雷達原理與設(shè)備課件

1、1 雷達基本原理1.1 緒論1.1.1 雷達的基本概念雷達：利用電磁波的二次輻射、轉(zhuǎn)發(fā)或固有輻射來探測目標，獲取目標空間坐標、速度、特征等信息的一種無線電裝置。雷達目標（target）：形成對雷達電波反射并在接收機產(chǎn)生回波信號的物體。1.1.2 雷達探測目標的方法1）利用目標的電磁波二次輻射現(xiàn)象探測目標 電磁波在介質(zhì)中傳播，遇到任何電性能與傳播介質(zhì)有差異的物體都會產(chǎn)生二次輻射現(xiàn)象。 目標各點產(chǎn)生的二次輻射電磁波與原來的電磁波相互干涉疊加，產(chǎn)生反射、散射、 繞射三種情況。 反射如果目標受到照射部分的尺寸遠大于電磁波波長，且其表面非常平滑，電磁波傳播方向改變，入射角等于反射角。 散射如果目標尺寸遠

2、大于電磁波波長，但其表面粗糙，各單元的二次輻射指向不同，強度與分布又極不均勻，具有隨機性質(zhì)。 繞射如果目標尺寸遠小于電磁波波長，使電磁波連續(xù)彎折繞過目標，朝其背后繼續(xù)傳播。 諧振當(dāng)目標尺寸與電磁波波長相比擬時，特別是當(dāng)目標是一個導(dǎo)體，其指向與電磁波的電場矢量相平行，相當(dāng)一個電偶極子在電磁波強迫振動下產(chǎn)生的二次輻射，形成特殊的天線效應(yīng)。 對一個復(fù)雜目標來說，反射、散射、繞射、“諧振”二次輻射可能同時發(fā)生，但有主次之分。對大量目標來說，往往散射是主要的。除了完全繞射情況之外，反射、散射、“諧振”二次輻射都可以用來發(fā)現(xiàn)目標。主動雷達（active radar）：雷達向空間發(fā)射無線電波，利用后向散射探

3、測目標，也稱為有源雷達。2）利用目標應(yīng)答器轉(zhuǎn)發(fā)無線電波探測目標目標上裝設(shè)雷達應(yīng)答器（radar transponder）或雷達信標（racon -radar beacon）。目標在雷達發(fā)射的電磁波觸發(fā)下，轉(zhuǎn)發(fā)無線電波。雷達通過接收轉(zhuǎn)發(fā)信號，探測目標。這種方法可以大大增加雷達探測距離，提高獲取目標信息的可靠性。應(yīng)答器或信標可用編碼等方式轉(zhuǎn)發(fā)補充信息，如目標屬性信息、目標參量信息。3）利用目標的固有輻射被動雷達雷達不發(fā)射電磁波，只接收目標固有的電磁輻射波，也稱為無源雷達（passive radar）。1.1.3 雷達測量目標距離的方法 一、基本原理雷達測距的物理基礎(chǔ)：電磁波在均勻介質(zhì)中等速直線傳播

4、。根據(jù)反射波相對于發(fā)射波的時延來測量目標距離。令 tR為電磁波往返傳播引起的時延；c為電磁波在自由空間中傳播的速度，數(shù)值為3108m/s； 目標的距離R為：12ctRR=1s相當(dāng)于150m。二、脈沖法測距幅度調(diào)制雷達周期性發(fā)射脈沖，目標的后向散射回波脈沖相對發(fā)射脈沖的時延取決于目標的距離。發(fā)射脈沖接收脈沖目標2目標1目標1目標2收發(fā)共用天線電磁波在均勻介質(zhì)中的等速直線傳播特性；利用天線的定向輻射與接收測角。1.1.4 雷達測量目標角度的方法雷達的方向性圖為尖銳的瓣形。由天線掃描機構(gòu)將波束旋轉(zhuǎn)至目標方向，使接收的目標回波達到最大值，則此刻天線波束的指向即為目標方向。目標的角坐標數(shù)據(jù)即可由天線旋轉(zhuǎn)

