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雷达原理讲义 2012年8月 主要内容 绪论雷达发射机雷达接收机雷达终端显示和录取设备雷达作用距离 第一章 第一章绪论 绪论 雷达的任务 什么是雷达RADAR RadioDetectionandRanging辐射电磁波 目标反射 接收目标回波目标回波携带目标的信息根据接收的回波进行目标检测与目标参数测量 雷达的基本构成 绪论 雷达的基本构成 目标距离的测量目标到雷达距离 PRI 脉冲重复间隔tr 电磁波往返时间雷达的距离分辨力为 绪论 目标距离的测量 雷达波束与目标角位置的测量目标回波最强的方向雷达的角分辨力等于波束宽度D为天线孔径 绪论 目标角位置的测量 t 目标回波幅度 0 多普勒效应fr 接收信号频率ft 发射信号频率 绪论 目标径向速度的测量 vt vr 目标形状的测量fr 接收信号频率ft 发射信号频率距离分辨力 信号带宽角分辨力 天线孔径 绪论 目标形状的测量 R R 绪论 雷达的工作频率 按战术来分 军用雷达 预警雷达 地基 机载 天基 搜索和警戒雷达引导和指挥雷达火控雷达制导雷达战场监视雷达无线电测高仪雷达引信 绪论 雷达的分类 民用雷达气象雷达 航空管制雷达 交会对接雷达按信号形式常规脉冲雷达 脉冲压缩雷达 脉冲多普勒雷达 连续波雷达 噪声雷达按角跟踪方式单脉冲脉冲雷达 圆锥扫描雷达 绪论 雷达的分类 按测量目标的参量测高雷达 两坐标雷达 三坐标雷达 测速雷达 目标识别雷达按信号处理的方式频率分集雷达 极化分集雷达 MTI雷达 SAR雷达按天线扫描的方式机械扫描雷达 相控阵雷达 频率扫描雷达 绪论 雷达的分类 绪论 雷达的历史与发展 电磁波理论与电磁波的试验验证 绪论 雷达的历史与发展 第一个雷达的实际应用ChristianHuelsmeyer 德 在1904年用于检测船只 距离为3km 绪论 雷达的历史与发展 二十世纪早期的技术进展与局限发射机 真空管 天线 接收机 相干接收 局限 低工作频率低发射功率连续波低接收机灵敏度 绪论 雷达的历史与发展 二次世界大战中的雷达德国海军海军用Freya雷达 陆基飞机检测雷达 工作频率 120to130MHz 脉宽 3us PRF 500Hz 峰值功率 15to20kW 最大探测距离 100nmi 建造数量 1000 安装于北海岸 绪论 雷达的历史与发展 德国防空用Wurzburg雷达 工作频率 560MHz 最大探测距离 25nmi 距离分辨力 100m 测角精度 0 2o被英军实施无源干扰被美军实施有源干扰 绪论 雷达的历史与发展 英国Chainhome雷达网络 近岸防空 工作频率20to30MHz 功率 350KW 后增至750 PRF 25and12 5Hz 脉宽 20us 探测距离 200nmi 绪论 雷达的历史与发展 二次大战中和大战后 微波雷达 1941 英美S X波段雷达 PPI显示 超外差接收 绪论 现代雷达 ANTPS 75v长程对搜索雷达 台空军东引岛 绪论 现代雷达 俄罗斯道尔M2E的搜索雷达可有效拦截飞机 直升机 巡航导弹 制导炸弹和无人机等中低空目标 绪论 现代雷达 俄制对手 GE三坐标雷达防空系统自动化控制系统和空中交通管制系统在高强度雷达对抗条件下 精确传送目标信息 为歼击机进行目标指引 同时保障地面防空导弹营目标指示数据 最大测高距离200公里 能发现近太空近地轨道上的卫星目标 采用相控阵雷达天线 方向图扇区0 45度 超低旁瓣天线 能自动抗有源噪声干扰 绪论 现代雷达 APG 77机载雷达 用于F22 工作波段X体制AESAPD波束锐化SARISAR空对空模式 空空搜索与跟踪 空战机动ACM RWS VSR STT 来袭群目标分辨 改善上视搜索 战情提示 气象探测 非合作识别等空对地模式 增强实波束地形测绘 扩展地形测绘 多普勒波束锐化 选用地图冻结 信标 地面动目标跟踪 地面动目标显示空对海模式 海面目标探测 固定目标跟踪 海面动目标显示 海面动目标跟踪作用距离 160英里 迎头目标大范围搜索 120英里 TWS模式 多目标跟踪 80英里 