雷達(dá)原理介紹課件

雷達(dá)原理介紹2012年7月16日雷達(dá)原理介紹2012年7月16日1定義與任務(wù)雷達(dá)，英文Radar的音譯，源于RadioDetectionandRanging的縮寫，原意是“無線電探測和測距”，即用無線電方法發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并測定它們的空間位置。隨著雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，雷達(dá)的種類越來越多，不同雷達(dá)的功能范圍也從單純的測量目標(biāo)位置擴(kuò)展到測量目標(biāo)速度，甚至測量目標(biāo)的尺寸、形狀、表面粗糙度及介電特性等。定義與任務(wù)雷達(dá)，英文Radar的音譯，源于R2基本原理將雷達(dá)的接收信號與發(fā)射信號進(jìn)行比較，就可以獲得目標(biāo)的位置、速度、形狀等信息，根據(jù)這些信息，雷達(dá)進(jìn)而可以完成對目標(biāo)的檢測、跟蹤、識別等任務(wù)?；驹韺⒗走_(dá)的接收信號與發(fā)射信號進(jìn)行比較，3基本原理雷達(dá)發(fā)射周期性脈沖，記脈沖寬度為Tp，重復(fù)周期為Tr，雷達(dá)峰值功率（即脈沖期間的平均功率）為Pt，雷達(dá)平均功率（即周期內(nèi)的平均功率）為Pav，工作比（即脈沖寬度與重復(fù)周期之比）為D。顯然有：D=Tp/

Tr=Pt

/

Pav

≤1當(dāng)雷達(dá)發(fā)射信號是連續(xù)波時，其工作比D=1。發(fā)射信號：基本原理雷達(dá)發(fā)射周期性脈沖，記脈沖寬度為T4基本原理接收信號：雷達(dá)接收機(jī)輸出波形由兩部分組成：一是各種目標(biāo)被發(fā)射電磁波照射后的反射回波（圖中假設(shè)只有一個目標(biāo)），稱之為信號；另一是接收機(jī)噪聲，無論有沒有目標(biāo)回波，它總是存在并影響對信號的分析。記信號峰值功率為Ps，噪聲平均功率為Pn，定義雷達(dá)接收信噪比SNR：SNR=Ps/

Pn顯然SNR越高，目標(biāo)回波就越顯著，就越有利于信號分析?；驹斫邮招盘枺豪走_(dá)接收機(jī)輸出波形由兩部分5發(fā)射功率不考慮各種損耗，影響目標(biāo)回波峰值功率Ps的因素有：雷達(dá)發(fā)射峰值功率Pt、目標(biāo)的雷達(dá)截面積（RCS）

、目標(biāo)與雷達(dá)的相對距離R。它們之間存在關(guān)系：Ps=

Pt

/R4

是與雷達(dá)系統(tǒng)及環(huán)境有關(guān)的常數(shù)。若

過小或R過大，則接收信噪比SNR會過低，從而可能導(dǎo)致無法發(fā)現(xiàn)目標(biāo)：提高SNR的一個直接途徑是增加發(fā)射峰值功率Pt，但是限于元器件的發(fā)展水平，僅僅依靠發(fā)射機(jī)的輸出供功率尚無法滿足人們對雷達(dá)探測性能的要求。發(fā)射功率不考慮各種損耗，影響目標(biāo)回波峰值功率6距離分辨率如果目標(biāo)是理想點(diǎn)目標(biāo)（

=1），將雷達(dá)接收機(jī)的輸出稱為雷達(dá)系統(tǒng)響應(yīng)。通常將系統(tǒng)響應(yīng)的3dB寬度稱為雷達(dá)距離分辨率，它表征了雷達(dá)將相鄰目標(biāo)區(qū)分開的能力。若接收機(jī)沒有脈沖壓縮，可用發(fā)射脈寬Tp近似距離分辨率；若有脈沖壓縮，分辨率將會遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于脈寬Tp。與雷達(dá)相距r的目標(biāo)回波相對于發(fā)射脈沖的延時=2r/c，c為電磁波的傳播速度。那么，與雷達(dá)的相對距離差為

r的兩個目標(biāo)回波的延時差等于

=

2

r

/c

。距離分辨率如果目標(biāo)是理想點(diǎn)目標(biāo)（=1）7角度分辨率雷達(dá)的角度分辨率表征了雷達(dá)將目標(biāo)從角度上分開的能力。雷達(dá)的發(fā)射波束越窄，其角度分辨率越高而天線孔徑越大，波束越窄，角分辨率就越高。但是，限于天線的制造、加工和安裝水平，真實(shí)天線的孔徑存在著無法逾越的上限。雷達(dá)波束張角

