2014-雷达原理第三讲-讲义
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雷达基本工作原理22页PPT
雷达基本工作原理
16、自己选择的路、跪着也要把它走 完。 17、一般情况下)不想三年以后的事， 只想现 在的事 。现在 有成就 ，以后 才能更 辉煌。
18、敢于向黑暗宣战的人，心里必须 充满光 明。 19、学习的关键--重复。
20、懦弱的人只会裹足不前，莽撞的 人只能 引为烧 身，只 有真正 勇敢的 人才能 所向披 靡。
谢谢
11、越是没有本领的就越加自命不凡。——邓拓 12、越是无能的人，越喜欢挑剔别人的错儿。——爱尔兰 13、知人者智，自知者明。胜人者有力，自胜者强。——老子 14、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。——歌德 15、最具挑战性的挑战莫过于提升自我。——迈克尔·F·斯特利
雷达基本工作原理课件
雷达的分类
01
脉冲雷达
发射脉冲信号，通过测量脉冲 信号往返时间计算目标距离。
02
连续波雷达
发射连续波信号，通过测量信 号频率变化计算目标距离和速
度。
03
合成孔径雷达
利用高速平台对目标区域进行 扫描，形成高分辨率的合成孔
径图像。
雷达的应用
军事侦察
利用雷达探测敌方军事目标，如飞机、 坦克等。
气象观测
指雷达在存在欺骗干扰的情况下，仍能正常工作并检测到目标的能力 ，通常由信号鉴别和抗干扰算法决定。
多目标处理能力
跟踪能力
指雷达在同一时间内能够跟踪的 目标数量，通常由数据处理能力 和硬件资源决定。
分辨能力
指雷达在同一时间内能够分辨的 目标数量，通常由信号处理算法 和天线波束宽度决定。
05
雷达技术的发展趋势
天线是雷达系统的辐射和接收单元，负责发射和接收电磁波。
波束形成是天线的重要技术，通过控制天线阵列的相位和幅度，形成具有特定形状 和方向的波束。
天线的性能指标包括方向图、增益、副瓣电平和极化方式等。
信号处理与数据处理
信号处理是雷达系统的关键技术之一，负责对接收到的回波信号进行处 理和分析。
数据处理负责对雷达系统获取的数据进行进一步的处理、分析和利用。
当目标相对于雷达移动时，反 射的电磁波频率会发生变化， 这种变化被雷达接收并转换为 目标的相对速度。
速度测量的精度受到多普勒效 应的影响，而分辨率则受到雷 达工作频率和采样率的影响。
03
雷达系统组成
发射机
发射机是雷达系统的核心组件之 一，负责产生高功率的射频信号
。
它通常包括振荡器、功率放大器 和调制器等组件，用于将低功率 信号放大并调制为所需的波形。
雷达原理3-雷达接收机新ppt课件.ppt
S i
m in
k T0 Bn F0
So No
m in
(3.2.36)
通常,我们把(So/No)min称为“识别系数”, 并用M表示, 所以灵敏 度又可以写成
S i
m in
kT0Bn F0M
(3.2.37)
第3章雷达接收机
为了提高接收机的灵敏度, 即减少最小可检测信号功率Si min, 应做到:
F 1 N
k T0 BnGa
ΔN2=(F2-1)kT0BnG2
于是式(3.2.24)可进一步写成
(3.2.25)
No=kT0BnG1G2F0=kT0BnG1G2F1+(F2-1)kT0BnG2
化简后可得两级级联电路的总噪声系数
F0
F1
F2 1 G1
(3.2.26)
第3章雷达接收机 三级级联推导
之比, 叫做动态范围。
第3章雷达接收机 4. 中频的选择和滤波特性
接收机中频的选择和滤波特性是接收机的重要质量指标之 一。
在中频的选择可以从30 MHz到4GHz之间。 如何选择接收机的中频？ 短波接收机为什么选在465KHz？
在白噪声(即接收机热噪声)背景下应该选择何种滤波方式？
第3章雷达接收机
第3章雷达接收机
第3章雷达接收机
第3章雷达接收机
第3章雷达接收机
第3章雷达接收机
第3章雷达接收机
第3章雷达接收机
第3章雷达接收机
第3章雷达接收机
第3章雷达接收机
第3章雷达接收机
第3章雷达接收机