增强实波束测绘探测地面目标 40英里 用GMTI方式对陆地和海面目标 10英里 ACM自动锁定第1个目标 31英里 STT方式自动锁定第1个目标 跟踪目标数量 30 空中目标 16 地面目标 绪论 现代雷达 中国炮瞄雷达 绪论 现代雷达 美国炮瞄雷达 绪论 现代雷达 雷神GBR 绪论 现代雷达 雷神GBR 绪论 现代雷达 ANFPS 85相控阵空间监视雷达 绪论 现代雷达 COSMO SkyMed雷达卫星 绪论 现代雷达 美军天基雷达 绪论 现代雷达 美军SBX雷达 绪论 现代雷达 长沙气象雷达站 绪论 现代雷达 郑州机场雷达站 绪论 雷达面临的四大威胁 电子干扰压制式干扰 欺骗式干扰低空飞行器低空由于多径形成雷达盲区反辐射导弹隐身目标 绪论 习题 简述雷达测距 测角和测速的基本原理 已知某常规脉冲雷达的发射信号脉宽为2 s 求其距离分辨力 已知雷达的工作频率f0 9 5GHz 天线尺寸为1m 0 5m 求该雷达的方位角分辨力和俯仰角分辨力 已知雷达工作频率为f0 3GHz 若一目标以1马赫 1马赫 1000ft s 1ft 30 48cm 速度朝雷达飞行 则雷达收到的回波频率与发射频率之差 即目标的多普勒频率 为多少 已知f0 9 5GHz 天线尺寸为1m 0 5m 水平 垂直 求雷达的方位角分辨力和俯仰角分辨力 设k 4 求天线增益 用dB表示 第二章 第二章雷达发射机 雷达发射机 功能 功能产生符合要求的波形调制到射频放大获得要求的发射功率类型单级振荡式 主振放大式 雷达发射机 组成 单级振荡式发射机特点 简单 成本低频率稳定度差 难以实现脉间相参和复杂波形 雷达发射机 组成 主振放大式发射机特点 高频稳度 容易实现复杂波形和脉间相参 雷达发射机 组成 固态发射机集成微波功率器件 低噪声放大器 固态发射或收发模块 体积小 重量轻 系统设计灵活多用于相控阵雷达 雷达发射机 主要技术指标 工作频率或波段 带宽决定了发射管种类1GHz 多腔磁控管 大功率速调管 行波管和前向波管输出功率峰值 脉冲 功率Pt与平均功率Pav的关系 Tr称为工作比或占空比 雷达发射机 主要技术指标 总效率发射机输出功率 总输入功率信号形式常规脉冲 脉冲压缩波形 含LFM和相位编码 调频连续波信号的稳定度或频谱纯度信号的各参数 如幅度 频率 脉宽 脉冲重复频率 随时间的变化 f0 f0 1 1 Tr 信号谱线 离散型寄生谱线 分布型寄生输出 雷达发射机 习题 简述雷达发射机选择和设计时应考虑的主要因素 简述雷达发射机的主要功能 第三章 第三章雷达接收机 雷达接收机 组成 雷达接收机 主要技术指标 灵敏度接收机灵敏度定义为最小可检测信号功率Si min 即接收机可以正常接收并检测信号的最小信号功率接收机灵敏度主要受噪声电平的限制 雷达接收机 主要技术指标 工作带宽接收机频率变化范围抗干扰性能 需要大带宽高灵敏度 窄带宽动态范围接收机正常工作容许的输入信号强度的变化范围从Si min 接收机过载时的输入信号功率中频的选择和滤波特性接收机中频的选择 取决于发射波形 接收机工作带宽 前端器件性能滤波特性 匹配滤波 雷达接收机 主要技术指标 工作稳定性及频率稳定度工作稳定性 当环境 含电源 发生变化时 接收机性能受影响的程度 频率稳定度 相参本振 影响相参积累的性能抗杂波和干扰能力杂波抑制 频率捷变 微电子化和模块化结构 雷达接收机 接收机噪声 接收机噪声热噪声 功率N0 kTBn 玻尔兹曼常数k 噪声温度T 噪声带宽Bn天线噪声 主要包括热噪声和宇宙噪声 当接收机电阻与天线辐射电阻匹配时 功率NA kTABn等效噪声带宽 雷达接收机 接收机噪声系数 噪声系数与噪声温度噪声系数 N 接收机内部噪声在输出端呈现的功率等效噪声温度 Te 将 N等效为输入热噪声所产生的输出 则 雷达接收机 接收机噪声系数 级联电路的噪声系数 雷达接收机 接收机灵敏度 接收机灵敏度为识别系数 即接收机输出端的最小可检测信噪比 雷达接收机 接收机的高频部分与本振AFC 接收机的高频部分主要包括收发开关 低噪放 高放 混频器等接收机本振的AFC控制电路锁相环 PLL 雷达接收机 接收机的动态范围及控制电路 