雷达基本理论与基本原理
word版本hslogic_雷达基本原理
雷达是集中了现代电子科学技术成就的高科技系统。
目前，雷达已经成功地应用于地面、舰载、机载等各个方面。
近年来，雷达应用己经向外层空间发展，出现了天基雷达。
随着时代的发展，雷达在军用和民用等多方面都起着越来越重要的角色。
各国纷纷投入大量的人力物力，借助现代电子科技的不断进步来发展自己的雷达技术，使雷达技术和理论得到了迅猛的发展。
但根据雷达的分辨理论，雷达的精度和其分辨力无法同步提升，只有当发送信号有大带宽的时候，才能得到较高的测距精度和较强的距离分辨力。
但根据雷达的理论公式，信号的带宽，时宽和能量的乘积和为一，同时获得较大的带宽和较大的时宽在理论是不可能的。
针对这个问题，发展出了脉冲压缩技术，脉冲压缩技术对接收到的宽脉冲信号进行压缩处理，即通常所说的雷达脉冲压缩信号处理，从而得到窄脉冲。
在本质上，雷达脉冲压缩技术是对雷达接收机收到的回波信号进行匹配滤波，得到抗干扰能力强，且不降低雷达的距离分辨能量的信号。
脉冲压缩能这是通过对射频载波进行编码以增加发射波形的带宽，然后再对接收回波波形加以压缩后完成的。
这样既可以达到宽脉冲雷达系统的检测能力，又能保持窄脉冲系统的距离分辨力。
1.1.2课题研究意义雷达信号的脉冲压缩技术是对接收机接收到的回波信号通过匹配滤波器来进行匹配滤波处理，处理的前提是信号是已知的，这样不仅可以提高系统的抗干扰能力，而且提高了雷达雷达的分辨力。
从而有效地解决了距离分辨力和作用距离之间不可同时到达最大值的矛盾。
为了提高雷达的测量精度和分辨能力，要求回波信号具有较大的时宽—带宽积。
而在理论上，脉冲信号的时宽—带宽积近似为1，因此大时宽和大带宽无法同时得到。
在匹配滤波理论的指导下，首先发展出了线性调频技术，即线性调频脉冲压缩技术。
通过对宽脉冲内附加线性调频，获得大时带积信号。
之后由于线性调频脉冲压缩的缺陷，又发展出了非线性调频脉冲压缩和相位编码脉冲压缩技术。
到了八十年代后，随着数字电子技术的飞速发展，数字产生和处理技术因其突出的优点成为新研制系统的首选方案。
地质雷达原理及应用
• n=∞
T(t) = a0 + ∑ ancos(n2t * f + άn)
•
n=1
= c/f
带宽的定义：
带宽 B : fh – fl, - 10dB 为极限值
中心频率, fc = fl + fh – fl
2
B
分数带宽:
通常用%表示
fc
脉冲宽度, W = 1 B
带宽和中心频率决定了探测的效果
下面的例子可以看出带宽的重要性 带宽低的雷达图像被称为“烟圈（震荡）”
雷达的分辨率：
注意：雷达天线是宽频的，它有各种频率成分，因此用800兆天线达到2.1厘米的 分辨率是可能的！不要过分拘泥于理论细节，电磁波太复杂！
四、电磁波速度的确定
当有反射体存在时，雷达只记录电磁波走的时间。为了准确了解反射体的埋深，我们 必须知道电磁波在该介质中的传播速度。
确定电磁波速度有以下方法: 1. 使用标准速度 2. 通过已知深度的目标体进行校正 3. 双曲线拟合 4. 偏移处理 5. 共中心点探测 6. 实验室方法
?
Length [m]
Depth [m]
GPR工作方法 – 层析成像 (钻孔雷达)
二、地下介质的电特性
电特性
• 要探测的介质的电特性, 决定雷达方法是否适用。 • 在用雷达进行地质勘探时, 水是决定电特性的最主要的因素。
• 电导率 (穿透深度…)
• 相对介电常数 (对比度, 信号速度, “足印”…)
振幅时间窗 Δt来自[t][t]原始信号 采集后复制的信号
时间窗 = 样点数 * Δt
1
Δt
采样周期
采样频率 =
Δt
为什么雷达不是实时采样?
