雷达原理复习

第一章绪论

1、雷达的任务：测量目标的距离、方位、仰角、速度、形状、表面粗糙度、介电特性。

雷达是利用目标对电磁波的反射现象来发现目标并测定其位置。

当目标尺寸小于雷达分辨单元时，则可将其视为“点”目标，可对目标的距离和空间位置角度定位。目标不是一个点，可视为由多个散射点组成的，从而获得目标的尺寸和形状。采用不同的极化可以测定目标的对称性。

β任一目标P所在的位置在球坐标系中可用三个目标确定：目标斜距R，方位角α，仰角

在圆柱坐标系中表示为：水平距离D，方位角α，高度H

目标斜距的测量：测距的精度和分辨力力与发射信号的带宽有关，脉冲越窄，性能越好。目标角位置的测量：天线尺寸增加，波束变窄，测角精度和角分辨力会提高。

相对速度的测量:观测时间越长，速度测量精度越高。

目标尺寸和形状：比较目标对不同极化波的散射场，就可以提供目标形状不对称性的量度。

2、雷达的基本组成：发射机、天线、接收机、信号处理机、终端设备

3、雷达的工作频率：220MHZ-35GHZ。L波段代表以22cm为中心，1-2GHZ;S波段代表10cm，2-4GHZ；C波段代表5cm，4-8GHZ；X波段代表3cm，8-12GHZ；Ku代表2.2cm，12-18GHZ；Ka代表8mm，18-27GHZ。

第二章雷达发射机

1、雷达发射机的认为是为雷达系统提供一种满足特定要求的大功率发射信号，经过馈线和收发开关并由天线辐射到空间。

雷达发射机可分为脉冲调制发射机：单级振荡发射机、主振放大式发射机；连续波发射机。

2、单级振荡式发射机组成：大功率射频振荡器、脉冲调制器、电源

触发脉冲

脉冲调制器大功率射频振荡器收发开关

电源高压电源接收机

主要优点：结构简单，比较轻便，效率较高，成本低；缺点：频率稳定性差，难以产生复杂的波形，脉冲信号之间的相位不相等

3、主振放大式发射机：射频放大链、脉冲调制器、固态频率源、高压电源。射频放大链是发射机的核心，主要有前级放大器、中间射频功率放大器、输出射频功率放大器

射频输入前级放大器中间射频放大器输出射级放大器射频输出固态频率源脉冲调制器脉冲调制器

高压电源高压电源电源

脉冲调制器：软性开关调制器、刚性开关调制器、浮动板调制器

4、现代雷达对发射机的主要要求：发射全相参信号；具有很高的频域稳定度；能够产生复杂信号波形；适用于宽带的频率捷变雷达；全固态有源相控阵发射机

5、发射机的主要性能指标：

● 工作频率和瞬时带宽：雷达发射机的频率是按照雷达的用途确定的。瞬时带宽是指输出

功率变化小于1bB 的工作频带宽度。

● 输出功率：雷达发射机的输出功率直接影响雷达的威力范围以及抗干扰的能力。雷达发

射机的输出功率可分为峰值功率t P 和平均功率av P

。t

P 是指脉冲期间射频振荡的平均功率；av P 是指脉冲重复周期内的输出功率的平均值。 av P =t

P v f ● 信号形式与脉冲波形：按调制方式可将信号分为规则波形与随机信号；理想矩形脉冲的

主要参数是脉冲幅度和脉冲宽度，实际的信号都具有上升边和下降边，还有顶部波动和顶部倾斜。

● 信号的稳定度和频谱纯度：信号的稳定性是指信号的各项参数，即信号的振幅、频率、

脉冲宽度及脉冲重复频率是否随时间变化的程度。不稳定量可以分为确定的不稳定量：由电源的波纹、脉冲调制波形的顶部波形和外界有规律的机械振动产生；随机的不稳定量：由发射管的噪声、调制脉冲的随机起伏，用统计的方法分析。对于离散型的寄生输出，信号的频谱纯度为该离散分量的单边带功率与信号功率之比；对于寄生型输出，信号的频谱纯度定义为以偏离载频若干赫兹的傅里叶频率上每单位的单边带功率与信号功率之比。

● 发射机的效率：发射机的效率通常指发射机输出射频功率与输入供电或发电机的输入功

率之比。

6、固态雷达发射机：固态发射机由多个功率放大器组件直接合成，或者在空间合成得到需要的输出功率。

固态发射机的分类：集中合成式全固态发射机；分布式空间合成相控阵雷达发射机

优点：不需要阴极加热，寿命长；具有很高的可靠性；体积小、重量轻；工作频带宽、效率高；系统设计和运用灵活；维护方便‘成本较低。

微波单片集成收发组件的优点：成本低；高可靠性；电路的一致性好、成品率高；尺寸小、重量轻。

第三章 雷达接收机

1、雷达接收机的主要功能是：对雷达天线接收到的微弱信号进行预选、放大、变频、滤波、解调、数字化处理，同时抑制外部的干扰、杂波以及机内噪声，使回波信号尽可能多的保持目标信息，以便进一步进行信号处理和数据处理。一般来说，雷达探测的飞机、船只、地面车辆和人员反射回来的回波是有用信号；地面、海面、云雨、鸟群等反射的回波为杂波；干扰是指各种有源干扰和无源干扰。