接收机的动态范围自动增益控制 AGC 用于对目标的自动方向跟踪 雷达接收机 接收机的动态范围及控制电路 瞬时自动增益控制 IAGC IAGC的主要作用 使干扰衰减而目标的增益不变干扰持续期为 n 目标脉冲宽度为 则小时间常数电路的时间常数 i设计为 i 5 20 n 雷达接收机 灵敏度时间控制 STC 灵敏度时间控制 STC STC的主要作用 抑制近程杂波和干扰 雷达接收机 滤波和接收机带宽 匹配滤波器在所有线性滤波器中 匹配滤波器的输出信噪比最大 为2E N0常规矩形脉冲的匹配滤波器 匹配滤波器输出 2E N0 A2 N0实际中 只能实现近似匹配 雷达接收机 接收机带宽的选择 接收机带宽的选择警戒雷达要求高灵敏度 但测距精度要求不高 带宽选取为 射 中频带宽 BRI Bopt f 视频带宽 Bv Bopt 2跟踪雷达要求波形失真小 总带宽选取为 Bo 2 5 雷达接收机 习题 说明雷达AGC IAGC及STC在雷达接收机中的作用 说明雷达接收机噪声的计算方法及其与接收机参数之间的关系 说明雷达接收机灵敏度的定义及其与接收机参数和识别系数之间的关系 说明匹配滤波器的原理及其在雷达接收机中的作用 第四章 第四章雷达终端显示和录取设备 雷达终端显示和录取设备 主要类型 距离显示器A型显示器A R型显示器J型显示器 雷达终端显示和录取设备 主要类型 平面显示器PPI显示器B型显示器 雷达终端显示和录取设备 主要类型 高度显示器 E显 综合显示器一次画面 二次画面 雷达终端显示和录取设备 习题 说明常用雷达显示器的类型及其图像的含义 第五章 第五章雷达作用距离 雷达作用距离 雷达方程 基本一次雷达方程发射功率Pt 全向发射 距离R处的单位面积的功率为Pt 4 R2 目标RCS为 目标反射的功率为Pt 4 R2 目标反射后回到雷达天线处的单位面积的功率为Pt 4 R2 2 雷达天线的接收功率为Si Pt Ar 4 R2 2 Ar为天线孔径面积 考虑雷达发射天线增益为Gt 则雷达天线的接收功率为Si Pt GtAr 4 R2 2 天线增益与天线孔径面积之间的关系 G 4 A 2最大作用距离Rmax对应接收机灵敏度Si min 即最小可检测信号 雷达作用距离 雷达方程 目标的雷达截面积 RCS 目标的RCS由目标的后向散射系数 0和目标的几何面积A确定 目标的后向散射系数 0定义为单位面积的RCS 后向散射系数由雷达的工作频率 目标材料 形状 姿态角等因素共同确定 对双多基地雷达 采用目标的前向RCS和前向散射系数 雷达作用距离 雷达方程 接收机灵敏度 最小可检测信号Si min 与最小可检测信噪比有关 最小可检测信噪比 接收机噪声系数 M为识别系数 与发现概率和检测概率有关 雷达作用距离 雷达方程 用最小可检测信噪比表示的雷达方程考虑到系统损耗L和带宽校正银子CB 1 雷达方程为 雷达作用距离 门限检测 检测方法与门限电平进行比较四种判断及其概率N P准则 Pfa恒定 Pd达到最大 雷达作用距离 检测性能与信噪比 检测性能与信噪比虚警概率Pfa的计算含载波噪声 即检波前 为高斯噪声 其电压pdf为 检波后 噪声电压服从瑞利分布 其pdf为 虚警概率Pfa为 虚警时间Tfa 发生虚警的平均时间间隔 雷达作用距离 检测性能与信噪比 发现概率Pd的计算有信号时 信号 噪声的电压分布的pdf为 发现概率Pd 雷达作用距离 检测性能与信噪比 检测曲线虚警概率恒定时 发现概率与信噪比之间的关系 相互关系 SNR不变 vT Pfa Pd vT不变 噪声功率不变 Pfa不变 SNR Pd 恒虚警 CFAR 技术 当噪声起伏 功率变化 时 欲使Pfa不变 则vT应随噪声功率而自适应变化 故CFAR技术也是自适应门限技术 雷达作用距离 脉冲积累对检测性能的改善 积累的定义对一个目标发射多个脉冲 则雷达受到该目标的多个回波 对回波进行叠加 相参 干 积累与非相参 干 积累相参积累包括中频相参积累和I Q正交双通道零中频相参积累将相位对齐后进行叠加 一般采用DFT n个脉冲相参积累后 信号幅度提高到n倍 信号功率提高到n2倍噪声具有随机相位 n个噪声脉冲叠加 