雷达原理

一、雷达的简介

雷达基本工作原理

如图1-1，由雷达发射机产生的电磁能，经收发开关后传输给天线，再定向辐射于大气中，如果目标位于定向天线波束内，截取一部分电磁能，再将这些截取能量向各方向散射，部分能量进入到雷达接收机。接收机将散射回波信号经信号处理送终端显示

图1-1雷达的原理及基本组成

基本雷达方程

1、距离R 处任一点处的雷达发射信号功率密度：21222

444t PG S S R R R σσπππ==?,t

P 雷达发射功率。

2、对于定向天线，考虑到天线增益G ，表示相对于各向同性天线，则'12

4t

PG S R

π= 3、以目标为圆心，雷达处散射的功率密度：21222

444t PG S S R R R σσπππ==?, σ雷达散射截面积。

4、雷达天线接收面积e A ，收到功率224

(4)t e r e PGA P A S R σπ==

.

5、最大测量距离：当雷达接收功率为接收机最小检测功率（即临界灵敏度）时

min r P S =时，1/4max 2

min

[

](4)t e PGA R S σπ= 雷达的基本组成

如图1.2所示：

1.2 脉冲雷达基本组成框图

1、天线：辐射能量和接收回波（单基地脉冲雷达），（天线形状，波束形状，扫描方式）。

2、收发开关：收发隔离。

3、发射机：直接振荡式（如磁控管振荡器），功率放大式（如主振放大式），（稳定，产生复杂波形，可相参处理）。

4、接收机：超外差，高频放大，混频，中频放大，检波，视频放大等。（接收

机部分也进行一些信号处理，如匹配滤波等），接收机中的检波器通常是包络检波，对于多普勒处理则采用相位检波器。

5、信号处理：消除不需要的信号及干扰而通过或加强由目标产生的回波信号，通常在检测判决之前完成（MTI，多普勒滤波器组，脉冲压缩），许多现代雷达也在检测判决之后完成。

6、显示器（终端）：原始视频，或经过处理的信息。

7、同步设备（视频综合器）：是雷达机的频率和时间标准（只有功率放大式（主振放大式）才有）。

二、雷达发射机

雷达发射机的任务和基本组成

一、任务：产生大功率的特定调制的电磁振荡即射频信号。

1、振幅调制：①CW ②pulse：width，repeat frequency

2、频率调制：①fixed freq②频率分集③freq coded ④LFM ⑤频率捷变

3、相位调制：①随机相位②相位相参③相位编码

二、分类与组成

1、单级振荡式：大功率电磁振荡产生与调制同时完成（一个器件）

图2-1 单级振荡式发射机

T为间隔的脉冲触发信号

（1）定时器提供以

r

（2） 脉冲调制器：在触发脉冲信号激励下产生脉宽为τ的大功率视频脉冲信号。 （3）功率射频振荡器：产生大功率射频信号。

特点：简单，廉价，高效，难以产生复杂调制，频率稳定性差，451010---。

2、主振放大式（主控振荡器加上射频放大链）：先产生小功率的CW 振荡，再分多级进行调制和放大。

图2-2 主振放大式发射机

（1）定时器：给三个脉冲调制器提供不同时间，不同宽度的触发脉冲信号 （2）固体微波源：是高稳定度的 CW 振荡器，在脉冲调制下形成输出脉冲 （3）中间放大器：在微波源脉冲到达后很短时间处于放大状态，在微波脉冲结束后退出放大状态，受脉冲控制

（4）出功率放大器：产生大功率的脉冲射频信号

特点：调制准确，能够适应多种复杂调制，系统复杂，昂贵，效率低。

三、雷达接收机

雷达接收机的任务和基本组成

一、 任务

不失真的放大所需的微弱信号，抑制不需要的其他信号（噪声、干扰等）。

二、 超外差雷达接收机的组成

优点：灵敏度高、增益高、选择性好、适应性广。

图3-1 超外差式雷达接收机简化框图

1、高频部分：

（1）T/R 及保护器：发射机工作时，使接收机输入端短路，并对大信号限幅保护。

（2）低噪声高放：提高灵敏度，降低接收机噪声系数，热噪声增益。 （3）Mixer ，LD ，AFC ：保证本振频率与发射频率差频为中频，实现变频。 2、中频部分及 AGC ： （1）匹配滤波：max (/)o S N （2）AGC ：auto gain control. 3、视频部分：

