遙測遙控-03課件

雷達原理簡介雷達原理簡介1.1雷達的任務(wù)1.1.1雷達回波中的可用信息當雷達探測到目標后,就要從目標回波中提取有關(guān)信息:可對目標的距離和空間角度定位,目標位置的變化率可由其距離和角度隨時間變化的規(guī)律中得到，并由此建立對目標跟蹤;雷達的測量如果能在一維或多維上有足夠的分辨力,則可得到目標尺寸和形狀的信息;采用不同的極化，可測量目標形狀的對稱性。原理上，雷達還可測定目標的表面粗糙度及介電特性等。1.1雷達的任務(wù)1.1.1雷達回波中的可用信息

目標在空間、陸地或海面上的位置,可以用多種坐標系來表示。最常見的是直角坐標系,即空間任一點目標P的位置可用x、y、z三個坐標值來決定。在雷達應(yīng)用中,測定目標坐標常采用極(球)坐標系統(tǒng),如圖1.1所示。圖中,空間任一目標P所在位置可用下列三個坐標確定:(1)目標的斜距R：雷達到目標的直線距離OP;(2)方位角α：目標斜距R在水平面上的投影OB與某一起始方向(正北、正南或其它參考方向)在水平面上的夾角。目標在空間、陸地或海面上的位置,可以用多種坐圖1.1用極(球)坐標系統(tǒng)表示目標位置圖1.1用極(球)坐標系統(tǒng)表示目標位置(3)仰角β：斜距R與它在水平面上的投影OB在鉛垂面上的夾角,有時也稱為傾角或高低角。如需要知道目標的高度和水平距離,那么利用圓柱坐標系統(tǒng)就比較方便。在這種系統(tǒng)中,目標的位置由以下三個坐標來確定:水平距離D，方位角α，高度H。這兩種坐標系統(tǒng)之間的關(guān)系如下:D=Rcosβ，H=Rsinβ，α=α

上述這些關(guān)系僅在目標的距離不太遠時是正確的。當距離較遠時,由于地面的彎曲,必須作適當?shù)男薷摹?3)仰角β：斜距R與它在水平面上的投影O圖1-2雷達的原理及其基本組成圖1-2雷達的原理及其基本組成

由雷達發(fā)射機產(chǎn)生的電磁能,經(jīng)收發(fā)開關(guān)后傳輸給天線,再由天線將此電磁能定向輻射于大氣中。電磁能在大氣中以光速(約3×108m/s)傳播,如果目標恰好位于定向天線的波束內(nèi),則它將要截取一部分電磁能。目標將被截取的電磁能向各方向散射,其中部分散射的能量朝向雷達接收方向。雷達天線搜集到這部分散射的電磁波后,就經(jīng)傳輸線和收發(fā)開關(guān)饋給接收機。接收機將這微弱信號放大并經(jīng)信號處理后即可獲取所需信息,并將結(jié)果送至終端顯示。由雷達發(fā)射機產(chǎn)生的電磁能,經(jīng)收發(fā)開關(guān)后傳輸給

1.目標斜距的測量2R=ctr

或1.目標斜距的測量2R=ctr或式中,R為目標到雷達站的單程距離,單位為m;tr為電磁波往返于目標與雷達之間的時間間隔,單位為s;c為光速，c=3×108m/s。由于電磁波傳播的速度很快,雷達技術(shù)常用的時間單位為μs,

回波脈沖滯后于發(fā)射脈沖為一個微秒時,所對應(yīng)的目標斜距離R為

能測量目標距離是雷達的一個突出優(yōu)點,測距的精度和分辨力與發(fā)射信號帶寬(或處理后的脈沖寬度)有關(guān)。脈沖越窄,性能越好。式中,R為目標到雷達站的單程距離,單位為m;tr為電磁圖1.3雷達測距圖1.3雷達測距

2.目標角位置的測量目標角位置指方位角或仰角,在雷達技術(shù)中測量這兩個角位置基本上都是利用天線的方向性來實現(xiàn)的。雷達天線將電磁能量匯集在窄波束內(nèi),當天線波束軸對準目標時,回波信號最強,如圖1.4實線所示。當目標偏離天線波束軸時回波信號減弱,如圖上虛線所示。根據(jù)接收回波最強時的天線波束指向,就可確定目標的方向,這就是角坐標測量的基本原理。天線波束指向?qū)嶋H上也是輻射波前的方向。2.目標角位置的測量圖1.4角坐標測量圖1.4角坐標測量

3.相對速度的測量有些雷達除確定目標的位置外,還需測定運動目標的相對速度,例如測量飛機或?qū)楋w行時的速度。當目標與雷達站之間存在相對速度時,接收到回波信號的載頻相對于發(fā)射信號的載頻產(chǎn)生一個頻移,這個頻移在物理學(xué)上稱為多卜勒頻移,它的數(shù)值為式中,fd為多卜勒頻移，單位為Hz;vr為雷達與目標之間的徑向速度，單位為m/s;λ為載波波長，單位為m。3.相對速度的測量式中,fd為多卜勒頻移，

當目標向著雷達站運動時,vr＞0,回波載頻提高;反之vr

＜0,回波載頻降低。雷達只要能夠測量出回波信號的多卜勒頻移fd,就可以確定目標與雷達站之間的相對速度。徑向速度也可以用距離的變化率來求得,此時精度不高但不會產(chǎn)生模糊。無論是用距離變化率或用多卜勒頻移來測量速度,都需要時間。觀測時間愈長，則速度測量精度愈高。多卜勒頻移除用作測速外,更廣泛的是應(yīng)用于動目標顯示(MTI)、脈沖多卜勒(PD)等雷達中，以區(qū)分運動目標回波和雜波。當目標向著雷達站運動時,vr＞0,回波載頻

4.目標尺寸和形狀如果雷達測量具有足夠高的分辨力,就可以提供目標尺寸的測量。由于許多目標的尺寸在數(shù)十米量級,因而分辨能力應(yīng)為數(shù)米或更小。目前雷達的分辨力在距離維已能達到,但在通常作用距離下切向距離(RQ)維的分辨力還遠達不到,增加天線的實際孔徑來解決此問題是不現(xiàn)實的。然而當雷達和目標的各個部分有相對運動時,就可以利用多卜勒頻率域的分辨力來獲得切向距離維的分辨力。例如，裝于飛機和宇宙飛船上的SAR(綜合孔徑)雷達,與目標的相對運動是由雷達的運動產(chǎn)生的。高分辨力雷達可以獲得目標在距離和切向距離方向的輪廓(雷達成像)。4.目標尺寸和形狀

此外,比較目標對不同極化波(例如正交極化等)的散射場,就可以提供目標形狀不對稱性的量度。復(fù)雜目標的回波振幅隨著時間會變化,例如，螺旋槳的轉(zhuǎn)動和噴氣發(fā)動機的轉(zhuǎn)動將使回波振幅的調(diào)制各具特點,可經(jīng)過譜分析檢測到。這些信息為目標識別提供了相應(yīng)的基礎(chǔ)。此外,比較目標對不同極化波(例如正交極化等1.1.2雷達探測能力——基本雷達方程

設(shè)雷達發(fā)射機功率為Pt,當用各向均勻輻射的天線發(fā)射時,距雷達R遠處任一點的功率密度等于功率被假想的球面積4πR2所除,即實際雷達總是使用定向天線將發(fā)射機功率集中輻射于某些方向上。天線增益G用來表示相對于各向同性天線,實際天線在輻射方向上功率增加的倍數(shù)。因此當發(fā)射天線增益為G時,距雷達R處目標所照射到的功率密度為1.1.2雷達探測能力——基本雷達方程目標截獲了一部分照射功率并將它們重新輻射于不同的方向。用雷達截面積σ來表示被目標截獲入射功率后再次輻射回雷達處功率的大小,或用下式表示在雷達處的回波信號功率密度:σ的大小隨具體目標而異,它可以表示目標被雷達“看見”的尺寸。雷達接收天線只收集了回波功率的一部分,設(shè)天線的有效接收面積為Ae,則雷達收到的回波功率Pr為目標截獲了一部分照射功率并將它們重新輻射于不同的方向。用雷當接收到的回波功率Pr等于最小可檢測信號Smin時,雷達達到其最大作用距離Rmax,超過這個距離后,就不能有效地檢測到目標。當接收到的回波功率Pr等于最小可檢測信號Smin時,雷達達1.2雷達的基本組成圖1.5脈沖雷達基本組成框圖1.2雷達的基本組成圖1.5脈沖雷達基本組成框圖1.3雷達的工作頻率

