雷達(dá)基本工作原理

1、雷達(dá)相關(guān)原理第一部分雷達(dá)基本工作原理雷達(dá)雷達(dá): Radar Radio detection and ranging 無(wú)線電探測(cè)和測(cè)距。無(wú)線電探測(cè)和測(cè)距。定義：定義： 雷達(dá)是一種通過(guò)發(fā)射雷達(dá)是一種通過(guò)發(fā)射電磁波電磁波和接和接收回波，對(duì)收回波，對(duì)目標(biāo)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)和測(cè)定進(jìn)行探測(cè)和測(cè)定目標(biāo)目標(biāo)信息信息的設(shè)備。的設(shè)備。直線傳播二次輻射（反射）目標(biāo)雷達(dá)所能發(fā)現(xiàn)的所有目標(biāo)。船舶船舶島嶼（陸地）島嶼（陸地）浮標(biāo)浮標(biāo)海浪雜波海浪雜波雨雪雜波雨雪雜波相對(duì)位置（距離和方位）真速度真航向CPA（Closest Point of Approach)TCPA(Distance to CPA)(1) 避碰避碰 距離，方位，

2、速度，航向距離，方位，速度，航向.測(cè)量目標(biāo)參數(shù)測(cè)量目標(biāo)參數(shù)(2) 無(wú)視線限制無(wú)視線限制(1) 遠(yuǎn)距離探測(cè)遠(yuǎn)距離探測(cè)盡早發(fā)現(xiàn)目標(biāo)盡早發(fā)現(xiàn)目標(biāo)三個(gè)主要用途三個(gè)主要用途: (2) 定位定位導(dǎo)航導(dǎo)航1.2海上雷達(dá)的用途雷達(dá)雷達(dá)/ARPA, ECDIS, GPS/DGPS和自動(dòng)舵構(gòu)成的自動(dòng)和自動(dòng)舵構(gòu)成的自動(dòng)船橋系統(tǒng)是未來(lái)主要的導(dǎo)航系統(tǒng)船橋系統(tǒng)是未來(lái)主要的導(dǎo)航系統(tǒng)雷達(dá)結(jié)構(gòu)及其工作原理雷達(dá)影像失真的特點(diǎn)及其產(chǎn)生原因影響雷達(dá)正常觀測(cè)的諸要素雷達(dá)測(cè)距/測(cè)方位雷達(dá)定位與導(dǎo)航雷達(dá)航標(biāo)1.3雷達(dá)考核內(nèi)容1.4 雷達(dá)的測(cè)距與測(cè)向原理方向掃描方向掃描量程量程:回波回波 (at 10 nm)t123.5ss熒光屏邊緣熒光屏

3、邊緣本船本船目標(biāo)目標(biāo)島嶼島嶼12 nm目標(biāo)目標(biāo)90245245EBL901802700方位標(biāo)志方位標(biāo)志海圖平海圖平面面雷 達(dá) 平雷 達(dá) 平面面Fig. 距離與方位測(cè)量距離與方位測(cè)量掃描線掃描線固定距標(biāo)圈固定距標(biāo)圈HL島嶼島嶼本船本船雷達(dá)不能雷達(dá)不能“感知感知”目標(biāo)的背面，目標(biāo)的背面，因此目標(biāo)的后沿是不可見(jiàn)的因此目標(biāo)的后沿是不可見(jiàn)的1. 雷達(dá)測(cè)距原理雷達(dá)測(cè)距原理 t: 往返于天線與目標(biāo)的時(shí)間往返于天線與目標(biāo)的時(shí)間, C: 電磁波在空間傳播速度電磁波在空間傳播速度3108m/s。2. 雷達(dá)測(cè)向原理雷達(dá)測(cè)向原理 借助于定向天線借助于定向天線 掃描掃描.1.4 雷達(dá)的測(cè)距與測(cè)向原理1tCR2= =2