5、角確定。零度起點可規(guī)定為真北向或船首向等。1.2 雷達的基本組成 應(yīng)用最為廣泛的是脈沖法測距、最大值振幅法測角、顯示平面位置的主動雷達。1.2.1 雷達的基本組成 控制單元收發(fā)機A收發(fā)機B顯示器信息傳輸或數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)天線1.2.2 雷達發(fā)射機的基本組成單級振蕩式發(fā)射機定時器預(yù)調(diào)器調(diào)制器振蕩器電源、控制、保護電路顯示器接收機天線控制系統(tǒng)發(fā)射機天線開關(guān)1.2.3 雷達接收機的基本組成接收機保護器 低噪聲 高頻放大器混頻器本振 中頻放大器檢波器 視頻放大器高頻部分 雷達的超外差接收：增益控制（靈敏度控制）反海浪反雨雪2 雷達天線分機2.1 雷達天線分機的基本構(gòu)成和形式2.1.1 天線構(gòu)成天線（輻射

6、器）：波導(dǎo)隙縫天線旋轉(zhuǎn)驅(qū)動系統(tǒng)（電機,電極保護與驅(qū)動電路，變速裝置）；方位編碼器;參考方位標志產(chǎn)生器；天線座等。LAg/2g /22.2.4波導(dǎo)隙縫天線的輻射形成2.2 輻射器2.2.1 水平波束波束寬度（半功率點寬度）為A=kg /LA ，k為與旁瓣電平有關(guān)的系數(shù)。2.2.2 垂直波束天線垂直波束為15（半功率點寬度）的扇形波束。 0.259.5m 0.435.5m（18ft）ALAALA3 雷達發(fā)射機3.1 發(fā)射機的任務(wù)、技術(shù)指標與組成 3.1.1 發(fā)射機的任務(wù)與組成 任務(wù)：是為雷達提供一個載波受到調(diào)制的大功率射頻信號，經(jīng)收發(fā)開關(guān)和饋線，送到天線輻射出去。雷達發(fā)射機有單級振蕩式和主振放大式

7、兩類。 VTS雷達主要為非相參脈沖調(diào)制體制雷達單級振蕩式雷達，發(fā)射信號直接來自磁控管的振蕩輸出（ 峰值功率25kW，頻率9410MHz，脈沖寬度在0.071.2s之間，脈沖重復(fù)頻率在600 3000Hz之間）。觸發(fā)電路 調(diào)制器磁控管振蕩器3.2 磁控管振蕩器（Magnetron ） 3.2.1 磁控管的基本結(jié)構(gòu)磁控管是一種電子管（具有特殊結(jié)構(gòu)的二極管）,包括四個組成部分：陰極、陽極塊及振蕩系統(tǒng)、微波能量耦合輸出系統(tǒng)和磁系統(tǒng)。燈絲引線諧振腔陽極塊輸出端陰極 耦合環(huán) 氧化物護扳 敷層 多孔表面 絕緣墊圈鉬質(zhì)極芯陰極支架螺旋熱線絲簡裝式磁控管分裝式磁控管從陰極發(fā)出的電子在恒定電場E和恒定磁場B的作用

8、下，將環(huán)繞陰極運動，形成稠密的旋轉(zhuǎn)電子云。電子群從恒定的電磁場獲得能量轉(zhuǎn)換為高頻震蕩。磁控管因為管子、回路合為一體，用諧振腔替代LC回路，克服了引線電感與分布電容的限制，提高了磁控管的工作頻率。另外，利用了電子渡越時間，為電子在相互作用區(qū)進行能量交換創(chuàng)造了必要條件，解決了因電子渡越時間而限制工作波長進一步縮短的矛盾。 陽極陰極陽極與陰極之間加上脈沖高壓，形成高壓電場。磁控管在結(jié)構(gòu)上要求陽極接地。原因是：陽極塊很大，若不接地，會形成很大的分布電容，破壞高壓脈沖波形；陽極塊與磁系統(tǒng)靠得很近，陽極加有高壓，磁鐵也必須對地絕緣，安裝時很不方便； 陽極塊總是與波導(dǎo)連接在一起。在實際電路中，陽極接地，陰極