雷达接收机主要由微波电路、模拟电路、数字电路、数字信号处理组成。

雷达系统一般采用超外差接收机：

接收机前端：包括接收机保护器；射频放大器；射频滤波器，抑制进入接收机的干扰，置于放大器前，对雷达接收机的抗干扰和抗过载能力有好处，但是增加了接收机的噪声，置于放大器之后，对接收机的灵敏度和噪声系数有好处，但是抗干扰能力和抗过载能力变差；混频器

2、雷达接收机的基本组成：接收机前端、中频接收机、频率源。

接收机前端一般采用二次变频，因为对于具有一定射频带宽的雷达接收机，一次变频的镜像频率一般会落在信号频率带宽之内，只有通过提高中频频率才能使镜像频率落在信号频带范围外。镜像频率的信号和噪声是不需要的，会使接收机的噪声系数变高，必须通过射频滤波器滤掉。或者直接采用镜像抑制混频器。

中频接收机：为具有对数放大和“零中频”的中频接收机，包括匹配滤波器

频率源：具有一定频域稳定度的本机振荡器；相干振荡器；自动频率控制。频率合成器是全相参频率源的核心部分，可以用直接合成和间接合成的方法实现。

3、雷达接收机的主要质量指标：

● 灵敏度和噪声系数：灵敏度表示接收机接收微弱信号的能力。噪声系数F 的定义是：

接收机输入端的信号噪声功率比与输出端的信号噪声功率比的比值，其表达式为：

=i

i

O

O S N S N F 接收机灵敏度与噪声系数的关系为：

min i o n S kT B FM =

● 接收机的工作频带宽度和滤波特性：接收机的工作频带宽度表示接收机的瞬时工作频率

范围。接收机的工作频带较宽时，必须选择较高的中频，以减少混频器输出的寄生响应对接收机性能的影响。接收机的滤波特性主要取决于中频频率的选择和中频部分的频率特性。如果中频滤波特性的带宽大于回波信号的带宽，则过多的噪声进入接收机，反之，信号的能量将会损失，使得接收机输出的信噪比减小

● 动态范围和增益：动态范围表示接收机工作时允许的输入信号强度的变化范围。所允许

的最小输入信号强度通常取最小可检测信号，而所允许的最大的输入信号强度则根据正常工作的要求定。当输入的信号过大时，接收机将发生过载饱和，从而使较小的目标回波显著减小。接收机的增益表示对回波信号的放大能力，通常表示为输出信号功率与输入信号功率之比。

● 频率源的频率稳定性和频谱纯度：短期频率稳定度通常用单边带相位噪声功率密度来表

示。频谱纯度主要是频率源的杂波抑制度和谐波抑制度。

● 幅度和相位的稳定性

● 正交鉴相器的正交度：模拟正交鉴相器和数字正交鉴相器。正交鉴相器的正交度表示鉴

相器保持信号幅度和信号信息的准确程度。模拟正交鉴相器指相干振荡器的频率与中频信号的中心频率相等，使其差频为零；可以处理较宽的基带信号，难以实现I 、Q 通道良好的幅度平衡和相位正交；数字鉴相器的工作原理是直接用A/D 变换器对中频信号，然后进行I/Q 分离。全数字化处理，可以实现很高的I/Q 幅度平衡和相位正交，工作稳定性好。

● A/D 变化器的技术参数

● 抗干扰能力

● 频率源和发射激励性能：从频域角度，主要检测波形和发射激励信号的频谱特性；从时

域角度信号的质量主要是调制信号的前沿、后沿和顶部起伏，以及调制载波的频率和相位特性。

4、接收机的噪声系数和灵敏度

接收机的噪声来源主要分为两种：内部噪声，主要由接收机中的馈电、放电保护器、高频放大器或混频器产生，在时间上是连续的，相位和幅度是随机的；外部噪声是 由雷达天线进入接收机的各种人为干扰、天电干扰、工业干扰、宇宙干扰和天线热噪声。

电阻热噪声：是由于导体中自由电子的无规则热运动形成的。电阻产生的起伏噪声电压均方值为

2n

4n u kTRB =

额定噪声功率：当负载阻抗与噪声源内阻抗匹配时，噪声源输出最大的噪声功率 o n N kTRB =

天线噪声：包括天线的热噪声和宇宙噪声，前者是由天线周围介质微粒的热运动产生的噪声，后者是由太阳以及银河系产生的噪声，这种起伏噪声被天线吸收后进入接收机就呈现为天线的热起伏噪声

2nA 4A A n u kT R B = 天线噪声温度取决于天线方向图中各辐射源的噪声温度，他与波瓣仰角θ和工作频率f 有关。 噪声带宽：把不均匀的噪声功率谱等效为在一定频带内是均匀的功率谱，这个频带为等效噪声功率谱带宽。

202

0()()n H f df B H f ∞

=

?

