雷达原理与设备

1、1 雷达基本原理雷达基本原理1.1 绪论绪论1.1.1 雷达的基本概念雷达的基本概念雷达：雷达：利用电磁波的二次辐射、转发或固有辐射来探测目标，获取目标空间坐标、速度、特征等信息的一种无线电装置。雷达目标雷达目标（target）：形成对雷达电波反射并在接收机产生回波信号的物体。1.1.2 1.1.2 雷达探测目标的方法雷达探测目标的方法1 1）利用目标的电磁波二次辐射现象探测目标）利用目标的电磁波二次辐射现象探测目标 电磁波在介质中传播，遇到任何电性能与传播介质有差异的物体都会产生二次辐射现象。 目标各点产生的二次辐射电磁波与原来的电磁波相互干涉叠加，产生反射、散射、 绕射三种情况。 反射反射

2、如果目标受到照射部分的尺寸远大于电磁波波长，且其表面非常平滑，电磁波传播方向改变，入射角等于反射角。 散射散射如果目标尺寸远大于电磁波波长，但其表面粗糙，各单元的二次辐射指向不同，强度与分布又极不均匀，具有随机性质。 绕射绕射如果目标尺寸远小于电磁波波长，使电磁波连续弯折绕过目标，朝其背后继续传播。 谐振谐振当目标尺寸与电磁波波长相比拟时，特别是当目标是一个导体，其指向与电磁波的电场矢量相平行，相当一个电偶极子在电磁波强迫振动下产生的二次辐射，形成特殊的天线效应。 对一个复杂目标来说，反射、散射、绕射、“谐振”二次辐射可能同时发生，但有主次之分。对大量目标来说，往往散射是主要的。除了完全绕射情

3、况之外，反射、散射、“谐振”二次辐射都可以用来发现目标。主动雷达主动雷达（active radar）：雷达向空间发射无线电波，利用后向散射探测目标，也称为有源雷达有源雷达。2）利用目标应答器转发无线电波探测目标目标上装设雷达应答器（radar transponder）或雷达信标（racon -radar beacon）。目标在雷达发射的电磁波触发下，转发无线电波。雷达通过接收转发信号，探测目标。这种方法可以大大增加雷达探测距离，提高获取目标信息的可靠性。应答器或信标可用编码等方式转发补充信息，如目标属性信息、目标参量信息。3）利用目标的固有辐射被动雷达雷达不发射电磁波，只接收目标固有的电磁辐射

4、波，也称为无源雷达（passive radar）。1.1.3 1.1.3 雷达测量目标距离的方法雷达测量目标距离的方法 一、基本原理一、基本原理雷达测距的物理基础雷达测距的物理基础：电磁波在均匀介质中等速直线传播。根据反射波相对于发射波的时延来测量目标距离。令 tr为电磁波往返传播引起的时延；c为电磁波在自由空间中传播的速度，数值为3108m/s； 目标的距离目标的距离r为：12c trr=1s相当于150m。二、脉冲法测距二、脉冲法测距幅度调制幅度调制雷达周期性发射脉冲，目标的后向散射回波脉冲相对发射脉冲的时延取决于目标的距离。发射脉冲接收脉冲目标2目标1目标1目标2收发共用天线电磁波在均匀

5、介质中的等速直线传播特性；利用天线的定向辐射与接收测角。1.1.4 1.1.4 雷达测量目标角度的方法雷达测量目标角度的方法雷达的方向性图为尖锐的瓣形。由天线扫描机构将波束旋转至目标方向，使接收的目标回波达到最大值，则此刻天线波束的指向即为目标方向。目标的角坐标数据即可由天线旋转角确定。零度起点可规定为真北向或船首向等。1.2 1.2 雷达雷达的基本组成的基本组成 应用最为广泛的是脉冲法测距、最大值振幅法测角、显示平面位置的主动雷达。1.2.1 雷达的基本组成雷达的基本组成 控制单元收发机a收发机b显示器信息传输或数据处理子系统天线1.2.2 雷达发射机的基本组成雷达发射机的基本组成单级振荡式

6、发射机单级振荡式发射机定时器预调器调制器振荡器电源、控制、保护电路显示器接收机天线控制系统发射机天线开关1.2.3 雷达接收机的基本组成雷达接收机的基本组成接收机保护器 低噪声 高频放大器混频器本振 中频放大器检波器 视频放大器高频部分 雷达的超外差接收：增益控制（灵敏度控制）反海浪反雨雪2 雷达天线分机雷达天线分机2.1 雷达天线分机的基本构成和形式雷达天线分机的基本构成和形式2.1.1 天线构成天线构成天线（辐射器）：波导隙缝天线旋转驱动系统（电机,电极保护与驱动电路，变速装置）；方位编码器;参考方位标志产生器；天线座等。lag/2g /22.2.4波导隙缝天线的辐射形成波导隙缝天线的辐射

