雷達(dá)原理_第一章-緒論

,第一章緒論,huangchuanbocq電話網(wǎng):66299西南科技大學(xué)國(guó)防科技學(xué)院,黃傳波,1.課程簡(jiǎn)介2.雷達(dá)的任務(wù)3.雷達(dá)的基本組成4.雷達(dá)的工作頻率5.雷達(dá)的應(yīng)用和發(fā)展6.電子戰(zhàn)與軍用雷達(dá)的發(fā)展,提綱,教學(xué)目的：能夠根據(jù)雷達(dá)的組成、原理以及技術(shù)要求，設(shè)計(jì)、檢修、維護(hù)雷達(dá)設(shè)備；能夠正確運(yùn)用雷達(dá)對(duì)抗中的主要技術(shù)措施；了解電子對(duì)抗技術(shù)的未來(lái)發(fā)展。課程性質(zhì)：專業(yè)必修課基本要求：掌握雷達(dá)基本組成原理；掌握對(duì)雷達(dá)信號(hào)測(cè)頻、測(cè)向及信號(hào)進(jìn)行處理基本原理、方法；熟悉雷達(dá)干擾機(jī)構(gòu)成及干擾能量計(jì)算，以及干擾的基本原理與方法。,1：課程簡(jiǎn)介,1、目的、性質(zhì)及要求,理論部分（48學(xué)時(shí)）：雷達(dá)原理：雷達(dá)主要分機(jī)及測(cè)量方法。雷達(dá)對(duì)抗原理：雷達(dá)對(duì)抗的基本原理及主要技術(shù)。實(shí)驗(yàn)部分（16學(xué)時(shí)）采用雷達(dá)/雷達(dá)對(duì)抗實(shí)驗(yàn)儀，進(jìn)行雷達(dá)信號(hào)波形產(chǎn)生、頻譜、模糊函數(shù)分析，相位法與振幅法測(cè)角方案設(shè)計(jì)，接收機(jī)靈敏度，目標(biāo)距離跟蹤，噪聲調(diào)頻干擾和速度拖引干擾等實(shí)驗(yàn)。,2、授課內(nèi)容,1：課程簡(jiǎn)介,理論環(huán)節(jié)考核方式：考試實(shí)踐環(huán)節(jié)考核方式：實(shí)驗(yàn)報(bào)告：8（次）*12.5（分）。平時(shí)成績(jī)的考核方式：根據(jù)出勤，作業(yè)，課堂提問(wèn)，聽(tīng)課情況,平時(shí)成績(jī)總計(jì)100分。最后成績(jī)：考試（70%）+實(shí)驗(yàn)（20%）+平時(shí)（10%）,1：課程簡(jiǎn)介,3、考核方式,2：雷達(dá)的任務(wù),雷達(dá):RadarRadiodetectionandranging無(wú)線電探測(cè)和測(cè)距。定義：雷達(dá)是一種通過(guò)發(fā)射電磁波和接收回波，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)和測(cè)定目標(biāo)信息的設(shè)備。早期任務(wù)：測(cè)距、探測(cè)現(xiàn)代任務(wù)：獲取距離、角度、速度、形狀、表面信息特性等,2：雷達(dá)的任務(wù),直線傳播二次輻射（反射）,1、電磁波特性,實(shí)際空間充滿了各種不同電磁特性的介質(zhì)。電磁波在不同介質(zhì)中傳播表現(xiàn)出不同的特性。人們正是通過(guò)這些不同的特性獲取介質(zhì)或目標(biāo)性質(zhì)性的理論依據(jù)。因此電波傳播是無(wú)線通信、遙感、目標(biāo)定位和環(huán)境監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)。,2：雷達(dá)的任務(wù),2：雷達(dá)的任務(wù),衛(wèi)星信號(hào)通過(guò)電離層和大氣層，信號(hào)波形將發(fā)生改變。因此衛(wèi)星通信須考慮電離層和大氣的影響，采取的相應(yīng)的修正方法。,使衛(wèi)星通信能夠?qū)崿F(xiàn)，選擇什么樣的載波信號(hào)傳輸?shù)男畔ⅲ仨毧紤]電離層和大氣對(duì)電磁波的作用，選擇那種適合衛(wèi)星通信的頻率，使得衛(wèi)星通信能夠正常進(jìn)行,2：雷達(dá)的任務(wù),GPS定位系統(tǒng)在確定目標(biāo)的精確位置時(shí)，必須考慮電磁波在電離層和大氣中傳播中波傳播速度的修正。