9、接負脈沖高壓。在保管、裝配和使用過程中，對永久磁鐵要避免敲打和震動，在它周圍不要放置鐵磁性物體或在其附近移動，因為這樣會造成磁通旁路，減弱磁通密度。3.3 脈沖調(diào)制器產(chǎn)生具有一定脈沖寬度、一定重復(fù)頻率、一定幅度和功率的周期性矩形高壓調(diào)制脈沖。對具有大空度比的脈沖發(fā)射機采用基于能量儲存原理的方法進行工作。在脈沖間歇期，儲能元件把電源送來的能量儲存起來；在脈沖期儲能元件再把所儲存的能量放出去。間歇期的能量儲存將電源功率降低到振蕩器平均功率值。 1 2K限制器電源儲能元件磁控管振蕩器調(diào)制器脈沖間歇期，TX-HV通過R1/2對C1-4充電；當(dāng)觸發(fā)脈沖加到調(diào)制開關(guān)（MOS場效應(yīng)管Q1-4）時，電容對脈沖

10、變壓器的初級線圈放電放電，升壓后將6 kV 到8 kV的高壓加到磁控管陰極上，使磁控管振蕩，產(chǎn)生發(fā)射信號經(jīng)鐵氧體環(huán)形器（收發(fā)開關(guān)）送往天線。RFC接收并處理 SPU 的 GAIN、STC 和TUNE控制信號用以控制調(diào)制板 MD 、中放板IF、電源PWR (RF) 板和 MIC 的限幅器 TR 。 RFC還把方位信號、首線信號和TUNE IND電壓、磁控管電流、電源電壓等各種監(jiān)測數(shù)據(jù) 發(fā)給 SPU板。4 雷達接收機4.1 接收機的任務(wù)、技術(shù)指標與組成接收機的任務(wù)：將天線所收到的微弱射頻回波信號從噪聲和干擾電波中選擇出來，經(jīng)過放大和解調(diào)處理成便于觀察的視頻信號。接收機除了保證足夠的信號增益、通頻帶

11、、動態(tài)范圍之外，需要附加一些反干擾處理。 收發(fā)開關(guān)限幅發(fā)射機 混頻器 對數(shù)中頻 放大器本振源BITE電路檢波器 視頻 放大器調(diào)諧STCMIC高 放4.2接收機的主要技術(shù)指標靈敏度：接收機接收弱信號的能力。通帶選擇性：表示接收機選擇信號而濾除鄰頻干擾的能力。抗干擾性：具有抗海浪、雨雪及鄰近同頻段雷達的發(fā)射信號等干擾的能力。動態(tài)范圍：接收機保持正常工作所允許的輸入信號強度的變化范圍。要保證對強、弱信號均能正常接收，要求有足夠?qū)挼膭臃秶?中頻放大器采用對數(shù)放大器?；謴?fù)時間：由強信號輸入而引起過載后，需要一段時間才能恢復(fù)正常工作，這段時間稱為“恢復(fù)時間”。5 處理機（ARPA）5.1處理機（RPU-

12、013 ）的基本組成由SPU板 (03P9337) 、雷達電源板和接口板組成。SPU板：雷達控制，視頻放大，雷達圖形和圖像顯示，LAN，ARPA ，視頻標繪（video plotter ）。 由主 CPU、ARPA CPU和DRW CPU組成。 ARPA：雷達信號處理（目標檢測與跟蹤，雷達控制）SPU板的信號處理STCFTCNOISE REJINT REJECTVIDEO CONTRASTWIPER/STRETCH/AVERAGETRAILZOOM顯示5.2.1 靈敏度時間控制STCSTC（ sensitivity time control靈敏度時間控制，即近程增益控制）自動和手動反海浪控制（