第3章雷达接收机
第3章雷达接收机
第3章雷达接收机
第3章雷达接收机
第3章雷达接收机
雷达接收机的任务是通过适当的滤波将天线上收到的微弱高频信号从伴随的 噪声和干扰中选择出来，同时处理后送到终端设备。 主要组成部分是:
雷达系统原理PPT课件
双重目标图像
• 当本船附近有一个大的反射面并处于与本船接近垂直的距离时 （如，本船正从一 艘大船旁边经过，等），雷达电波在本船与其 他船之间反弹。因此，2 到 4 个图 像可能会等距离的出现在目标 的方向上。由于多重反射造成的假图像被称为“双 重目标” 。 出现这种情况时，离本船最近的回波图像为真正的目标。 可以注 意到，当本船与相关目标的距离和方位发生变化时，双重目标也 会消失。 因此，这种假回波图像很容易就能区分出来。
脉冲（波束）宽度
• 脉冲宽度是指在主瓣中辐射功率密度为最大辐射功率密度（-3dB） 的一半的角（也 被称为“半值宽度”
雷达无线电波特性
• 雷达的无线电波略沿地表方向传播（主要视线）。这一特性的变 化取决于ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ气的 密度，其一般的计算公式如下所示，总之，雷达 的视线距离 D 比光学视距要长 约 6%。
携带 SART 船的实际位置
• 若本船位于 SART 位置的 1 海里以外， • 第一道显示的回波位置为距 SART0.64 海里 • 第 12 道回波为 SART 的实际位置。 • 若本船进入 SART 1 海里以内范围， • 显 示的扫描速度加快， • 该回波的长度为距 SART 实际位置 150 米。
雷达系统原理
什么是雷达系统？
• 雷达是从天线发射称为微波的甚高频无线电波的导航设备。发射 的无线电波经过 目标（如其他船，浮标，小岛等）反射回来，并 通过相同的天线接受后转换为电 信号。再将这些电信号发送给显 示单元进行显示。雷达使在夜晚或大雾的情况下 发现视线以外的 目标成为可能，并可以使船避免一些潜在的危险。 由于天线发射 的同时在旋转，这样就使本船周边的情况便一目了然。 雷达发射 的微波信号被称为脉冲信号，发射和接收这些信号是交替进行的。 一次 360 度的旋转就有上千的脉冲信号被发射和接收。
雷达原理第三章
准匹配滤波 用物理可实现的实际滤波器逼近匹配滤 波器，成为准匹配滤波。 失配损失：
n
S ρ = N ≈
S N max
滤波和接收机带宽
n
具体结果：P72 表3.4
滤波和接收机带宽
n
接收机带宽选择
n
警戒雷达
n n
中频带宽： B RI = Bopt + ∆f x 视频带宽： Bv ≥ Bopt 2
i =1
n n ∆ + ∆ + + ∆ L N G N G N 2∏ i n 1∏ i i=2 i =3 ∆N n ∆N1 ∆N 2 = 1+ + +L+ G1 N i G1G2 N i G1G2 L Gn N i
n
n
n
i =2
i =3
1 F = 1+ GN i
整理
Fk − 1 = ∆N N i Fn − 1 F2 − 1 F3 − 1 = F1 + + +L+ Gk G1 G1G2 G1G2 LGn −1
n
自动增益控制（AGC）
n
n
作用：在大信号输入时，使接收机处于线性放大状态，保 持信号较快的包络起伏调制（典型带宽20Hz以上） 特点：控制范围大，响应时间长(秒级) 作用：在遇到长时间的强干扰信号后，能够快速调整接收 机增益，不使接收机饱和，在强干扰结束，使接收机迅速 回到原有的线性放大状态，以便能够接收处理后续信号， 但对正常目标回波不起控 特点：响应时间快(5~20 τ )
S i min
So = M , N i = kT0 Bn ,∴S i min = kT0 Bn FM No
n
S ρ = N ≈
S N max
滤波和接收机带宽
n
具体结果：P72 表3.4
滤波和接收机带宽
n
接收机带宽选择
n
警戒雷达
n n
中频带宽： B RI = Bopt + ∆f x 视频带宽： Bv ≥ Bopt 2
i =1