,雷達(dá),2、發(fā)現(xiàn)目標(biāo)方法及原理,2：雷達(dá)的任務(wù),2：雷達(dá)的任務(wù),3、雷達(dá)回波中的可用信息,回波中可提取的信息：距離和空間角度目標(biāo)位置變化（時(shí)間變化規(guī)律）目標(biāo)尺寸和形狀（分辨率）目標(biāo)形狀的對(duì)稱性（極化）表面粗糙度及介電特性,D=RcosH=Rsin=,直角坐標(biāo)系，球（極）坐標(biāo)系，如圖,直角坐標(biāo)系：斜距R，方位角（正北、正南或其他參考方向），仰角圓柱坐標(biāo)系：水平距離D，方位角，高度H,2：雷達(dá)的任務(wù),2：雷達(dá)的任務(wù),雷達(dá)基本工作原理,由雷達(dá)發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的電磁能，經(jīng)收發(fā)開(kāi)關(guān)后傳輸給天線，再定向輻射于大氣中，如果目標(biāo)位于定向天線波束內(nèi)，截取一部分電磁能，再將這些截取能量向各方向散射，部分能量進(jìn)入到雷達(dá)接收機(jī)。接收機(jī)將散射回波信號(hào)經(jīng)信號(hào)處理送終端顯示。,測(cè)定目標(biāo)距離,雷達(dá),2：雷達(dá)的任務(wù),目標(biāo)斜距的測(cè)量或R：?jiǎn)纬叹嚯xm，往返時(shí)間s，C光速，1s150m測(cè)距精度與發(fā)射信號(hào)（時(shí)寬）帶寬（成處理后脈沖寬度）有關(guān)，脈沖越窄、性能越好,2：雷達(dá)的任務(wù),雷達(dá),測(cè)定目標(biāo)角度,2：雷達(dá)的任務(wù),角位置指方位成仰角，利用天線的方向性來(lái)實(shí)現(xiàn)。天線尺寸越大測(cè)角精度越低,一般用密位表示，2=6000密位=360,回波波前方向（角位置）還可以利用測(cè)量?jī)蓚€(gè)分離接收天線收到信號(hào)的相位差來(lái)決定。,相對(duì)速度的測(cè)量,2：雷達(dá)的任務(wù),式中,fd為多普勒頻移，單位為Hz;vr為雷達(dá)與目標(biāo)之間的徑向速度，單位為m/s;為載波波長(zhǎng)，單位為m。,2：雷達(dá)的任務(wù),當(dāng)目標(biāo)向著雷達(dá)站運(yùn)動(dòng)時(shí),vr0,回波載頻提高;反之vr0,回波載頻降低。雷達(dá)只要能夠測(cè)量出回波信號(hào)的多普勒頻移fd,就可以確定目標(biāo)與雷達(dá)站之間的相對(duì)速度。徑向速度也可以用距離的變化率來(lái)求得,此時(shí)精度不高但不會(huì)產(chǎn)生模糊。無(wú)論是用距離變化率或用多普勒頻移來(lái)測(cè)量速度,都需要時(shí)間。觀測(cè)時(shí)間愈長(zhǎng)，則速度測(cè)量精度愈高。多普勒頻移除用作測(cè)速外,更廣泛的是應(yīng)用于動(dòng)目標(biāo)顯示(MTI)、脈沖多普勒(PD)等雷達(dá)中，以區(qū)分運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波和雜波。,目標(biāo)尺寸和形狀,2：雷達(dá)的任務(wù),前提：足夠高的分辨力（SAR和ISAR）,比較目標(biāo)對(duì)不同極化波（如正交極化）的散射場(chǎng)，可以對(duì)目標(biāo)形狀的不對(duì)稱性進(jìn)行測(cè)量，用于目標(biāo)識(shí)別。,例題：某一目標(biāo)正對(duì)雷達(dá)飛行，雷達(dá)的工作頻率為30MHz，若觀察到回波信號(hào)的頻率為30.0001MHz。試求：1、該目標(biāo)是相向飛行還是背離飛行？2、雷達(dá)測(cè)得的多普勒頻率是多少？3、目標(biāo)的徑向速度是多少？,2：雷達(dá)的任務(wù),4、雷達(dá)探測(cè)能力基本雷達(dá)方程,2：雷達(dá)的任務(wù),設(shè)雷達(dá)發(fā)射功率為Pt,距雷達(dá)R遠(yuǎn)處任一點(diǎn)的功率密度等于功率被假想的球面積4R2所除,即,對(duì)于定向天線，將發(fā)射機(jī)功率集中輻射于某些方向上。考慮天線增益G用來(lái)表示相對(duì)于各向同性天線,在輻射方向上功率增加的倍數(shù)。則距雷達(dá)R處目標(biāo)所照射到的功率密度為,2：雷達(dá)的任務(wù),目標(biāo)截獲了一部分照射功率并將它們重新輻射于不同的方向。