4、雷達(dá)基本組成發(fā)射脈沖發(fā)射脈沖回波回波發(fā)射機(jī)發(fā)射機(jī)接收機(jī)接收機(jī)電源電源船電船電船首線船首線 微波傳輸線微波傳輸線天線天線方位方位回波回波T/R觸發(fā)器觸發(fā)器顯示器顯示器1. 波長(zhǎng)波長(zhǎng) S 波段波段 10cm波長(zhǎng)波長(zhǎng) 20004000MHz 7.515cm 3050MHz X 波段波段 3cm波長(zhǎng)波長(zhǎng) 800012500MHz 2.43.75cm 9375MHz 。2. 脈沖寬度脈沖寬度 每次發(fā)射脈沖的射頻振蕩持續(xù)時(shí)間每次發(fā)射脈沖的射頻振蕩持續(xù)時(shí)間.0.050.2us3 雷達(dá)相關(guān)技術(shù)參數(shù)天氣好天氣好: X band; 天氣壞天氣壞(雨雨/雪雪) : S 3. 脈沖重復(fù)頻率脈沖重復(fù)頻率f/脈沖重復(fù)周期

5、脈沖重復(fù)周期T f f（P.R.F Pulse Repeat FrequencyP.R.F Pulse Repeat Frequency） 每相鄰兩次發(fā)射脈沖的時(shí)間間隔每相鄰兩次發(fā)射脈沖的時(shí)間間隔 。（。（4004000Hz）4. 發(fā)射峰值功率發(fā)射峰值功率Pt: 在脈寬持續(xù)時(shí)間內(nèi)的功率在脈寬持續(xù)時(shí)間內(nèi)的功率3 雷達(dá)相關(guān)技術(shù)參數(shù)5. 發(fā)射平均功率發(fā)射平均功率Pm: 在脈沖重復(fù)周期內(nèi)的功率在脈沖重復(fù)周期內(nèi)的功率Tpptmt t= =6. 接收機(jī)靈敏度接收機(jī)靈敏度Prmin:表示接收機(jī)接收微弱信號(hào)的能力表示接收機(jī)接收微弱信號(hào)的能力 P rmin = kTfN f接收機(jī)通頻帶接收機(jī)通頻帶 N接收機(jī)噪聲

6、接收機(jī)噪聲 K波爾茲曼常數(shù)波爾茲曼常數(shù) T接收機(jī)端絕對(duì)溫度接收機(jī)端絕對(duì)溫度7.接收機(jī)帶寬接收機(jī)帶寬 f 指在放大情況下，允許通過(guò)接收機(jī)的信號(hào)頻率范圍。指在放大情況下，允許通過(guò)接收機(jī)的信號(hào)頻率范圍。 3 雷達(dá)相關(guān)技術(shù)參數(shù)長(zhǎng)脈沖長(zhǎng)脈沖 窄范圍的頻譜窄范圍的頻譜f 噪聲噪聲靈敏度靈敏度 失真失真f 噪聲噪聲 靈敏度靈敏度 失真失真兼顧兼顧: 遠(yuǎn)量程遠(yuǎn)量程 f 靈敏度靈敏度近量程近量程 f 靈敏度靈敏度航海雷達(dá)航海雷達(dá) 125 MH8.天線增益天線增益 定向天線最大輻射方向的功率與點(diǎn)狀天線各向均勻輻射的平均功率之比。定向天線最大輻射方向的功率與點(diǎn)狀天線各向均勻輻射的平均功率之比。 表示定向天線的功率集