5、噪声系数和噪声温度：噪声系数的定义是接收机的输入信号噪声功率比与输出信号噪声功率比的比值。它表示由于接收机内部噪声的影响，使接收机输出端额信噪比其输入端的信噪比变差的倍数。

0i a N F N G =

噪声系数只适用于接收机的线性电路和准线性电路；为保证噪声系数具有单值确定性，规定输入噪声以天线等效电阻在室温290K 时产生的热噪声为标准；噪声系数是没有单位的数值用分贝表示；噪声系数的概念与定义可以推广到任何无源或有源的四段网咯。

等效噪声温度把接收机内部噪声看成理想接收机的天线电阻在温度

e T 时所产生的 0(1)e T F T =- 级联电路的噪声系数：32111211......F F F F G G G --=+++

321112.....e T T T T G G G =+

++ 接收机的灵敏度：表示接收机接收微弱信号的能力。

第四章 雷达终端

1、雷达终端的基本内容：目标数据的录取、数据处理和目标状态的现实。任务是发现目标，测定目标的位置坐标，根据目标回波的特点及其变化关系来判断目标的性质。

2、雷达坐标系：直角坐标、极坐标。一维显示、二维显示。采用的显示器件：阴极射线管、平板显示器。扫描方式：直线扫描、径向扫描、圆周扫描，随机扫描方式、光栅扫描

一次显示显示目标的距离、方位、仰角、高度、位置为模拟显示，二次显示显示目标的高度、速度、航线，以数字显示为主。

主要类型：距离显示器、平面显示器、高度显示器、情况显示器、综合显示器

● 距离显示器：一维显示，用屏幕上的光点距参考面的水平偏移量表示目标的斜距，光点

的垂直距离表示目标回波的强度。A 型显示器采用直线扫描方式；A/R 型显示器采用双踪直线扫描方式；J 型显示器采用圆周显示器，主波与回波沿顺时针方向扫略弧线的长度对应目标的斜距。

● 平面显示器：用屏幕上的光点的位置表示目标的坐标位置，光点的量度表示目标回波的

强度。PPI 显示器。

● 高度显示器：E 型显示器。

雷达显示器的质量指标：显示器的类型；显示的目标坐标的数量、种类和量程；对坐标的分辨力；显示器的量度和对比度；图像的重复频率；显示图像的失真和误差；其他指标：体积、重量、工作温度。

距离显示器：A 型显示器：画面上有发射脉冲，近区地物回波，目标回波。组成：扫面电路的形成，视频放大，距标、距离刻度的形成

A/R 显示器：发射脉冲、近区地物回波、两个目标回波

第五章 雷达作用距离

雷达方程：设雷达发射功率为t P ，雷达天线的增益为t G ，则在自由空间工作时，距离雷达天线R 的目标处的功率密度为

假设目标可以将接受到的功率无损失的辐射出来，则可得到二次辐射功率：

又假设P2均匀辐射，则在接受天线处收到的回波功率为

如果雷达接收天线的有效截面积为Ar ，则在雷达接收处接受到的回波功率为Pr ，而

天线增益和有效面积之间有以下关系：

单基地脉冲雷达通常是收发公用天线

雷达方程虽然给出了作用距离和各参数之间的定量关系，但是未考虑到设备的实际损耗和环境因素，而且方程中有两个不可能预测的量：目标有效发射面积、最小可检测信号。

目标的雷达截面积：定义为目标处每单位入射功率密度在接收机每单位立体角内产生的反射功率乘以4π，导电性良好各向同性的球体，它的截面积等于该球体的几何投影面积，等效的意思是该球体在接收机方向每单位立体角产生的功率与实际目标散射体所产生的相同。 最小可检测信号：雷达检测能力实际上取决于信号噪声比。

min i o n S kT B FM =

M 是识别系数，D 是检测因子

用检测因子表示的优点：当雷达在检测目标之前有多个脉冲可以积累，由于积累可以改善信噪比；用能量表示的雷达方程适用于当雷达使用各种复杂脉压信号时的情况。只要知道脉冲功率及发射脉宽，就可以用来估计作用距离而不必考虑具体的波形参数。

门限检测：对检波后n个的脉冲进行加权积累，然后将积累输出与某一门限电压进行比较，若输出包络超过门限值，则认为目标存在，否则认为没有目标。