按照雷達的工作原理,不論發(fā)射波的頻率如何,只要是通過輻射電磁能量和利用從目標反射回來的回波,以便對目標探測和定位,都屬于雷達系統(tǒng)工作的范疇。常用的雷達工作頻率范圍為220~35000MHz(220MHz~35GHz),實際上各類雷達工作的頻率在兩頭都超出了上述范圍。例如天波超視距(OTH)雷達的工作頻率為4MHz或5MHz,而地波超視距的工作頻率則低到2MHz。在頻譜的另一端,毫米波雷達可以工作到94GHz,激光(Laser)雷達工作于更高的頻率。工作頻率不同的雷達在工程實現(xiàn)時差別很大。1.3雷達的工作頻率按照雷達的工作原理,

雷達的工作頻率和整個電磁波頻譜示于圖1.6,實際上絕大部分雷達工作于200MHz至10000MHz頻段。由于70年代中制成能產(chǎn)生毫米波的大功率管,毫米波雷達已獲得試制和應(yīng)用。目前在雷達技術(shù)領(lǐng)域里常用頻段的名稱,用L、S、C、X等英文字母來命名。這是在第二次世界大戰(zhàn)中一些國家為了保密而采用的,以后就一直延用下來,我國也經(jīng)常采用。雷達的工作頻率和整個電磁波頻譜示于圖1.6,圖1.6雷達頻率和電磁波頻譜圖1.6雷達頻率和電磁波頻譜表1.1雷達頻段和對應(yīng)的頻率表1.1雷達頻段和對應(yīng)的頻率22cm為中心的20~25cm(S代表10cm為中心,相應(yīng)地,C代表5cm,X代表3cm,Ku代表2.2cm,Ka代表8mm等)。表中還列出國際電信聯(lián)盟分配給雷達的具體波段,例如,L波段包括的頻率范圍應(yīng)是1000MHz到2000MHz,而L波段雷達的工作頻率卻被約束在1215MHz到1400MHz的范圍。22cm為中心的20~25cm(S代表101.4雷達的應(yīng)用和發(fā)展1.4.1應(yīng)用情況

軍用雷達按戰(zhàn)術(shù)來分可有下列主要類型:1)預(yù)警雷達(超遠程雷達)它的主要任務(wù)是發(fā)現(xiàn)洲際導(dǎo)彈,以便及早發(fā)出警報。它的特點是作用距離遠達數(shù)千公里,至于測定坐標的精確度和分辨力是次要的。目前應(yīng)用預(yù)警雷達不但能發(fā)現(xiàn)導(dǎo)彈,而且可用以發(fā)現(xiàn)洲際戰(zhàn)略轟炸機。1.4雷達的應(yīng)用和發(fā)展1.4.1應(yīng)用情況2)搜索和警戒雷達其任務(wù)是發(fā)現(xiàn)飛機,一般作用距離在400km以上,有的可達600km。對于測定坐標的精確度、分辨力要求不高。對于擔當保衛(wèi)重點城市或建筑物任務(wù)的中程警戒雷達要求有方位360°的搜索空城。

3)引導(dǎo)指揮雷達(監(jiān)視雷達)這種雷達用于對殲擊機的引導(dǎo)和指揮作戰(zhàn),民用的機場調(diào)度雷達亦屬這一類。其特殊要求是:(1)對多批次目標能同時檢測;(2)測定目標的三個坐標,要求測量目標的精確度和分辨力較高,特別是目標間的相對位置數(shù)據(jù)的精度要求較高。2)搜索和警戒雷達其任務(wù)是發(fā)現(xiàn)飛機,一4)火控雷達其任務(wù)是控制火炮(或地空導(dǎo)彈)對空中目標進行瞄準攻擊,因此要求它能夠連續(xù)而準確地測定目標的坐標,并迅速地將射擊數(shù)據(jù)傳遞給火炮(或地空導(dǎo)彈)。這類雷達的作用距離較小,一般只有幾十公里,但測量的精度要求很高。

5)制導(dǎo)雷達它和火控雷達同屬精密跟蹤雷達,不同的是制導(dǎo)雷達對付的是飛機和導(dǎo)彈,在測定它們的運動軌跡的同時,再控制導(dǎo)彈去攻擊目標。制導(dǎo)雷達要求能同時跟蹤多個目標,并對分辨力要求較高。這類雷達天線的掃描方式往往有其特點,并隨制導(dǎo)體制而異。4)火控雷達其任務(wù)是控制火炮(或地空導(dǎo)彈6)戰(zhàn)場監(jiān)視雷達這類雷達用于發(fā)現(xiàn)坦克、軍用車輛、人和其它在戰(zhàn)場上的運動目標。

7)機載雷達這類雷達除機載預(yù)警雷達外，主要有下列數(shù)種類型:(1)機載截擊雷達。當殲擊機按照地面指揮所命令,接近敵機并進入有利空域時,就利用裝在機上的截擊雷達,準確地測量敵機的位置,以便進行攻擊。它要求測量目標的精確度和分辨率高。6)戰(zhàn)場監(jiān)視雷達這類雷達用于發(fā)現(xiàn)坦克、(2)機載護尾雷達。它用來發(fā)現(xiàn)和指示機尾后面一定距離內(nèi)有無敵機。這種雷達結(jié)構(gòu)比較簡單,不要求測定目標的準確位置,作用距離也不遠。

(3)機載導(dǎo)航雷達。它裝在飛機或艦船上，用以顯示地面或港灣圖像,以便在黑夜和大雨、濃霧情況下,飛機和艦船能正確航行。這種雷達要求分辨力較高。(2)機載護尾雷達。它用來發(fā)現(xiàn)和指示機尾后(4)機載火控雷達。20世紀70年代后的戰(zhàn)斗機上火控系統(tǒng)的雷達往往是多功能的。它能空對空搜索和截獲目標，空對空制導(dǎo)導(dǎo)彈，空對空精密測距和控制機炮射擊，空對地觀察地形和引導(dǎo)轟炸，進行敵我識別和導(dǎo)航信標的識別,有的還兼有地形跟隨和回避的作用,一部雷達往往具有七八部雷達的功能。(4)機載火控雷達。20世紀70年代后的戰(zhàn)斗

對于機載雷達共同的要求是體積小、重量輕、工作可靠性高。

8)無線電測高儀它裝置在飛機上。這是一種連續(xù)波調(diào)頻雷達,用來測量飛機離開地面或海面的高度。

9)雷達引信這是裝置在炮彈或?qū)楊^上的一種小型雷達,用來測量彈頭附近有無目標,當距離縮小到彈片足以擊傷目標的瞬間,使炮彈(或?qū)楊^)爆炸,提高了擊中目標的命中率。對于機載雷達共同的要求是體積小、重量輕、工作可

在民用雷達方面,舉出以下一些類型和應(yīng)用:1)氣象雷達這是觀察氣象的雷達,用來測量暴風雨和云層的位置及其移動路線。

2)航行管制(空中交通)雷達在現(xiàn)代航空飛行運輸體系中,對于機場周圍及航路上的飛機,都要實施嚴格的管制。航行管制雷達兼有警戒雷達和引導(dǎo)雷達的作用,故有時也稱為機場監(jiān)視雷達,它和二次雷達配合起來應(yīng)用。二次雷達地面設(shè)備發(fā)射詢問信號,機上接到信號后,用編碼的形式,發(fā)出一個回答信號,地面收到后在航行管制雷達顯示器上顯示。這一雷達系統(tǒng)可以鑒定空中目標的高度、速度和屬性,用以識別目標。在民用雷達方面,舉出以下一些類型和應(yīng)用:3)宇宙航行中用雷達這種雷達用來控制飛船的交會和對接,以及在月球上的著陸。某些地面上的雷達用來探測和跟蹤人造衛(wèi)星。

