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：012R 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：21222444t PG S S R R Rσσπππ==⋅,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 Rπ= 3、以目标为圆心，雷达处散射的功率密度：21222444t 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 Rσπ==. 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 2min [](4)t e PGA R S σπ= 6.收发不同天线时，7. 收发共天线时，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R tR t 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；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 Rt 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。