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文檔簡介
1雷達系統(tǒng)設計與仿真實驗雷達原理與系統(tǒng)2本章主要內容
8.1雷達系統(tǒng)設計的一般流程8.2某地基雷達系統(tǒng)設計8.3某末制導雷達系統(tǒng)設計8.4虛擬仿真實驗38.1雷達系統(tǒng)設計的一般流程雷達的任務雷達的工作頻段和工作頻率范圍雷達的戰(zhàn)術技術指標雷達的體制和工作方式雷達總體指標的計算雷達威力的計算功率、孔徑分辨率、精度波形及其參數(shù)、天線分系統(tǒng)的性能指標分系統(tǒng)設計、加工系統(tǒng)聯(lián)調、測試外場測試(檢飛)48.1雷達系統(tǒng)設計的一般流程任務
頻段和頻率范圍以地面警戒雷達為例Rmax
雷達的工作方式雷達機掃、電掃?Rmax
重頻fr=c/(2Ru)測角精度
波束寬度距離分辨率
瞬時帶寬天線孔徑數(shù)據(jù)率
駐留時間Ti工作比D
脈寬T根據(jù)雷達方程,估算功率Pt天線增益參數(shù)優(yōu)化波形設計雜波抑制抗干擾性能
抗干擾措施威力圖天線孔徑(體積)、天線增益、波束寬度、副瓣電平、極化形式、損耗、帶寬、重量、收拆時間等
天饋線
峰值功率Pt、平均功率Pav、發(fā)射機總效率、功率放大鏈總增益、頻帶、冷卻方式等發(fā)射機輸出激勵信號的工作頻率、信號帶寬、脈沖重復頻率、脈沖寬度、調制方式、功率,本振頻率,相噪等
頻綜噪聲溫度(或噪聲系數(shù))、動態(tài)范圍、靈敏度、增益、ADC等接收機通道數(shù)、運算量及處理平臺、數(shù)據(jù)傳輸率,MTI/MTD改善因子,積累方式及信噪比,CFAR處理方法,抗干擾SLC/SLB等信號處理目標批次數(shù)、數(shù)據(jù)率等數(shù)據(jù)處理8.1雷達系統(tǒng)設計的一般流程分系統(tǒng)的主要性能指標68.2某地基雷達系統(tǒng)設計地面制導雷達威脅目標:飛機和導彈攔截器的攔截距離Rmin=30km,飛行時間120s,即雷達需要在該時間之前,有效地發(fā)現(xiàn)并跟蹤目標。78.2某地基雷達系統(tǒng)設計設計一部地面制導雷達,主要要求:檢測目標速度高度平均RCS最大探測距離飛機400m/s7km6dBsm(4m2)Ra=90km導彈150m/s2km
10dBsm(0.1m2)Rm=55km雷達工作頻率f=3GHz。采用拋物面天線,方位波束寬度小于3°的扇形波束,在方位維進行ΘA=360°的機械掃描,掃描速率為
2s/圈。接收機的噪聲系數(shù)F=6dB,系統(tǒng)總的損失L=8dB。假定檢測門限為SNR=15dB(檢測概率Pd=0.99,虛警概率Pfa=10–7)。在搜索模式和跟蹤模式下距離分辨率分別為
75m和7.5m。要求對目標的最小攔截距離Rmin=30km,攔截時間120s
。工作比不超過10%。雷達對飛機和導彈的探測距離:Ra=30km+120*400=78km,選取Ra=90km
Rm=30km+120*150=48km,選取Rm=55km
(
=0.1m)88.2某地基雷達系統(tǒng)設計確定脈沖重復頻率、天線的孔徑和單個脈沖的峰值功率雷達對目標的最大、最小仰角覆蓋為
為了保證至少90km的無模糊距離,最大PRF為因此,選取fr
=1000Hz,脈沖重復周期Tr=1000μs。
即仰角覆蓋范圍
E=11°,取仰角波束寬度
e=
E=11°,則天線在俯仰維的有效孔徑為(m)俯仰維的方向圖函數(shù)高斯方向圖仰角波束寬度
e=11°fxt=exp(-2.8*((tht-zhix)/the3db).^2);8.2某地基雷達系統(tǒng)設計108.2某地基雷達系統(tǒng)設計要求方位波束寬度小于3°的扇形波束,若取方位波束寬度
a=2°,則天線在方位維的有效孔徑為掃描速率為2s/圈,在一個波束寬度內輻射到目標上的脈沖數(shù)為(m)Da
De