4)遙感設(shè)備安放在衛(wèi)星或飛機上的某種雷達,可以作為微波遙感設(shè)備。它主要感受地球物理方面的信息,由于具有二維高分辨力而可對地形、地貌成像。雷達遙感也參與地球資源的勘探,其中包括對海的情況、水資源、冰覆蓋層、農(nóng)業(yè)森林、地質(zhì)結(jié)構(gòu)及環(huán)境污染等進行測量和地圖描繪。也曾利用此類雷達來探測月亮和行星(雷達天文學(xué))。3)宇宙航行中用雷達這種雷達用來控制飛

此外，在飛機導(dǎo)航,航道探測(用以保證航行安全),公路上車速測量等方面,雷達也在發(fā)揮其積極作用。為了滿足多種用途不同的要求,已研制了各雷達。例如,按照雷達信號的形式分類,可以分為以下幾類：

1)脈沖雷達此類雷達發(fā)射的波形是矩形脈沖,按一定的或交錯的重復(fù)周期工作,這是目前使用最廣的。此外，在飛機導(dǎo)航,航道探測(用以保證航行安全2)連續(xù)波雷達此類雷達發(fā)射連續(xù)的正弦波,主要用來測量目標的速度。如需同時測量目標的距離,則往往需對發(fā)射信號進行調(diào)制,例如，對連續(xù)的正弦信號進行周期性的頻率調(diào)制。

3)脈沖壓縮雷達此類雷達發(fā)射寬的脈沖波,在接收機中對收到的回波信號加以壓縮處理,以便得到窄脈沖。目前實現(xiàn)脈沖壓縮主要有兩種。線性調(diào)頻脈沖壓縮處理和相位編碼脈沖壓縮處理。脈沖壓縮能解決距離分辨力和作用距離之間的矛盾。20世紀70年代研制的新型雷達絕大部分采用脈沖壓縮的體制。此外，還有脈沖多卜勒雷達、噪聲雷達、頻率捷變雷達等。2)連續(xù)波雷達此類雷達發(fā)射連續(xù)的正弦波,

也可以按其它標準對雷達進行分類,例如:#;(1)按角跟蹤方式分,有單脈沖雷達、圓錐掃描雷達、隱蔽錐掃雷達等。

(2)按測量目標的參量分,有測高雷達、兩坐標雷達、三坐標雷達、測速雷達、目標識別雷達等。

(3)按信號處理方式分,有各種分集雷達(頻率分集,極化分集等等)、相參或非相參積累雷達、動目標顯示雷達、合成孔徑雷達等。

(4)按天線掃描方法分,有機械掃描雷達、相控陣雷達、頻掃雷達等。也可以按其它標準對雷達進行分類,例如:#;2.1雷達發(fā)射機的任務(wù)和基本組成

雷達是利用物體反射電磁波的特性來發(fā)現(xiàn)目標并確定目標的距離、方位、高度和速度等參數(shù)的。因此,雷達工作時要求發(fā)射一種特定的大功率無線電信號。發(fā)射機在雷達中就是起這一作用的,也就是說,它為雷達提供一個載波受到調(diào)制的大功率射頻信號,經(jīng)饋線和收發(fā)開關(guān)由天線輻射出去。2.1雷達發(fā)射機的任務(wù)和基本組成雷達是2.2雷達發(fā)射機的主要質(zhì)量指標1.工作頻率或波段雷達的工作頻率或波段是按照雷達的用途確定的。為了提高雷達系統(tǒng)的工作性能和抗干擾能力,有時還要求它能在幾個頻率上跳變工作或同時工作。工作頻率或波段的不同對發(fā)射機的設(shè)計影響很大,它首先牽涉到發(fā)射管種類的選擇,例如目前在1000MHz以下主要采用微波三、四極管,在1000MHz以上則有多腔磁控管、大功率速調(diào)管、行波管以及前向波管等。2.2雷達發(fā)射機的主要質(zhì)量指標1.2.輸出功率發(fā)射機的輸出功率直接影響雷達的威力和抗干擾能力。通常規(guī)定發(fā)射機送至天線輸入端的功率為發(fā)射機的輸出功率。有時為了測量方便,也可以規(guī)定在指定負載上(饋線上一定的電壓駐波比)的功率為發(fā)射機的輸出功率。如果是波段工作的發(fā)射機，則還應(yīng)規(guī)定在整個波段中輸出功率的最低值,或者規(guī)定在波段內(nèi)輸出功率的變化不得大于多少分貝。2.輸出功率

脈沖雷達發(fā)射機的輸出功率又可分為峰值功率Pt和平均功率Pav。Pt是指脈沖期間射頻振蕩的平均功率(注意不要與射頻正弦振蕩的最大瞬功率相混淆)。Pav是指脈沖重復(fù)周期內(nèi)輸出功率的平均值。如果發(fā)射波形是簡單的矩形脈沖列,脈沖寬度為τ,脈沖重復(fù)周期為Tr,則有式中的fr=1/Tr是脈沖重復(fù)頻率。τ/Tr=τfr稱作雷達的工作比D。常規(guī)的脈沖雷達工作比的典型值為D=0.001,但脈沖多卜勒雷達的工作比可達10-2數(shù)量級,甚至達10-1數(shù)量級。顯然,連續(xù)波雷達的D=1。脈沖雷達發(fā)射機的輸出功率又可分為峰值功率Pt4.信號形式(調(diào)制形式)表2.1雷達的常用信號形式4.信號形式(調(diào)制形式)表2.1雷達的常用信號形圖2.4三種典型雷達信號和調(diào)制波形圖2.4三種典型雷達信號和調(diào)制波形5.信號的穩(wěn)定度或頻譜純度信號的穩(wěn)定度是指信號的各項參數(shù),例如信號的振幅、頻率(或相位)、脈沖寬度及脈沖重復(fù)頻率等是否隨時間作不應(yīng)有的變化。后面將會分析到,雷達信號的任何不穩(wěn)定都會給雷達整機性能帶來不利的影響。例如對動目標顯示雷達,它會造成不應(yīng)有的系統(tǒng)對消剩余,在脈沖壓縮系統(tǒng)中會造成目標的距離旁瓣以及在脈沖多卜勒系統(tǒng)中會造成假目標等。信號參數(shù)的不穩(wěn)定可分為規(guī)律性的與隨機性的兩類,規(guī)律性的不穩(wěn)定往往是由電源濾波不良、機械震動等原因引起的,而隨機性的不穩(wěn)定則是由發(fā)射管的噪聲和調(diào)制脈沖的隨機起伏所引起的。5.信號的穩(wěn)定度或頻譜純度圖2.5矩形射頻脈沖列的理想頻譜圖2.5矩形射頻脈沖列的理想頻譜圖2.6實際發(fā)射信號的頻譜圖2.6實際發(fā)射信號的頻譜3.1雷達接收機的組成和主要質(zhì)量指標3.1.1超外差式雷達接收機的組成

超外差式雷達接收機的簡化方框圖如圖3.1所示。它的主要組成部分是:(1)高頻部分,又稱為接收機“前端”,包括接收機保護器、低噪聲高頻放大器、混頻器和本機振蕩器;(2)中頻放大器,包括匹配濾波器;(3)檢波器和視頻放大器。3.1雷達接收機的組成和主要質(zhì)量指標3.1.1超外差式圖3.1超外差式雷達接收機簡化方框圖圖3.1超外差式雷達接收機簡化方框圖

從天線接收的高頻回波通過收發(fā)開關(guān)加至接收機保護器,一般是經(jīng)過低噪聲高頻放大器后再送到混頻器。在混頻器中,高頻回波脈沖信號與本機振蕩器的等幅高頻電壓混頻,將信號頻率降為中頻(IF),再由多級中頻放大器對中頻脈沖信號進行放大和匹配濾波,以獲得最大的輸出信噪比,最后經(jīng)過檢波器和視頻放大后送至終端處理設(shè)備。更為通用的超外差式雷達接收機的組成方框圖如圖3.2所示。它適用于收、發(fā)公用天線的各種脈沖雷達系統(tǒng)。實際的雷達接收機可以不(而且通常也不)包括圖中所示的全部部件。從天線接收的高頻回波通過收發(fā)開關(guān)加至接收機保圖3.2超外差式雷達接收機的一般方框圖圖3.2超外差式雷達接收機的一般方框圖3.1.2超外差式雷達接收機的主要質(zhì)量指標