雷达原理与系统知识要点总结(必修)
成绩构成：平时20%（原理10%+系统10%，含考勤和课堂测试），期中30%，期末40%，课程设计10%。
雷达原理与系统（必修）知识要点整理第一章：1、雷达基本工作原理框图认知。
2、雷达面临的四大威胁3、距离和延时对应关系4、速度与多普勒关系（径向速度与线速度）5、距离分辨力，角分辨力6、基本雷达方程（物理过程，各参数意义，相互关系，基本推导）7、雷达的基本组成（几个主要部分），及各部分作用第二章雷达发射机1、单级振荡与主振放大式发射机区别2、基本任务和组成框图3、峰值功率、平均功率，工作比（占空比），脉宽、PRI（Tr），PRF（fr）的关系。
第三章接收机1、超外差技术和超外差接收机基本结构（关键在混频）2、灵敏度的定义，识别系数定义3、接收机动态范围的定义4、额定噪声功率N=KTB N、噪声系数计算及其物理意义5、级联电路的噪声系数计算6、习题7、AGC，AFC，STC的含意和作用第四章显示器1、雷达显示器类型及其坐标含义；2、A型、B型、P型、J型第五章作用距离1、雷达作用距离方程，多种形式，各参数意义，PX=？Rmax=？（灵敏度表示的、检测因子表示的等）2、增益G和雷达截面A的关系2、雷达目标截面积定义3、习题4、最小可检测信噪比、检测因子表示的距离方程5、奈曼皮尔逊准则的定义6、虚警概率、检测概率、信噪比三者关系，习题.（会看图查数）由概率分布函数、门限积分区间表示的各种概率形式；6.5 CFAR●什么是CFAR●慢变化CFAR的框图和原理●快变化CFAR的框图和原理，（左右平均、左右平均选大）●CFAR的边缘效应，图及分析7、为什么要积累，相参积累与非相参积累对信噪比改善如何，相参M~M倍。
8、积累对作用距离的改善，（方程、结论、习题）9、大气折射原因、直视距离计算（注意单位Km还是m）10、二次雷达方程、习题。
11、分贝表示的雷达方程，计算、习题，普通雷达方程的计算。
第六章距离测量1、R,tr,距离分辨力、脉宽、带宽关系2、最短作用距离、最大不模糊距离与脉宽、重频关系3、双重频判距离模糊、习题。
雷达气象学之第一章(天气雷达系统及探测理论)
天气雷达产品的显示方式2
• RHI (距离高度显示）：固定方位角，天线 做俯仰扫描，探测某方位上回波垂直结构 。坐标：R－最低仰角的斜距； H－按测高 公式计算（标准大气折射）。
天气雷达产品的显示方式3
• CAPPI （等高平面位置显示）：雷达以多 个仰角（仰角逐渐抬高）做0－360 °扫描 ，得到三维空间回波资料（体扫描），利 用内插技术获得某高度的平面分布
• 基本径向速度：表示整个360度方位扫描径 向速度数据，径向速度即物体运动速度平 行与雷达径向的分量。径向速度有许多直 接的应用，可以导出大气结构，风暴结构， 可以帮助产生、调整和更新高空分析图等。 平均径向速度产品有两点局限性：一是垂 直于雷达波束的风的径向速度被表示为0； 二是距离折叠和不正确的速度退模糊。
• 散射开来的电磁波称 为散射波
入射波
散射波
• 雷达波束通过云、降水粒子时将被散射， 其中有一部分散射波要返回雷达方向，被 雷达天线接收，在雷达显示器上就反映有 回波信号。
二、散射成因
• 微粒——粒子在入射电磁波极化下作强迫 的多极振荡，从而发出次波（散射波）。
• 粒子对电磁波的散射只改变电磁波的传播 方向,没有改变能量大小。
• d≈λ的大球形质点的散射，称为米散射。
§3.2 球形水滴和冰粒的散射
• 雷达天线接收到的只是粒子散射中返回雷 达方向（即θ= 180º方向）的那一部分能量， 这部分能量称为后向散射能量。
在a 2 r 1时 的瑞利散射条件下
在a 2 r 复数1时模的平方