7、束能力。表示定向天線的功率集束能力。 3 雷達(dá)相關(guān)技術(shù)參數(shù) = =2a 4Ge aGeAA aGl ll lp p9.水平波束寬度水平波束寬度 在水平面內(nèi)的波束半功率點(diǎn)的寬度在水平面內(nèi)的波束半功率點(diǎn)的寬度。 LHlq70=L q H 方位分辯率 一般為1H H半功率點(diǎn)半功率點(diǎn)ABBCC水平方向性圖水平方向性圖PLR半功率點(diǎn)半功率點(diǎn)10.垂直波束寬度垂直波束寬度 表示在垂直面內(nèi)的波束半功率點(diǎn)的寬度表示在垂直面內(nèi)的波束半功率點(diǎn)的寬度。為防止船舶搖擺時(shí)不至丟失目標(biāo)，。為防止船舶搖擺時(shí)不至丟失目標(biāo)，一般一般15 30 。 3 雷達(dá)相關(guān)技術(shù)參數(shù)HBWVBW棒狀波束 通過(guò)分析雷達(dá)使用性能及其影響因素，了解

8、雷達(dá)影像失通過(guò)分析雷達(dá)使用性能及其影響因素，了解雷達(dá)影像失真的特點(diǎn)及其產(chǎn)生原因，是正確理解和使用雷達(dá)圖像信息的真的特點(diǎn)及其產(chǎn)生原因，是正確理解和使用雷達(dá)圖像信息的前提。前提。4 雷達(dá)使用性能及其影響因素最大探測(cè)距離最大作用距離最小作用距離距離分辨率方位分辨率 在考慮地球曲率、天線高度、物標(biāo)高度及雷達(dá)電波傳播在考慮地球曲率、天線高度、物標(biāo)高度及雷達(dá)電波傳播空間大氣折射影響時(shí)，雷達(dá)可能觀測(cè)的最大距離空間大氣折射影響時(shí)，雷達(dá)可能觀測(cè)的最大距離4.1 最大探測(cè)距離)2.23(21hhR+ += =幾何地平幾何地平 1.93光學(xué)地平光學(xué)地平 2.07雷達(dá)地平雷達(dá)地平 2.23雷達(dá)地平和最大探測(cè)距離雷達(dá)地

9、平和最大探測(cè)距離hh 天線雷達(dá)地平天線雷達(dá)地平目標(biāo)雷達(dá)地平目標(biāo)雷達(dá)地平 一臺(tái)雷達(dá)在一定的電波傳播條件下，對(duì)某一特定的物標(biāo)，一臺(tái)雷達(dá)在一定的電波傳播條件下，對(duì)某一特定的物標(biāo)，雷達(dá)能滿足一定發(fā)現(xiàn)概率是，所能觀測(cè)到物標(biāo)的最大距離，雷達(dá)能滿足一定發(fā)現(xiàn)概率是，所能觀測(cè)到物標(biāo)的最大距離，其影響因素包括：其影響因素包括：4.2 最大作用距離雷達(dá)技術(shù)參數(shù)物標(biāo)反射性能海面反射（工作環(huán)境）大氣衰減1 雷達(dá)技術(shù)參數(shù)對(duì)雷達(dá)最大作用距離的影響雷達(dá)技術(shù)參數(shù)對(duì)雷達(dá)最大作用距離的影響4.2 最大作用距離41min202max64=rAtPGPRplPt : 天線發(fā)射的脈沖功率；天線發(fā)射的脈沖功率；GA： 天線增益；天線增益；

10、 ：工作波長(zhǎng)；：工作波長(zhǎng)；P Prminrmin：接收機(jī)門(mén)限電壓；：接收機(jī)門(mén)限電壓；0 0 ： 物標(biāo)有效散射面積物標(biāo)有效散射面積2 物標(biāo)反射性能對(duì)雷達(dá)最大作用距離的影響物標(biāo)反射性能對(duì)雷達(dá)最大作用距離的影響4.2 最大作用距離大小尺寸大小尺寸物標(biāo)形狀物標(biāo)形狀表面結(jié)構(gòu)表面結(jié)構(gòu)入射波的方向入射波的方向物標(biāo)質(zhì)地物標(biāo)質(zhì)地工作波長(zhǎng)工作波長(zhǎng)側(cè)視圖側(cè)視圖俯視圖俯視圖3 海面（鏡面）反射對(duì)雷達(dá)最大作用距離的影響海面（鏡面）反射對(duì)雷達(dá)最大作用距離的影響4.2 最大作用距離 到達(dá)物標(biāo)有直射波和海面反射波，兩者互相作用造成雷到達(dá)物標(biāo)有直射波和海面反射波，兩者互相作用造成雷達(dá)波束在垂直方向上的分裂現(xiàn)象。回波將時(shí)隱時(shí)現(xiàn)。

