雷达原理及系统复习
南京信息工程大学雷达气象学期末复习重点
测雨——厘米波雷达（微波雷达） ? 测云——毫米波雷达 ? 测风——风廓线雷达 ? 测气溶胶——激光雷达? 测温——声雷达 气象雷达的分类（1）按照工作原理：常规天气雷达，多普勒天气雷达，偏振天气雷达，等。
（2）按照雷达工作波段：X 波段，C 波段，S 波段，L 波段，Ka 波段，等。
!（3）按照安装平台：固定式，车载移动式，船载式，机载式，星载式，等。
天线方向：在极坐标中绘出的通过天线水 ?平和垂直面上的能流密度的相对分布曲线图。
天气雷达的天线具有很强的方向性，它所辐射的功率集中在波束所指的方向上。
天线增益：辐射总功率相同时，定向天线在最大辐射方向上的能流密度与各向均匀辐射的天线的能流密度之比。
G=10*lg （S 定向/S 各项均匀） 新一代天气雷达系统结构概述构成：发射机，天线，接收机和信号处理器。
?主要功能：产生和发射射频脉冲，接收目标物对这些脉冲的散射能量，并通过数字化形成基数据。
雷达数据采集子系统（RDA ）雷达产品生成子系统（RPG ）主用户处理器（PUP ）散射现象：当电磁波传播遇到空气介质和云、降水粒子时，入射的电磁波会从这些质点向四面八方传播相同频率的电磁波，称为散射现象。
—散射过程：入射电磁波使粒子极化，正负电荷中心产生偏移而构成电偶极子或多极子，并在电磁波激发下作受迫振动，向外界辐射电磁波，就是散射波。
单个球形粒子的散射定义无量纲尺度参数：α=2πr/λ当α<<1时：Rayleigh 散射，也称分子散射。
如空气分子对可见光的散射。
当<α<50：Mie 散射。
如大气中的云滴对可见光的散射。
当α>50：几何光学：折射。
如大雨滴对可见光的折射、反射，彩虹等光现象。
思考：对于3cm 和10cm 雷达遇到半径0.1cm 的雨滴发生哪种散射瑞利散射：方向函数的具体形式：当雷达波是平面偏振波时，瑞利散射在球坐标中的 !方向函数为：()()ϕϕθλπϕθβ222222464sin cos cos 2116,++-=m m r当入射雷达波长一定，散射粒子的大小和相态一定（即r 、m 为常数），则:()()ϕϕθϕθβ222sin cos cos ,+=C米散射：单个球形粒子的散射Rayleigh 散射与Mie 散射不同点：Rayleigh ：前后向散射相等，侧向散射为零。
雷达气象期末复习整理版
雷达气象期末复习整理版(总18页)-CAL-FENGHAI.-(YICAI)-Company One1-CAL-本页仅作为文档封面，使用请直接删除雷达气象期末复习整理版雷达气象第一章第一节1 雷达的含义，雷达气象含义及其用处Radar ：通过无线电技术对目标物进行探测和定位，确定目标位置和强度的技术。
气象雷达：是用于探测气象要素和各种天气现象的雷达，常称为“千里眼、顺风耳”。
雷达气象：利用气象雷达，进行大气探测和研究雷达波与大气相互作用的学科，是大气物理学、大气探测和天气学共同研究的一个分支。
雷达气象学在突发性、灾害性天气的监测、预报和警报中具有极为重要的作用。
2 气象雷达的特点气象雷达是雷达中的一个重要成员，探测的对象是覆盖整个地球的大气，不受季节、昼夜和天气条件的影响，能全天时、全天候工作，不受能见度，探测条件的影响。
采用大功率发射机、高增益天线、高灵敏接收机，可增加雷达威力，探测数百公里外的目标。
现代化的雷达机，与计算机技术结合，使其数据处理技术进一步提高，测定目标的精度更高。
3 我国雷达分布情况根据天气现象：沿海地区：暴雨台风多，S波段（5cm）为主内陆地区：一般性降水，C波段（10cm）为主电磁特性：暴雨，S波段穿透能力强，衰减小；一般性降水，S波段反射弱，C波段反射强4 我国天气雷达的应用强对流天气的监测与预警：灾害性大风、冰雹和暴洪。