用來(lái)表示目標(biāo)散射截面積，則在雷達(dá)處的回波信號(hào)功率密度為,的大小隨具體目標(biāo)而異,它可以表示目標(biāo)被雷達(dá)“看見(jiàn)”的尺寸。雷達(dá)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(dá)收到的回波功率Pr為,2：雷達(dá)的任務(wù),當(dāng)接收到的回波功率Pr等于最小可檢測(cè)信號(hào)Smin時(shí),雷達(dá)達(dá)到其最大作用距離Rmax,超過(guò)這個(gè)距離后,就不能有效地檢測(cè)到目標(biāo)。,最大測(cè)量距離,（一）主要戰(zhàn)術(shù)參數(shù)1.雷達(dá)的威力范圍最大作用距離最小作用距離最大仰角最小仰角方位角范圍,5、雷達(dá)的戰(zhàn)術(shù)和技術(shù)參數(shù),2：雷達(dá)的任務(wù),戰(zhàn)術(shù)參數(shù)：與戰(zhàn)術(shù)使用有關(guān)的參數(shù)。技術(shù)參數(shù)：為保證戰(zhàn)術(shù)參數(shù)分配到雷達(dá)各組成部分的技術(shù)指標(biāo)。,2.分辨力雷達(dá)區(qū)分點(diǎn)目標(biāo)在位置上靠近的能力距離分辨力是指同一方向上兩個(gè)目標(biāo)之間最小可區(qū)別的距離角度分辨力是指在相同距離上的兩個(gè)不同方向的點(diǎn)目標(biāo)之間最小能區(qū)別的角度,2：雷達(dá)的任務(wù),3.數(shù)據(jù)率雷達(dá)對(duì)整個(gè)威力范圍內(nèi)完成一次搜索所需時(shí)間的倒數(shù)，也就是單位時(shí)間內(nèi)雷達(dá)所能提供對(duì)一個(gè)目標(biāo)數(shù)據(jù)的次數(shù)。單位：一般用秒（分）4.跟蹤速度自動(dòng)跟蹤雷達(dá)連續(xù)跟蹤運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的最大可能速度,2：雷達(dá)的任務(wù),5.抗干擾能力干擾最后作用于雷達(dá)顯示設(shè)備或其它終端設(shè)備，嚴(yán)重時(shí)可能使雷達(dá)失去工作能力。近代雷達(dá)必須具有一定程度的抗干擾能力。6.雷達(dá)測(cè)定目標(biāo)坐標(biāo)的數(shù)目和精確度7.體積和重量,2：雷達(dá)的任務(wù),8.工作的可靠性平均故障時(shí)間平均修復(fù)時(shí)間9.使用條件運(yùn)輸條件架設(shè)和撤收時(shí)間連續(xù)工作時(shí)間機(jī)動(dòng)性等等,2：雷達(dá)的任務(wù),1.波長(zhǎng)S波段10cm波長(zhǎng)20004000MHz7.515cm3050MHzX波段3cm波長(zhǎng)800012500MHz2.43.75cm9375MHz。,2.脈沖寬度每次發(fā)射脈沖的射頻振蕩持續(xù)時(shí)間.0.050.2us,（二）雷達(dá)相關(guān)技術(shù)參數(shù),天氣好:Xband;天氣壞(雨/雪):Sband,2：雷達(dá)的任務(wù),3.脈沖重復(fù)頻率f/脈沖重復(fù)周期Tf（P.R.FPulseRepeatFrequency）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Pt:在脈寬持續(xù)時(shí)間內(nèi)的功率,5.發(fā)射平均功率Pm:在脈沖重復(fù)周期內(nèi)的功率,6.接收機(jī)靈敏度Prmin:表示接收機(jī)接收微弱信號(hào)的能力,Prmin=kTfNf接收機(jī)通頻帶N接收機(jī)噪聲K波爾茲曼常數(shù)T接收機(jī)端絕對(duì)溫度,2：雷達(dá)的任務(wù),7.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。,長(zhǎng)脈沖窄范圍的頻譜f噪聲靈敏度失真f噪聲靈敏度失真兼顧:遠(yuǎn)量程f靈敏度近量程f靈敏度航海雷達(dá)125MHz,2：雷達(dá)的任務(wù),8.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。