雷达组成及原理

雷达的组成及其原理

课程名称：现代阵列并行信号处理技术

姓名：杜凯洋

学号：2015010904025

教师：王文钦教授

一．简介

雷达（Radar，即radio detecting and ranging），意为无线电搜索和测距。它是运用各种无线电定位方法，探测、识别各种目标，测定目标坐标和其它情报的装置。在现代军事和生产中，雷达的作用越来越显示其重要性，特别是第二次世界大战，英国空军和纳粹德国空军的“不列颠”空战，使雷达的重要性显露的非常清楚。雷达由天线系统、发射装置、接收装置、防干扰设备、显示器、信号处理器、电源等组成。其中，天线是雷达实现大空域、多功能、多目标的技术关键之一；信号处理器是雷达具有多功能能力的核心组件之雷达种类很多，可按多种方法分类：

（1）按定位方法可分为：有源雷达、半有源雷达和无源雷达。

（2）按装设地点可分为；地面雷达、舰载雷达、航空雷达、卫星雷达等。

（3）按辐射种类可分为：脉冲雷达和连续波雷达。

（4）按工作被长波段可分：米波雷达、分米波雷达、厘米波雷达和其它波段雷达。

（5）按用途可分为：目标探测雷达、侦察雷达、武器控制雷达、飞行保障雷达、气象雷达、导航雷达等。

二. 雷达的组成

（一）概述

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

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

（1）定时器提供以r T 为间隔的脉冲触发信号

（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

一、 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：012

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

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。

三．雷达原理

（一）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：21

222444t 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'124t PG S R π=

3、以目标为圆心，雷达处散射的功率密度：21

222444t 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，1/4

max 2min [](4)t e PGA R S σπ=

6.

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 σσπππ????=??=?

14max 2min

[](4)t t r i P G A R S σπ???=? 7. 收发共天线时，

r t A A A ==

2224144t t r t r P G A G G A R R

πσλππ?==???? 2

4t r G A λπ

?= 1122244max 222min 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。

（二）雷达距离的测量

磁波在均匀介质中以光速匀速直线传播；测量目标回波滞后于发射信号的延迟时间 的测量：脉冲雷达采用脉冲法；连续波雷达采用频率法和相位法

确定回波到达的位置：

前沿法：以目标回波脉冲的前沿测量到达时间。

特点：物理概念清楚（适用于人工测量）、前沿受回波大小及噪声影响

中心法：以回波脉冲的中心测量回波到达时间。

特点：到达时间的测量不受波形的影响、适用于自动跟踪系统，采用专用电路；

R t R t

提高距离分辨力：发射脉宽窄、管子聚焦性要好、降低显示器量程、提高电子束扫描速度 提高单值可测距离：降低重复频率、多重频率法、舍脉冲法

人工距离跟踪特点：

1、锯齿电压法：跟踪范围大，精度低

2、相位调制法：跟踪范围小，精度高

3、复合法：跟踪范围大，精度高

（三）角度测量

雷达角度坐标的确定

方位角α，高低角β

绝对坐标表示法：

方位角α——基准为正北，顺时针方向为正。

高低角β——基准为水平面，向上方向为正。

相对坐标表示法：测出目标相对于天线轴线的偏离角，再根据天线轴线的实际角度，计算出目标实际角度。

角度分辨力：雷达将相同距离上相互靠近的两个目标区分的最小角度。角度分辨力由天线半功率波束宽度决定。

振幅法：利用天线收到的回波信号幅度值进行角度测量。

最大信号法：天线作圆周扫描或扇形扫描时，找出回波脉冲串的最大值（中心值）对应的波束轴线指向角度，即为目标所在方向。

等信号法：采用两个相同且彼此部分重叠的波束，当两个波束收到的回波信号相等时，等信号轴所指方向即为目标方向。

最小信号法：采用两个在零点处相切的波束，转动天线使显示器上的回波消失或最小时， 天线零值轴所指方向即为目标的角度。

波束的扫描方法：

1、机械扫描：利用整个天线系统或其中一部分机械运动实现波束扫描。

（1）整个天线系统转动

（2）馈源不动，反射体摆动

（3）反射体不运动，馈源动

优点：简单

缺点：机械运动惯性大，扫描速度低，精度差

2、电扫描：天线系统不做任何机械运动，利用电子技术实现波束扫描。

实现方法：相位法、频率法、时间延迟法

特点：无惯性限制，波束控制迅速，方便灵活特别适用于要求波束快速扫描及巨型天线的雷达。

（四）运动目标检测及测速

多普勒效应：

1、连续波信号的多普勒效应

雷达发射信号可表示为：

在雷达发射站处接收到由目标反射的回波信号s ()r t 为： 式中,00222()2r R t f R c πωπλ

?==r t = 2R/c ，为回波滞后于发射信号的时间，其中R

为目])(cos[)()