11、達(dá)波束在垂直方向上的分裂現(xiàn)象?；夭▽r(shí)隱時(shí)現(xiàn)。4 大氣衰減對(duì)雷達(dá)最大作用距離的影響大氣衰減對(duì)雷達(dá)最大作用距離的影響4.2 最大作用距離與工作頻率有關(guān)，與工作頻率有關(guān)，S波段強(qiáng)于波段強(qiáng)于X波段波段大霧對(duì)雷達(dá)回波有影響大霧對(duì)雷達(dá)回波有影響與天線波束寬度及脈沖寬度有關(guān)與天線波束寬度及脈沖寬度有關(guān) 指雷達(dá)波在大氣層傳播過(guò)程中受到大氣吸收或散射導(dǎo)致指雷達(dá)波在大氣層傳播過(guò)程中受到大氣吸收或散射導(dǎo)致雷達(dá)波能量的衰減，其特點(diǎn)是：雷達(dá)波能量的衰減，其特點(diǎn)是：4.3 最小作用距離 指雷達(dá)能在顯示器屏幕上顯示并測(cè)定物標(biāo)的最近距離，指雷達(dá)能在顯示器屏幕上顯示并測(cè)定物標(biāo)的最近距離，最小作用距離取決于：最小作用距離取決于

12、：)(2Cmin1rtR+ += =t t脈沖寬度脈沖寬度和收發(fā)開(kāi)關(guān)恢復(fù)時(shí)間和收發(fā)開(kāi)關(guān)恢復(fù)時(shí)間t tr r雷達(dá)的安裝位置，吃水雷達(dá)的安裝位置，吃水，垂直波束寬度，垂直波束寬度min1RRmin2H最小作用距離最小作用距離受垂直波束寬度影響受垂直波束寬度影響零發(fā)射線零發(fā)射線 半功率發(fā)射線半功率發(fā)射線Rmin2 = H4.4 距離分辨率指雷達(dá)分辨同方位的兩個(gè)相鄰物標(biāo)的能力，取決于：指雷達(dá)分辨同方位的兩個(gè)相鄰物標(biāo)的能力，取決于：量程選擇量程選擇脈沖寬度和回波波形脈沖寬度和回波波形屏幕大小及象素點(diǎn)屏幕大小及象素點(diǎn)接收帶寬接收帶寬帶寬失真帶寬失真距離分瓣率距離分瓣率熒光屏邊緣熒光屏邊緣 AB4.5 方位

13、分辨率 指雷達(dá)分辨距離相同方位相鄰的兩個(gè)物標(biāo)的能力，指雷達(dá)分辨距離相同方位相鄰的兩個(gè)物標(biāo)的能力，取決于：取決于：水平波束寬度水平波束寬度熒光屏及象素點(diǎn)大小熒光屏及象素點(diǎn)大小增益亮度調(diào)整增益亮度調(diào)整方位分瓣率方位分瓣率象素分瓣象素分瓣率率H HH H5 雷達(dá)指標(biāo)對(duì)使用性能影響工作波長(zhǎng)工作波長(zhǎng) 脈沖寬度脈沖寬度脈沖重復(fù)頻率脈沖重復(fù)頻率f *發(fā)射峰值功率發(fā)射峰值功率Pt *天線波束寬度天線波束寬度天線轉(zhuǎn)速天線轉(zhuǎn)速nA天線極化型式天線極化型式 *接收機(jī)通頻帶接收機(jī)通頻帶f *5.1 工作波長(zhǎng)對(duì)使用性能影響正常天氣觀測(cè)較小的物標(biāo)時(shí)，正常天氣觀測(cè)較小的物標(biāo)時(shí)，3cm雷達(dá)的雷達(dá)的rmax要比要比10cm的大

