雷达通信课件：第四章 雷达监视系统.ppt

1、 雷达监视系统 雷达 利用物体对电磁波的反射特性来发现目标并测定目标的距离、方位、高度及速度等参数的设备。一、雷达的发展：1、1934年，海军研究室拍摄了第一张来自飞机的短脉冲回波照片；2、1935年，验证了对飞机目标的短脉冲测距；3、1937年，第一部雷达在英国建成；4、1941年，陆军通信兵预警雷达探测到了日本飞机对珍珠港的入侵；5、50年代末，航空与航天技术的发展，飞机、导弹、人造卫星等采用雷达作为探测和控制的手段；6、60年代研制的反洲际导弹系统对雷达提出了更高的要求；7、近30年来，雷达的性能日益提高而应用范围也持续拓宽。二、雷达概述(一)雷达的种类按雷达应用分类： 军用雷达 民用雷

2、达军用雷达分类： 1、预警雷达(超远程雷达) 2、搜索和警戒雷达 3、引导指挥雷达(监视雷达) 4、火控雷达 5、制导雷达 6、战场监视雷达 7、机载雷达 8、无线电测高仪 9、雷达引信民用雷达： 1、气象雷达 2、航行管制雷达 3、宇宙航行雷达 4、遥感按雷达波形分类： 1、脉冲雷达 2、连续波雷达 3、脉冲压缩雷达 4、 编码雷达按工作频率分类按工作频率分类 1、按波长称呼： 米波雷达 分米波雷达 厘米波雷达 毫米波雷达 2、按波段代号： L波段雷达 S波段雷达 X波段雷达等测量目标的测量： 1、测高雷达 2、两坐标雷达 3、三坐标雷达 4、测速雷达 5、目标认别雷达(二)雷达的工作原理*

3、1、测距 Rctr/2 c-电磁波传播速度 tr-电磁波传播时间2、测方位目标角位置的测定，主要指方位角或仰角的测定。 在雷达技术中测量这两个角位置基本上都是利用天线的方向性来实现的。雷达天线将电磁能量汇集在窄波束内，当天线波束轴对准目标时，回波信号最强，当目标偏离天线波束轴时回波信号减弱，根据接收回波最强时的天线波束指向，就可确定目标的方向，这就是角坐标测量的基本原理。波束越窄，方位越精确 3、测速度 当目标和雷达站之间存在相对速度时，接收到回波信号的载频相对于发射信号的载频产生一个频移，即多卜勒频移： fd=2vr/ 当目标向雷达站运动时，vr0，回波载频提高；反之，vr1，则： R处的波

4、束内的功率密度1为： 202(/)4tPW mR目标等效回波面积为的反射功率为P： 相同原理，在雷达天线横界面积内，接收到的回波功率密度为2，则： 横截面积为Ar的天线有效接收面积内，接收到的功率为Pr为： 说明：当接收信号功率最小（为接收机门限）时，要使作用距离增加一倍，发射功率必须增加16倍；若发射功率增加一倍，作用距离只增加19。 根据天线理论，天线的增益Gr和Ar之间的关系为： 则接收功率为： 从以上两式可以看出，当天线面积不变，波长增加时，天线的增益下降，导致作用距离减小；当天线的增益不变，波长增加时，则要求天线面积亦应加大，有效反射面积就加大，其结果是作用距离增加。 雷达作用距离与

5、脉冲重复频率（雷达作用距离与脉冲重复频率（PRFPRF）的关系）的关系 脉冲长度：脉冲信号的持续时间米波：2050s厘米波：0.52sATC雷达：0.0510s脉冲宽，能量多，作用距离远。脉冲窄，回波在PPI上显示时间短，相近目标易区分，距离分辨率高。 PRF与作用距离的关系 : PRF过小（PRI过大）,单位时间从目标反射回来的回波少，PPI上回波不影响对远距离目标的观测；PRF多高（PRI过小），若PRI9分贝-回答P1-P20分贝-抑制0分贝P1-P29分贝-可能抑制或回答三、机载应答机系统(一)组成 1、应答机 2、控制盒 3、天线(二)应答信号脉冲结构F1-F2：20.3微秒，框架脉

6、冲C1A1C2A2C4A4B1D1B2D2B4D4：信息脉冲X：扩展脉冲SPI：识别脉冲(三)应答脉冲编码格式1、飞机代号的编码格式 编码顺序： A B C D A1 A2 A4 B1 B2 B4 C1 C2 C4 D1 D2 D4 每组脉冲标有字母的尾标4、2和1，尾标数字相加之和，就是该所选的数字。如A脉冲为7时，7421。 由于4组编码脉冲具有八进制数字，故可给出844096个编码；*其中有几个代码号是ICAO规定在特殊情况下在A模式使用的； 7700-用于飞机处于紧急状态 7600-用于飞机通信设备失效 7500-用于飞机受到非法干扰(如飞机被劫持)*举例：33422、飞机高度的编码格

7、式高度信息来源机载气压编码式高度表 高度标准QNE、QNH、QFE 编码顺序： D A B CD1 D2 D4 A1 A2 A4 B1 B2 B4 C1 C2 C4 高度增量8000FT 高度增量500FT 高度增量100FT 8 16 5 = 640编码范围1000ft到62700ft(相当于304到19111米)举例：1、28200ft 查表 查表2、28400ft 查表 查表三、二次雷达的主要性能指标(一)地面雷达的主要性能指标1、发射机 询问频率 询问重复频率 询问功率2、接收机3、天线 极化方式 天线增益 波束宽度 转速 (二)机载应答机的性能指标1、应答码 2、发射脉冲功率3、转发