n n ∆ + ∆ + + ∆ L N G N G N 2∏ i n 1∏ i i=2 i =3 ∆N n ∆N1 ∆N 2 = 1+ + +L+ G1 N i G1G2 N i G1G2 L Gn N i
n
n
n
i =2
i =3
1 F = 1+ GN i
整理
Fk − 1 = ∆N N i Fn − 1 F2 − 1 F3 − 1 = F1 + + +L+ Gk G1 G1G2 G1G2 LGn −1
n
自动增益控制（AGC）
n
n
作用：在大信号输入时，使接收机处于线性放大状态，保 持信号较快的包络起伏调制（典型带宽20Hz以上） 特点：控制范围大，响应时间长(秒级) 作用：在遇到长时间的强干扰信号后，能够快速调整接收 机增益，不使接收机饱和，在强干扰结束，使接收机迅速 回到原有的线性放大状态，以便能够接收处理后续信号， 但对正常目标回波不起控 特点：响应时间快(5~20 τ )
S i min
So = M , N i = kT0 Bn ,∴S i min = kT0 Bn FM No
雷达原理复习PPT课件
3、与二进制码盘相比，循环码盘的优缺点是什么？ 循环码盘的优点：在采用循环码时，几时在交界处反应不灵敏，其结果也只是误成相邻的 十进制数，不会产生大误差。 缺点：循环码时一种变权代码，不能直接进行算术运算，必须把循环码变换成二进制码。
1、已知某雷达最大作用距离为150Km，雷达天线的高度为10m，距雷达60Km处有一高度为 100m的目标，问：此时雷达是否可以观察到此目标？ Rs=4.1*(+)=4.1*13.16=53.956km 则Rmax=min(Rs,Rmax)=min(53.956,150)-53.956km 因53.956<60，则雷达不能观察到此目标 2、已知某雷达无衰减时的最大作用距离为100Km，问当单程传播衰减为0.4dB/Km时，则雷 达的实际最大作用距离是多少？ 有衰减时最用距离计算图，读图知答案 3、在目标尺寸比雷达工作波长大很多的情况下，要降低云雨回波对雷达测距性能的影响， 应降低还是提高雷达的工作频率？ 要降低云雨回波时对雷达测距性能的影响，应降低雷达的工作频率，为了提高工作波长， 即要降低f，可减小云雨回波的影响，而又不会明显减小正常雷达目标的截面积。
6
7
• 4、什么是相参积累和非相参积累，并说明二者对检测因子的影响。
• 相参积累：信号在中频积累时要求信号见有严格的相位关系
• 非相参积累：由于信号在包络检波后失去了相位信息而只保留下幅度信息，因而检波后积累就不需要信号间 有严格的相位关系。
• 对非相参积累：M个等幅脉冲积累后对检波因子Do的影响是：
• 接收机的灵敏度体现接收机的接收微弱信号的能力
• 灵敏度的物理意义：表示接收机可接收到最小可测信号功率的能力
• 动态范围：体现接收机的抗过载性能
• 噪声系数：体现接收机的噪声性能
1、已知某雷达最大作用距离为150Km，雷达天线的高度为10m，距雷达60Km处有一高度为 100m的目标，问：此时雷达是否可以观察到此目标？ Rs=4.1*(+)=4.1*13.16=53.956km 则Rmax=min(Rs,Rmax)=min(53.956,150)-53.956km 因53.956<60，则雷达不能观察到此目标 2、已知某雷达无衰减时的最大作用距离为100Km，问当单程传播衰减为0.4dB/Km时，则雷 达的实际最大作用距离是多少？ 有衰减时最用距离计算图，读图知答案 3、在目标尺寸比雷达工作波长大很多的情况下，要降低云雨回波对雷达测距性能的影响， 应降低还是提高雷达的工作频率？ 要降低云雨回波时对雷达测距性能的影响，应降低雷达的工作频率，为了提高工作波长， 即要降低f，可减小云雨回波的影响，而又不会明显减小正常雷达目标的截面积。
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• 4、什么是相参积累和非相参积累，并说明二者对检测因子的影响。
• 相参积累：信号在中频积累时要求信号见有严格的相位关系