與發(fā)射波長

、天線孔徑D之間存在近似關(guān)系：

/D角度分辨率雷達(dá)的角度分辨率表征了雷達(dá)將目標(biāo)從8雷達(dá)發(fā)射信號雷達(dá)發(fā)射脈沖p(t)的一般形式為：p(t)=a(t)exp(j2

f0t)a(t)為信號的調(diào)制波形，稱之為信號形式或信號包絡(luò)；f0是信號的載波頻率，簡稱為信號載頻。顯然，發(fā)射脈沖p(t)是信號包絡(luò)a(t)被調(diào)制到載頻f0上的結(jié)果，因?yàn)橹挥姓袷幍男盘柌拍芡ㄟ^雷達(dá)天線發(fā)射到充滿介質(zhì)的自由空間形成發(fā)射電磁波。當(dāng)目標(biāo)被發(fā)射電磁波照射才會產(chǎn)生反射電磁波，反射電磁波被雷達(dá)接收從而發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。矩形振幅是一種常用的信號包絡(luò)：a(t)=Arect(t

/

Tp)雷達(dá)發(fā)射信號雷達(dá)發(fā)射脈沖p(t)的一般形9雷達(dá)發(fā)射信號雷達(dá)的工作頻率是雷達(dá)系統(tǒng)的重要參數(shù)，不同的頻率參數(shù)賦予了雷達(dá)不同的功能特性。一般可用頻帶寬度B和工作波段來描述雷達(dá)工作頻率。大多數(shù)情況下，信號包絡(luò)a(t)的中心頻率為零，它決定了帶寬B；當(dāng)B

f0時，工作波段主要決定于載頻f0。1、雷達(dá)的距離分辨率

r與帶寬B之間存在近似關(guān)系：

r=1/B。可見頻帶越寬，分辨率越高。2、定義相對帶寬

B=B/f0。大多數(shù)雷達(dá)B1，稱之為窄帶雷達(dá)

，如：B=10MHz，f0=10GHz，B=0.001。某些雷達(dá)B0.25，甚至B1.0，則稱之為寬帶或超寬帶雷達(dá)，如：B=300MHz，f0=500MHz，B=0.6。雷達(dá)發(fā)射信號雷達(dá)的工作頻率是雷達(dá)系統(tǒng)的重要參10雷達(dá)發(fā)射信號所謂“L波段雷達(dá)”、“X波段雷達(dá)”等說法表達(dá)了雷達(dá)的工作頻率所處的頻段，這主要由發(fā)射載頻f0決定。雷達(dá)常用的工作頻率范圍220MHz~35GHz，某些雷達(dá)在低端或高端超出了上述范圍，絕大部分雷達(dá)工作于220MHz~10GHz。以字母命名工作頻段是雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的習(xí)慣說法：波段名稱頻率波段名稱頻率UHF300~1000MHzKu12~18GHzL1000~2000MHzK18~27GHzS2000~4000MHzKa27~40GHzC4000~8000MHzmm40~300GHzX8000~12000MHz雷達(dá)發(fā)射信號所謂“L波段雷達(dá)”、“X波段雷達(dá)11雷達(dá)接收信號到達(dá)雷達(dá)接收天線的信號是被照射目標(biāo)的回波的疊加：注意，接收信號的頻譜中心仍為f0，所以稱之為射頻信號。式中忽略了各種衰減與損耗，