1.靈敏度靈敏度表示接收機接收微弱信號的能力。能接收的信號越微弱,則接收機的靈敏度越高,因而雷達的作用距離就越遠。雷達接收機的靈敏度通常用最小可檢測信號功率Simin來表示。當接收機的輸入信號功率達到Simin時,接收機就能正常接收而在輸出端檢測出這一信號。如果信號功率低于此值,信號將被淹沒在噪聲干擾之中,不能被可靠地檢測出來,如圖3.3所示。由于雷達接收機的靈敏度受噪聲電平的限制,因此要想提高它的靈敏度,就必須盡力減小噪聲電平,同時還應(yīng)使接收機有足夠的增益。3.1.2超外差式雷達接收機的主要質(zhì)量指標圖3.3顯示器上所見到的信號與噪聲圖3.3顯示器上所見到的信號與噪聲2.接收機的工作頻帶寬度接收機的工作頻帶寬度表示接收機的瞬時工作頻率范圍。在復(fù)雜的電子對抗和干擾環(huán)境中,要求雷達發(fā)射機和接收機具有較寬的工作帶寬,例如頻率捷變雷達要求接收機的工作頻帶寬度為(10~20)%。接收機的工作頻帶寬度主要決定于高頻部件(饋線系統(tǒng)、高頻放大器和本機振蕩器)的性能。需要指出,接收機的工作頻帶較寬時,必須選擇較高的中頻,以減少混頻器輸出的寄生響應(yīng)對接收機性能的影響。2.接收機的工作頻帶寬度3.動態(tài)范圍動態(tài)范圍表示接收機能夠正常工作所容許的輸入信號強度變化的范圍。最小輸入信號強度通常取為最小可檢測信號功率Simin,允許最大的輸入信號強度則根據(jù)正常工作的要求而定。當輸入信號太強時,接收機將發(fā)生飽和而失去放大作用,這種現(xiàn)象稱為過載。使接收機開始出現(xiàn)過載時的輸入功率與最小可檢測功率之比,叫做動態(tài)范圍。為了保證對強弱信號均能正常接收,要求動態(tài)范圍大,就需要采取一定措施,例如采用對數(shù)放大器、各種增益控制電路等抗干擾措施。3.動態(tài)范圍4.中頻的選擇和濾波特性接收機中頻的選擇和濾波特性是接收機的重要質(zhì)量指標之一。中頻的選擇與發(fā)射波形的特性、接收機的工作帶寬以及所能提供的高頻部件和中頻部件的性能有關(guān)。在現(xiàn)代雷達接收機中,中頻的選擇可以從30MHz到4GHz之間。當需要在中頻增加某些信號處理部件,如脈沖壓縮濾波器,對數(shù)放大器和限幅器等時,從技術(shù)實現(xiàn)來說,中頻選擇在30MHz至500MHz更為合適。對于寬頻帶工作的接收機,應(yīng)選擇較高的中頻,以便使虛假的寄生響應(yīng)減至最小。減小接收機噪聲的關(guān)鍵參數(shù)是中頻的濾波特性,如果中頻濾波特性的帶寬大于回波信號帶寬,則過多的噪聲進入接收機。反之,如果所選擇的帶寬比信號帶寬窄,信號能量將會損失。這兩種情況都會使接收機輸出的信噪比減小。在白噪聲(即接收機熱噪聲)背景下,接收機的頻率特性為“匹配濾波器”時,輸出的信號噪聲比最大。4.中頻的選擇和濾波特性5.工作穩(wěn)定性和頻率穩(wěn)定度一般來說,工作穩(wěn)定性是指當環(huán)境條件(例如溫度、濕度、機械振動等)和電源電壓發(fā)生變化時,接收機的性能參數(shù)(振幅特性、頻率特性和相位特性等)受到影響的程度,希望影響越小越好。大多數(shù)現(xiàn)代雷達系統(tǒng)需要對一串回波進行相參處理,對本機振蕩器的短期頻率穩(wěn)定度有極高的要求(高達10-10或者更高),因此，必須采用頻率穩(wěn)定度和相位穩(wěn)定度極高的本機振蕩器,即簡稱的“穩(wěn)定本振”。5.工作穩(wěn)定性和頻率穩(wěn)定度6.抗干擾能力在現(xiàn)代電子戰(zhàn)和復(fù)雜的電磁干擾環(huán)境中,抗有源干擾和無源干擾是雷達系統(tǒng)的重要任務(wù)之一。有源干擾為敵方施放的各種雜波干擾和鄰近雷達的異步脈沖干擾,無源干擾主要是指從海浪、雨雪、地物等反射的雜波干擾和敵機施放的箔片干擾。這些干擾嚴重影響對目標的正常檢測,甚至使整個雷達系統(tǒng)無法工作?，F(xiàn)代雷達接收機必須具有各種抗干擾電路。當雷達系統(tǒng)用頻率捷變方法抗干擾時,接收機的本振應(yīng)與發(fā)射機頻率同步跳變。同時接收機應(yīng)有足夠大的動態(tài)范圍,以保證后面的信號處理器有高的處理精度。6.抗干擾能力5.1.1基本雷達方程5.1雷達方程

設(shè)雷達發(fā)射功率為Pt,雷達天線的增益為Gt,則在自由空間工作時,距雷達天線R遠的目標處的功率密度S1為(5.1.1)目標受到發(fā)射電磁波的照射,因其散射特性而將產(chǎn)生散射回波。散射功率的大小顯然和目標所在點的發(fā)射功率密度S1以及目標的特性有關(guān)。用目標的散射截面積σ(其量綱是面積)來表征其散射特性。若假定目標可將接收到的功率無損耗地輻射出來,則可得到由目標散射的功率(二次輻射功率)為5.1.1基本雷達方程5.1雷達方程(5.1.2)又假設(shè)P2均勻地輻射,則在接收天線處收到的回波功率密度為(5.1.3)如果雷達接收天線的有效接收面積為Ar,則在雷達接收處接收回波功率為Pr,而(5.1.4)(5.1.2)又假設(shè)P2均勻地輻射,則在接收天線處收到的由天線理論知道,天線增益和有效面積之間有以下關(guān)系:式中λ為所用波長,則接收回波功率可寫成如下形式:(5.1.5)(5.1.6)

單基地脈沖雷達通常收發(fā)共用天線,即Gt=Gr=G,At=Ar,將此關(guān)系式代入上二式即可得常用結(jié)果。由天線理論知道,天線增益和有效面積之間有以下關(guān)系:式中λ

由式(5.1.4)~(5.1.6)可看出,接收的回波功率Pr反比于目標與雷達站間的距離R的四次方,這是因為一次雷達中,反射功率經(jīng)過往返雙倍的距離路程,能量衰減很大。接收到的功率Pr必須超過最小可檢測信號功率Simin,雷達才能可靠地發(fā)現(xiàn)目標,當Pr正好等于Simin時,就可得到雷達檢測該目標的最大作用距離Rmax。因為超過這個距離,接收的信號功率Pr進一步減小,就不能可靠地檢測到該目標。它們的關(guān)系式可以表達為(5.1.7)由式(5.1.4)~(5.1.6)可看出,或(5.1.8)(5.1.9)式(5.1.8)、(5.1.9)是雷達距離方程的兩種基本形式,它表明了作用距離Rmax和雷達參數(shù)以及目標特性間的關(guān)系?；?5.1.8)(5.1.9)式(5.1.8)、(5.