天气尺度和次天气尺度降水系统的监测。
应用：人工影响天气、降水测量、风的测量、数据同化。
第二节1 我国新一代雷达的组成部分----雷达的硬件系统新一代天气雷达系统的三个部分：（1）数据采集子系统（RDA）；定义：用户所使用雷达数据的采集系统。
功能：产生和发射电磁波，接收目标物对这些电磁波的散射能量，并形成数字化的基数据。
主要结构：①发射机RDA是取得雷达数据的第一步——发射电磁波信号。
RDA主要是由放大器来完成，产生高功率且非常稳定的电磁波信号。
稳定是非常重要的，产生的每个信号必须具有相同的初位相，以保证回波信号中的多普勒信息能够被提取。
雷达系统工作原理
雷达系统工作原理
雷达系统工作原理主要包括脉冲雷达和连续波雷达两种类型。
这两种雷达系统在原理上有一些不同，但都是通过向目标发射微波信号并接收回波来实现目标检测和跟踪的。
脉冲雷达系统利用脉冲信号的特性来进行测量。
它通过向目标发送短暂的高功率脉冲微波信号，然后等待接收目标反射回来的回波信号。
脉冲雷达通过测量回波的时间延迟来计算目标离雷达的距离。
由于脉冲雷达系统的工作原理是基于发送和接收之间的时间差，所以它对目标距离的测量精度相对较高。
连续波雷达系统则是通过连续地发射和接收微波信号来实现目标探测和跟踪的。
它向目标发送一定频率的持续微波信号，并接收目标反射回来的信号。
连续波雷达通过测量接收到的信号的频率变化来计算目标的速度。
由于连续波雷达系统的工作原理是基于信号频率的变化，所以它对目标速度的测量精度相对较高。
不论是脉冲雷达还是连续波雷达，雷达系统都需要利用天线来发射和接收微波信号。
雷达系统会向天空或水平面发射微波信号，并接收由目标反射回来的信号。
接收回波信号经过放大、滤波等信号处理后，会对信号进行分析和解调，从而得到目标的距离、速度、方位等信息。
总而言之，雷达系统工作的主要原理是利用发射和接收微波信号来探测目标并获取目标信息。
无论是脉冲雷达还是连续波雷达，它们都通过测量回波的时间延迟和频率变化来计算目标的
距离和速度。
雷达系统广泛应用于军事、航空、气象等领域，发挥着重要的作用。
雷达气象学复习重点
雷达气象复习1 多普勒天气雷达可获取的基数据有反射率因子、平均径向速度和速度谱宽。
2天气雷达一般分为X 波段、 C 波段、 S 波段，波长分别是3厘米、5厘米、10厘米3目前我国 CINRAD-SA降水模式中使用的体扫模式为VCP11、VCP21、VCP31。
其中VCP11通常在强对流风暴出现的情况下使用，而VCP21在没有强对流单体有显著降水的情况下使用，晴空情况下使用VCP314目前我国 CINRAD-SA使用两种工作模式，即降水模式和晴空模式5我国新一代天气雷达的降水估测只使用最低的4个仰角：0.5°，1.5°，2.4°，3.4°，分别使用在50km以外，35-50km，20-35km和0-20km的距离范围内。
6我国新一代天气雷达系统主要由雷达数据采集子系统（RDA）、雷达产品生成子系统（RPG）、主用户处理器（PUP）、通讯线路。
7当波源和观测者做相对运动时，观测者接受到的频率和波源的频率不同，其频率变化量和相对运动速度大小有关，这种现象就叫做多普勒效应。
8天气雷达的局限性：波束中心的高度随距离增加而增加、波束宽度随距离的增加而展宽、静锥区的存在。
9获取雷达接收到的降水回波信号是降水粒子对雷达所发射电磁波的散射产生的，因此电磁波在降水粒子上的散射是天气雷达探测降水的基础。
10当雷达波长λ确定后，球形粒子的散射情况主要取决于粒子直径d 。