• 非相参积累：由于信号在包络检波后失去了相位信息而只保留下幅度信息，因而检波后积累就不需要信号间 有严格的相位关系。
• 对非相参积累：M个等幅脉冲积累后对检波因子Do的影响是：
• 接收机的灵敏度体现接收机的接收微弱信号的能力
• 灵敏度的物理意义：表示接收机可接收到最小可测信号功率的能力
• 动态范围：体现接收机的抗过载性能
• 噪声系数：体现接收机的噪声性能
雷达原理介绍ppt课件
的射频信号进行下变频以转化为视频信号（即中心频率等
于0）。正交解调接收机即可完成这样的下变频处理：
sm(t) = s(t) exp(-j2 f0t) 可见，正交解调处理将信号的中心频率降低了 f0 。
|s( f )|
s(t)
sm(t)
正交解 调前
exp(-j2 f0t)
0 |sm( f )|
f0
f
正交解
基本原理
发射系统 接收系统
目标
将雷达的接收信号与发射信号进行比较，就可 以获得目标的位置、速度、形状等信息，根据这些 信息，雷达进而可以完成对目标的检测、跟踪、识 别等任务。
基本原理
发射信号：
Tp
t
Tr
雷达发射周期性脉冲，记脉冲宽度为 Tp，重复周期为 Tr，雷达峰值功率（即脉冲期间的平均功率）为Pt，雷达 平均功率（即周期内的平均功率）为Pav，工作比（即脉冲 宽度与重复周期之比）为D。显然有：
SNR = Ps / Pn 显然SNR越高，目标回波就越显著，就越有利于信号分析。
发射功率
不考虑各种损耗，影响目标回波峰值功率Ps的因素有：
雷达发射峰值功率Pt、目标的雷达截面积（RCS） 、目
标与雷达的相对距离R。它们之间存在关系：
Ps= Pt /R4 是与雷达系统及环境有关的常数。若 过小或R过大，则
Tp
t
响应的 3dB宽度称为雷 达距离分辨率，它表征 了雷达将相邻目标区分 开的能力。若接收机没 有脉冲压缩，可用发射
与雷达相距r的目标回波相对于发射脉冲 脉宽Tp近似距离分辨率；
的延时 = 2r / c，c为电磁波的传播速度。 若有脉冲压缩，分辨率
那么，与雷达的相对距离差为r的两个
雷达原理3- 雷达接收机
第3章雷达接收机
第3章雷达接收机
第3章雷达接收机
第3章雷达接收机
第3章雷达接收机
第3章雷达接收机
第3章雷达接收机
第3章雷达接收机
第3章雷达接收机
第3章雷达接收机
第3章雷达接收机 3.1.2
1. 灵敏度 灵敏度表示接收机接收微弱信号的能力。 超外差式雷达接收机的灵敏度一般约为(10-12~10-14)W.
接收机的工作频带宽度主要决定于高频部件(馈线系统、高频放大器和 本机振荡器)的性能。 带宽是不是越宽越好？
第3章雷达接收机
3. 动态范围 动态范围表示接收机能够正常工作所容许的输入信号
强度变化的范围。 最小输入信号强度通常取为最小可检测信号功率Si min,
允许最大的输入信号强度则根据正常工作的要求而定。 使接收机开始出现过载时的输入功率与最小可检测功率
第3章雷达接收机
第3章雷达接收机
第3章雷达接收机
第3章雷达接收机
第3章雷达接收机
第3章雷达接收机
第3章雷达接收机
第3章雷达接收机
第3章雷达接收机
第3章雷达接收机
第3章雷达接收机
第3章雷达接收机
第3章雷达接收机
第3章雷达接收机
3.1 雷达接收机的组成和主要质量指标
3.1.1 超外差式雷达接收机的组成 l接收机的任务
发 射脉 冲 噪声
被 噪声 淹 没 的信 号
图3.3 显示器上所见到的信号与噪声
第3章雷达接收机 2. 接收机的工作频带宽度
接收机的工作频带宽度种类？
接收机的顺时带宽是指，该部件在特定的增益（有时是相位）容差内能 同时放大两个或两个以上信号的频带。
调谐带宽是指该部件在调整适当的电气或机械旋钮时可以工作，而不降 低指定性能的频带。
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主振放大式
优点：频率稳定度高、可以形成复杂波形、相位相参、适于频率捷变 缺点： 结构复杂，效率低
高性能发射机的要求
发射信号必须是相参的 发射信号脉间必须是高稳定的 具备发射多种复杂波形的能力 抗干扰的能力 采用宽带发射机（>10%） 捷变频工作方式