雷達方程雖然給出了作用距離和各參數(shù)間的定量關(guān)系,但因未考慮設(shè)備的實際損耗和環(huán)境因素,而且方程中還有兩個不可能準確預(yù)定的量:目標有效反射面積σ和最小可檢測信號Simin,因此它常用來作為一個估算的公式,考察雷達各參數(shù)對作用距離影響的程度。雷達總是在噪聲和其它干擾背景下檢測目標的,再加上復(fù)雜目標的回波信號本身也是起伏的，故接收機輸出的是隨機量。雷達作用距離也不是一個確定值而是統(tǒng)計值,對于某雷達來講,不能簡單地說它的作用距離是多少,通常只在概率意義上講,當虛警概率(例如10-6)和發(fā)現(xiàn)概率(例如90%)給定時的作用距離是多大。雷達方程雖然給出了作用距離和各參數(shù)間的定量關(guān)5.1.2目標的雷達截面積(RCS)

雷達是通過目標的二次散射功率來發(fā)現(xiàn)目標的。為了描述目標的后向散射特性,在雷達方程的推導(dǎo)過程中,定義了“點”目標的雷達截面積σ,如式(5.1.2)所示,P2=S1σ

P2為目標散射的總功率,S1為照射的功率密度。雷達截面積σ又可寫為5.1.2目標的雷達截面積(RCS)圖5.1目標的散射特性圖5.1目標的散射特性5.2最小可檢測信號5.2.1最小可檢測信噪比典型的雷達接收機和信號處理框圖如圖5.2所示,一般把檢波器以前(中頻放大器輸出)的部分視為線性的,中頻濾波器的特性近似匹配濾波器,從而使中放輸出端的信號噪聲比達到最大。5.2最小可檢測信號5.2.1最小可檢測信噪比圖5.2接收信號處理框圖圖5.2接收信號處理框圖噪聲系數(shù)Fn可寫成(5.2.1)將上式整理后得到輸入信號功率Si的表示式為(5.2.2)根據(jù)雷達檢測目標質(zhì)量的要求,可確定所需要的最小輸出信噪比 ,這時就得到最小可檢測信號Simin為(5.2.3)噪聲系數(shù)Fn可寫成(5.2.1)將上式整理后得到輸入信號5.2.2門限檢測圖5.3接收機輸出典型包絡(luò)5.2.2門限檢測圖5.3接收機輸出典型包絡(luò)

檢測時門限電壓的高低影響以下兩種錯誤判斷的多少:(1)有信號而誤判為沒有信號(漏警);(2)只有噪聲時誤判為有信號(虛警)。應(yīng)根據(jù)兩種誤判的影響大小來選擇合適的門限。檢測時門限電壓的高低影響以下兩種錯誤判斷的多

門限檢測是一種統(tǒng)計檢測,由于信號疊加有噪聲,所以總輸出是一個隨機量。在輸出端根據(jù)輸出振幅是否超過門限來判斷有無目標存在,可能出現(xiàn)以下四種情況:(1)存在目標時,判為有目標,這是一種正確判斷,稱為發(fā)現(xiàn),它的概率稱為發(fā)現(xiàn)概率Pd;(2)存在目標時,判為無目標,這是錯誤判斷,稱為漏報,它的概率稱為漏報概率Pla;(3)不存在目標時判為無目標,稱為正確不發(fā)現(xiàn),它的概率稱為正確不發(fā)現(xiàn)概率Pan;(4)不存在目標時判為有目標,稱為虛警,這也是一種錯誤判斷,它的概率稱為虛警概率Pfa;門限檢測是一種統(tǒng)計檢測,由于信號疊加有噪聲顯然四種概率存在以下關(guān)系:Pd+Pla=1，

Pan+Pfa=1每對概率只要知道其中一個就可以了。我們下面只討論常用的發(fā)現(xiàn)概率和虛警概率。門限檢測的過程可以用電子線路自動完成,也可以由觀察員觀察顯示器來完成。當用觀察員觀察時,觀察員自覺不自覺地在調(diào)整門限,人在雷達檢測過程中的作用與觀察人員的責任心、熟悉程度以及當時的情況有關(guān)。例如,如果害怕漏報目標,就會有意地降低門限,這就意味著虛警概率的提高。在另一種情況下,如果觀察人員擔心虛報,自然就傾向于提高門限,這樣只能把比噪聲大得多的信號指示為目標,從而丟失一些弱信號。操縱人員在雷達檢測過程中的能力,可以用試驗的方法來決定,但這種試驗只是概略的。顯然四種概率存在以下關(guān)系:Pd+Pla=1，Pan+Pfa5.2.3檢測性能和信噪比

1.虛警概率Pfa

虛警是指沒有信號而僅有噪聲時,噪聲電平超過門限值被誤認為信號的事件。噪聲超過門限的概率稱虛警概率。顯然,它和噪聲統(tǒng)計特性、噪聲功率以及門限電壓的大小密切相關(guān)。下面定量地分析它們之間的關(guān)系。通常加到接收機中頻濾波器(或中頻放大器)上的噪聲是寬帶高斯噪聲,其概率密度函數(shù)由下式給出:(5.2.8)5.2.3檢測性能和信噪比1.虛警概圖5.4門限電平和虛警概率圖5.4門限電平和虛警概率2.發(fā)現(xiàn)概率Pd

為了討論發(fā)現(xiàn)概率Pd,必須研究信號加噪聲通過接收機的情況,然后才能計算信號加噪聲電壓超過門限的概率,也就是發(fā)現(xiàn)概率Pd

。下面將討論振幅為A的正弦信號同高斯噪聲一起輸入到中頻濾波器的情況。設(shè)信號的頻率是中頻濾波器的中心頻率fIf,包絡(luò)檢波器的輸出包絡(luò)的概率密度函數(shù)為(5.2.14)2.發(fā)現(xiàn)概率Pd(5.2.14)圖5.8用概率密度函數(shù)來說明檢測性能圖5.8用概率密度函數(shù)來說明檢測性能圖5.7非起伏目標單個脈沖線性檢波時檢測概率和所需信噪比(檢測因子)的關(guān)系曲線圖5.7非起伏目標單個脈沖線性檢波時檢測概率5.3脈沖積累對檢測性能的改善5.3.1積累的效果脈沖積累的效果可以用檢測因子D0的改變來表示。對于理想的相參積累,M個等幅脈沖積累后對檢測因子Do的影響是:(5.3.1)式中，Do(M)表示M個脈沖相參積累后的檢測因子。因為這種積累使信噪比提高到M倍,所以在門限檢測前達到相同信噪比時,檢波器輸入端所要求的單個脈沖信噪比Do(M)將減小到不積累時的Do(1)的M倍。5.3脈沖積累對檢測性能的改善5.3.1積累的效果(

對于非相參積累(視頻積累)的效果分析,是一件比較困難的事。要計算M個視頻脈沖積累后的檢測能力,首先要求出M個信號加噪聲以及M個噪聲脈沖經(jīng)過包絡(luò)檢波并相加后的概率密度函數(shù)psn(r)和pn(r),這兩個函數(shù)與檢波器的特性及回波信號特性有關(guān)；然后由psn(r)和pn(r)按照同樣的方法求出Pd和Pfa。(5.3.2)(5.3.3)對于非相參積累(視頻積累)的效果分析,是一圖5.9線性檢波非起伏目標檢測因子(所需信噪比)與非相參脈沖積累數(shù)的關(guān)系(Pd=0.5)圖5.9線性檢波非起伏目標檢測因子(所需信噪比)與圖5.10線性檢波非起伏目標檢測因子與非相參脈沖 積累數(shù)的關(guān)系Pd=0.9圖5.10線性檢波非起伏目標檢測因子與非相參脈沖

測量目標的距離是雷達的基本任務(wù)之一。無線電波在均勻介質(zhì)中以固定的速度直線傳播(在自由空間傳播速度約等于光速c=3×105km/s)。圖6.1中,雷達位于A點,而在B點有一目標,則目標至雷達站的距離(即斜距)R可以通過測量電波往返一次所需的時間tR得到，即(6.0.1)而時間tR也就是回波相對于發(fā)射信號的延遲,因此,目標距離測量就是要精確測定延遲時間tR。根據(jù)雷達發(fā)射信號的不同,測定延遲時間通?？梢圆捎妹}沖法,頻率法和相位法。測量目標的距離是雷達的基本任務(wù)之一。無線電圖6.1目標距離的測量圖6.1目標距離的測量6.1脈沖法測距6.1.1基本原理