1.5m2,選擇天線的有效面積為Ae=2m2,若孔徑效率為ρ=0.7,天線的物理面積為
A=Ae/ρ=2.857m2,增益為(取k=1),得到方位波束寬度為=34(dB)因此,可以對一個波位的8個脈沖進行非相干積累或相干積累,以降低單個脈沖的峰值功率。118.2某地基雷達系統(tǒng)設計8個脈沖非相干積累,達到檢測要求的SNR=15dB,利用式(6.3.14)計算,在Pd=0.99,Pfa=10
7的情況下,8個脈沖進行非相干積累的改善因子近似為=7.49(dB)圖8.3給出了8個脈沖非相干積累的檢測概率與SNR關系。當Pd=0.99時,所要求的單個脈沖的SNR為(SNR)1,NCI=15
7.49=7.51(dB)
Pfa=10
7該式有約0.8dB的計算誤差8個脈沖相干積累,所要求的單個脈沖的SNR為(SNR)1,CI=15
10lg(8)=6(dB)
(SNR)1,NCI=15
(7.49
0.8)=8.31(dB)
128.2某地基雷達系統(tǒng)設計檢測導彈和飛機所要求的單個脈沖的能量分別為根據(jù)雷達方程
(4
)3kT0FL(SNR)1G2
2Rm4
mRa4
a數(shù)值
0.12(50
103)4
(90
103)4
dB33
204687.5168
20187.96
10198.176Em=
171+6+8+187.96+7.51
68+20+10=0.47(dBJ)=100.47/10(J)=1.1143(J)Ea=
171+6+8+198.17+7.51
68+20
6=
5.32(dBJ)=10–5.32/10(J)=0.2983(J)以非相干積累
為例:Em=
171+6+8+187.96+8.31
68+20+10=1.27(dBJ)=101.27/10(J)=1.34(J)138.2某地基雷達系統(tǒng)設計根據(jù)距離分辨率?R=75m的要求,可以計算出帶寬B=c/(2?R)=2MHz。若發(fā)射單載頻脈沖信號,則發(fā)射脈沖寬度為Te=1/B=0.5μs。因此,對兩種類型目標都滿足要求的單個脈沖的峰值功率為為了降低峰值功率,假定采用大時寬帶寬積的LFM信號,雷達在搜索模式和跟蹤模式下的分辨率?R分別為75m和7.5m,則調頻帶寬分別為2MHz和20MHz。要求雷達的最小作用距離Rmin≥30km,雷達發(fā)射期間不接收,雷達的最大脈沖寬度為
若單個脈沖的峰值功率不超過20kW,最小脈沖寬度為
要求雷達的工作比小于10%,綜上,選取發(fā)射脈沖寬度Te
=80μs,Tr=1ms,Te/Tr=0.08,滿足工作比小于10%的要求。峰值功率太高!
148.2某地基雷達系統(tǒng)設計因此,雷達的設計參數(shù)主要為:發(fā)射峰值功率Pt:20kW脈沖重復頻率為fr:1000Hz發(fā)射脈沖寬度為Te:80μs調頻帶寬B:2MHz(搜索模式)、20MHz(跟蹤模式)根據(jù)雷達方程,驗算雷達的威力,在搜索模式下導彈回波信號脈壓后單個脈沖的信噪比為
PtTeG2
2FLR4數(shù)值20e380e-6
0.12
(50
103)4dB43.01
40.9768
20
1033
20468187.96SNR1=43.01
40.97+68
20
10+171
6
8
187.96=9.08(dB)M=8個脈沖進行非相干積累(NCI)和相干積累(CI)后的信噪比為158.2某地基雷達系統(tǒng)設計兩種目標在積累和不積累情況下SNR與距離的關系曲線。
在導彈和飛機的最大作用距離處均可以達到SNR為15dB的要求。
168.2某地基雷達系統(tǒng)設計假設天線方向圖是高斯型,雷達的架設高度為5m,發(fā)射峰值功率為20kW,距離分辨率為75m,考慮天線的平均副瓣電平為
20dB,地雜波散射系數(shù)
0=-15dBsm/sm,計算目標在不同距離時進入雷達的雜波的RCS,以及信號、雜波、噪聲的功率之比。(a)導彈(b)飛機導彈目標在50km處的SIR約為