噪声功率提高到n倍因此SNR提高n倍 非相参积累由于检波器造成信噪比的损失 n个脉冲非相参积累后 SNR提高n1 2 n倍 雷达作用距离 脉冲积累对检测性能的改善 积累性能的表征积累效率 So No 1 单个脉冲检测多需信噪比 So No n n个脉冲积累后检测多需信噪比积累对雷达作用距离的影响 M M n 雷达作用距离 脉冲积累对检测性能的改善 积累脉冲数的确定机械扫描 机械扫描天线 相位扫描 相控阵天线 相位扫描的积累脉冲数取决于波束驻留的时间Ts 雷达作用距离 脉冲雷达截面积及其起伏特性 点目标与分布式目标三维分辨单元 R 三维分辨单元大小 R R R 点目标 目标尺寸三维分辨单元点目标特性与波长的关系对球体 2 r 光学区 r2一般要求处于远场 光学区 雷达作用距离 脉冲雷达截面积及其起伏特性 目标特性与极化的关系极化散射矩阵复杂目标的雷达截面积分解成独立散射体 然后相干合成 雷达作用距离 脉冲雷达截面积及其起伏特性 目标起伏模型描述 起伏的统计规律斯威林模型I型 慢起伏 脉间相关 扫描间独立 振幅瑞利分布 II型 快起伏 脉间独立 扫描间独立 振幅瑞利分布 III型 慢起伏 脉间相关 扫描间独立 振幅 2分布 IV型 快起伏 脉间独立 扫描间独立 振幅 2分布 目标起伏对检测性能的影响影响检测性能与最优检测方式起伏模型的改进对数正态 RICE分布 K分布 Weibull分布 复合高斯分布 雷达作用距离 传播过程中各种因素的影响 大气传播的影响大气衰减氧气和水蒸气衰减 主要对 10cm氧气 22 24GHz 184GHz 水蒸气 60GHz 118GHz雨雾衰减设晴天雷达接收的功率为Pr0电波单程传播衰减 dB km设雨天雷达的接收功率为Pr 雷达作用距离 大气折射与雷达直视距离 大气折射的影响引起测角误差和测距误差大气密度随高度的增加而下降 电磁波方向向下弯曲 反射率下降 折射率上升 等效增加视线距离 等效地球曲率半径增加最大直视距离 雷达作用距离 大气折射与雷达直视距离 地面或水面反射对作用距离的影响直达波与镜面反射波干涉 引起雷达的作用距离随目标仰角呈周期性变化 某些方向Rmax 0 该方向构成盲区 措施采用垂直极化 仅在仰角 2 时 才可能出现直达波与反射波反相抵消 采用短波长 后向散射增加 同时镜面反射减少 接近于漫反射在高度上采用分层天线实现盲区互补 雷达作用距离 雷达方程的几种形式 二次雷达方程二次雷达 目标上有应答器雷达 目标目标 雷达要求 R max Rmax 探测距离较一次雷达增加 雷达作用距离 雷达方程的几种形式 双基地雷达方程Ft Fr分别为发射和接收方向图传播因子 主要由发射面多径效应产生的干涉效应引起 雷达作用距离 雷达方程的几种形式 用信号能量表示的雷达方程 雷达作用距离 雷达方程的几种形式 搜索雷达方程搜索空域立体角 天线波束立体角 扫描时间ft 点目标驻留时间Td 则 雷达作用距离 雷达方程的几种形式 跟踪雷达方程在t0时间内连续跟踪1个目标 并考虑理想相干积累t0为跟踪时间 雷达作用距离 习题 根据雷达距离方程 说明雷达的最大作用距离与发射机 接收机 天线及目标特性各参数之间的关系 什么是恒虚警 描述Pd Pfa与门限电平vT 信噪比之间的关系什么是相参积累和非相参积累 为什么积累能改善信噪比 说明积累对最大作用距离的影响 已知某360 环扫雷达 天线波束宽度为2 天线扫描速度为5转 分 当重复频率为360Hz时 处于空间某一方向的点目标的回波脉冲数是多少 若采用相参积累 则最大作用距离相较积累前有何变化 若雷达天线高度为5米 对于飞行高度为5km的目标 该雷达的最大直视距离为多少 已知某雷达波长为10cm Pt 2MW G 5000 Si min 0 05pW 求其对RCS为10m2的目标最大探测距离 第六章 第六章目标距离的测量 目标距离的测量 脉冲法测距 测距原理tr 2R c R ctr 2 通过测量电磁波往返目标一次所需的时间tr来测量距离R 方法主要有 脉冲法 频率法 相位法脉冲法测距vn 扫描速度 cm s tp 锯齿波电压正程扫描时间 vn lp tp l 2 Rlp ctp 回波时刻 