在常用的脈沖雷達中,回波信號是滯后于發(fā)射脈沖tR的回波脈沖,如圖6.2所示。在熒光屏上目標回波出現(xiàn)的時刻滯后于主波,滯后的時間就是tR,測量距離就是要測出時間tR

?；夭ㄐ盘柕难舆t時間tR通常是很短促的,將光速c=3×105km/s的值代入式(6.0.1)后得到R=0.15tR

(6.1.1)6.1脈沖法測距6.1.1基本原理其中tR的單位為μs,測得的距離其單位為km,即測距的計時單位是微秒。測量這樣量級的時間需要采用快速計時的方法。早期雷達均用顯示器作為終端,在顯示器畫面上根據(jù)掃掠量程和回波位置直接測讀延遲時間?，F(xiàn)代雷達常常采用電子設(shè)備自動地測讀回波到達的遲延時間tR。其中tR的單位為μs,測得的距離其單位為km,即測距的計圖6.2具有機械距離刻度標尺的顯示器熒光屏畫面圖6.2具有機械距離刻度標尺的顯示器熒光屏畫面圖6.3回波脈沖中心估計圖6.3回波脈沖中心估計1.電波傳播速度變化產(chǎn)生的誤差如果大氣是均勻的,則電磁波在大氣中的傳播是等速直線,此時測距公式(6.0.1)中的c值可認為是常數(shù)。但實際上大氣層的分布是不均勻的且其參數(shù)隨時間、地點而變化。大氣密度、濕度、溫度等參數(shù)的隨機變化,導(dǎo)致大氣傳播介質(zhì)的導(dǎo)磁系數(shù)和介電常數(shù)也發(fā)生相應(yīng)的改變,因而電波傳播速度c不是常量而是一個隨機變量。由式(6.1.2)可知,由于電波傳播速度的隨機誤差而引起的相對測距誤差為(6.1.3)1.電波傳播速度變化產(chǎn)生的誤差(6.1.3隨著距離R的增大,由電波速度的隨機變化所引起的測距誤差ΔR也增大。在晝夜間大氣中溫度、氣壓及濕度的起伏變化所引起的傳播速度變化為Δc/c≈10-5,若用平均值c作為測距計算的標準常數(shù),則所得測距精度亦為同樣量級,例如R=60km時,ΔR=60×103×10-5=0.6m的數(shù)量級,對常規(guī)雷達來講可以忽略。電波在大氣中的平均傳播速度和光速亦稍有差別,且隨工作波長λ而異,因而在測距公式(6.0.1)中的c值亦應(yīng)根據(jù)實際情況校準,否則會引起系統(tǒng)誤差,表6.1列出了幾組實測的電波傳播速度值。隨著距離R的增大,由電波速度的隨機變化所引起的測距誤差Δ表6.1在不同條件下電磁波傳播速度1.電波傳播速度變化產(chǎn)生的誤差表6.1在不同條件下電磁波傳播速度1.電波傳播速度變2.因大氣折射引起的誤差當電波在大氣中傳播時,由于大氣介質(zhì)分布不均勻?qū)⒃斐呻姴ㄕ凵?因此電波傳播的路徑不是直線而是走過一個彎曲的軌跡。在正折射時電波傳播途徑為一向下彎曲的弧線。由圖6.4可看出,雖然目標的真實距離是R0,但因電波傳播不是直線而是彎曲弧線,故所測得的回波延遲時間tR=2R/c,這就產(chǎn)生一個測距誤差(同時還有測仰角的誤差Δβ):(6.1.4)2.因大氣折射引起的誤差(6.1.4)圖6.4大氣層中電波的折射圖6.4大氣層中電波的折射3.測讀方法誤差測距所用具體方法不同,其測距誤差亦有差別。早期的脈沖雷達直接從顯示器上測量目標距離,這時顯示器熒光屏亮點的直徑大小、所用機械或電刻度的精度、人工測讀時的慣性等都將引起測距誤差。當采用電子自動測距的方法時,如果測讀回波脈沖中心,則圖6.3中回波中心的估計誤差(正比于脈寬τ而反比于信噪比)以及計數(shù)器的量化誤差等均將造成測距誤差。自動測距時的測量誤差與測距系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)傳遞函數(shù)、目標特性(包括其動態(tài)特性和回波起伏特性)、干擾(噪聲)的強度等因素均有關(guān)系,詳情可參考測距系統(tǒng)有關(guān)資料。3.測讀方法誤差6.1.3距離分辨力和測距范圍距離分辨力是指同一方向上兩個大小相等點目標之間最小可區(qū)分距離。在顯示器上測距時,分辨力主要取決于回波的脈沖寬度τ,同時也和光點直徑d所代表的距離有關(guān)。如圖6.5所示的兩個點目標回波的矩形脈沖之間間隔為τ+d/υn,其中υn為掃掠速度,這是距離可分的臨界情況,這時定義距離分辨力Δrc為式中,d為光點直徑;υn為光點掃掠速度(cm/μs)。6.1.3距離分辨力和測距范圍式中,d為光點直徑;υ圖6.5距離分辨力圖6.5距離分辨力6.1.4判距離模糊的方法

1.多種重復(fù)頻率判模糊設(shè)重復(fù)頻率分別為fr1和fr2,它們都不能滿足不模糊測距的要求。fr1和fr2具有公約頻率，其為fr,N和a為正整數(shù),常選a=1,使N和N+a為互質(zhì)數(shù)。fr的選擇應(yīng)保證不模糊測距。雷達以fr1和fr2的重復(fù)頻率交替發(fā)射脈沖信號。通過記憶重合裝置,將不同的fr發(fā)射信號進行重合,重合后的輸出是重復(fù)頻率fr的脈沖串。同樣也可得到重合后的接收脈沖串,二者之間的時延代表目標的真實距離,如圖6.6(a)所示。6.1.4判距離模糊的方法N和a為正整數(shù),常選a=1,以二重復(fù)頻率為例,n1,n2分別為用fr1和fr2測距時的模糊數(shù)。當a=1時,n1和n2的關(guān)系可能有兩種,即n1=n2或n1=n2+1,此時可算得或如果按前式算出tR為負值,則應(yīng)用后式。以二重復(fù)頻率為例,n1,n2分別為用fr1和fr2測距時6.2調(diào)頻法測距6.2.1調(diào)頻連續(xù)波測距調(diào)頻連續(xù)波雷達的組成方框圖如圖6.7所示。發(fā)射機產(chǎn)生連續(xù)高頻等幅波,其頻率在時間上按三角形規(guī)律或按正弦規(guī)律變化,目標回波和發(fā)射機直接耦合過來的信號加到接收機混頻器內(nèi)。在無線電波傳播到目標并返回天線的這段時間內(nèi),發(fā)射機頻率較之回波頻率已有了變化,因此在混頻器輸出端便出現(xiàn)了差頻電壓。后者經(jīng)放大、限幅后加到頻率計上。由于差頻電壓的頻率與目標距離有關(guān),因而頻率計上的刻度可以直接采用距離長度作為單位。6.2調(diào)頻法測距6.2.1調(diào)頻連續(xù)波測距圖6.7調(diào)頻連續(xù)波雷達方框圖圖6.7調(diào)頻連續(xù)波雷達方框圖1.三角形波調(diào)制發(fā)射頻率按周期性三角形波的規(guī)律變化,如圖6.8所示。圖中ft是發(fā)射機的高頻發(fā)射頻率,它的平均頻率是ft0,ft0變化的周期為Tm

。通常ft0為數(shù)百到數(shù)千兆赫,而Tm為數(shù)百分之一秒。fr為從目標反射回來的回波頻率,它和發(fā)射頻率的變化規(guī)律相同,但在時間上滯后tR,tR=2R/c。發(fā)射頻率調(diào)制的最大頻偏為±Δf,fb為發(fā)射和接收信號間的差拍頻率,差頻的平均值用fbav表示。1.三角形波調(diào)制圖6.8調(diào)頻雷達工作原理示意圖圖6.8調(diào)頻雷達工作原理示意圖3.調(diào)頻連續(xù)波雷達的特點調(diào)頻連續(xù)波雷達的優(yōu)點是:(1)能測量很近的距離,一般可測到數(shù)米,而且有較高的測量精度。

