雷达原理（第6版） 课件 【ch01】绪论

绪论第一章雷达原理(第6版）高等学校电子信息类精品教材01雷达的基本任务PARTONE一、雷达的基本任务目标在空间、陆地或海面上的位置可以用多种坐标系来表示。最常见的是笛卡儿坐标系(也称直角坐标系)，即空间任一点目标Р的位置可用x、y、z三个坐标值来决定。在雷达应用中，测定目标坐标常采用极（球）坐标系，如图1.1所示。图中，空间任一目标Р所在位置可用下列三个坐标值确定:1.雷达回波中的可用信息一、雷达的基本任务目标的斜距R：雷达到目标的直线距离OP。也经常被称为径向距离。方位角α：目标斜距R在水平面上的投影OB与某一起始方向（正北、正南或其他参考方向〉在水平面上的夹角。常以正北作为参考。俯仰角β：斜距R与它在水平面上的投影OB在铅垂面上的夹角，有时也称为倾角或高低角。就相对雷达波束指向而言，上视时常称仰角，下视时常称俯角。1.雷达回波中的可用信息一、雷达的基本任务相对雷达波束指向而言，上视时常称仰角，下视时常称俯角。如果需要知道目标的高度和水平距离，那么利用圆柱坐标系比较方便，即目标的位置由以下三个坐标值来确定：水平距离D，方位角α，高度H。这两种坐标系之间的关系如下:1.雷达回波中的可用信息一、雷达的基本任务现以典型的单基地脉冲雷达为例来说明雷达测量的基本工作原理，图1.2示出了这种雷达的基本组成框图。1.雷达回波中的可用信息一、雷达的基本任务

1.雷达回波中的可用信息一、雷达的基本任务我们知道电磁波的能量是以光速传播的，设目标的距离为R，则传播的距离等于光速乘以时间间隔，即利用调频连续波也可以进行目标距离的测量，其测距原理是基于同一时刻目标回波信号相对发射信号的频率偏移，其偏移量与回波信号滞后于发射信号的时间成正比，测得这一频率偏移量就可以据此换算得到目标距离的大小。1.雷达回波中的可用信息一、雷达的基本任务2.目标角位置的测量目标角位置指方位角或仰角，在雷达技术中测量这两个角位置基本上都是利用天线的方向性来实现的。图1.4是天线波束分别指向A、B及C三个方向时对目标的响应情况。雷达天线将电磁能量汇集在窄波束内，当天线波束轴对准目标时，回波信号最强，如图1.4(a）中实线所示。当目标偏离天线波束轴时回波信号减弱，如图1.4（a）中虚线所示。根据接收回波最强时的天线波束指向，就可确定目标的方向,这就是角坐标测量的基本原理。天线波束指向实际上也是辐射波的波前方向。1.雷达回波中的可用信息一、雷达的基本任务

1.雷达回波中的可用信息一、雷达的基本任务

1.雷达回波中的可用信息一、雷达的基本任务如图1.8所示，设雷达发射机功率为P,当用各向均匀辐射的天线发射时，距雷达R处任一点的功率密度S等于功率被假想的球面积所除，即1.雷达回波中的可用信息02雷达的基本组成PARTTWO二、雷达的基本组成以典型单基地脉冲雷达为例来说明雷达的基本组成及其作用。如图1.9所示，它主要由天线、发射机、接收机、信号处理机和终端设备等组成。二、雷达的基本组成雷达发射机产生辐射所需强度的脉冲功率，其波形是脉冲宽度为z而重复周期为T。的高频脉冲串。发射机现有两种类型：一种是直接振荡式（如磁控管振荡器)，它在脉冲调制器控制下产生的高频脉冲功率被直接馈送到天线；另一种是功率放大式(主振放大式)，它是由高稳定度的频率源（频率综合器）作为频率基准，在低功率电平上形成所需波形的高频脉冲串作为激励信号，在发射机中予以放大并驱动末级功放而获得大的脉冲功率来馈给天线的。