10dB,要達到15dB的檢測SIR的要求,需要采取措施抑制雜波,雜波衰減要大于25dB178.2某地基雷達系統(tǒng)設計對地雜波雜波抑制,計算改善因子。
雜波種類
v(m/s)
f
(Hz)
s
(Hz)
c
(Hz)I2(dB)I3(dB)I4(dB)地雜波0.326.431.832.416.830.640.2云雨雜波
48031.886.18.313.714.7箔條雜波
1.214
31.834.716.229.538.431.8(Hz)
一般雷達對地雜波的改善因子要求
40dB188.2某地基雷達系統(tǒng)設計若兩個目標的最小距離間隔為150m,仿真驗證對多個目標的分辨能力。結合仿真分析脈壓對SNR的改善。設計脈沖壓縮處理方案。假設兩個目標的距離分別為75km和75.15km,輸入SNR均為0dB,圖8.5給出了脈壓的仿真結果。能夠較好地分辨這兩個目標。脈壓處理后,兩個目標的SNR約為24dB,脈壓對SNR的改善達24dB。(a)
脈壓輸入信號的實部(c)
脈壓輸出結果局部放大198.3彈載末制導雷達系統(tǒng)設計
主動式尋的制導系統(tǒng)的導彈上裝有雷達發(fā)射機和接收機。彈上雷達主動向目標發(fā)射無線電波。尋的制導系統(tǒng)根據(jù)目標反射回來的電波,確定目標的坐標及運動參數(shù),形成控制信號,送給彈上控制計算機,操縱導彈沿理論彈道飛向目標。
優(yōu)點:導彈在飛行過程中完全不需要彈外設備提供任何能量或控制信息;缺點:彈上設備復雜,設備的質量、尺寸受到限制,作用距離不可能很大。
主動式無線電尋的制導系統(tǒng)208.3彈載末制導雷達系統(tǒng)設計某彈載末制導雷達系統(tǒng)要求:不模糊探測距離80km;工作比不超過20%;波長
=3cm;天線等效孔徑D=0.25m(直徑);噪聲系數(shù)F=3dB;系統(tǒng)損耗L=4dB;天線波束寬度θ3dB=6°;目標的RCS:
=1500m2
。彈目之間的相對運動關系如圖。目標航速Vs=15m/s,導彈運動速度Va=600m/s,目標航向與彈軸方向之間的夾角為α′=30°,目標偏離彈軸方向的角度為β=1°,則在艦船位置P,導彈對目標視線與目標航向的夾角α=α′+β。VaβiSPP′MM′Riαiαα′R0VsO′OR1β從t=0時刻開始,導彈從O向O
位置運動,目標從P向P
位置運動。說明:這是投影在同一平面的位置關系,實際導彈有一定的高度,例如導彈的飛行高度為500m.218.3彈載末制導雷達系統(tǒng)設計工作狀態(tài)距離(km)脈沖重復周期(
s)脈沖寬度(
s)調頻帶寬(MHz)距離分辨率(m)脈壓比相干積累脈沖數(shù)搜索(-45°~+45°)30~80800160115016064小角度扇掃跟蹤(TWS)(-10°~10°)20~5080010027520032單脈沖跟蹤3~3025010101510032228.3彈載末制導雷達系統(tǒng)設計1.采用線性調頻脈沖信號,推導信號的模糊函數(shù),并給出|
(
,fd)|、|
(
,0)|、|
(0,fd)|的圖形,|
(
,fd)|的-4dB切割等高線圖。線性調頻信號的復包絡可表示為:238.3某末制導雷達系統(tǒng)設計Te=160e-6;Bm=1e6;Te=10e-6;Bm=10e6;258.3某末制導雷達系統(tǒng)設計2.計算天線的有效面積Ae和增益G=0.05(m2)(28dB)268.3某末制導雷達系統(tǒng)設計3.若接收機的帶寬B=10.3MHz,輸出中頻fIF=60MHz,線性動態(tài)范圍DR-1=60dB,A/DC的最大輸入信號電平為2Vp-p(峰峰值,50Ω負載),(1)計算接收機的臨界靈敏度Si,min、輸入端的最大信號功率、最大輸出信號功率、增益;(2)選擇合適的A/DC,估算A/D噪聲對系統(tǒng)噪聲系數(shù)的影響(1)接收機的臨界靈敏度Si,min=-114+F+10lg(B)=
114+3+10lg(10.3)≈