(2)雷達線路簡單,且可做到體積小、重量輕,普遍應(yīng)用于飛機高度表及微波引信等場合。3.調(diào)頻連續(xù)波雷達的特點

它的主要缺點是:(1)難于同時測量多個目標。如欲測量多個目標,必須采用大量濾波器和頻率計數(shù)器等,使裝置復(fù)雜，從而限制其應(yīng)用范圍。

(2)收發(fā)間的完善隔離是所有連續(xù)波雷達的難題。發(fā)射機泄漏功率將阻塞接收機,因而限制了發(fā)射功率的大小。發(fā)射機噪聲的泄漏會直接影響接收機的靈敏度。它的主要缺點是:7.1概述

為了確定目標的空間位置,雷達在大多數(shù)應(yīng)用情況下,不僅要測定目標的距離,而且還要測定目標的方向,即測定目標的角坐標,其中包括目標的方位角和高低角(仰角)。雷達測角的物理基礎(chǔ)是電波在均勻介質(zhì)中傳播的直線性和雷達天線的方向性。由于電波沿直線傳播,目標散射或反射電波波前到達的方向,即為目標所在方向。但在實際情況下,電波并不是在理想均勻的介質(zhì)中傳播,如大氣密度、濕度隨高度的不均勻性造成傳播介質(zhì)的不均勻,復(fù)雜的地形地物的影響等,因而使電波傳播路徑發(fā)生偏折,從而造成測角誤差。通常在近距測角時,由于此誤差不大,仍可近似認為電波是直線傳播的。當遠程測角時,應(yīng)根據(jù)傳播介質(zhì)的情況,對測量數(shù)據(jù)(主要是仰角測量)作出必要的修正。7.1概述為了確定目標的空間位置,

天線的方向性可用它的方向性函數(shù)或根據(jù)方向性函數(shù)畫出的方向圖表示。但方向性函數(shù)的準確表達式往往很復(fù)雜,為便于工程計算,常用一些簡單函數(shù)來近似,如表7.1所示。方向圖的主要技術(shù)指標是半功率波束寬度θ0.5以及副瓣電平。在角度測量時θ0.5的值表征了角度分辨能力并直接影響測角精度,副瓣電平則主要影響雷達的抗干擾性能。雷達測角的性能可用測角范圍、測角速度、測角準確度或精度、角分辨力來衡量。準確度用測角誤差的大小來表示,它包括雷達系統(tǒng)本身調(diào)整不良引起的系統(tǒng)誤差和由噪聲及各種起伏因素引起的隨機誤差。而測量精度由隨機誤差決定。角分辨力指存在多目標的情況下,雷達能在角度上把它們分辨開的能力,通常用雷達在可分辨條件下,同距離的兩目標間的最小角坐標之差表示。天線的方向性可用它的方向性函數(shù)或根據(jù)方向性函數(shù)7.2測角方法及其比較7.2.1相位法測角

1.基本原理相位法測角利用多個天線所接收回波信號之間的相位差進行測角。如圖7.1所示,設(shè)在θ方向有一遠區(qū)目標,則到達接收點的目標所反射的電波近似為平面波。由于兩天線間距為d,故它們所收到的信號由于存在波程差ΔR而產(chǎn)生一相位差φ,由圖7.1知(7.2.1)其中λ為雷達波長。如用相位計進行比相,測出其相位差φ,就可以確定目標方向θ。7.2測角方法及其比較7.2.1相位法測角(7.2.圖7.1相位法測角方框圖圖7.1相位法測角方框圖

由于在較低頻率上容易實現(xiàn)比相,故通常將兩天線收到的高頻信號經(jīng)與同一本振信號差頻后,在中頻進行比相。設(shè)兩高頻信號為u1=U1cos(ωt-φ)u2=U2cos(ωt)本振信號為uL=ULcos(ωLt+φL)其中，φ為兩信號的相位差；φL為本振信號初相。u1和uL差頻得uI1=UI1cos［(ω-ωL)t-φ-φL］由于在較低頻率上容易實現(xiàn)比相,故通常將兩天線u2與uL差頻得uI2=UI2cos［(ω-ωL)t-φL］可見，兩中頻信號uI1與uI2之間的相位差仍為φ。

圖7.2所示為一個相位法測角的方框圖。接收信號經(jīng)過混頻、放大后再加到相位比較器中進行比相。其中自動增益控制電路用來保證中頻信號幅度穩(wěn)定,以免幅度變化引起測角誤差。u2與uL差頻得uI2=UI2cos［(ω-ωL)t-φL圖7.2相位法測角方框圖圖7.2相位法測角方框圖7.2.2振幅法測角1.最大信號法當天線波束作圓周掃描或在一定扇形范圍內(nèi)作勻角速掃描時,對收發(fā)共用天線的單基地脈沖雷達而言,接收機輸出的脈沖串幅度值被天線雙程方向圖函數(shù)所調(diào)制。找出脈沖串的最大值(中心值),確定該時刻波束軸線指向即為目標所在方向,如圖7.6(b)的①所示。如天線轉(zhuǎn)動角速度為ωar/min,脈沖雷達重復(fù)頻率為fr,則兩脈沖間的天線轉(zhuǎn)角為這樣,天線軸線(最大值)掃過目標方向(θt)時,不一定有回波脈沖,就是說,Δθs將產(chǎn)生相應(yīng)的“量化”測角誤差。7.2.2振幅法測角1.最大信號法這

最大信號法測角的優(yōu)點一是簡單;二是用天線方向圖的最大值方向測角,此時回波最強,故信噪比最大,對檢測發(fā)現(xiàn)目標是有利的。其主要缺點是直接測量時測量精度不很高,約為波束半功率寬度(θ0.5)的20%左右。因為方向圖最大值附近比較平坦,最強點不易判別,測量方法改進后可提高精度。另一缺點是不能判別目標偏離波束軸線的方向,故不能用于自動測角。最大信號法測角廣泛應(yīng)用于搜索、引導(dǎo)雷達中。最大信號法測角的優(yōu)點一是簡單;二是用天線圖7.6最大信號法測角(a)波束掃描;(b)波型圖圖7.6最大信號法測角2.等信號法等信號法測角采用兩個相同且彼此部分重疊的波束,其方向圖如圖7.7(a)所示。如果目標處在兩波束的交疊軸OA方向,則由兩波束收到的信號強度相等,否則一個波束收到的信號強度高于另一個(如圖7.7(b)所示)。故常常稱OA為等信號軸。當兩個波束收到的回波信號相等時,等信號軸所指方向即為目標方向。如果目標處在OB方向,波束2的回波比波束1的強,處在OC方向時,波束2的回波較波束1的弱,因此，比較兩個波束回波的強弱就可以判斷目標偏離等信號軸的方向并可用查表的辦法估計出偏離等信號軸的大小。2.等信號法圖7.7等信號法測角(a)波束; (b)K型顯式器畫面圖7.7等信號法測角根據(jù)比值的大小可以判斷目標偏離θ0的方向,查找預(yù)先制定的表格就可估計出目標偏離θ0的數(shù)值。根據(jù)比值的大小可以判斷目標偏離θ0的方向,查找預(yù)先制定的表

等信號法的主要優(yōu)點是:(1)測角精度比最大信號法高,因為等信號軸附近方向圖斜率較大,目標略微偏離等信號軸時,兩信號強度變化較顯著。由理論分析可知,對收發(fā)共用天線的雷達,精度約為波束半功率寬度的2%,比最大信號法高約一個量級。

(2)根據(jù)兩個波束收到的信號的強弱可判別目標偏離等信號軸的方向,便于自動測角。等信號法的主要缺點：一是測角系統(tǒng)較復(fù)雜;二是等信號軸方向不是方向圖的最大值方向,故在發(fā)射功率相同的條件下,作用距離比最大信號法小些。若兩波束交點選擇在最大值的0.7~0.8處,則對收發(fā)共用天線的雷達,作用距離比最大信號法減小約20%~30%。等信號法常用來進行自動測角,即應(yīng)用于跟蹤雷達中。等信號法的主要優(yōu)點是:8.1多卜勒效應(yīng)及其在雷達中的應(yīng)用8.1.1多卜勒效應(yīng)雷達發(fā)射連續(xù)波的情況這時發(fā)射信號可表示為s(t)=Acos(ω0t+φ)式中,ω0為發(fā)射角頻率,φ為初相;A為振幅。8.1多卜勒效應(yīng)及其在雷達中的應(yīng)用8.1.1多卜勒效應(yīng)在雷達發(fā)射站處接收到由目標反射的回波信號sr(t)為(8.1.1)式中,tr=2R/c,為回波滯后于發(fā)射信號的時間,其中R為目標和雷達站間的距離;c為電磁波傳播速度,在自由空間傳播時它等于光速;k為回波的衰減系數(shù)。如果目標固定不動,則距離R為常數(shù)?；夭ㄅc發(fā)射信號之間有固定相位差ω0tr=2πf0·2R/c=(2π/λ)2R,它是電磁波往返于雷達與目標之間所產(chǎn)生的相位滯后。在雷達發(fā)射站處接收到由目標反射的回波信號sr(t)為(8.