表示定向天線的功率集束能力。,9.水平波束寬度H在水平面內(nèi)的波束半功率點(diǎn)的寬度。,LqH方位分辯率一般為1,2：雷達(dá)的任務(wù),10.垂直波束寬度V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)，一般1530。,2：雷達(dá)的任務(wù),3：雷達(dá)的基本組成,脈沖雷達(dá)基本組成,3：雷達(dá)的基本組成,天線：輻射能量和接收回波（單基地脈沖雷達(dá)）（天線形狀，波束形狀，掃描方式）收發(fā)開(kāi)關(guān)：收發(fā)隔離發(fā)射機(jī)：直接振蕩式（如磁控管振蕩器）功率放大式（如主振放大式）（穩(wěn)定，產(chǎn)生復(fù)雜波形，可相參處理）接收機(jī)：超外差，高頻放大，混頻，中頻放大，檢波，視頻放大等。（接收機(jī)部分也進(jìn)行一些信號(hào)處理，如匹配濾波等）接收機(jī)中的檢波器通常是包絡(luò)檢波，對(duì)于多普勒處理則采用相位檢波器,3：雷達(dá)的基本組成,信號(hào)處理：消除不需要的信號(hào)及干擾而通過(guò)或加強(qiáng)由目標(biāo)產(chǎn)生的回波信號(hào)，通常在檢測(cè)判決之前完成（MTI，多普勒濾波器組，脈沖壓縮），許多現(xiàn)代雷達(dá)也在檢測(cè)判決之后完成。顯示器（終端）：原始視頻，或經(jīng)過(guò)處理的信息同步設(shè)備（視頻綜合器）：是雷達(dá)機(jī)的頻率和時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)（只有功率放大式（主振放大式）才有）,4：雷達(dá)的工作頻率,按照雷達(dá)的工作原理,不論發(fā)射波的頻率如何,只要是通過(guò)輻射電磁能量和利用從目標(biāo)反射回來(lái)的回波,以便對(duì)目標(biāo)探測(cè)和定位,都屬于雷達(dá)系統(tǒng)工作的范疇。常用的雷達(dá)工作頻率范圍為22035000MHz(220MHz35GHz),實(shí)際上各類雷達(dá)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(dá)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(dá)可以工作到94GHz,激光(Laser)雷達(dá)工作于更高的頻率。工作頻率不同的雷達(dá)在工程實(shí)現(xiàn)時(shí)差別很大。,4：雷達(dá)的工作頻率,雷達(dá)頻段和對(duì)應(yīng)的頻率,5：雷達(dá)的應(yīng)用和發(fā)展,1、雷達(dá)的應(yīng)用,按應(yīng)用平臺(tái)：太空，空中，地面，海上（空基，地基，?；┳饔茫禾綔y(cè)，定位，跟蹤軍用：預(yù)警雷達(dá)（超遠(yuǎn)程雷達(dá)），洲際導(dǎo)彈，洲際轟炸機(jī)；搜索和警戒雷達(dá)，飛機(jī)；引導(dǎo)指揮雷達(dá)（監(jiān)視雷達(dá)）（預(yù)警飛機(jī)），引導(dǎo)殲擊機(jī)；火控雷達(dá)，火炮；制導(dǎo)雷達(dá)，導(dǎo)彈；戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)視雷達(dá)，坦克，車輛，人員；機(jī)載雷達(dá)（截?fù)?，護(hù)尾，導(dǎo)航（可民用），火控）；無(wú)線電測(cè)高儀；雷達(dá)引信。,5：雷達(dá)的應(yīng)用和發(fā)展,民用：氣象雷達(dá)，航行管制（空中交通雷達(dá)），宇宙航行中用雷達(dá)，遙感，另有飛機(jī)導(dǎo)航，航道探測(cè)，公路測(cè)速按雷達(dá)信號(hào)形式分：脈沖，連續(xù)波，脈沖壓縮（LPM/相位編碼）脈沖多普勒，噪聲雷達(dá)，頻率捷變雷達(dá)等按角度跟蹤分：?jiǎn)蚊}沖，圓錐掃描雷達(dá)，隱蔽錐掃雷達(dá)等按測(cè)量目標(biāo)的參量分：測(cè)高，兩坐標(biāo)，三坐標(biāo)，測(cè)速，目標(biāo)認(rèn)別等按信號(hào)處理方式分：分集雷達(dá)（頻率分集，極化分集等等），相參，非相參積累雷達(dá)，動(dòng