功率放大式发射机的优点是频率稳定度高且每次辐射是相参的，这便于对回波信号进行相参处理，同时也可以产生各种所需的复杂脉冲压缩信号波形。发射机输出的功率馈送到天线，而后经天线辐射到空间。1.雷达发射机二、雷达的基本组成脉冲雷达天线一般具有很强的方向性，以便集中辐射能量来获得较大的观测距离，其方向图函数如图1.10所示。天线的方向性越强，天线波瓣宽度越窄，雷达测向的精度和分辨力就越高。常用的微波雷达天线是抛物面反射体，馈源放置在焦点上，天线反射体将高频能量聚成窄波束。天线波束在空间的扫描常采用机械转动天线来得到，由天线控制系统来控制天线在空间的扫描，控制系统同时将天线的转动数据送到终端设备，以便取得天线指向的角度数据。根据雷达用途的不同，波束形状可以是扇形波束，也可以是针状波束。天线波束的空间扫描也可以采用电子控制的办法，它比机械扫描的速度快，灵活性好，这就是20世纪末开始日益广泛使用的平面相控阵天线和电子扫描的阵列天线。前者在方位和仰角两个角度上均实行电扫描；后者是一维电扫描，另一维为机械扫描。2.雷达天线二、雷达的基本组成接收机多为超外差式，由高频放大(简称高放，有些雷达接收机不用高放)、混频、中频放大(简称中放)、检波、视频放大等电路组成。接收机的首要任务是把微弱的回波信号放大到足以进行信号处理的电平，同时接收机内部的噪声应尽量小，以保证接收机的高灵敏度，因此接收机的第一级常采用低噪声高频放大器。一般在接收机中也进行一部分信号处理。例如，中频放大器的频率特性应设计为发射信号的匹配滤波器，这样就能在中放输出端获得最大的峰值信号噪声功率比。对于需要进行较复杂信号处理的雷达，如需分辨固定杂波和运动目标回波而将杂波滤去的雷达，则可以由典型接收机后接的信号处理机完成。接收机中的检波器通常是包络检波器，它取出调制包络并送到视频放大器，如果后面要进行多普勒处理，则可用相位检波器替代包络检波器。3.雷达接收机二、雷达的基本组成信号处理的目的是消除不需要的信号（如杂波）及干扰而通过或加强由目标产生的回波信号。信号处理是在做出检测判决之前完成的，它通常包括动目标显示（MTI）和脉冲多普勒(PD）雷达中的多普勒滤波器，有时也包括复杂信号的脉冲压缩处理。许多现代雷达在检测判决之后要进行数据处理。主要的数据处理例子是自动跟踪，而目标识别是另一个例子。性能好的雷达在信号处理中消去了不需要的杂波和干扰，而自动跟踪只需处理检测到的目标回波，输入端如有杂波剩余，可采用恒虚警(CFAR）等技术加以补救。4.雷达信号处理机二、雷达的基本组成通常情况下，接收机中放输出后经检波器取出脉冲调制波形，由视频放大器放大后送到终端设备。最简单的终端是显示器。例如，在平面位置显示器(PPI)上可根据目标亮弧的位置，测读目标的距离和方位角这两个坐标值。显示器除了可以直接显示由雷达接收机输出的原始视频外，还可以显示经过处理的信息。例如，由自动检测和跟踪设备（ADT）先将收到的原始视频信号（接收机或信号处理机输出）按距离方位分辨单元分别积累，而后经门限检测，取出较强的回波信号而消去大部分噪声，对门限检测后的每个目标建立航迹跟踪，最后按照需要将经过上述处理的回波信息加到终端显示器。自动检测和跟踪设备的各种功能常要依靠数字计算机来完成。同步设备（频率综合器）是雷达的频率和时间标准。它产生的各种频率振荡之间保持严格的相位关系，从而保证雷达全相参工作。时间标准提供统一-的时钟，使雷达各分机保持同步工作。5.雷达终端设备03PARTTHREE雷达的工作频率及技术参数三、雷达的工作频率及技术参数雷达的工作频率和整个电磁波频谱示于图1.11，实际上绝大部分雷达工作于200~10000MHz频段。