13、初始化菜單（INITIALIZE menu ）有設(shè)置）。自動STC (SEA AUTO) 根據(jù)接收信號自動計算STC的控制電平，RFC板完成此項處理。 由屏幕框AUTO/MANU SEA 設(shè)置此項功能的啟閉。STC控制曲線 參數(shù)設(shè)置：天線高度、海情和脈沖寬度決定了曲線的拐點。STC RANGE的設(shè)置也會改變曲線的拐點。在SEA AUTO狀態(tài)下，最佳的STC曲線及其上下的移動會根據(jù)接收信號電平和量程自動改變。轉(zhuǎn)動 A/C SEA旋鈕，可令STC曲線上下的移動。SEA AUTO 5.2.2 自動FTC (AUTO RAIN) 處理在屏幕框PICTURE操作菜單中選擇OFF/1/2/3/4 。 采用

14、moving average deviations得到偏置電平。K取決于FTC的設(shè)置。5.2.3 NOISE REJ處理將屏幕框PICTURE操作菜單中的“4:NOISE REJ”置為ON 。 平均后，強信號變?nèi)?，噪聲之類的弱信號更弱?.2.4 INT REJECT處理在屏幕框PICTURE操作菜單中選擇OFF/1/2/3。 利用相關(guān)處理抑制同頻干擾。 IR-1: 當(dāng)前的掃描與前一次掃描相關(guān)（兩次掃描中同一距離均有目標，信號才有輸出）IR-2:當(dāng)前的掃描與前二次掃描相關(guān)（三次掃描中同一距離均有目標，信號才有輸出）。 IR-3:當(dāng)前的掃描與前三次掃描相關(guān)（四次掃描中同一距離均有目標，信號才有輸

15、出）。 對于高速目標，相關(guān)處理次數(shù)不宜過多。5.2.5 VIDEO COMTRAST處理 在屏幕框PICTURE菜單中進行雷達圖像顯示的對比度設(shè)置： 1/2/3/4和A/B/C 。圖像電平變化寬度的設(shè)置例如：設(shè)置為“2”，32級圖像電平的變化寬度為9 dB ；設(shè)置為“4”，變化寬度為5dB 。 曲線 “B”為線性變化。比較而言，曲線“C” 的圖像電平越高，變化范圍越小。雷達圖像顯示對比度設(shè)置的觀測實例：5.2.6 WIPER處理在主菜單Menu - 1 - 6 中進行WIPPER處理的設(shè)置OFF/1/2。wiper 處理效果因EAV設(shè)置的不同而不同。WIPER ：信號乘以擦除系數(shù)，信號幅度漸漸

16、減小。信號幅度越小，擦除系數(shù)就越小，因此弱信號要比強信號更快地消失。擦除特性自動地改變?nèi)跣盘柕娘@示強度，以有利于圖像的觀測。5.2.7 ECHO STRETCH處理在屏幕框PICTURE菜單選擇回波擴展（放大）的設(shè)置OFF/1/2/3 。ES-1：在方位向上進行回波擴展；ES-2：在距離向上進行回波擴展； ES-3：在距離和方位向上進行回波擴展。5.2.8 ECHO AVERAGE處理在屏幕框PICTURE菜單中進行回波平均（平滑）處理的設(shè)置：OFF/1/2/3。在信號顯示時，利用相關(guān)處理，便于區(qū)分目標回波與雜波（水面回波、雨雪回波等）。EAV-1：過去兩次天線掃描周期的相關(guān)處理，適合于抑制一

17、般的海雜波、雨雪雜波和其他雜波。EAV-2：過去三次天線掃描周期的相關(guān)處理，適合于抑制較強的海雜波、雨雪雜波和其他雜波，但弱目標會有損失。 EAV-3：以增強的方式突出地顯示回波圖像，進而增強弱目標的回波強度（靈敏度），特別是遠距離的目標回波。但海雜波、雨雪雜波等不需要的回波也會得到加強，采用EAV-3前，應(yīng)先通過FTC和STC等方法調(diào)整回波觀測，盡量去除雜波。注意：實際幅度為32級，此為簡略說明。EAV-3的處理方法：同先前的回波相比，如果當(dāng)前的回波達到最大幅度，信號輸出就取最大幅度；如果當(dāng)前回波較弱，信號輸出就取比最大幅度略低一點的幅度。同先前的回波相比，如果當(dāng)前的回波達到中等幅度，信號輸出幅度就逐漸增加；如果沒有回波，信號輸出幅度就逐漸減小