对于d<<λ的小球形粒子的散射，称为瑞利散射；d≈λ的大球形质点的散射称为米散射。
11反射率因子在瑞利散射条件下的定义：单位体积中降水粒子直径6次方的总和称为反射率因子，用Z表示，其常用单位为mm6/m3，即∑=单位体积6 iDZ12后向散射截面的定义：设有一理想的散射体，其截面为σ，它能全部接收射到其上的电磁波能量，并全部均匀地向四周散射，若该理想散射体返回雷达天线处的电磁波能流密度，恰好等于同距离上实际散射体返回雷达天线的电磁波能流密度，则该理想散射体的截面σ就称为实际散射体的后向散射截面。
雷达原理复习总结
雷达原理复习要点第一章（重点）1、雷达的基本概念雷达概念(Radar)：radar的音译，Radio Detection and Ranging 的缩写。
无线电探测和测距，无线电定位。
雷达的任务：利用目标对电磁波的反射来发觉目标并对目标进行定位，是一种电磁波的传感器、探测工具，能主动、实时、远距离、全天候、全天时获得目标信息。
从雷达回波中可以提取目标的哪些有用信息,通过什么方式获得这些信息？斜距R : 雷达到目标的直线距离OP方位α: 目标斜距R在水平面上的投影OB与某一起始方向(正北、正南或其它参考方向)在水平面上的夹角。
仰角β：斜距R与它在水平面上的投影OB在铅垂面上的夹角，有时也称为倾角或凹凸角。
2、目标距离的测量测量原理式中，R为目标到雷达的单程距离，为电磁波来回于目标与雷达之间的时间间隔，c为电磁波的传播速率(=3×108米/秒)距离测量辨别率两个目标在距离方向上的最小可区分距离ρr=cτ2最大不模糊距离3、目标角度的测量方位辨别率取决于哪些因素4、雷达的基本组成雷达由哪几个主要部分，各部分的功能是什么同步设备：雷达整机工作的频率和时间标准。
放射机：产生大功率射频脉冲。
收发转换开关: 收发共用一副天线必需，完成天线与放射机和接收机连通之间的切换。
天线：将放射信号向空间定向辐射，并接收目标回波。
接收机：把回波信号放大，检波后用于目标检测、显示或其它雷达信号处理。
显示器：显示目标回波，指示目标位置。
天线限制(伺服)装置：限制天线波束在空间扫描。
电源其次章1、雷达放射机的任务为雷达供应一个载波受到调制的大功率射频信号，经馈线和收发开关由天线辐射出去2、雷达放射机的主要质量指标工作频率或波段、输出功率、总效率、信号形式、信号稳定度3、雷达放射机的分类单级振荡式、主振放大式4、单级振荡式和主振放大式放射机产生信号的原理，以与各自的优缺点单级振荡式：脉冲调制器：在触发脉冲信号激励下产生脉宽为τ的脉冲信号。
雷达原理的复习资料
第一章 作业1。
简述“雷达”一词的来源，其最初的作用是什么？现代雷达的任务是什么？ 教材参考：P1雷达（Radar ）源于Radio Detection and Ranging 的缩写。
最初作用为无线电探测和测距或无线电定位。
即用无线电方法发现目标并测定它们在空间的位置。
现代雷达的任务不仅是测量目标的距离、方位、和仰角，而且包括测量目标的速度，以及从目标回波中获得目标的尺寸和形状、目标的对称性、目标的表面粗糙度以及介电特性等信息。
2。
简述雷达工作的基本原理。
教材参考：P2雷达基本组成框图：1、由雷达发射机产生的电磁能，经收发开关后传输给天线，再由天线将此电磁能定向辐射于大气中。
2、电磁能在大气中以光速(3×108 m/s)传播，如果目标恰位于定向天线的波束内，则它将截取部分电磁能。
3、目标将被截取的电磁能向各方向散射，其中部分散射的能量朝向雷达接收方向。
雷达天线搜集到这部分散射的电磁波后，就经传输线和收发开关反馈给接收机。
4、接收机将这微弱信号放大并经信号处理后即可获取所需信息，并将结果送至终端显示。