采用脉冲前沿 则易受干扰 采用脉冲中心 用过零点检测方式 目标距离的测量 脉冲法测距 影响测距精度的因素 c 电磁波传播速度的变化 tr 延时测量误差 主要由大气折射引起的误差 电磁波的非直线传播 测读方法引起的误差 目标距离的测量 脉冲法测距 距离分辨力和测距范围距离分辨力d 光点直径 若忽略光点直径的影响 对脉冲压缩信号 距离分辨力为 B 发射信号带宽最大单值测距范围 Rmax 最大不模糊距离 目标距离的测量 脉冲法测距 判距离模糊方法R cTr 2 出现距离模糊 R c mTr tr 2 判定模糊度m 多重复频率判距离模糊重复频率之间满足关系 取m 1 有 解得 目标距离的测量 脉冲法测距 三重复频率判距离模糊 中国余数定理设fr1 fr2 fr3 m1 m2 m3 用三个重复频率分别测得目标的距离单元号为A1 A2 A3 则目标所在的真实的距离单元为 b1 b2 b3为满足条件的最小整数 目标的真实距离为 目标距离的测量 脉冲法测距 舍脉冲法判距离模糊发射高重复频率脉冲 每发射M个脉冲舍弃一个 则回波脉冲每隔M个脉冲缺少一个 根据缺失回波脉冲的位置判断模糊数从缺失发射脉冲位置开始 计数发射脉冲个数至某一发射脉冲后没有回波脉冲结束 该计数值即为模糊度 目标距离的测量 调频法测距 调频连续波测距主要思路 频率调制 时间的变化对应于频率的变化 测量收发的频差等效于测量收发的延时 收发的延时对应于目标的距离 目标距离的测量 调频法测距 三角波调制不考虑多普勒频率 目标距离的测量 调频法测距 考虑多普勒频率 LFMCW性能 距离分辨力 取决于调频带宽最大不模糊距离 对调频非线性度的限制 非线性度 r Rm 目标距离的测量 调频法测距 LFMCW特点 近距离测量精度高 系统简单 设备量少 难以同时测量多个目标 收发隔离困难 作用距离短典型应用 雷达高度表 防撞雷达 目标距离的测量 目标距离跟踪原理 目标距离跟踪定义 产生移动时标对准目标回波 对目标的距离进行连续测量 方式 人工 半自动 自动人工距离跟踪产生移动时标的方法 锯齿波电压法 相位调制法锯齿波电压法 比较电压与电位器转角之间的关系 Ep K 特点 设备简单 测距精度不高 目标距离的测量 目标距离跟踪原理 相位调制法特点 精度高 但输出幅度受正弦波频率的限制 频率降低时 幅度也降低 无法实现远距离跟踪 复合法锯齿电压法产生粗测移动距离波门 用相位调制法产生精测移动距离波门 目标距离的测量 目标距离跟踪原理 自动距离跟踪自动测距系统包含三大部分 自动搜索 自动捕获 自动跟踪 目标距离的测量 目标距离跟踪原理 时间鉴别器比较回波信号与跟踪脉冲之间的时间差 t t t 并将转换为与之成比例的误差电压ue 目标距离的测量 目标距离跟踪原理 控制器放大时间鉴别器产生的误差信号ue 并转换为跟踪脉冲产生器的控制信号 简单放大 E K2ue K1K2 t t E用于控制跟踪脉冲延时t 则t K3E K1K2K3 t t 因此 总存在跟踪位置误差 一阶闭环系统 则 对固定目标或慢速目标 跟踪脉冲可以对准回波脉冲 二阶闭环系统 可以跟踪恒速目标 因此 自动距离跟踪系统控制器必须采用积分元件 目标距离的测量 目标距离跟踪原理 跟踪脉冲产生器类似于移动时标的产生 数字式自动距离跟踪采用数字比较器实现时间鉴别和距离比较 采用计数器实现跟踪脉冲的产生 采用减法器实现控制器的功能 自动搜索和自动捕获跟踪状态 要求回波脉冲处于距离脉冲宽度内 超出则无法跟踪跟踪之前需要进行搜索和捕获自动搜索系统 产生一个在0 tmax内自动移动的脉冲 搜索脉冲 使之可能与回波脉冲相遇 当连续几个重复周期时间鉴别器有输出时 转入跟踪状态 目标距离的测量 目标距离跟踪原理 自动测距系统的特点自动搜索 自动捕获 自动跟踪 控制器采用积分元件 目标距离的测量 习题 设雷达采用双重复频率消除距离模糊 两个重复频率fr1 2000Hz fr2 2500Hz 设用fr1测得目标距离为7 5km 用fr2测的目标距离为22 5km 求目标的真实距离 自动距离跟踪系统应具备那些特征 测距的方法有哪些 某常规脉冲雷达 脉宽为4 s fr 300Hz 