雷达原理与系统-雷达系统设计与实验

1雷达系统设计与仿真实验雷达原理与系统2本章主要内容

8.1雷达系统设计的一般流程8.2某地基雷达系统设计8.3某末制导雷达系统设计8.4虚拟仿真实验38.1雷达系统设计的一般流程雷达的任务雷达的工作频段和工作频率范围雷达的战术技术指标雷达的体制和工作方式雷达总体指标的计算雷达威力的计算功率、孔径分辨率、精度波形及其参数、天线分系统的性能指标分系统设计、加工系统联调、测试外场测试（检飞）48.1雷达系统设计的一般流程任务

频段和频率范围以地面警戒雷达为例Rmax

雷达的工作方式雷达机扫、电扫？Rmax

重频fr=c/(2Ru)测角精度

波束宽度距离分辨率

瞬时带宽天线孔径数据率

驻留时间Ti工作比D

脉宽T根据雷达方程，估算功率Pt天线增益参数优化波形设计杂波抑制抗干扰性能

抗干扰措施威力图天线孔径（体积）、天线增益、波束宽度、副瓣电平、极化形式、损耗、带宽、重量、收拆时间等

天馈线

峰值功率Pt、平均功率Pav、发射机总效率、功率放大链总增益、频带、冷却方式等发射机输出激励信号的工作频率、信号带宽、脉冲重复频率、脉冲宽度、调制方式、功率，本振频率，相噪等

频综噪声温度（或噪声系数）、动态范围、灵敏度、增益、ADC等接收机通道数、运算量及处理平台、数据传输率，MTI/MTD改善因子，积累方式及信噪比，CFAR处理方法，抗干扰SLC/SLB等信号处理目标批次数、数据率等数据处理8.1雷达系统设计的一般流程分系统的主要性能指标68.2某地基雷达系统设计地面制导雷达威胁目标：飞机和导弹拦截器的拦截距离Rmin=30km，飞行时间120s，即雷达需要在该时间之前，有效地发现并跟踪目标。78.2某地基雷达系统设计设计一部地面制导雷达，主要要求：检测目标速度高度平均RCS最大探测距离飞机400m/s7km6dBsm（4m2）Ra=90km导弹150m/s2km

10dBsm(0.1m2)Rm=55km雷达工作频率f=3GHz。采用抛物面天线，方位波束宽度小于3°的扇形波束，在方位维进行ΘA=360°的机械扫描，扫描速率为

2s/圈。接收机的噪声系数F=6dB，系统总的损失L=8dB。假定检测门限为SNR=15dB（检测概率Pd=0.99，虚警概率Pfa=10–7）。在搜索模式和跟踪模式下距离分辨率分别为

75m和7.5m。要求对目标的最小拦截距离Rmin=30km，拦截时间120s

。工作比不超过10%。雷达对飞机和导弹的探测距离：Ra=30km+120*400=78km，选取Ra=90km

Rm=30km+120*150=48km，选取Rm=55km

（

=0.1m）88.2某地基雷达系统设计确定脉冲重复频率、天线的孔径和单个脉冲的峰值功率雷达对目标的最大、最小仰角覆盖为

为了保证至少90km的无模糊距离，最大PRF为因此，选取fr

=1000Hz，脉冲重复周期Tr=1000μs。

即仰角覆盖范围

E=11°，取仰角波束宽度

e=

E=11°，则天线在俯仰维的有效孔径为(m)俯仰维的方向图函数高斯方向图仰角波束宽度

e=11°fxt=exp(-2.8*((tht-zhix)/the3db).^2);8.2某地基雷达系统设计108.2某地基雷达系统设计要求方位波束宽度小于3°的扇形波束，若取方位波束宽度

a=2°，则天线在方位维的有效孔径为扫描速率为2s/圈，在一个波束宽度内辐射到目标上的脉冲数为(m)Da

De

1.5m2，选择天线的有效面积为Ae=2m2，若孔径效率为ρ=0.7，天线的物理面积为

A=Ae/ρ=2.857m2，增益为（取k=1），得到方位波束宽度为=34(dB)因此，可以对一个波位的8个脉冲进行非相干积累或相干积累，以降低单个脉冲的峰值功率。118.2某地基雷达系统设计8个脉冲非相干积累，达到检测要求的SNR=15dB，利用式(6.3.14)计算，在Pd=0.99，Pfa=10

