电子科技大学雷达原理

1、雷达原理讲义,江朝抒 2012年8月,雷达原理,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：Radio Detection and Ranging 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

2、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

3、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 Christian Huelsmeyer（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

4、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：120 to 130 MHz 脉宽： 3us，PRF: 500 Hz 峰值功率： 15 to 20 kW 最大探测距离：100 nmi 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：560 MHz 最大探测距离：25 nmi 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Chain home 雷达网络，近岸防空 工作频率 20 to 30 MHz 功率: 350 KW (后增至 750) PRF: 25 a

5、nd 12.5 Hz 脉宽: 20 us 探测距离: 200 nmi,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,AN TPS-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

6、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 AESA PD 波束锐化 SAR ISAR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

7、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,AN FPS-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

8、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2s，求其距离分辨力； 已知雷达的工作频率f0=9.5GHz，天线尺寸为1m0.5m，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1m0.5m（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

9、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

10、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

11、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

12、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

13、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 =(520)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

14、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：BvBopt/2 跟踪雷达 要求波形失真小。总带宽选取为： Bo=25/,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

15、 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 /(4R2) 目标RCS为，目标反射的功率为 Pt/(4R2) 目标反射后回到雷达天线处的单位面积的功率为Pt/(4R2) 2 雷达天线的接收功率为Si=PtAr/(4R2) 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=PtGtAr/(4R2) 2，天线

16、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

17、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

18、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

19、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n1/2n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：MM/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

20、维分辨单元 点目标特性与波长的关系 对球体：2r ，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

21、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

22、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：Rmax 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

23、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

24、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/cR=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/tpl=2(Rlp)/(ct

25、p)； 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 RcTr/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： ，

26、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

27、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

28、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

29、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=K2 ue=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

30、：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0tmax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，

31、脉宽为4s， 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=0.1s，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

32、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U2U1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。 d2，相位检波器测量相位差02，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

33、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

34、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

35、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

36、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

37、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

38、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=K

39、dU cos， =0 or 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

40、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

41、=/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

42、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UrUo时，UUo+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

43、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

44、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：fd0.5fr,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： fd0.5fr 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

45、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

46、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： fd0.5fr 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，

47、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

48、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