7、形成2.2 辐射器辐射器2.2.1 水平波束水平波束波束宽度（半功率点宽度）为a=kg /la ，k为与旁瓣电平有关的系数。2.2.2 垂直波束垂直波束天线垂直波束为15（半功率点宽度）的扇形波束。 0.259.5m 0.435.5m（18ft）alaala3 雷达发射机雷达发射机3.1 发射机的任务、技术指标与组成 3.1.1 发射机的任务与组成 任务：是为雷达提供一个载波受到调制的大功率射频信号，经收发开关和馈线，送到天线辐射出去。雷达发射机有单级振荡式和主振放大式两类。 vts雷达主要为非相参脉冲调制体制雷达单级振荡式雷达，发射信号直接来自磁控管的振荡输出（ 峰值功率25kw，频率941

8、0mhz，脉冲宽度在0.071.2s之间，脉冲重复频率在600 3000hz之间）。触发电路 调制器磁控管振荡器3.2 磁控管振荡器（magnetron ） 3.2.1 磁控管的基本结构磁控管是一种电子管（具有特殊结构的二极管）,包括四个组成部分：阴极、阳极块及振荡系统、微波能量耦合输出系统和磁系统。灯丝引线谐振腔阳极块输出端阴极 耦合环 氧化物护扳 敷层 多孔表面 绝缘垫圈钼质极芯阴极支架螺旋热线丝简装式磁控管分装式磁控管从阴极发出的电子在恒定电场e和恒定磁场b的作用下，将环绕阴极运动，形成稠密的旋转电子云。电子群从恒定的电磁场获得能量转换为高频震荡。磁控管因为管子、回路合为一体，用谐振腔替

9、代lc回路，克服了引线电感与分布电容的限制，提高了磁控管的工作频率。另外，利用了电子渡越时间，为电子在相互作用区进行能量交换创造了必要条件，解决了因电子渡越时间而限制工作波长进一步缩短的矛盾。 阳极阴极阳极与阴极之间加上脉冲高压，形成高压电场。磁控管在结构上要求阳极接地。原因是：阳极块很大，若不接地，会形成很大的分布电容，破坏高压脉冲波形；阳极块与磁系统靠得很近，阳极加有高压，磁铁也必须对地绝缘，安装时很不方便； 阳极块总是与波导连接在一起。在实际电路中，阳极接地，阴极接负脉冲高压。在保管、装配和使用过程中，对永久磁铁要避免敲打和震动，在它周围不要放置铁磁性物体或在其附近移动，因为这样会造成磁

10、通旁路，减弱磁通密度。3.3 脉冲调制器脉冲调制器产生具有一定脉冲宽度、一定重复频率、一定幅度和功率的周期性矩形高压调制脉冲。对具有大空度比的脉冲发射机采用基于能量储存原理的方法进行工作。在脉冲间歇期，储能元件把电源送来的能量储存起来；在脉冲期储能元件再把所储存的能量放出去。间歇期的能量储存将电源功率降低到振荡器平均功率值。 1 2k限制器电源储能元件磁控管振荡器调制器脉冲间歇期，tx-hv通过r1/2对c1-4充电；当触发脉冲加到调制开关（mos场效应管q1-4）时，电容对脉冲变压器的初级线圈放电放电，升压后将6 kv 到8 kv的高压加到磁控管阴极上，使磁控管振荡，产生发射信号经铁氧体环形

11、器（收发开关）送往天线。rfc接收并处理 spu 的 gain、stc 和tune控制信号用以控制调制板 md 、中放板if、电源pwr (rf) 板和 mic 的限幅器 tr 。 rfc还把方位信号、首线信号和tune ind电压、磁控管电流、电源电压等各种监测数据 发给 spu板。4 雷达接收机雷达接收机4.1 接收机的任务、技术指标与组成接收机的任务、技术指标与组成接收机的任务：将天线所收到的微弱射频回波信号从噪声和干扰电波中选择出来，经过放大和解调处理成便于观察的视频信号。接收机除了保证足够的信号增益、通频带、动态范围之外，需要附加一些反干扰处理。 收发开关限幅发射机 混频器 对数中频

12、 放大器本振源bite电路检波器 视频 放大器调谐stcmic高 放4.2接收机的主要技术指标接收机的主要技术指标灵敏度：接收机接收弱信号的能力。通带选择性：表示接收机选择信号而滤除邻频干扰的能力。抗干扰性：具有抗海浪、雨雪及邻近同频段雷达的发射信号等干扰的能力。动态范围：接收机保持正常工作所允许的输入信号强度的变化范围。要保证对强、弱信号均能正常接收，要求有足够宽的动范围。 中频放大器采用对数放大器。恢复时间：由强信号输入而引起过载后，需要一段时间才能恢复正常工作，这段时间称为“恢复时间”。5 处理机（处理机（arpa）5.1处理机（rpu-013 ）的基本组成由spu板 (03p9337)