光点扫描速度vm 0 05cm km 光点直径d 0 03cm 收发开杆时间t0 0 1 s 求 1 距离分辨力与最小探测距离 2 能否准确确定250km处目标 LFMCW测距 要求距离分辨力为0 5m 最大不模糊距离为2km 则波形的调频非线性度应低于多少 其调制带宽至少为多少 第七章 第七章角度测量 目标角度的测量 物理基础 雷达测量目标角度的物理基础电磁波在均匀介质中的传播的直线性和雷达天线波束的方向性雷达天线的方向图描述雷达天线辐射电磁波能量的空间分布相对于全向辐射的增益称为天线增益天线孔径越大 天线的波束就越窄 天线增益越高 目标角度的测量 测角方法及其比较 相位法测角基本原理利用多个分置天线接收信号 利用不同天线接收信号之间的相位差进行测角 目标角度的测量 测角方法及其比较 相位检波器功能 将输入信号的相位差转变成电压 当U2 U1时 目标角度的测量 测角方法及其比较 测角误差与多值性问题相位差测量误差与测角误差之间的关系 天线间距d越大 相位测量误差对测角误差的影响越小 d 2 相位检波器测量相位差 0 2 即 0 2k 从而出现测角模糊 兼顾测角精度和测角模糊问题的解决办法 三天线测角 目标角度的测量 测角方法及其比较 振幅法测角主要包括最大信号法和等信号法最大信号法利用天线波束作圆周扫描时输出脉冲串受到天线方向图的调制的特点 找出脉冲串的最大值出现时刻波束的指向两脉冲间的天线转角为 特点 简单 测量时波束对准目标 信噪比最大 有利于目标检测 测量精度不高 约为 b 5左右 不能判断目标偏离轴线的方向 不利于自动测角 t 目标回波幅度 0 目标角度的测量 测角方法及其比较 等信号法测角采用两个相同且彼此部分重叠的波束 对两个波束收到的同一个目标的回波幅度进行比较 确定目标偏离等信号轴的方向 测角方法 比幅法制定偏角和幅度比值的对应关系表 在测角时进行查表 和差法同振幅和差单脉冲测角 特点 测角精度高 可达 b 50 可以判目标偏角方向 自动测角 较复杂 等信号轴方向非目标回波最大方向 作用距离减小 目标角度的测量 波束形状和扫描方法 波束形状和扫描方法主要包括扇形波束和针状波束扇形波束垂直波束宽 方位波束窄 因此方位分辨力高 常用于搜索雷达余割平方波束 同一高度不同距离的目标的回波功率基本相同 目标角度的测量 波束型形状和扫描方法 针状波束水平 垂直波束均较窄 因此方位和俯仰分辨力均高 但扫过一定空域的时间长 搜索能力差 扫描方式 螺旋扫描 分行扫描 锯齿扫描 目标角度的测量 波束形状和扫描方法 天线波束的扫描方法机械扫描利用整个天线系统或其某一部分的机械运动来实现波束扫描 整体天线运动馈源不动 反射体运动馈源运动 反射体不动电扫描不需要机械运动 电信号控制相位扫描 频率扫描 延时扫描 目标角度的测量 三坐标雷达 三坐标雷达同时测量R 大探测空域 同时快速 高精度 多目标同时测量一般采用针状波束要求具有一定的数据率 单位之间内雷达对指定探测空域内任一目标所能提供的数据的次数 对单波束雷达 数据率D 1 Ts 单波束三坐标雷达必须在方位角和俯仰角两个方向进行扫描多波束三坐标雷达M个波束 数据率可以提高到原来的M倍 但发射功率必须也提高到原来的M倍 偏焦多波束 射频延时线多波束 中频延时线多波束 脉内频扫系统 数字多波束形成 目标角度的测量 三坐标雷达 高度的测量 R ae ha ht ae 目标角度的测量 自动测角的原理与方法 自动测角的原理与方法火控系统 目标角跟踪 精确测角 目标运动产生测角误差 将 转换成误差电压 产生控制信号 修正天线旋转轴线 使之对准目标 圆锥扫描自动测角系统OO 等信号轴方向 波束中心偏离等信号轴方向 目标偏离等信号轴方向 目标偏离等信号轴方位角 目标偏离等信号轴俯仰角 波束中心轴与目标方向夹角对 AOB 有 目标角度的测量 自动测角的原理与方法 圆锥扫描自动测角系统原理 随t作周期变化 若目标A位于O点 则 不随时间而变化 设天线方向图为F 则接收信号幅度 在 附近作泰勒展开 有 目标角度的测量 自动测角的原理与方法 测角率 表示单位误差角所产生的调制度 分解 增加 F 增加 测角率 增加 