发射机的主要指标 1、工作频率（频段）、带宽
F2 1 F1 G1
F2 1 F F1 G1
N级联
FN 1 F2 1 F3 1 F F1 G1 G1G2 G1G2 GN 1
T2 T3 TN Te T1 G1 G1G2 G1G2 GN 1
家庭作业：试证明上面两公式
f (t ) f1 f dr t t 0 nTr , nTr , n 0,1,2,3,
A t f f1 f2
LFM: 大时宽带宽信号， 解决了普通信号中大 占空比与距离分辨率 间的矛盾。发射峰值 功率小。其最大优点 在于抗多普勒平移干 扰。
射频隐身的关键
B
D B 1
雷达频率源的实现方法 3、基于DDS的频率合成器 DDS+PLL
DDS直接频率合成器
雷达接收机的主要性能指标 1、灵敏度和噪声系数 Si,min, F 灵敏度受噪声电平的限制 一般采用预选器、低噪声高频放大器和匹配滤波
Si,min： 10－12 ~ 10－14 W
2、选择性和信号带宽 信号带宽：接收机的通频带 带宽越窄，选择性越好，抗干扰能力越差， 采用滤波器组
镜像点-fi 的信号的模值
1 1 j Ai 1 e 1 2 cos 2 2 2
Ai ) I/Q正交鉴相器对系统动态或改善因子的限制：20 lg( Ad
接收机的噪声分析
目的： 获得级联系统的噪声系数
Si / N i
Si / N i S0 / N 0
F, G, Bn
雷达接收机的主要性能指标（续） 3、稳定性 短期稳定性（ms）和长期稳定性 频率源的稳定性和频谱纯度 幅度和相位的稳定性： 常温稳定性、宽温稳定性、振荡 常温稳定性、宽频带常温稳定性 4、动态范围和接收机的增益
S min
So G Si
S max
雷达接收机的主要性能指标（续） 5、抗干扰能力
L ( f m ) 10 lg
B 带宽内的单边带功率
载频功率
10 lg( B)
(dB/Hz)
典型要求： －80 dB
波形的产生
主要针对线性调频信号 模拟产生方法 有源法
利用压控振荡器（VCO）产生调频波，控制电压按所需的 调频规律变化
VCO: Voltage Controlled Oscillator
接收机中的几种主要附属电路 1、AGC（自动增益控制）
目的：使目标信号输出维持稳定
输出
中放
检波 LPF
视放 峰值检波器
2、IAGC（瞬时自动增益控制）
目的：防止信号太强，使干扰电压衰减，而维持目标信号的增益 放大器
输出
关键：迅速建立控制电压 为了不影响目标信号强度
i n i
现 代 雷 达 接 收 机 框 图
AGC电路
AFC控制电路
AGC: Automatic gain control
AFC: Automatic frequency control
雷达频率源的实现方法 现代的频率源：宽频带、高稳定、能产生复杂波形 1、直接合成频率源 用稳定的晶振作为参考频率源 特点： 频率转换速度快（<10 us）、稳定可靠 输出相位噪声基底低 体积大、成本高 2、间接合成频率源 锁相频率合成器PLL (phase-locked loop ) 组成： 高稳晶振参考源、鉴相器 压控振荡器（VCO）、低通滤波器（LPF） 特点： 电路简单、原理复杂
中放 AFC电路
输出
判断与额定中频的偏差
现代接收机的共性要求： 宽频带、低噪声、大动态、高稳定 数字化
软件雷达 A/D更靠近前端 开放式、灵活性、标准化、模块化
第三章
雷达发射机和接收机
第一部分：发射机
第二部分：接收机
雷达发射机
发射机的功能
产生所需的某功率电平的射频信号
雷达发射技术
对雷达频率源产生的小功率射频信号进行放大或直接自激振荡 产生高功率雷达发射信号的一种综合技术
发射机分类
单级振荡式 主振放大式
单级振荡式
优点： 简单、经济、轻便 缺点： 频率稳定度差、难以形成复杂波形、相位不相参
STANFORD公司的Stel-1173、2173、2171等 Qualcomm公司的Q2334、Q2220、Q2230 等 AD公司的产品
常用雷达发射机