3。
简述雷达目标斜距、角位置、相对速度测量的基本原理。
教材参考：P2-3(1) 目标斜距的测量：雷达发射机经天线向空间发射高频脉冲，如果在电磁波传播的途径上有目标存在，那么雷达就可以接收到由目标反射回来的回波。
由于已知电磁波传播速度，目标斜距的测量可以通过测量回波脉冲与发射脉冲的时间间隔了实现。
R=CTr/2，R 为目标的距离，c 为电磁波传播速度，tr 为回波脉冲与发射脉冲之间的时间间隔。
(2) 目标角位置的测量：目标角位置指方位角或仰角，角位置都是利用天线的方向性来实现的。
雷达天线将电磁能量汇集在窄波束内，当天线波束轴对准目标时，回波信号最强。
根据接收回波最强时的天线波束指向，就可确定目标的方向，这就是角坐标测量的基本原理。
(3) 相对速度的测量：当目标与雷达站之间存在相对速度时，接收到回波信号的载频相对于发射信号的载频产生一个频移（称为多卜勒频移），当目标向着雷达站运动时V r ＞0，反之V r ＜0。
魏青 雷达原理 -回复
魏青雷达原理-回复雷达原理是指利用电磁波的特性来探测和测量目标物体位置与速度的一种技术。
在这篇文章中，我们将会逐步介绍雷达原理，从最基本的概念到具体的工作原理和应用。
首先，让我们来了解一下雷达的基本概念。
雷达是由“Radio Detection And Ranging”（无线电探测与测距）这几个单词的首字母组成的缩写。
雷达系统通常由三个基本组件组成：天线、发射器和接收器。
天线用于发射和接收电磁波，发射器则产生电磁波并发送给目标物体，而接收器则接收目标物体反射回来的电磁波。
雷达工作的基本原理是利用电磁波在空间中传播的特性。
电磁波是由电场和磁场交替振荡而成，可分为不同波长的频段，包括无线电波、微波、红外线、可见光等。
在雷达系统中主要使用微波和无线电波。
当电磁波遇到物体时，一部分电磁波会被物体吸收、散射或反射。
雷达系统利用接收到的反射波信息来判断目标物体的位置、形状、速度等参数。
下面，我们来详细了解雷达系统的工作原理。
首先，雷达系统通过发射器发射一束电磁波，这束电磁波被称为脉冲。
发射脉冲的频率和功率取决于具体的应用场景和要求。
发射的脉冲电磁波会以近乎光速的速度在空间中传播，同时也会被目标物体吸收、散射或反射。
接下来，雷达系统通过天线接收到目标物体反射回来的电磁波。
天线接收到的电磁波信号会经过放大器放大后传输到接收器中进行处理。
接收器通过解调和滤波，将信号分离为目标信号和杂波信号。
目标信号是目标物体反射回来的电磁波信号，而杂波信号则包括天气、地形等其他干扰信号。
接收信号经过处理后，雷达系统可以通过测量信号的时间延迟来计算目标物体与雷达系统之间的距离。
这是利用电磁波在空间中传播速度恒定的特性来实现的。
雷达系统根据发射脉冲信号和接收到的目标物体反射波信号之间的时间差来计算距离。
通过测量连续的脉冲信号，雷达系统还可以获得目标物体的速度信息。
最后，让我们来看一些雷达系统的应用。
雷达技术在许多领域都得到了广泛应用。
雷达复习资料
7、（p31）信道化接收机的基本工作原理
8、信道化接收机存在的问题：矩形脉冲的频谱为辛克函数，既有主瓣又有旁瓣。一个强信号可能同时在几个信道中过检测门限，这种频谱扩展现象不仅会引起频率模糊，还会造成处理机过载。还存在第二个缺点，兔耳效应
为了清除由于雷达天线扫描等因素引起的信号幅度起伏对角度测量的影响，可以增加一个参考支路，它采用无方向性天线，对定向支路中的信号起伏进行对消处理。假设Fr（t），Fa（t）分别为侦察天线和雷达天线的扫描函数，A（t）为脉冲包络函数，则两支路收到的信号分别为Sa（t）=Fa（t）Fr（t）A（t）cosωt；Sb（t）=Fa（t）A（t）cosωt