后(向) 散16射 44函r6数mm：22 12(2 代入 4 ( )中
• 产品生成：根据操作员的输入指令，RPG在 体积扫描的基础上产生所需产品。
雷达原理第三版丁鹭飞精品PPT课件
设雷达发射功率为Pt, 雷达天线的增益为Gt, 则在自由空间
工作时, 距雷达天线R远的目标处的功率密度S1为
S1
PtGt
4R2
(5.1.1)
目标受到发射电磁波的照射, 因其散射特性而将产生散射回波。
散射功率的大小显然和目标所在点的发射功率密度S1以及目标 的特性有关。用目标的散射截面积σ(其量纲是面积)来表征其散
Pr
Si min
PtAr2 42Rm4 ax
PtG 22 (4 )3 Rm4 ax
(5.1.7)
第 5 章 雷达作用距离
或
1
Rmax
PtAr2
42
Si
min
4
1
Rmax
PtG 22 (4 )3 Si min
4
(5.1.8) (5.1.9)
式(5.1.8)、(5.1.9)是雷达距离方程的两种基本形式, 它表明了作 用距离Rmax和雷达参数以及目标特性间的关系。
第 5 章 雷达作用距离
5.2 最小可检测信号
5.2.1 典型的雷达接收机和信号处理框图如图5.2所示, 一般把检波
器以前(中频放大器输出)的部分视为线性的, 中频滤波器的特性 近似匹配滤波器, 从而使中放输出端的信号噪声比达到最大。
第 5 章 雷达作用距离
Si min
kT0BnF
n
S N o min＝Do
Pr
Ar S2
PtGtA (4R2 )2
(5.1.4)
第 5 章 雷达作用距离
由天线理论知道, 天线增益和有效面积之间有以下关系:
G
4A 2
式中λ为所用波长, 则接收回波功率可写成如下形式:
Pr
PtGtGr2 (4 )3 R4
雷达原理-第6章目标距离的测量
④
u
u
t
c
t
⑤
⑧
u
后波门 ⑤
后选通 ⑦
积分 电路
⑥
t′
c
t
t
形成 电路
放大 器
Ⅱ
u
⑦ u
t
⑧
注意：比较电路是否一直 u
t
有输出？
⑨ u
t
⑩
t
(a )
(b )
2020/5/7
(a) 组成方框图; (b) 各点波形
2. 控制器
控制器的作用是把误差信号uε进行加工变换后, 将其输出去控制跟踪波门移动, 即改变时延t′, 使其 朝减小uε的方向运动。设控制器的输出是电压信 号E, 则其输入和输出之间可用下述通常函数关系 表示:
脉冲调频测距原理 (a) 原理性方框图组成;
f
FA F
F T
td T A
o
2020/5/7
FA
fd
td
2vr
2 R0 c
FB
fd
td
2vr
2 R0 c
fd
FC
fd
2vr
FB
FC
T
T
B
C
t
(b)
脉冲调频测距原理 (b) 信号频率调制规律;
6.3 距离跟踪原理
6.3.1 人工距离跟踪 操作员按照显示器上的画面，将电刻
fb
ft
fr
8f Tm c
R0
fd
fb
fr
ft
8f Tm c
R0
fd
(前半周正向调频范围) (后半周负向调频范围)
R0
c 8f
fb fb 2fm
雷达原理
雷达的发展1886年赫兹采用人工方法产生电磁波
1903年德国人维尔思姆探测到了从船上反射的电磁波