)目標(biāo)顯示雷達(dá)，合成孔徑雷達(dá)等按天線掃描方法分：機(jī)械掃描，相控陣，頻掃等,5：雷達(dá)的應(yīng)用和發(fā)展,2、雷達(dá)的發(fā)展,.VHLSI（VeryHighLargeScaleIntegration）和VLSI數(shù)字技術(shù)和計(jì)算機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用a)MTD，PD信號(hào)處理機(jī)更為精致，靈活b)自動(dòng)檢測(cè)和跟蹤得到完善，提高了工作的自動(dòng)化程度.SAR，ISAR.脈壓（滿足距離分辨力和電子對(duì)抗和需要）.固態(tài)功率源.平面陣列天線代替拋物面a)在三坐標(biāo)雷達(dá)中實(shí)現(xiàn)一維相掃b)獲得超低副瓣，用于機(jī)載雷達(dá)或抗干擾c)組成自適應(yīng)旁瓣相消系統(tǒng)抗干擾d)相控陣?yán)走_(dá),5：雷達(dá)的應(yīng)用和發(fā)展,.目標(biāo)的分類與識(shí)別敵我識(shí)別器（IFF），信標(biāo)/二次雷達(dá)彈道參數(shù)，RDS，電離尾跡，寬帶雷達(dá)獲得距離剖面，高分辨，SAR、ISAR二維像，用VHF波段的寬頻觀測(cè)，獲得目標(biāo)響應(yīng)的因有諧振點(diǎn)，RCS或目標(biāo)部分散射單元的極化比,6：電子戰(zhàn)與軍用雷達(dá)的發(fā)展,電子戰(zhàn)：EW，ElectronicWarfare，敵我雙方利用無(wú)線電電子裝備或器材所進(jìn)行的電磁信息斗爭(zhēng)（ECM，ECCM）。電子對(duì)抗：ECM，ElectronicCountermeasure，為了探測(cè)敵方無(wú)線電子裝備的電磁信息，削弱或破壞其使用效能所采取的一切戰(zhàn)術(shù)，技術(shù)措施。電子反對(duì)抗：ECCM，ElectronicCounter-ountermeasure，在敵方實(shí)施電子對(duì)抗條件下保證我方有效地使用電磁信息所采用的一切戰(zhàn)術(shù)，技術(shù)措施。,1、電子戰(zhàn)的科學(xué)定義,6：電子戰(zhàn)與軍用雷達(dá)的發(fā)展,電子戰(zhàn)的科學(xué)定義示意圖,6：電子戰(zhàn)與軍用雷達(dá)的發(fā)展,2、雷達(dá)反干擾,（1）與天線有關(guān)的電子抗干擾低旁瓣，旁瓣消隱（SLB），旁瓣對(duì)消（SLC），波束寬度控制和天線覆蓋范圍和掃描控制，自適應(yīng)陣列，（數(shù)字波束形成DBF）.旁瓣消隱（SLB）a)只對(duì)低占空比的脈沖干擾或掃頻干擾有效b)增加一個(gè)輔助全向天線，比主天線最大旁瓣增益要高34dB,6：電子戰(zhàn)與軍用雷達(dá)的發(fā)展,.旁瓣相消（SLC）a)只需要一個(gè)或多個(gè)輔助天線，使其與主通道的輸出合成后在干擾機(jī)方向產(chǎn)生合成天線方向圖響應(yīng)的零點(diǎn)。b)至少需要N個(gè)輔助天線形成N個(gè)零點(diǎn)對(duì)付N個(gè)干擾.自適應(yīng)陣列是旁瓣相消概念的推廣和更通用的形式,6：電子戰(zhàn)與軍用雷達(dá)的發(fā)展,（2）與發(fā)射機(jī)有關(guān)的電子抗干擾不同類型的ECCM的實(shí)現(xiàn)，就是適當(dāng)?shù)乩煤涂刂瓢l(fā)射信號(hào)的功率，頻率和波形。a)增加有效輻射功率b)發(fā)射頻率（頻率提高，頻率分集）c)發(fā)射波形編碼（脈沖重復(fù)頻率跳變，參差及編碼和脈間編碼）（3）與接收機(jī)，信號(hào)處理機(jī)有關(guān)的電子抗干擾a)接收機(jī)抗飽和（寬限窄）抗掃頻干擾b)信號(hào)鑒別：脈寬，重頻，識(shí)別c)信號(hào)處理技術(shù)：MTI，MTD，CFAR,6：電子戰(zhàn)與軍用雷達(dá)的發(fā)展,3、隱身和反隱身的斗爭(zhēng),隱身的方法：外形設(shè)計(jì)，涂覆電波吸收材料，新的結(jié)構(gòu)材料特點(diǎn)：非全方位，只在正前方向（鼻錐方向）水平45垂直30后向散射截面，吸波材料218GHz有效反隱身的方法：針對(duì)隱身的特點(diǎn)和不足.發(fā)