跟踪精度增加 但同时等信号轴上的目标回波功率减小 波束交叉损失增加 目标角度的测量 自动测角的原理与方法 圆锥扫描自动测角系统组成 平时 角跟踪支路关闭 只有距离波门来时打开 目的 避免多个目标同时进入角跟踪系统 造成系统工作混乱 目标角度的测量 自动测角的原理与方法 AGC电路在圆锥扫描角跟踪系统中的作用 目标越近 截面积越大 回波幅度越强 Uo增加 Um增加 角灵敏度增加AGC 用控制接收机的中放增益 使输出电压的平均值保持不变 目标角度的测量 自动测角的原理与方法 单脉冲自动测角系统在一个角平面内 同时发射两个波束 通过对两个波束的回波进行比较 获得目标在此平面内的角误差信号 理论上只需一个脉冲即可确定目标角误差 相对于圆锥扫描 故称为单脉冲 包括比幅 振幅和差 单脉冲和比相 相位和差 单脉冲 振幅和差单脉冲雷达角误差信号 目标角度的测量 自动测角的原理与方法 和差比较器与和差波束 发射时 馈送到 端 1 2端输出同相信号 接收时 回波同时被两个波束接收 端输出两信号之和 端输出两信号之差 目标角度的测量 自动测角的原理与方法 和差通道的回波幅度分别为 设目标的误差角为 则对E 在 0附近进行泰勒展开 有 E 的相位与E1和E2中较大的相同 表明了目标偏向较强的波束一边通过相位检波器获得和差之间的相位差 U KdU cos 0or E 的大小则表明了误差偏角的大小 振幅和差单脉冲雷达中 和波束用于检测 并作为比幅测角的比较标准 差波束则主要用于测角 目标角度的测量 自动测角的原理与方法 单平面振幅和差单脉冲雷达 双平面振幅和差单脉冲雷达 在方位和俯仰两个方向进行角跟踪 通常包括和通道 方位差通道 俯仰差通道和差矛盾 测角灵敏度取决于差斜率 和差波束不能同时达到最佳采用五喇叭馈源或多模馈源 目标角度的测量 自动测角的原理与方法 相位和差单脉冲雷达两天线间距为d 利用行程差引起的相位差测角误差 目标角度的测量 自动测角的原理与方法 圆锥扫描系统与单脉冲系统的比较角跟踪精度圆锥扫描系统至少需要一个圆锥扫描周期 单脉冲角跟踪系统只需要一个脉冲即可测量 因此单脉冲系统受噪声和干扰的影响小 测量精度更高 天线增益和作用距离单脉冲雷达不存在波束交叉损失 因此天线增益和作用距离均优于圆锥扫描雷达 角信息和数据率单脉冲雷达优于圆锥扫描雷达 抗干扰能力单脉冲雷达比圆锥扫描雷达更不易受应答式干扰的影响 复杂度单脉冲雷达需要多个波束和多路处理 而圆锥扫描雷达只需一路 因此更简单 目标角度的测量 习题 说明测角的物理依据 振幅法测角和相位法测角的基本原理 说明AGC电路在圆锥扫描角跟踪系统中的作用 说明比幅和比相单脉冲角跟踪的基本原理 采用三天线相位法测角 已知d12 2 d13 3 5 目标偏离法线方向 角 当不存在误差时 12与 13的理论值均为60 由于实际存在误差 测得 12 64 13 66 求实际的 角 设目标距离为100km 天线高度为5m 目标仰角为2 求目标高度 圆锥扫描角跟踪系统中 画出图中三个目标A 1 1 B 2 2 C 0 3 的接收机输出脉冲序列 并指出哪个目标的调制深度最大 哪个最小 各视频脉冲序列的最大值出现在哪个时刻 第八章 第八章运动目标检测及测速 运动目标检测及测速 多普勒效应及其在雷达中的应用 多普勒效应连续波雷达发射信号 目标回波信号 对固定目标 距离R为常数 回波与发射信号之间的相位差为常数 对运动目标 R t R0 vrt tr 2R t c 因此 回波与发射信号的相位差为 收发频率差为 窄带信号的多普勒效应近似于单载频常规脉冲信号的多普勒效应 运动目标检测及测速 多普勒效应及其在雷达中的应用 多普勒信息的提取连续波多普勒雷达当Ur Uo时 U Uo Urcos Uo Urcos dt 0 相位检波器的输出 Urcos dt 0 运动目标检测及测速 多普勒效应及其在雷达中的应用 脉冲工作状态时的多普勒效应A显中的动目标回波存在蝴蝶效应 1 t 0 Tr 2 0 3 4 0 t tr 3 0 t 固定目标 0 t 动目标 t 4 0 t 固定目标 动目标 运动目标检测及测速 多普勒效应及其在雷达中的应用 连续的基准电压 