1904年，德国的Huelsmeyer发明了雷达 1922年无线电之父马克尼首次描述了雷达的概念“电磁波能够为导体所反射，可以在船舶上设置一种装置，向任何需 要的方向发射电磁波，若碰到导电物体，它就会被反射到发射电磁波的船上，由一个与发射机相隔离的接收机接收，以 此表明另一船舶是存在的，并确定其位置”。 1922年，美国海军实验室的Taylor和Young用连续波雷达探测到船； 1930年，美国海军实验室的Hyland用连续波雷达探测到飞机； 1941年苏联最早在飞机上装备预警雷达。 1941年，美国军用雷达发现了正在逼近珍珠港的日军飞机； 1943年美国麻省理工学院研制出机载雷达平面位置指示器，可将运动中的飞机拍摄下来，他们发明了可同时分辨几十 个目标的微波预警雷达。 1944年马可尼公司成功设计、开发并生产「布袋式」（Bagful）系统，以及「地毡式」（Carpet）雷达干扰系统。前 者用来截取德国的无线电通讯，而后者则用来装备英国皇家空军（RAF）的轰炸机队。 1945年二次大战结束后，全凭装有特别设计的真空管──磁控管的雷达，盟军得以打败德国。 20世纪50年代，单脉冲、脉冲压缩和SAR（合成孔径雷达）技术； 20世纪60年代，相控阵、MTI（动目标检测）技术； 20世纪70年代，PD（脉冲多普勒雷达）雷达预警机技术。
雷达原理
雷达的发展
雷达（RADAR），是英文“Radio Detection
and Ranging”（无线电侦测和定距）的缩写及音 译。将电磁能量以定向方式发射至空中，接收物体 所反射之电波，以计算出该物体的方向，高度及速 度，并且可以探测物体的形状。以地面为目标的雷 达可以用于探测地面的精确形状。
激光雷达原理(2)
激 光 束 的 物 理 描 述
I A (r)
U A (r)
2
I
0
2
J
1(
)
2
-光波波长； F-光学天线的有效焦距； D-光学天线的有效孔径； F-光学天线系统的“F”数, F=(f/d)； J1()-第一类贝塞尔函数, =(r/F)； UA(r)-爱里斑振幅分布函数；
I P (r) U P (r) 2 I00
P
1
Re(
E
A2
E
)dA
1 2
S
Us
2 dS
若光探测器的负载电阻RL，则光探测器输出的电功率为：
i e P e
U
(r ,
t
)
2
dS
h 2h S
式中：S为光探测器光敏面积。光探测器输出的光电流为：
PS
i 2 RL
(
e h
)
2
P
2
RL
光探测器输出的电功率正比于入射光功率的平方
直 接 探 测 理 论
考虑到信号和噪声的独立性，则有： S p (e / h )2 RL Ps2
N p (e / h )2 RL (2Ps Pn Pn2 )
根据信噪比的定义，则输出功率比为：
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5.1.2冲击响应函数：“*（. t）
5.1.3最大输出峰值信噪比E/N0（对于正弦载频调制的矩形脉冲，平均功率意义下的峰值信噪比
为2E av/N o）；
5.1.4对于高斯白噪声，它是最佳滤波器，输出的瞬时信噪比最大，且等于输入的信噪比；
U*( f) j2 f 0t
5.1.5对于有色噪声，其频率响应函数为:
5.2雷达模糊度函数
当目标信号实际到达时刻与匹配滤波器设定的时刻存在一个时间差，信号
的多普勒频率与匹配滤波器设定的多普勒频率之间存在一个频率差f d时，目标
回波输出同设定的匹配接收机输出之间的失配程度叫做雷达模糊度函数，并记
为：
(,f d) u(t)u*(t )e
通过对雷达模糊度函数的分析，我们可以知道雷达能够在何种程度上将两个
距离相差R c /2，在径向速度上相差 V f d /2的目标分开。
也就是说，雷
达对于目标距离和速度的分辨率和可能的模糊度有多大。
二、雷达的基本组成
1、雷达天线
1.1天线的作用
雷达天线的作用主要分为两个方面：（1）、将雷达发射机产生的高能量电磁波辐射（有一定的方向性）向外部自由空间；（2）、接受目标的回波（包括外部噪声）。
1.2天线的主要参数
1.2.1天线的效率：将高频电流转化为电磁波能量的有效程度（短波损耗小）
P A
4.1振荡频率源
4.1.1基准振荡器（RO