（1）检波：包络检波，同步（频）检波（正交两路） ，相位检波。 （2）放大：线形放大，对数放大，动态范围。

雷达接收机的主要质量指标

1、灵敏度min i S ：用最小可检测信号功率 min i S 表示，检测灵敏度，给定虚警概率

fa P ，达到指定检测概率d P 时的输入端的信号功率：

min i S =i S |fa P =const ，d P =const

保证下面灵敏所需接收机gain=120-160 dB ，min i S ＝-120～-140dbw 主要由中频 完成。

2、工作频带宽度：指瞬时工作频率范围，频率捷变雷达要求的接收机工作频带宽度：10-20% 。

3、动态范围：表示接收机能够正常工作所允许的输入信号强度的变化范围，过载时的 i S |min i S ，80-120 dB 。

4、中频的选择与滤波特性：01

2

R f f ≥

?，中频选择通常选择 30M ～500M ，抑制镜频.实际与发射波形特性，接收机工作带宽有关。

5、工作稳定性和频率稳定度：指当环境变化时，接收机性能参数受到影响的程度，频率稳定度，信号处理，采取频率稳定度、相位稳定度提高的本振，“稳定本振” 。

6、抗干扰能力：杂波干扰（MTI ，MTD ） 、有源干扰、假目标干扰。

7、微电子化和模块化结构。MMIC 微波单片集成电路、IMIC 中频单片集成电路、ASIC 专用集成电路。

四、雷达的终端显示器和录取设备

雷达的终端显示器

一、显示器的主要类型（完成任务分类）

1、距离显示器： 图 4.1 显示目标的斜距坐标，用光点在荧光屏上偏转的振幅来表示目标回波的大小，所以又称为偏转调制显示器。

A 显：直线扫掠，扫掠线长度和雷达的距离量程相对应，直线的起始点为雷达，回波距离点的长度表示距离，有距离刻度。 A/R 显：A 显同上，R 显上 A 的某一段进行放大。

J 显：圆周扫掠，顶端为雷达圆弧长表示距离，读数精度提高π 倍。 2、平面显示器： 图4.2，又称 PPI(Plan position indicator)显，显示斜距、方位，是二维显示器，用亮点来显示坐标，属亮度调制显示器。

P 显：圆心为雷达，径长表示距离，顶向方位为正北，圆周角表方位，顺时针方 向。

偏心式 P显：移动原点，使放大给定方向。

以上两种均为极坐标。

B 式显示：直角坐标，常用微 B 式显示，距离和方位只显示一段。

3、高度显示器：

RHI 显示：水平距离和高度、仰角，雷达在左下方。

4.情况显示器：

一次信息：雷达

二次信息：表格数据、特征符号、地图等。

5.光栅扫描雷达显示器：

数字显示技术的应用。既能显示目标回波的二次信息，也能显示各种二次信息以及背景地图。

图4-1 三种距离显示器的画面

图4-2 平面显示器图像

五、雷达方程

理想无损耗自由空间传播的单基地雷达方程

1、 收发不同天线时，

222444(4)t t t t r r r

P G P G A P A R R R σσ

πππ????=

??=?

14max

2

min

[](4)t t r i P G A R S σπ???=? 2. 收发共天线时，

r t A A A ==

222

41

44t t r t r P G A G G A R R πσλππ?==

???? 2

4t r G A λπ

?=

11

222

4

4max

222

min min

()()(4)(4)t t t r i i P G P A R S S σλσππλ?????==??? 雷达实际作用距离受目标后向散射截面积σ 、 min i S 、噪声和其他干扰的影响，具有不确定性，服从统计学规律。

六、多普勒效应及其在雷达中的应用

多普勒效应

1、雷达发射连续波的情况 发射信号：0cos()t S A t ω?=+

回波：0()()cos[()]r r r S t KS t t KA t t ω?=-=-+ ， 2r R

t C

= 若目标固定、固定相位差：02222r R w t f R C π

πλ

=?

=?

若目标以匀速r V 运动：0002()2()4()2r r r R v t R t w t R v t C π

?πλλ

-=-?

=-=-? ()R t =0r R v t -，()r t t =

2()R t C

，12

2r d r d f v dt ?πλ=?=? 同相 0d f > ，反相0d f < 2、窄带信号时的多普勒效应 发射信号窄带表示：0()Re[()]jw t S t u t e =

回波信号表示：0()()()Re[()]r jw t t r r r S t KS t t Ku t t e -=-=- 目标不动时：复包络有一固定迟延。而高频则有一固定相位差 匀速运动：02

2()/()r r t R t C R v t C

==

- 即：复包络滞后r t ，而高频相位差 002(2/)()r r w t R v t ?ππ=-=--→时间函数 若r v 为常数，()t ?引起的频路差为：122d r d f v dt ?πλ

=?=?， 多普勒频率 （r v 运动时，回波时间得严格推导）

若目标运动方向与雷达和目标连线夹角为α ，目标速度为 v 。则径向速度

cos r v v α=

多普勒信息的提取

d f 与 0f 相比很小，0/2/d r f f v C = 提取 d f 要用差分差拍方法。即：r f 、d f 的差值

连续波多普勒雷达

相干检波器取出相位变化信息，组成如图6.1；

相位检波器参考电压远大于回波电压。矢量合成如图 6.2：

0cos r U U U ?∑≈+ 固定目标，无交流分量输出

匀速目标， 回波信号围绕基准点等 d w 旋转， 合成矢量振幅为：

00cos()r d U U U w ?∑≈+-

0cos()r d U w ?-频谱变化如图6.3。

图6.1 连续波多普勒雷达的原理框图

图6.2 连续波多普勒雷达多普勒差拍矢量

图6.3 连续波多普勒雷达频谱图