101(dBm)接收機輸入端的最大信號(即1dB增益壓縮點輸入信號)功率為Pin-1=Smin+DR-1≈
101+60=?41(dBm)接收機最大輸出信號功率為因此,接收機的增益為
Pout?1?Pin?1=10?(?41)=51(dB)0.01(W)=10(mW)=10(dBm)278.3某末制導雷達系統(tǒng)設計288.3某末制導雷達系統(tǒng)設計4.若天線在
45°范圍內搜索,掃描速度為60°/s,可積累的脈沖數(shù)N=?若要求發(fā)現(xiàn)概率
Pd=90%,虛警概率
Pfa=10-6,達到上述檢測性能要求的SNR=?在搜索狀態(tài),若采用64個脈沖相干積累,計算要求的輻射峰值功率Pt=?若取Pt=25W,計算目標回波相干積累前、后的信噪比SNR與距離的關系曲線(考慮信號處理總的損失5dB)。(1)天線掃描速度v=60°/s,天線波束寬度θ3dB=6°,在每個波位駐留時間tint=θ3dB/v=6/60=0.1s,可積累脈沖數(shù)(2)若要求發(fā)現(xiàn)概率
Pd=90%,虛警概率
Pfa=10-6,查表得到上述檢測性能要求的最小信噪比為SNRo,min=Do=13.2dB。SNRo,min=10*log10((sqrt(log(1e6))-erfcinv(2*0.9))^2-0.5)=13.2(dB)298.3某末制導雷達系統(tǒng)設計(3)若采用M
=64個脈沖相干積累,計算要求的輻射峰值功率PtM個脈沖相積累后的信噪比為
根據(jù)雷達方程,單個脈沖回波信號的信噪比為
(Pt)dB=33-204+3+4+3+40*lg(80e3)+13.2-28*2-10*lg(0.03^2*160e-6*1500*64)=11(dBW)=12.6(W)
取Pt
=25(W)
Pt=12.9(dBW)=19.5(W)308.3某末制導雷達系統(tǒng)設計318.3某末制導雷達系統(tǒng)設計5.給出所采用信號的匹配濾波函數(shù)h(t)及其頻譜H(f)。比較加窗(主副瓣比35dB)和不加窗時的脈沖壓縮結果,分析主瓣寬度、SNR損失。
328.3某末制導雷達系統(tǒng)設計6.在搜索狀態(tài),假設目標距離為80km。假定中頻正交采樣頻率fs=2MHz。(1)給出目標回波的基帶信號模型,推導脈壓、相干處理后的輸出信號模型。(2)假設在相干積累前導彈自身的速度進行了補償,若A/D采樣時噪聲占10位,目標回波信號幅度占8位,即噪聲和目標回波功率分別為60dB、48dB。畫出A/D采樣的回波基帶信號、脈壓處理后的輸出信號、相干積累的輸出信號。分析每一步處理的信噪比變化。(3)解釋目標所在多普勒通道對應的頻率與實際的多普勒頻率是否相符?(4)對目標所在多普勒通道進行CFAR處理,畫出目標所在多普勒通道信號及其CFAR的比較電平(按第4小題的檢測性能)。
338.3某末制導雷達系統(tǒng)設計
脈沖壓縮輸出信號目標所在距離單元、所在多普勒通道,
相干積累是對M個脈沖的回波信號在每個距離單元進行FFT。對目標所在距離單元進行FFT,第k個多普勒通道的輸出
|Y(k)|才出現(xiàn)峰值348.3某末制導雷達系統(tǒng)設計某一個脈沖重復周期的原始回波基帶信號,目標完全被噪聲淹沒
(2)若A/D采樣時噪聲、目標回波信號分別占10位、8位(不包括符號位),即輸入信噪比為?12dB。358.3某末制導雷達系統(tǒng)設計脈壓處理的輸出信號脈壓處理64脈沖相干積累輸出結果表8.2列出了單次仿真的信號處理過程中功率或SNR的變化。從理論上講,脈壓比為320對應的SNR的改善為25dB,64個脈沖相干積累的SNR的改善為18dB,由此可見,脈壓、相干積累的信噪比的改善與理論相一致。功率或SNR脈壓前(dB)脈壓后(dB)相干積累后(dB)噪聲平均功率60.175685.6767104.3866目標回波信
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