基准振荡器的频率极其稳定，它提供雷达工作所需的基准参考频率，并为雷
达系统中的其他电路提供基准的时钟信号。
4.1.2相干振荡器（COHO
有基准振荡器驱动，其工作频率为f|F，且一般情况下f|F V f RF ,其中f RF为载
频，由用户给定。
4.1.3稳定本机振荡器（STALO
通过基准振荡器驱动来获得最大的频率稳定度，其工作频率为
4.2波形调制
雷达信号时经过调制的射频信号，因调制信号的不同而得到不同的雷达波形。
波形发生器接收到波形信息后，与相干振荡器输出的中频信号经混频器混频后，产生低功率的、具有所需发射波形的中频信号，在上图中，冲相干振荡器来得中频信号（频率为f|F，带宽为0）同带宽为B RF的基带模拟波形混
6.1.1雷达终端的基本内容包括：目标数据的录取、数据处理及目标状态的显示。
自接收机
自天线
雷达终端的典型组成框图
1) 各部分的作用
(1)点迹录取用于实现对来自接收机或信号处理机的雷达目标回报确认，并提取其仰角、方位
角。
距离、速度等信息；
(2)数据处理完成目标数据的关联、航迹处理、数据滤波等功能实现对目标的连续跟踪；
(3)轴角编码完成天线瞬时指向角的提取及其坐标转换；
(4)显示系统完成目标的位置、运动状态、特征参数及空情态势等信息的显示。
2)雷达显示画面的坐标系可分为极坐标和直角坐标两种方式。
根据显示的坐标
参数数量，可分为一维显示和二维显示。
3)雷达终端采用的显示器件可分为阴极射线管(CRT和平板显示器件，其中阴极射线管包括静电偏转
CRT和磁偏转CRT平板显示器件包括液晶显示板
(LCD和等离子显示板(PDP。
4)对于传统的雷达显示器，有直线扫描、径向扫描、以及圆周扫描等方式；对现代雷达显示器，有随
机扫描显示方式和光栅扫描显示方式。
5)根据需要显示信息的种类，可将雷达终端设备分为一次信息显示和二次信息显示，一次显示以模拟
显示为主，二次显示以数字显示为主。
6.1.2传统雷达显示器的类型及质量指标
1)距离显示器
图像 帧缓 存
各部分功能 ① 、A/D 变换：将雷达原始信号转换成
数字信号，满足奈奎斯
特准则；
② 、数据压缩：显示屏幕上一根扫描线上的像素点往往小于雷达回波在一 个雷达重复周期内的采样点数，为正常显示，需对邻近距离单元的回波数 据进行必要的合并压缩处理； ③ 、矢量产生：为产生径向扫描线，需要产生扫描线上各像素点的 X 、丫
坐标值，可以通过矢量产生器得到。
④ 、图像展开：对矢量产生的坐标值进行相应的变换处理。
3）图形通道
（1）、系统构成
至视频D/A =^>
雷达
数 ->据 缓 存
数 据 缓
存
状态控制字
至监视器
\7
采用低噪声放大器是为了提高接收机的噪声系数
（3）混频器
混频器将输入的射频信号转换为中频信号，因为一般来说，接收机处理中频信号比处理射频信号要容易很多。
（4）中频放大器
经过混频器下变频处理所得的中频信号通过中频放大器进一步放大，以便正交混频器提取出所需的回波幅度和相位信息。
脉冲多普勒雷达的信号处理模型
1）正交检波
为了得到回波信号的相位差信息，通常采用正交检波将相位差的变化转化成输出电压的变化，在雷达信号处理中，I/Q检波是广为采用的技术。
将I/Q检波结果通
过低通滤波器等装置后，最终输出结果为：
I、Q检波后，保留了接收信号中关于目标距离的延迟相位和
原始相位信息。
2) A/D采样
经过I、Q正交检波的信号可由A/D变换器离散化采样，并提供给数字信号处理系统
做进一步处理。
（昨天在请教师兄的过程中，师兄指出，当前的雷达信号处理机制中，
「般把A/D采样放在检波前面，从而实现数字检波，具体实现过程如何,
I通道：V Acos
Q通道：V2Asin 口
可见，经过。