17、对雷达旁瓣信号的侦察
一般雷达天线主瓣很窄，又处于空间搜索状态，侦察机接收到雷达天线主瓣的辐射信号概率很低，往往需要较长时间，通过提高侦察系统灵敏度，实现对雷达天线旁瓣信号的侦收。旁瓣侦察的作用距离为Rr=[PtGsaveGrλ²/（4π）²Prmin10°`]½Gsave是雷达天线的平均旁瓣增益。实现旁瓣侦察时，侦察接收机的灵敏度需要提高35-40dB
20、（p128）射频噪声干扰
窄带高斯过程称为射频噪声干扰，其包络函数Un（t）服从瑞利分布，相位函数服从[0，2π]均匀分布
雷达接收机示意图：
混频
射频输入
本振
干扰信号功率谱Gj（f）=
线性系统的频率响应Hi（f）=
中放输出的干扰信号仍为窄带高斯噪声，其功率谱：Gi（f）=
中放输出的干扰信号的包络Ui服从瑞利分布
9、（p33）信道化接收机的特点及应用（高截获概率的接收机）
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雷达原理及系统复习
• 什么是雷达（radar）？
Radio Detection and Ranging 无线电探测与测距 测量目标的距离、方位和仰角 测量目标的速度 提供目标的其他信息，如：形态、表面信息等
雷达原理及系统复习
• 雷达坐标系
球（极）坐标系
斜距R，雷达到目标的直线距离
雷达原理及系统复习
雷达接收机
作用：通过适当的滤波将天线上接收到的微弱高频信号从噪 声和干扰中选择出来，并经放大和检波后，送至显示器、信 号处理器或由计算机控制的雷达终端设备中。
超外差技术
无线电波 选频滤波
fRF
fIF
混频器
滤波
解调
解调输出 滤波
fL 本振
如图所示，当接收的电波频率fRF变化时，本振频率fL和选频滤 波器的中心频率f0= fRF能够同步改变，从而使输出的fIF固定不 变，这种技术称为外差技术，当fIF低于fRF而高于信号带宽B时 就称为超外差技术。超外差技术具有灵敏度高、选择性好、工 作稳定、中频部分可标准化雷达等原理优及系点统。复习
方向与目标所在方向的夹角60°，求目标
距离、径向速度与线速度。
v
vr
R ctr 2
fd
2vr
雷达原理及系统复习
vr vcos
雷达的工作频率
f =c /λ
只要是通过辐射电磁能量，利用从目标反射回来的回波 对目标探测和定位，都属于雷达系统的工作范畴。
常用雷达工作频率范围：220MHz～35GHz 天波超视距雷达（OTHR）：4MHz～5MHz 地波超视距雷达：2MHz 毫米波雷达：94GHz 雷达频段划分和对应频率－－ 书P7，表1.1
雷达原理及系统复习
从地面或水面的反射影响来看：水平极化的米波雷达， 由于地面反射，波瓣分裂；地面反射对厘米波影响较小， 故中等作用距离的引导雷达均采用厘米波段。
从杂波干扰的影响来看：在目标（飞机）与云、雨相混 的情况下，由于飞机的尺寸远大于水滴的尺寸，依目标 的反射特性，采用大的λ可以提高输入信杂比。当目标 （飞机）以地物为背景时，由于飞机的尺寸远小于地物 的尺寸，依目标的反射特性，采用小的λ较好。
雷达原理及系统复习
测速
利用回波多普勒频移测相对速度
v
vr
fd
2vr
vr vcos
fd ：多普勒频移（Hz） vr ：雷达与目标之间的径向速度（m/s） λ：载波波长（m）
当目标向着雷达运动时， 0 > vr ，回波载频提高； 反之0 < vr ，回波载频降低。 径向速度也可用距离的变化率来求得
雷达原理及系统复习
单位时间内发出的功率能量Pav ，脉冲重复周 期内的输出平均功率。