(0?ω+-=-=r r r t t kA t t ks t

s

标和雷达站间的距离；c 为电磁波传播速度，在自由空间传播时它等于光速；k 为回波的衰减系数。

如果目标固定不动, 则距离R 为常数。回波与发射信号之间有固定相位差00222()2r R t f R c πωπλ?==，它是电磁波往返于雷达与目标之间所产生的相位滞后。 动目标显示雷达的基本类型

中频全相参(干)动目标显示：当雷达发射机采用主振放大器时, 每次发射脉冲的初相由连续振荡的主振源控制, 发射信号是全相参的, 即发射高频脉冲、本振电压、相参电压之间均有确定的相位关系。相位检波通常是在中频上进行的, 因为在超外差接收机中, 信号的放大主要依靠中频放大器。在中频进行相位检波, 仍能保持和高频相位检波相同的相位关系。 锁相相参动目标显示：当雷达发射机采用自激振荡器(如磁控管振荡器)时, 它的每一发射脉冲高频起始相位是随机的。因此，为了得到与发射脉冲起始相位保持严格关系的基准电压, 应该采用锁相的办法, 也就是使振荡电压的起始相位受外加电压相位的控制。原则上有两种锁相的办法: 一种是将发射机输出的高频电压加到相参振荡器去锁相; 另一种是将连续振荡的相参电压加到发射机振荡器去, 以控制发射脉冲的起始相位。后一种方法要求较大的控制功率, 因而在实际中用得较少。

四．并行计算机在现代雷达信号处理中的应用

1 大规模并行处理机的并行性

大规模并行处理机的并行性 设计大规模并行处理机取决于应用问题的算法、 程序设计语言和处理机结构,而基础在于并行性。算 法的并行性是该算法中可并行执行的操作次数。并行 处理机在图像处理、信号处理和神经网络中有巨大的 应用潜力。一幅图像的所有像素均可对应分配到阵列 各处理单元中,每个处理机对应一个像素。如一帧图 像很大,可以被分块,每块图像大小等于处理单元阵列的大小。信号处理机用向量或矩阵运算是利用大量处 理单元对向量或矩阵包含的各元素同时进行计算。用 SIMD 矢量指令取代单计算机程序的级内循环。数据 并行性就可使所有处理单元在阵列的各单元上并行执 行同样指令。在 ISAR 成像雷达中,数据并行性可按 纵向距离单元和横向距离单元进行运算。英国机载 MPRF 多普勒搜索雷达应用 DAP 时,搜索雷达的数据 并行性为 6 万点。瑞典机载多普勒( MPRF)雷达信号 处理应用的 SIMD 大规模并行处理机,其数据并行性 是 1 万个元素,这就意味着每个相干处理间隔( CPI) 内处理 100 个脉冲,而每个脉冲有 100 个距离门,100 ×100 =1 万个采样。MP-2 的结构并行性为 128 × 128=16K 。每个处理机单元都执行相同的所有信号 处理运算。 SIMD(单指令多数据流)结构中 FFT 并行算法, 对于一个 N 点数组,如果采用基 r FFT 算法,用顺序 处理机则每级迭代要进行 N/r 次蝶形运算。如果我 们并行 N/r 个基r 蝶形运算器,则每一级迭代只需一 个蝶形运算时间完成,是顺序处理机的 N/r 倍。此 N 点可取 16K 、1024、…等。N 数由雷达距离单元数 和多普勒带宽决定, N =PRF Δ f D ,其中 PRF 为脉冲重复 频率, Δ fD 为多普勒频率分辨率。现在流行的多处理 机结构实行的是 MIMD 方式,那就应用 MPMD(多程 序多数据)方式,多个进程可执行不同代码,功能并行, 用并行块构造。那就没有 SIMD 方式那么多的结构并 行性,则可把 FFT 变换的大 N 点数分成N1 N2