k表示第k個目標(biāo)的RCS。將p(t)=a(t)exp(j2

f0t)代入：雷達(dá)接收信號到達(dá)雷達(dá)接收天線的信號是被照射目12雷達(dá)接收信號為了對接收信號進(jìn)行積累、顯示等處理，必須將接收的射頻信號進(jìn)行下變頻以轉(zhuǎn)化為視頻信號（即中心頻率等于0）。正交解調(diào)接收機(jī)即可完成這樣的下變頻處理：sm(t)=s(t)exp(-j2

f0t)可見，正交解調(diào)處理將信號的中心頻率降低了f0。雷達(dá)接收信號為了對接收信號進(jìn)行積累、顯示等處13脈沖壓縮如前所述，元器件發(fā)展水平使得不能僅以增加發(fā)射機(jī)功率Pt來提高接收信號SNR，同時，太高的發(fā)射功率也使得己方雷達(dá)容易被敵方發(fā)現(xiàn)并摧毀。于是產(chǎn)生了各種復(fù)雜的信號包絡(luò)，具有這種信號形式的雷達(dá)以相對較低的功率發(fā)射寬脈沖；對于接收信號，通過脈沖壓縮等信號處理手段來改善SNR，從而等效地提高了雷達(dá)的發(fā)射功率。脈沖壓縮如前所述，元器件發(fā)展水平使得不能僅以14匹配濾波器脈沖壓縮是通過匹配濾波器（MatchedFilter）實(shí)現(xiàn)的：式中的

t表示關(guān)于t的線性卷積，匹配濾波器響應(yīng)h(t)發(fā)射信號包絡(luò)a(t)之間存在時域、頻域的對應(yīng)關(guān)系：h(t)=a*(-t)

H(f)=A*(f)匹配濾波器的作用有兩點(diǎn)：將分布于寬時段內(nèi)的能量匯聚到窄時段內(nèi)，從而提高了SNR。將寬脈沖壓縮成窄脈沖，從而提高了距離分辨率。匹配濾波器脈沖壓縮是通過匹配濾波器（Matc15線性調(diào)頻信號線性調(diào)頻(LinearFrequencyModulation，LFM)信號：a(t)=Aexp(j

Kt2)rect(t

/

Tp)根據(jù)其相位函數(shù)－時間可以求得其頻率－時間函數(shù)：

(t)=

Kt2

f(t)=

(t)/2

=Kt由于它的頻率是隨時間線性變化的，所以稱之為線性調(diào)頻信號，稱K為調(diào)頻斜率。顯然，LFM信號頻率變化范圍，即頻譜寬度B等于：B=K

Tp線性調(diào)頻信號線性調(diào)頻(LinearFreq16線性調(diào)頻信號LFM信號具有良好的性質(zhì)。利用駐定相位原理可以求得LFM信號頻譜的近似解析表達(dá)式：A(f)

Afexp(j

f2/K)rect(f

/

B)當(dāng)TpB

100時，其幅度譜可視作為矩形函數(shù)。具有矩形幅度譜的信號的匹配濾波輸出是辛克函數(shù)（sinc(x)）形狀的窄脈沖。TpB=100LFM信號幅度譜LFM信號與壓縮波形TpB=100線性調(diào)頻信號LFM信號具有良好的性質(zhì)。利用駐17線性調(diào)頻信號時間－帶寬積等于TpB的線性調(diào)頻信號的壓縮增益：1、因?yàn)閴嚎s輸出窄脈沖的3dB寬度TMF

B-1，所以壓縮前后的脈沖寬度比，即距離分辨率改善倍數(shù)為：CR=

Tp/TMF

TpB。2、如果接收機(jī)噪聲為白噪聲，可以證明：壓縮后的SNR改善了(TpB)1/2倍。對于Tp=20us，B=200MHz的LFM信號，其距離分辨率等于

r=c/2/B=0.75m；SNR

的壓縮增益：(TpB)1/263。相應(yīng)地，由于接收信號功率：Ps=

Pt

/R4，所以雷達(dá)能探測的最小目標(biāo)

縮小了63倍，或者雷達(dá)的作用距離R增加了(TpB)1/82.8倍。線性調(diào)頻信號時間－帶寬積等于TpB的線性調(diào)頻18LFM信號接收流程LFM信號的接