回波信号 相位检波器的输出 收发相位差 隔直后的输出 相邻回波脉冲的相位差 运动目标检测及测速 多普勒效应及其在雷达中的应用 盲速和频闪盲速当动目标的径向速度为某些值时 其回波经相位检波器后为等幅脉冲串 与固定目标相同 A显示器显示无蝴蝶效应 这些径向速度的取值称为盲速 频闪对脉冲工作雷达 相位检波器输出的脉冲串的包络的频率与目标径向速度的多普勒频率存在差异 利用该多普勒频率进行目标速度测量将产生速度模糊 产生原因脉冲工作雷达相当于对连续波雷达按照脉冲重复频率的采样 运动目标检测及测速 多普勒效应及其在雷达中的应用 频谱分析出现盲速条件 fd mfr m 1 2 3 出现频闪条件 fd 0 5fr 运动目标检测及测速 多普勒效应及其在雷达中的应用 矢量图分析出现盲速条件 fd mfr m 1 2 3 出现频闪条件 fd 0 5fr高速目标可以从单个脉冲测速 因此无盲速和频闪现象 运动目标检测及测速 动目标显示雷达的工作原理及组成 基本工作原理获得相参振荡电压的方法包括自激振荡式和主振放大式两种类型 1 中频全相参 干 动目标显示针对主振放大式发射机 结构特点 相参振荡器 相位检波器 对消器功能特点 频率稳定度高 运动目标检测及测速 动目标显示雷达的工作原理及组成 1 锁相相参 干 动目标显示针对自激振荡式发射机 包括高频锁相和中频锁相两种方式 高频锁相 高频稳度要求高Q值 而高Q值的锁相时间长 中频锁相 能够克服高频锁相的矛盾 运动目标检测及测速 杂波频谱及动目标显示滤波器 目标回波和杂波的频谱特性杂波频谱 以fr为周期 展宽 杂波内部运动 天线扫描调制 脉间不稳定性 发射频率偏移杂波抑制 即杂波白化 运动目标检测及测速 杂波频谱及动目标显示滤波器 动目标显示滤波器对消器 一次对消器 二次对消器 多次相消器 抑制运动杂波滤波器 对消器阶数越多 滤波器凹口可以设计得越窄 越有利于低速动目标检测 一次对消器的频率响应 抑制运动杂波滤波器的频率响应 运动目标检测及测速 盲速 盲相的影响及解决途径 盲速 盲相的影响及解决途径速度模糊 盲速与频闪盲速的条件 n 1时称为第一盲速 经过对消器后输出为零 频闪的条件 fd 0 5fr最大不模糊速度与最大不模糊距离之间的关系实际中二者难以兼顾 必须解速度模糊或解距离模糊 运动目标检测及测速 盲速 盲相的影响及解决途径 参差重复频率消除低盲速发射采用多个重复频率交替发射 接收通过对消器时 只有同时满足两个重复频率出现盲速的条件时才会出现盲速 设采用两个重复频率后出现第一等效盲速对应的条件为 式中 n1 n2互质 令Tr1 n1 Tr2 n2 当不采用参差重复频率时 平均重复周期为 Tr1 Tr2 2 此时第一盲速为 采用参差重复频率后 第一等效盲速对应的多普勒频率为 因此 第一等效盲速提高的倍数为 运动目标检测及测速 盲速 盲相的影响及解决途径 参差重复频率对MTI性能的影响一次对消器的频率响应 两个一次对消器的频率响应的合成 引起响应的不平坦 运动目标检测及测速 盲速 盲相的影响及解决途径 盲相 包括点盲相和连续盲相点盲相 在某些相邻脉冲回波幅度相等 经对消器对消后输出为0原因 脉冲雷达回波是对连续波雷达回波的采样 运动目标检测及测速 盲速 盲相的影响及解决途径 连续盲相 相邻脉冲回波幅度几乎相等 经对消器对消后输出幅度小原因 在强杂波或干扰背景下 经过限幅器后输出脉冲幅度几乎不变 运动目标检测及测速 盲速 盲相的影响及解决途径 解决盲相方法 盲相的根本原因是对消器输出为相邻重复周期回波信号差矢量在基准电压方向投影所造成 因此若不进行投影 直接取出差矢量 就可以解决盲相问题 中频对消直接取出中频对消输出 然后检波 保证消除运动目标 则需要满足 运动目标检测及测速 盲速 盲相的影响及解决途径 解决盲相方法 盲相的根本原因是对消器输出为相邻重复周期回波信号差矢量在基准电压方向投影所造成 因此若不进行投影 直接取出差矢量 就可以解决盲相问题 正交双通道处理通过正交解调获得基带I Q分量 即回波信号在两个互相正交的方向的投影 能够完整无模糊地表达信号 运动目标检测及测速 盲速 盲相的影响及解决途径 正交双通