7的情况下，8个脉冲进行非相干积累的改善因子近似为=7.49(dB)图8.3给出了8个脉冲非相干积累的检测概率与SNR关系。当Pd=0.99时，所要求的单个脉冲的SNR为(SNR)1,NCI=15

7.49=7.51(dB)

Pfa=10

7该式有约0.8dB的计算误差8个脉冲相干积累，所要求的单个脉冲的SNR为(SNR)1,CI=15

10lg(8)=6(dB)

(SNR)1,NCI=15

(7.49

0.8)=8.31(dB)

128.2某地基雷达系统设计检测导弹和飞机所要求的单个脉冲的能量分别为根据雷达方程

(4

)3kT0FL(SNR)1G2

2Rm4

mRa4

a数值

0.12(50

103)4

(90

103)4

dB33

204687.5168

20187.96

10198.176Em=

171+6+8+187.96+7.51

68+20+10=0.47(dBJ)=100.47/10(J)=1.1143(J)Ea=

171+6+8+198.17+7.51

68+20

6=

5.32(dBJ)=10–5.32/10(J)=0.2983(J)以非相干积累

为例：Em=

171+6+8+187.96+8.31

68+20+10=1.27(dBJ)=101.27/10(J)=1.34(J)138.2某地基雷达系统设计根据距离分辨率∆R=75m的要求，可以计算出带宽B=c/(2∆R)=2MHz。若发射单载频脉冲信号，则发射脉冲宽度为Te=1/B=0.5μs。因此，对两种类型目标都满足要求的单个脉冲的峰值功率为为了降低峰值功率，假定采用大时宽带宽积的LFM信号，雷达在搜索模式和跟踪模式下的分辨率∆R分别为75m和7.5m，则调频带宽分别为2MHz和20MHz。要求雷达的最小作用距离Rmin≥30km，雷达发射期间不接收，雷达的最大脉冲宽度为

若单个脉冲的峰值功率不超过20kW，最小脉冲宽度为

要求雷达的工作比小于10%，综上，选取发射脉冲宽度Te

=80μs，Tr=1ms，Te/Tr=0.08，满足工作比小于10%的要求。峰值功率太高!

148.2某地基雷达系统设计因此，雷达的设计参数主要为：发射峰值功率Pt：20kW脉冲重复频率为fr：1000Hz发射脉冲宽度为Te：80μs调频带宽B：2MHz（搜索模式）、20MHz（跟踪模式）根据雷达方程，验算雷达的威力，在搜索模式下导弹回波信号脉压后单个脉冲的信噪比为

PtTeG2

2FLR4数值20e380e-6

0.12

(50

103)4dB43.01

40.9768

20

1033

20468187.96SNR1=43.01

40.97+68

20

10+171

6

8

187.96=9.08(dB)M=8个脉冲进行非相干积累（NCI）和相干积累（CI）后的信噪比为158.2某地基雷达系统设计两种目标在积累和不积累情况下SNR与距离的关系曲线。

在导弹和飞机的最大作用距离处均可以达到SNR为15dB的要求。

168.2某地基雷达系统设计假设天线方向图是高斯型，雷达的架设高度为5m，发射峰值功率为20kW，距离分辨率为75m，考虑天线的平均副瓣电平为

20dB，地杂波散射系数

0=-15dBsm/sm，计算目标在不同距离时进入雷达的杂波的RCS，以及信号、杂波、噪声的功率之比。(a)导弹(b)飞机导弹目标在50km处的SIR约为

10dB，要达到15dB的检测SIR的要求，需要采取措施抑制杂波，杂波衰减要大于25dB178.2某地基雷达系统设计对地杂波杂波抑制，计算改善因子。

杂波种类

v(m/s)

f

(Hz)

s

(Hz)

c

(Hz)I2(dB)I3(dB)I4(dB)地杂波0.326.431.832.416.830.640.2云雨杂波

48031.886.18.313.714.7箔条杂波

1.214

31.834.716.229.538.431.8(Hz)