根据平台划分 地面雷达发射机 发射功率高 窄带：高增益和高功率的速调管 宽带：行波管放大器 复合式发射机、全固态发射机 舰载雷达发射机 与地面雷达发射机相似
副主峰比（dB） -20lgN
- 6.0 -9.5 -12.0 -14.0 -16.9 -20.8 -22.3
其它的信号形式
LFM和PSK复合信号
FSK & PSK
OFDM & PSK
5、信号的稳定度
5、信号的稳定度
fc 不对称性和随机性
fm
f
频谱纯度（dB/Hz）：分布性频谱的每单位频带上的单边带功率与 载频功率的比值。
JATS（Jamming Analysis and Transmission Selection）： 杂波分析和发射
雷达接收机的主要性能指标（续） 6、波形失真 7、I/Q正交鉴相的正交度 （重要）
实现正交鉴相的方法：数字混频低通滤波法、数字插 值法、Hilbert变换法
NCO: Numerically Controlled Oscillator
Wave candidate
f dr sin t 2 Si (t ) cos 0 t f dr 2 t
波形的产生
声表器件
声表延迟线
电压效应产生形变， 产生超声波
压电效应产生电信号
必须是色散的
利用声表器件的脉压能达到－40dB 左右 频率范围：几百兆赫兹
效率比较：
脉冲雷达发射机效率
速调管、行波管发射机 磁控管、前向波放大管发射机 分布式全固态发射机
+ ++ +++
发射机的主要指标 4、信号形式
脉冲宽度： ps, ns ～ ms a) 固定载波的矩形脉冲调制信号
0.9信号形式
b) 线性调频信号(LFM)
x(t ) A cos2ft (t )
常用雷达发射机
机载雷达发射机 发射功率：
几千瓦 ～几十千瓦 （峰值） 几百瓦 ～几千瓦 （平均值）
通常采用行波管放大器 星载雷达发射机 通常采用体积小、重量轻的行波管放大器 固态微波晶体管放大器
第二部分
雷达接收机
基本组成： 接收前端、中频接收机、频率源 雷达接收系统框图
天
线
雷达接收机（超外差式） 超外差的定义： 接收机利用一个或多个本振和混频器将 接收到的回波变换成中频
Tamp ( F 1)Tin
级联形式下的噪声系数
N i kT0 Bn
F1 , G1 , Bn
' S N ' F1 N i Si
F2 , G 2 , Bn
N'
No
Si / N i F1 ' S / N'
N ' F1G1 N i
No :
G2 ( N ' N amp )
Recalling
N o N 'G2 ( F2 1)G2 N i
S /N F i i S0 / N 0 Si N o S i G1G2 N i
T amp ( F 1 ) T in
1 F1G1G2 N i ( F2 1)G2 N i G1G2 Ni
F1G1G2 ( F2 1)G2 G1G2
So / N o
噪声系数
F
噪声系数的大小与信号功率无关
接收机的功率增益
G N0 GN i
So Si
理想情况
F
F 1
N 0 GN i
F 1
放大器不能放大信噪比！
信号和噪声放大了G倍， 但没有引入新的噪声
等效噪声模型
Si / N i
F, G, Bn
So / N o
理想放大器
Si / N i
雷达接收机的主要性能指标（续）
b) 不平衡时
1 1 j 2f i t j s (t ) (1 e )e (1 e j )e j 2f i t 2 2
fi 点的信号的模值
1 1 j Ad 1 e 1 2 cos 2 2 2
G
S o : GSi
N o : G ( N i N amp )
等效噪声温度
N amp k Tamp Bn
Si / N i (GSi ) / G ( N i N amp )
Si / N i F S0 / N 0
N i N amp Ni
1
Tamp Tin
Tin 290k
压控振荡器称为调频器，用以产生调频信号
波形的产生
无源法
So ( )
Si ( )
关键： 展宽滤波器的设计
波形的产生
无源法
So ( ) Si ( ) H ( )
1 So (t ) 2
Si ( ) H ( )e jt d