二．现代雷达应用的大规模并行处理机

（一）国外应用的大规模并行处理机

1.美国MP-2 大规模并行处理机1992 年美国成功研制出MP-2 并行处理机,其结构为SIMD,网络拓扑为X 网,交叉开关,网络传送速度为1. 4 ～23MB/s,其处理单元为专用芯片,处理单元数为1 024 ～16 384,处理单元峰值为0 . 15Mflops (每秒百万浮点运算) , MP-2 峰值处理速度为

2. 4Gflops(每秒千兆次浮点运算) ,主存容量4GB(千兆字节)。一台这种4 096 个处理机的机器安装在美国衣阿华州立大学的Ames 实验室中,有时运算速度超过1Gflops。该机1993 年标价为50 余万美元。MP-2 的处理机芯片采用的是1μm CMOS 处理技术,支持超过12MHz 的时钟频率。该机已成功用于THAAD 和NMD 系统中的地基雷达。

2.美国的PEPE 并行单元处理集合机美国Burroughs 公司于1977 年成功研制的PEPE 并行单元处理集合机现被用作反弹道导弹的雷达信号处理,属SIMD 结构,是管理阵列的处理机以实现雷达的实时跟踪。该机运算速度可达1 亿次浮点运算/秒, 共有288 个处理单元,每个处理单元负责观察一个目标,在其存储器内保存特定目标的一个数据文件。

3.美国反导雷达应用的阵列处理机美国于1989 年初已成功地对实弹发射的所有能力作了演习。此阵列处理机能以10s 的更新率提供多达 1 200 个目标的点迹数据。处理能力包括弹道导弹型号、发射点和弹道点的识别。

（二）神经网络应用的并行处理机

神经网络模型映射到并行结构所用的技术为启发性( heuristic)映射。处理机相互连接成网格,能执行所有计算(例如加权的输入求和、求激活函数、求矢量和矩阵输出函数)。在处理机的N ×N 网格上实现n 个神经元和 e 个突触连接(这里N2 ≥n +e 表示处理机数多于数据项数)。处理机阵列为N ×N , N 大到足够在阵列中存储所有神经元值和突触权值,每个处理机分配到一个项,此映射分两步: 神经元和权值加载入处理机,由内连路径传送。

（三）中国现状

( 1)北航星载SAR 数据成像用Origin2000并行机

据2002 年报道,对星载SAR RD 成像算法的并行化,采用阶段并行和流水线相结合的并行方法。SGI 公司的Origin 2000 是共享存储多处理机,在硬盘中按距离向逐点存储原始SAR 数据。在方位向上有8192 点、距离向上有3 900点的复数据。

( 2)科学院电子所的星载SAR 雷达用曙光1000 和曙光2000-Ⅱ并行机

曙光1000 采用并行的2DFFT 实现二维相关运算。整个处理时间约为350s,曙光

1000A 为150 ～160s。可完成星载SAR雷达CS( chirp scaling)线性调频定标算法的并行处理,并利用该并行机完成对CS 算

法的实时成像并行化结构的系统仿真。利用的是加拿大国家航天署提供的RAOARSAT 1 星载SAR 数据, 效果很好。

( 3)电子科技大学

成都电子科技大学在国产曙光3000-Ⅱ机群上实验了SAR 实时数字成像处理(作地面系统的实时处理)。结果证明,研究工作是有效的。曙光3000-Ⅱ并行机有16 个结点( 64 个CPU) ,AIX4. 3. 3 操作系统、C 语言。采用基于CS 算法作并行运算, 处理大小为16 384×16 384,回波数据的总时间(包括数据加载和图像存储的时间)为72. 12s。CS 算法只用FFT 运算和复乘,无需内插,因而消除了使用内插使图像质量变坏的现象。经过CS 相位相乘后,所有目标的距离变曲程度与参考距离的弯曲程度相同。FFT 变换采用曙光3000 提供的数学函数库。

( 4)西安微电子技术研究所

该所于1997 年成功研制出我国第一代用于航空航天图像处理的嵌入式大规模并行处理( MPP)元芯片,阵列规模为64×64( 4 096)的样机于2001 年 6 月通过鉴定。该MPP 并行机能及时准确地计算飞行器所处的位置,以使制导系统修正其航向

（四）结论

目前国内外大规模并行处理机的发展速度很快, 美国处于世界领先水平,我国与美国相比还相差较大距离,我们应借鉴国外经验,尤其是美国的研制并行机的经验,以促进我国并行机的发展。此外,并行机应用于雷达,以提高信号处理速度,将是必然的发展趋势。