(xiàn)相掃的關(guān)鍵器件對移相器的要求：移相精確、性能穩(wěn)定、頻帶和功率容量大、便于快速控制、激勵功率和插入損耗小、體積小、重量輕等移相器的種類：PIN二極管移相器、鐵氧體移相器、數(shù)字式移相器等9.3.1相控陣雷達簡介通過移相器改變各陣元激勵相位，實現(xiàn)掃描相掃基本原理假定所有陣元無方向性等幅同相饋電相鄰陣元激勵電流相位差為φN元直線相控陣天線相掃基本原理各陣元在θ方向遠區(qū)某點輻射場的場強矢量和為等幅饋電時，各陣元在該點輻射場的振輻為E。以0號陣元為相位基準，則式中2πdsinθ/λ

為波程差引起的相鄰陣元輻射場相位差相掃基本原理當(dāng)φ=Ψ

時，各分量同相相加，場強幅值最大定義歸一化方向性函數(shù)為相掃基本原理天線照射方向θ0由移相器的相移量φ決定在θ0方向，各陣元輻射場由波程差引起的相位差正好抵消移相器引入的相位差，各分量同相相加獲最大值，F(xiàn)(θ0)=1改變φ值，就可改變波束指向角θ0

，從而形成波束掃描方向圖最大值方向同相波前垂直由天線收發(fā)互易原理，接收天線，結(jié)論相同相掃基本原理柵瓣問題在

-90o~90o

內(nèi)線陣單值測角條件：d≤λ/2；當(dāng)d＞λ/2時，在-90o~90o內(nèi)將出現(xiàn)柵瓣；波束域（空域頻譜）混迭現(xiàn)象：柵瓣是主瓣在其它方向上的再現(xiàn)，空間信號欠采樣主瓣柵瓣柵瓣副瓣相掃基本原理

方向圖函數(shù)當(dāng)(πNd/λ

)(sinθ-sinθ0)=0,…,±nπ（n為整數(shù)）時，分子為0，若分母不為0，F(xiàn)(θ)=0當(dāng)(πd/λ

)(sinθ-sinθ0)=0,…,±nπ

（n為整數(shù)）時，分子分母同為0，F(xiàn)(θ)=1，即F(θ)可能出現(xiàn)多瓣相掃基本原理當(dāng)θ=θ0時為主瓣，其余為柵瓣。只取一個周期-π~+π因|sinθ-sinθ0|≤1+|sinθ0|，則無柵瓣條件相掃基本原理波束寬度波束指向法線方向，即θ0=0，方向性函數(shù)得波束半功率（3dB）寬度相掃基本原理當(dāng)d=λ/2時，若要θ0.5=1o，則需陣元N=100當(dāng)波束指向θ0

任意時，在主瓣內(nèi)θ

θ0，得相掃基本原理因sinc()函數(shù)對參量sinθ0

的主瓣寬度處處一致，即Dsinθ0=常數(shù)

θ0.5，由微分?sinθ0=?θ0

cosθ0

，得任意θ0

時的波束半功率寬度Θ0越大，波束越寬，例θ0=60o，θ0.5s

2θ0.5相掃基本原理波束總是指向同相饋電陣列天線的法線方向同相波前MM’的有效天線孔徑為Ndcosθ0掃描時的波束寬度相掃基本原理發(fā)射能量一定，θ0

，波束

，天線增益

波束掃到θ0方向，天線有效口徑是真實口徑在等相位面上的投影，對一維線陣有As=Acosθ0，尺寸減小，此時波束指向處的天線增益為波束掃描角范圍通常限制在±60o

或±45o內(nèi)。若要覆蓋整個360o，一般要用三至四個天線陣相掃基本原理各陣元有指向性時，若所有陣元的陣元方向圖Fe(θ)

一致，則總的陣列天線方向圖等于陣方向圖F(θ)與陣元方向圖Fe(θ)之積，即

FN(θ)=Fe(θ)·F(θ)等間距和等幅饋電的陣列天線副瓣較大(第一副瓣電平為-13dB)，常需“加權(quán)”降低副瓣振幅加權(quán)：中間陣元功率大，周圍陣元功率小密度加權(quán)：中心陣元密度大，周圍陣元密度小采用有方向性的陣元相掃基本原理9.3.2相控陣雷達基本組成相控陣雷達的分類：無源陣：每個陣元無功放有源陣：每個陣元有功放（有源）有源相控陣雷達的基本組成9.3.2相控陣雷達基本組成雷達技術(shù)中角分辨力（在兩坐標中為方位分辨力或稱為橫向距離分辨力）經(jīng)典概念的數(shù)學(xué)表達式為：

δxR=λR/D（rad）

式中，D為天線孔徑；R為斜距。提高方位分辨力的常規(guī)方法只有兩條途徑：一.采用更短的波長；二.研制尺寸更大的天線。9.4.1合成孔徑雷達簡介9.4合成孔徑雷達非聚焦型:不用改變孔徑內(nèi)從各種不同位置來的信號的相移就能完成被存儲信號的積累，非聚焦情況下的SAR的分辨力為非聚焦型情況下SAR的分辨力：式中，λ為雷達發(fā)射信號的波長（m），R為到需要分辨目標的距離（m）9.4.1合成孔徑雷達簡介聚焦型:給陣列中每個位置來的信號加上適當(dāng)?shù)南嘁?，并使統(tǒng)一目標的信號都位于統(tǒng)一距離門之內(nèi)。聚焦型情況下SAR的分辨力：式中，λ為雷達發(fā)射信號的波長（m），R為到需要分辨目標的距離（m），和分別為采用非聚焦型和聚焦型合成天線的橫向距離分辨力；Ls為合成天線的有效長度（m）

9.4.1合成孔徑雷達簡介對應(yīng)三種情況的方位分辨力有三種技術(shù)：常規(guī)技術(shù)，這種情況下的方位分辨力依賴于發(fā)射波束寬度；非聚集型合成孔徑技術(shù)，合成孔徑長度可以達到非聚焦技術(shù)所能容許的數(shù)值；聚焦型孔徑技術(shù)，合成天線的長度等于每個距離上發(fā)射波束的線性寬度；

提高橫向距離分辨力所采用的合成孔徑技術(shù)：1.多普勒波束銳化；2.側(cè)視的合成孔徑雷達；3.利用目標轉(zhuǎn)動的逆合成孔徑雷達

9.4.1合成孔徑雷達簡介合成孔徑雷達是利用與目標作用相對運動的小孔徑天線，把在不同位置接收的回波進行相干處理，從而獲得較高分辨力的成像雷達。在觀測時，雷達與被觀測目標之間存在相對運動，合成孔徑雷達就是在目標的移動的路徑上間隔取樣，相干累加，獲得與大尺寸雷達觀測相同的效果。打一個很形象的比喻，類似于“多軌道錄音”，一位通曉各種樂器的演奏家，將他演奏的各種樂器錄下來，再將這些聲音合成在一起，就等于一個人演奏交響樂。9.4.1合成孔徑雷達簡介距離向高分辨通過發(fā)射寬帶信號，方位向高分辨通過合成孔徑處理（1）N個振源的線性陣列，此線性陣列的輻射方向圖可定義為單個陣元輻射方向圖和陣列因子的乘積。陣列