由于20世纪70年代后已制成能产生毫米波的大功率管，毫米波雷达已获得许多实际应用。1.雷达频段三、雷达的工作频率及技术参数雷达的工作频率覆盖了从数MHz到数百GHz的范围，不同的雷达频段具有不同的探测特性。通常，低频段更容易获得大的发射功率及远的探测距离，但测量精度相对较低，且需要的天线尺寸也相对较大。高的频段更容易获得高的测量精度，且需要的天线尺寸也比较小，但较难产生大的发射功率，且有明显的气象效应，探测距离相对较近。因此不同用途的雷达根据其应用的特殊性一般使用不同的雷达频段，雷达频段的应用如表1.2所示。雷达的性能包括战术（应用）性能和技术性能两个方面，战术性能反映雷达的用途和能力;技术性能反映雷达各分机及系统总的技术指标。雷达的战术性能与技术性能是密切相关的，后者往往根据前者的要求而确定。2.雷达频段的应用三、雷达的工作频率及技术参数2.雷达频段的应用雷达的工作频率及技术参数雷达的主要战术指标包括：（1）雷达的用途；（2）雷达的威力范围（3）分辨力；（4）数据率；（5）跟踪速度；（6）抗干扰能力；（7）雷达测定目标坐标的数目和精确度；（8）抗摧毁能力；（9）体积和质量；（10）工作的可靠性。主要有平均故障时间;平均修复时间。（11）使用条件。包括运输条件，架设和撤收时间、连续工作时间、机动性等。3.雷达主要战术指标三、雷达的工作频率及技术参数雷达的主要技术指标包括:（1）工作频率（或波长）及带宽。雷达的工作频率主要根据目标的特性，电波传播条件，天线的尺寸、高频器件的性能及测量精确度的要求等来决定；工作的带宽或频率范围主要根据雷达分辨力及抗干扰的要求等来决定。（2）发射功率和调制波形。脉冲雷达的发射功率分为脉冲功率和平均功率。发射功率的大小直接影响雷达的作用距离，但功率大小还受器件、电馈源容量和体积等条件限制，要根据情况适当选择。一般搜索、警戒雷达的峰值功率为兆瓦数量级，火控雷达的峰值功率则为数百千瓦。在早期雷达中，发射信号的调制波形常采用简单的脉冲波形，近代雷达则多采用复杂波形，以适应雷达的各种不同任务。4.雷达主要技术指标三、雷达的工作频率及技术参数（3）脉冲宽度。是指脉冲雷达发射信号所持续的时间，一般雷达的脉冲宽度是不变的，但复杂雷达工作时，可以有多种脉冲宽度和调制波形供选择。脉冲宽度除影响雷达探测能力外，还影响雷达的距离分辨力。（4）重复频率。是指发射机每秒钟发射的脉冲个数，其倒数是重复周期。重复频率既决定了雷达单值测距的范围，也影响不模糊测速区域大小。为了满足测距测速的性能要求，现代雷达常采用多种重复频率或参差重复频率。4.雷达主要技术指标三、雷达的工作频率及技术参数（5）天线波束形状。天线波束形状一般用水平面和垂直面内的波束宽度来表示。米波雷达的波束宽度在十度量级，而厘米波雷达的波束宽度为几度。炮瞄或制导雷达的波束是针状的；两坐标雷达的波束在方位上要求窄，在仰角上可以宽一些；测高雷达的波束则与之相反，在仰角上要窄，而在方位上宽一些。此外还有一些其他形状的波束。（6）天线的扫描方式。搜索和跟踪目标时，天线的主瓣按照一定规律在空间所做的往复运动，称为天线波束扫描。它可分为机械扫描和电扫描两大类。按扫描时波束在空间的运动规律，扫描方式大致可分为圆周扫描、圆锥扫描、扇形扫描、锯齿形扫描和螺旋扫描等。4.雷达主要技术指标三、雷达的工作频率及技术参数（7）接收机的灵敏度。接收机收到的回波信号功率是非常微弱的。接收机的灵敏度大小决定于接收机所能感受的输入功率的大小。