13、 、雷达电源板和接口板组成。spu板：雷达控制，视频放大，雷达图形和图像显示，lan，arpa ，视频标绘（video plotter ）。 由主 cpu、arpa cpu和drw cpu组成。 arpa：雷达信号处理（目标检测与跟踪，雷达控制）spu板的信号处理stcftcnoise rejint rejectvideo contrastwiper/stretch/averagetrailzoom显示5.2.1 灵敏度时间控制stcstc（ sensitivity time control灵敏度时间控制，即近程增益控制）自动和手动反海浪控制（初始化菜单（initialize menu ）有设

14、置）。自动stc (sea auto) 根据接收信号自动计算stc的控制电平，rfc板完成此项处理。 由屏幕框auto/manu sea 设置此项功能的启闭。stc控制曲线 参数设置：天线高度、海情和脉冲宽度决定了曲线的拐点。stc range的设置也会改变曲线的拐点。在sea auto状态下，最佳的stc曲线及其上下的移动会根据接收信号电平和量程自动改变。转动 a/c sea旋钮，可令stc曲线上下的移动。sea auto 5.2.2 自动ftc (auto rain) 处理在屏幕框picture操作菜单中选择off/1/2/3/4 。 采用moving average deviations

15、得到偏置电平。k取决于ftc的设置。5.2.3 noise rej处理将屏幕框picture操作菜单中的“4:noise rej”置为on 。 平均后，强信号变弱，噪声之类的弱信号更弱。5.2.4 int reject处理在屏幕框picture操作菜单中选择off/1/2/3。 利用相关处理抑制同频干扰。 ir-1: 当前的扫描与前一次扫描相关（两次扫描中同一距离均有目标，信号才有输出）ir-2:当前的扫描与前二次扫描相关（三次扫描中同一距离均有目标，信号才有输出）。 ir-3:当前的扫描与前三次扫描相关（四次扫描中同一距离均有目标，信号才有输出）。 对于高速目标，相关处理次数不宜过多。5.2

16、.5 video comtrast处理 在屏幕框picture菜单中进行雷达图像显示的对比度设置： 1/2/3/4和a/b/c 。图像电平变化图像电平变化宽度的设置宽度的设置例如：设置为“2”，32级图像电平的变化宽度为9 db ；设置为“4”，变化宽度为5db 。 曲线 “b”为线性变化。比较而言，曲线“c” 的图像电平越高，变化范围越小。雷达图像显示对比度设置的观测实例：5.2.6 wiper处理在主菜单menu - 1 - 6 中进行wipper处理的设置off/1/2。wiper 处理效果因eav设置的不同而不同。wiper ：信号乘以擦除系数，信号幅度渐渐减小。信号幅度越小，擦除系数

17、就越小，因此弱信号要比强信号更快地消失。擦除特性自动地改变弱信号的显示强度，以有利于图像的观测。5.2.7 echo stretch处理在屏幕框picture菜单选择回波扩展（放大）的设置off/1/2/3 。es-1：在方位向上进行回波扩展；es-2：在距离向上进行回波扩展； es-3：在距离和方位向上进行回波扩展。5.2.8 echo average处理在屏幕框picture菜单中进行回波平均（平滑）处理的设置：off/1/2/3。在信号显示时，利用相关处理，便于区分目标回波与杂波（水面回波、雨雪回波等）。eav-1：过去两次天线扫描周期的相关处理，适合于抑制一般的海杂波、雨雪杂波和其他杂

18、波。eav-2：过去三次天线扫描周期的相关处理，适合于抑制较强的海杂波、雨雪杂波和其他杂波，但弱目标会有损失。 eav-3：以增强的方式突出地显示回波图像，进而增强弱目标的回波强度（灵敏度），特别是远距离的目标回波。但海杂波、雨雪杂波等不需要的回波也会得到加强，采用eav-3前，应先通过ftc和stc等方法调整回波观测，尽量去除杂波。注意：注意：实际实际幅度幅度为为32级，级，此为此为简略简略说明。说明。eav-3的处理方法：同先前的回波相比，如果当前的回波达到最大幅度，信号输出就取最大幅度；如果当前回波较弱，信号输出就取比最大幅度略低一点的幅度。同先前的回波相比，如果当前的回波达到中等幅度，信号输出幅度就逐渐增加；如果没有回波，