當目標與雷達站之間有相對運動時,則距離R隨時間變化。設(shè)目標以勻速相對雷達站運動,則在時間t時刻,目標與雷達站間的距離R(t)為R(t)=R0-vrt

式中，R0

為

t=0時的距離；vr為目標相對雷達站的徑向運動速度。

式(8.1.1)說明,在t時刻接收到的波形sr(t)上的某點,是在t-tr時刻發(fā)射的。由于通常雷達和目標間的相對運動速度vr遠小于電磁波速度c,故時延tr可近似寫為(8.1.1)當目標與雷達站之間有相對運動時,則距離R隨回波信號比起發(fā)射信號來,高頻相位差是時間t的函數(shù),在徑向速度vr為常數(shù)時,產(chǎn)生頻率差為(8.1.3)這就是多卜勒頻率,它正比于相對運動的速度而反比于工作波長λ。當目標飛向雷達站時,多卜勒頻率為正值,接收信號頻率高于發(fā)射信號頻率,而當目標背離雷達站飛行時,多卜勒頻率為負值,接收信號頻率低于發(fā)射信號頻率?；夭ㄐ盘柋绕鸢l(fā)射信號來,高頻相位差是時間t的函數(shù),在徑

多卜勒頻率可以直觀地解釋為:振蕩源發(fā)射的電磁波以恒速c傳播,如果接收者相對于振蕩源是不動的,則他在單位時間內(nèi)收到的振蕩數(shù)目與振蕩源發(fā)出的相同,即二者頻率相等。如果振蕩源與接收者之間有相對接近的運動,則接收者在單位時間內(nèi)收到的振蕩數(shù)目要比他不動時多一些,也就是接收頻率增高；當二者作背向運動時,結(jié)果相反。多卜勒頻率可以直觀地解釋為:振蕩源發(fā)射的電磁8.1.2多卜勒信息的提取已經(jīng)知道,回波信號的多卜勒頻移fd正比于徑向速度，而反比于雷達工作波長λ,即

多卜勒頻移的相對值正比于目標速度與光速之比,fd的正負值取決于目標運動的方向。在多數(shù)情況下,多卜勒頻率處于音頻范圍。例如當λ=10cm,vr=300m/s時,求得fd=6kHz。而此時雷達工作頻率f0=3000MHz,目標回波信號頻率為fr=3000MHz±6kHz,兩者相差的百分比是很小的。因此要從接收信號中提取多卜勒頻率需要采用差拍的方法,即設(shè)法取出f0和fr的差值fd

。8.1.2多卜勒信息的提取多卜勒頻移的相1.連續(xù)波多卜勒雷達為取出收發(fā)信號頻率的差頻,可以在接收機檢波器輸入端引入發(fā)射信號作為基準電壓,在檢波器輸出端即可得到收發(fā)頻率的差頻電壓,即多卜勒頻率電壓。這時的基準電壓通常稱為相參(干)電壓,而完成差頻比較的檢波器稱為相干檢波器。相干檢波器就是一種相位檢波器,在其輸入端除了加基準電壓外,還有需要鑒別其差頻率或相對相位的信號電壓。圖8.1(a)~(c)畫出了連續(xù)波多卜勒雷達的原理性組成方框圖、獲取多卜勒頻率的差拍矢量圖及各主要點的頻譜圖。1.連續(xù)波多卜勒雷達圖8.1連續(xù)波多卜勒雷達原理框圖(a)組成框圖;(b)多卜勒頻率差拍矢量;(c)頻譜圖圖8.1連續(xù)波多卜勒雷達原理框圖什么是“最佳接收”類似于香農(nóng)定理指出了特定帶寬和信噪比條件下的傳信率的極限“最佳接收”告訴人們在特定的發(fā)送波形和噪聲情況下，接收機所能達到的最佳接收效果的極限即“最佳接收”是一種理論，是一種努力方向，但在實際中并不一定這么去設(shè)計接收機。什么是“最佳接收”

在雷達系統(tǒng)中，濾波器是其中重要部件之一，濾波器特性的選擇直接影響目標檢測的效果。在信號接收中，濾波器的作用有兩個方面，使濾波器輸出有用信號成分盡可能強；抑制信號帶外噪聲，使濾波器輸出噪聲成分盡可能小，減小噪聲對信號判決的影響。

遙測遙控-03課件對最佳線性濾波器的設(shè)計有兩種準則：一種是使濾波器輸出的信號波形與發(fā)送信號波形之間的均方誤差最小，由此而導(dǎo)出的最佳線性濾波器稱為維納濾波器；另一種是使濾波器輸出信噪比在某一特定時刻達到最大，由此而導(dǎo)出的最佳線性濾波器稱為匹配濾波器。在雷達信號檢測中，匹配濾波器具有更廣泛的應(yīng)用。對最佳線性濾波器的設(shè)計有兩種準則：最大輸出信噪比準則輸入信號的頻譜:輸出信號:最大輸出信噪比準則輸入信號的頻譜:輸出信號:濾波器輸出端的噪聲功率譜:平均噪聲輸出功率:輸入信號的能量:濾波器輸出端的噪聲功率譜:平均噪聲輸出功率:輸入信號的能量:最佳雷達濾波器必須使其輸出端的信號功率與平均噪聲功率之比最大:利用施瓦茲不等式:令最佳雷達濾波器必須使其輸出端的信號功率與平均噪聲功率之比最大等式成立時,得到最大輸出信噪比，則有:積分器等式成立時,得到最大輸出信噪比，則有:積分器例1白噪聲中矩形脈沖信號的匹配濾波器設(shè)脈沖信號f(t)為：匹配波器的傳輸函數(shù)為：f(t)0Ttag(t)02TtTa2T例1白噪聲中矩形脈沖信號的匹配濾波器匹配波器的傳輸函數(shù)為：例2白噪聲中射頻矩形脈沖信號的匹配濾波器設(shè)脈沖信號f(t)為：匹配波器的傳輸函數(shù)為：匹配波器輸出的最大信噪比：例2白噪聲中射頻矩形脈沖信號的匹配濾波器匹配波器的傳輸函

根據(jù)匹配濾波器理論，在白噪聲背景下，濾波器輸出端信號噪聲功率比的最大峰值為2E/N0，即當噪聲功率譜密度給定后，決定雷達檢測能力的是信號能量E。早期脈沖雷達所用信號，多是簡單矩形脈沖信號。這時脈沖信號能量E=Ptτ，Pt為脈沖功率，τ為脈沖寬度。當要求雷達探測目標的作用距離增大時，應(yīng)該加大信號能量E。增大發(fā)射機的脈沖功率是一個途徑，但它受到發(fā)射管峰值功率及傳輸線功率容量等因素的限制，只能有一定范圍。在發(fā)射機平均功率允許的條件下，可以用增大脈沖寬度τ的辦法來提高信號能量。但應(yīng)該注意到，在簡單矩形脈沖條件下，脈沖寬度τ直接決定距離分辨力。為保證上述指標，脈沖寬度τ的增加會受到明顯的限制。提高雷達的探測能力和保證必需的距離分辨力這對矛盾，在簡單脈沖信號中很難解決，這就有必