脉冲发出时间点的功率Pt，脉冲期间射频振荡的 平均功率。
工作比，占空比
输出和输入的功率比 输入发射机的总平均功率
• 总效率
雷达原理及系统复习
习题
• 某雷达发射机峰值功率为800kW，矩形脉 冲宽度为3μs，脉冲重复频率为1000Hz，求 该发射机的平均功率和工作比。
测距
利用发射信号回波时延求得
tr
tr
2R c
C ：光速，
R ctr 2
雷达原理为1μs，求 目标离雷达的距离。 解：由公式 R c t r 代入参数可得 R150m
2
常见时延与距离：
1μs－－0.15km， 6.67μs－－1km， 12.3μs－－1.852km（1海里）， 10μs－－1.5km， 100μs－－15km， 1ms－－150km，
仰角β，目标斜距R与
其在水平面上的投影 OB在铅垂面上的夹角
β
α
方位角α，目标斜距R在水平面上
的投影OB与某以起始方向（参考 雷达原理及系统方复向习 ）在水平面上的夹角
• 雷达的基本工作原理
单基地脉冲雷达
发射机 电信号 收发开关
天线 电磁波 大气
接收机
收发开关 天线 雷达原理及系统复习 大气 回波 目标反射
雷达原理及系统复习
• 接收机的噪声系数
接收机输入端信号噪声比与输出端信号噪声比的 比值。其公式为：
• 接收机主要质量指标
1.灵敏度：Simin ，用最小可检测信号功率Simin 表示， 检测灵敏度，给定虚警概率 Pfa ，达到指定检测概 率Pd 时的输入端的信号功率：
通常所需接收机 gain = 120 ~ 160 dB ， Simin＝-120～-140dbw 主要由中频完成。
2.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Si /Si min，80~120 dB
利用足够高的分辨力获得 目标的尺寸和形状
距离分辨力：
R c c
2 2B
角分辨力：
1 2
0
k
D
τ：脉冲宽度 B：信号带宽 β0：天线半功率宽度 λ：信号波长 D：天线孔径
雷达原理及系统复习
习题
• 已知脉冲雷达中心频率f0＝3000MHz，回波 信号相对发射信号的延迟时间为1000μs，
回波信号的频率为3000.01MHz，目标运动
雷达原理及系统复习
雷达发射机的任务和基本组成
• 任务 产生大功率的特定调制的电磁振荡即射频信号 • 组成
单级振荡式 大功率电磁振荡产生与调制在一个器件中同时完成 主振放大式 先产生小功率的CW 振荡，再分多级调制和放大
雷达原理及系统复习
雷达发射机的性能指标
• 输出功率
输出信号功率
平均功率 峰值功率
测距精度与发射信号（时宽）带宽（或处理后脉冲宽度）有关， 脉冲越窄、性能越好
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测角
利用天线方向性实现
目标角位置：方位角α 仰角β
α
接收回波最强时的天线波束指向
天线尺寸增加，波束变窄，测角精度和角分辨力提高 角位置还可以利用两个分离接收天线收到信号的相位差来决定
2π弧度＝360°＝6000密位，1密位＝0.06 °
频率选择因素：体积、分辨力、用途、功能
雷达原理及系统复习
• 工作波长的选择
从接收机灵敏度来看，须考虑所选λ下接收机内部噪声和大
气噪声大小以及电磁波在大气中的衰减， λ应长一些。
从提高距离分辨率、角分辨率、天线增益的角度来看，希 望λ要短一些。
从目标检测来看，目标的散射特性与λ有关：当目标尺寸 >>λ时，目标对电磁波以散射为主，以绕射为辅，RCS大； 当目标尺寸<< λ时，目标对电磁波以绕射为主，以散射 为辅，RCS小；对隐身目标，波长在两个极端即米波或毫 米波为好。