通常规定在保证50%~90%的发现概率条件下，将接收机输入端回波信号的功率作为接收机的最小可检测信号功率，这个功率越小，接收机的灵敏度越高，雷达的作用距离就越远。（8）显示器的形式和数量。雷达显示器是向操纵人员提供雷达信息的一种终端设备，是人机联系的一个环节。根据雷达的任务与性质的不同，所采用的显示器形式也不同。例如，按坐标形式分，有极坐标形式的平面位置显示器；有直角坐标形式的距离——方位显示器、距离——高度显示器；或者是上述两种形式的变形。可以直接显示由接收机输出的雷达原始信息，也可以能显示经过处理和加工后的雷达二次数据。4.雷达主要技术指标三、雷达的工作频率及技术参数雷达可以根据其采用的技、战术参数进行相应的分类。（1）按照雷达布站形式分类单基地雷达：雷达发射机与接收机位于同一地点。双（多）基地雷达：雷达的发射机与一个或多个接收机分别位于不同的地点。（2）按照雷达信号的形式分类脉冲雷达：发射的波形为矩形脉冲，按一定的或交错的重复周期工作，是目前应用最广泛的雷达信号形式。连续波雷达：发射连续的正弦波，主要用来测量目标的速度。如果同时还要测量目标的距离，则需对发射的波形进行调制，例如经过频率调制的调频连续波等。5.雷达的分类三、雷达的工作频率及技术参数（3）按照测量的参量分类两坐标雷达：能够测量目标的斜距及方位角，或目标的斜距及仰角两个参数。三坐标雷达：能够测量目标的斜距、方位角及仰角三个参数。测高雷达：用于测量目标的相对高度。测速雷达：用于测量目标的相对运动速度。（4）按天线扫描方式分类机械扫描雷达：天线波束对空域的扫描覆盖是通过电机带动天线座转动来实现的。相控阵雷达：天线波束对空域的扫描覆盖是通过改变天线阵上各阵元的相位来实现的。频率扫描雷达：天线波束对空域的扫描覆盖是通过改变馈入天线阵信号的频率来实现的。5.雷达的分类三、雷达的工作频率及技术参数（5）按角跟踪方式分类可分为，单脉冲雷达、圆锥扫描雷达、隐蔽扫描雷达。（6）按信号处理方式分类各种分集（频率、极化等）雷达、动目标显示雷达、动目标检测雷达、脉冲压缩雷达、脉冲多普勒雷达、合成孔径雷达等。5.雷达的分类04PARTFOUR雷达的发展与应用四、雷达的发展与应用雷达最初主要用于军事目的，随着雷达应用领域的扩展，目前在民事方面的应用也非常广泛。雷达可以探测地面、空中、海上、太空甚至地下目标。地面雷达主要用来对空中目标（飞机、导弹、云、雨、风、鸟等）和太空目标（星体、卫星、飞船等）进行探测、定位和精密跟踪；舰船雷达除探测空中和海上目标外，还可用作导航工具；机载雷达完成空中及地面目标探测、火力控制等任务并保证飞行安全(导航、地形回避等)，有的机载成像雷达还可用于大地测绘；在宇宙飞行中，雷达可用来控制宇宙飞行体的飞行和降落。在航天技术迅速发展的今天，卫星上装置的预警和监视雷达（星载或天基雷达)，可全天候地监视和跟踪目标而成为各国密切重视和发展的类型。1.雷达的发展四、雷达的发展与应用1．军用雷达根据雷达在军事方面实现的任务，可以将其大致归纳为以下几类:（1）搜索警戒雷达(监视雷达)搜索警戒雷达主要用于发现目标，其作用距离一般可达数百千米到数千千米。配置在沿海、边界线以及国土纵深地区，用于探测远距离的敌方飞机、导弹、舰艇等。按其探测距离可大致划分为:近程警戒雷达，探测距离200~-300km。中程警戒雷达，探测距离300~500km。远程警戒雷达，探测距离500~4000km。超远程警戒雷达(预警雷达)，探测距离4000km以上。2.雷达发射机四、雷达的发展与应用这类雷达的共同特点是，需要探测的空域宽广，几乎达到360°覆盖，对测