一般雷达对地杂波的改善因子要求

40dB188.2某地基雷达系统设计若两个目标的最小距离间隔为150m，仿真验证对多个目标的分辨能力。结合仿真分析脉压对SNR的改善。设计脉冲压缩处理方案。假设两个目标的距离分别为75km和75.15km，输入SNR均为0dB，图8.5给出了脉压的仿真结果。能够较好地分辨这两个目标。脉压处理后，两个目标的SNR约为24dB，脉压对SNR的改善达24dB。(a)

脉压输入信号的实部(c)

脉压输出结果局部放大198.3弹载末制导雷达系统设计

主动式寻的制导系统的导弹上装有雷达发射机和接收机。弹上雷达主动向目标发射无线电波。寻的制导系统根据目标反射回来的电波，确定目标的坐标及运动参数，形成控制信号，送给弹上控制计算机，操纵导弹沿理论弹道飞向目标。

优点：导弹在飞行过程中完全不需要弹外设备提供任何能量或控制信息；缺点：弹上设备复杂，设备的质量、尺寸受到限制，作用距离不可能很大。

主动式无线电寻的制导系统208.3弹载末制导雷达系统设计某弹载末制导雷达系统要求：不模糊探测距离80km；工作比不超过20%；波长

=3cm；天线等效孔径D=0.25m(直径)；噪声系数F=3dB；系统损耗L=4dB；天线波束宽度θ3dB=6°；目标的RCS:

=1500m2

。弹目之间的相对运动关系如图。目标航速Vs=15m/s，导弹运动速度Va=600m/s，目标航向与弹轴方向之间的夹角为α′=30°，目标偏离弹轴方向的角度为β=1°，则在舰船位置P，导弹对目标视线与目标航向的夹角α=α′+β。VaβiSPP′MM′Riαiαα′R0VsO′OR1β从t=0时刻开始，导弹从O向O

位置运动，目标从P向P

位置运动。说明：这是投影在同一平面的位置关系，实际导弹有一定的高度，例如导弹的飞行高度为500m.218.3弹载末制导雷达系统设计工作状态距离(km)脉冲重复周期(

s)脉冲宽度(

s)调频带宽(MHz)距离分辨率(m)脉压比相干积累脉冲数搜索(-45°~+45°)30~80800160115016064小角度扇扫跟踪(TWS)(-10°~10°)20~5080010027520032单脉冲跟踪3~3025010101510032228.3弹载末制导雷达系统设计1．采用线性调频脉冲信号，推导信号的模糊函数，并给出|

(

,fd)|、|

(

,0)|、|

(0,fd)|的图形，|

(

,fd)|的-4dB切割等高线图。线性调频信号的复包络可表示为：238.3某末制导雷达系统设计Te=160e-6；Bm=1e6;Te=10e-6；Bm=10e6;258.3某末制导雷达系统设计2.计算天线的有效面积Ae和增益G=0.05(m2)（28dB）268.3某末制导雷达系统设计3.若接收机的带宽B=10.3MHz，输出中频fIF=60MHz，线性动态范围DR-1=60dB，A/DC的最大输入信号电平为2Vp-p（峰峰值，50Ω负载），（1）计算接收机的临界灵敏度Si,min、输入端的最大信号功率、最大输出信号功率、增益；（2）选择合适的A/DC，估算A/D噪声对系统噪声系数的影响(1)接收机的临界灵敏度Si,min=-114+F+10lg(B)=