14、的大雨雪天，則雨雪天，則10cm雷達(dá)的雷達(dá)的rmax要比要比3cm雷達(dá)的大得多雷達(dá)的大得多1 對(duì)最大作用距離的影響對(duì)最大作用距離的影響2 對(duì)距離分辨率和測(cè)距精度的關(guān)系對(duì)距離分辨率和測(cè)距精度的關(guān)系工作波長(zhǎng)越短，脈沖前沿越短，測(cè)距精度高；脈沖前沿越短，有工作波長(zhǎng)越短，脈沖前沿越短，測(cè)距精度高；脈沖前沿越短，有利于縮短脈沖寬度，提高距離分辨率利于縮短脈沖寬度，提高距離分辨率3 對(duì)方位分辨率和測(cè)方位精度的關(guān)系對(duì)方位分辨率和測(cè)方位精度的關(guān)系工作波長(zhǎng)越短，天線水平波束寬度越窄，方位分辨率和測(cè)方位進(jìn)工作波長(zhǎng)越短，天線水平波束寬度越窄，方位分辨率和測(cè)方位進(jìn)度越高度越高4 抗雜波干擾能力的關(guān)系抗雜波干擾能力的關(guān)

15、系工作波長(zhǎng)越短，雨雪海浪等對(duì)雷達(dá)波德反射越強(qiáng)，干擾越大工作波長(zhǎng)越短，雨雪海浪等對(duì)雷達(dá)波德反射越強(qiáng)，干擾越大5.2 脈沖寬度對(duì)使用性能影響脈沖寬度越大，能量越大，作用距離越大脈沖寬度越大，能量越大，作用距離越大1 對(duì)最大作用距離的影響對(duì)最大作用距離的影響2 對(duì)最小作用距離的關(guān)系對(duì)最小作用距離的關(guān)系脈沖寬度越小，脈沖寬度越小，rmin越小越小3 對(duì)距離分辨率和測(cè)距精度的關(guān)系對(duì)距離分辨率和測(cè)距精度的關(guān)系脈沖寬度越小，脈沖寬度越小， rmin越小，距離分辨率越高越小，距離分辨率越高脈沖寬度越小，雷達(dá)回波圖像外側(cè)的圖像擴(kuò)大效應(yīng)越小，圖像失脈沖寬度越小，雷達(dá)回波圖像外側(cè)的圖像擴(kuò)大效應(yīng)越小，圖像失真小，有利

16、于提高測(cè)距精度真小，有利于提高測(cè)距精度4 對(duì)抗雜波干擾能力的關(guān)系對(duì)抗雜波干擾能力的關(guān)系脈沖寬度越短，縮短照射在雨雪及海浪上的時(shí)間，干擾回波較弱脈沖寬度越短，縮短照射在雨雪及海浪上的時(shí)間，干擾回波較弱5.3 天線波束寬度對(duì)使用性能影響越小，越小，GA越大，越大，rmax越大越大越小，越小， amin越小，方位分辨率越高越小，方位分辨率越高越小，回波圖像的越小，回波圖像的“角向肥大角向肥大” （/2 ）越?。┰叫?測(cè)方位精度越測(cè)方位精度越高高越小，照射到海浪、雨雪等范圍小，雜波干擾回波強(qiáng)度小越小，照射到海浪、雨雪等范圍小，雜波干擾回波強(qiáng)度小1 天線水平波束寬度天線水平波束寬度 2 天線垂直波束寬度天線垂直波束寬度 越小，越小，GA越大，越大，rmax越大越大越大，最小作用距離越小越大，最小作用距離越小越小，越小，越