114+3+10lg(10.3)≈

101(dBm)接收机输入端的最大信号(即1dB增益压缩点输入信号)功率为Pin-1=Smin+DR-1≈

101+60=−41(dBm)接收机最大输出信号功率为因此，接收机的增益为

Pout−1−Pin−1=10−(−41)=51(dB)0.01(W)=10(mW)=10(dBm)278.3某末制导雷达系统设计288.3某末制导雷达系统设计4.若天线在

45°范围内搜索，扫描速度为60°/s，可积累的脉冲数N=？若要求发现概率

Pd=90%，虚警概率

Pfa=10-6，达到上述检测性能要求的SNR＝？在搜索状态，若采用64个脉冲相干积累，计算要求的辐射峰值功率Pt=？若取Pt=25W，计算目标回波相干积累前、后的信噪比SNR与距离的关系曲线（考虑信号处理总的损失5dB）。(1)天线扫描速度v=60°/s，天线波束宽度θ3dB=6°，在每个波位驻留时间tint=θ3dB/v=6/60=0.1s，可积累脉冲数(2)若要求发现概率

Pd=90%，虚警概率

Pfa=10-6，查表得到上述检测性能要求的最小信噪比为SNRo,min=Do=13.2dB。SNRo,min=10*log10((sqrt(log(1e6))-erfcinv(2*0.9))^2-0.5)=13.2(dB)298.3某末制导雷达系统设计(3)若采用M

=64个脉冲相干积累，计算要求的辐射峰值功率PtM个脉冲相积累后的信噪比为

根据雷达方程，单个脉冲回波信号的信噪比为

(Pt)dB=33-204+3+4+3+40*lg(80e3)+13.2-28*2-10*lg(0.03^2*160e-6*1500*64)=11(dBW)=12.6(W)

取Pt

=25(W)

Pt=12.9(dBW)=19.5(W)308.3某末制导雷达系统设计318.3某末制导雷达系统设计5．给出所采用信号的匹配滤波函数h(t)及其频谱H(f)。比较加窗(主副瓣比35dB)和不加窗时的脉冲压缩结果，分析主瓣宽度、SNR损失。

328.3某末制导雷达系统设计6.在搜索状态，假设目标距离为80km。假定中频正交采样频率fs=2MHz。(1)给出目标回波的基带信号模型，推导脉压、相干处理后的输出信号模型。(2)假设在相干积累前导弹自身的速度进行了补偿，若A/D采样时噪声占10位，目标回波信号幅度占8位，即噪声和目标回波功率分别为60dB、48dB。画出A/D采样的回波基带信号、脉压处理后的输出信号、相干积累的输出信号。分析每一步处理的信噪比变化。(3)解释目标所在多普勒通道对应的频率与实际的多普勒频率是否相符？(4)对目标所在多普勒通道进行CFAR处理，画出目标所在多普勒通道信号及其CFAR的比较电平(按第4小题的检测性能)。

338.3某末制导雷达系统设计

脉冲压缩输出信号目标所在距离单元、所在多普勒通道，

相干积累是对M个脉冲的回波信号在每个距离单元进行FFT。对目标所在距离单元进行FFT，第k个多普勒通道的输出

|Y(k)|才出现峰值348.3某末制导雷达系统设计某一个脉冲重复周期的原始回波基带信号，目标完全被噪声淹没

（2）若A/D采样时噪声、目标回波信号分别占10位、8位（不包括符号位），即输入信噪比为−12dB。358.3某末制导雷达系统设计脉压处理的输出信号脉压处理64脉冲相干积累输出结果表8.2列出了单次仿真的信号处理过程中功率或SNR的变化。从理论上讲，脉压比为320对应的SNR的改善为25dB，64个脉冲相干积累的SNR的改善为18dB，由此可见，脉压、相干积累的信噪比的改善与理论相一致。功率或SNR脉压前(dB)脉压后(dB)相干积累后(dB)噪声平均功率60.175685.6767104.3866目标回波信