8、时间4、应答器天线 极化方式 辐射格式 波束宽度 四、二次雷达的特点*(一)二次雷达较一次雷达的优点有： 1、不受目标有效反射面积的限制，回答脉冲比一次雷达回波强很多，便于录取信号和进行自动跟踪； 2、询问和回答信号的格式和频率是不同的，消除了地面杂波和气象反射的干扰； 3、能够用事先编排好的代号为多达4000多架飞机进行准确的识别和特殊的位置的识别； 4、能够提供准确的飞机即时飞行高度； 5、接收询问信号和发射回答信号之间有一个固定的短时延时(3微秒)间隔，在收到旁瓣抑制(SLS)信号时，抑制应答机的回答，避免荧光屏上出现假目标。(二)二次雷达的缺点* 1、有效作用区内，应答机均可作近似同步

9、的回答，可能造成显示屏信号重叠及乱，同时增加应答机工作负符。 2、机动飞行时，由于遮蔽效应，可能造成回波瞬时中断 3、同步窜扰和非同步窜扰 4、多路径反射(形成虚假目标) 5、目标分辨力差(滑窗法) 6、 必须要安装应答机，限制了使用 7、方位精度比PSR要差 8、编飞机代码少(4096)S模式二次雷达美、英在70年代开始对SSR性能进行改进研究，分别提出了几乎一致的改进方案；英国称为选择询址二次监视雷达；美国称为离散询址信标系统(DABS)1983年，ICAO对其进行认可和批准，并称为S模式S模式二次雷达的概念：* 地面询问是一种只针对选定地址编码的飞机专门呼叫的询问。它与现用的A模式和C模

10、式ATC航管雷达的根本差别在于，装有离散选址信标系统(S模式应答机)的飞机，都有自己单独的地址码，即编有地址的飞机对地面询问也用本机所编地址码来回答，因而每次询问都能指向所选定的飞机。 机载S模式应答机设计成与现在系统兼容并用，简称这种兼容模式A-C和S模式应答机为ATCS模式应答机。一、S 模式SSR的组成(一)地面S模式航管雷达的询问机 1、相控阵单脉冲天线在单个脉冲上比较各波束的输出以提供测向信息；方位辐射图包括： 主扇形波束(和数)-波束宽度2.5 单脉冲差数波束 旁瓣抑制全向方向图在单脉冲上比较和、差波束的回波强调，以提供精确测向信息；角度精度比普通SSR高三倍特点：水平以下的旁瓣迅

11、速截止，并可将垂直波束提升24 2、询问机(1)组成 发射机 比幅单脉冲接收机 DABS计算机(2)功能对目标飞机预先按规定进行地址编码，用以作选择性询问(224个地址码)；对各次的询问引进了适当的定时的点名，可以解决航管雷达中的同步窜扰和应答机过载(二)机载ATC/S模式应答机1、组成 天线 收发机 数据通信的显示器 数据中心设备2、功用 增加了空对空和地对空的双向数据通信二、工作方式“询问回答”方式工作频率： 询问频率1030MHZ 回答频率1090MHZ(一)询问信号1、S模式脉幅调制(PAM)询问脉冲信号A-C模式和S模式兼容使用询问频率：10300.2MHz2、二进制差动相移键控(D

12、PSK)询问信号S模式使用询问频率：10300.01MHz1、S模式脉幅调制(PAM)询问脉冲信号(1)A模式A-C模式和S模式应答机均作A模式的回答(2)C模式A-C模式和S模式应答机均作C模式的回答(3)A模式S模式全呼叫A-C模式应答机作A模式回答S模式应答机： P4幅值与P3相当，作S模式全呼叫回答 P4P3 6dB，S模式应答机作A模式的回答 (4)C模式S模式全呼叫A-C模式应答机作C模式回答S模式应答机： P4幅值与P3相当，作S模式全呼叫回答 P4P3 6dB，S模式应答机作C模式的回答(5)仅A模式全呼叫A-C模式应答机作A模式回答S模式应答机： P4幅值与P3相当，不作回答

13、； P4P3 6dB，作A模式回答(6)仅C模式全呼叫A-C模式应答机作C模式回答S模式应答机： P4幅值与P3相当，不作回答； P4P3 6dB，作C模式回答2、二进制差动相移键控(DPSK)询问信号 一种利用正弦波射频载波相位变化来传输数据的方法；在获得该飞机位置和该飞机地址码的情况下，以带有该飞机地址字码作S模式点名式的询问时使用。组成： P1、P2和P6： A-C模式应答机收到该信号，P1和P2即可抑制应答机在29微秒内不作回答。 P6内有56或112个码元： 与前一码元同相-逻辑0 与前一码元反相-逻辑1 3、S模式上传输询问格式0号格式：专门监视4号格式：报告飞机高度5号格式：报告

14、飞机代号11号格式16号格式20号格式21号格式24号格式(二)回答信号1、脉码调制信号(PCM) A-C模式呼叫 仅A-C模式全呼叫2、S模式的脉位调制信号(PPM) A-C/S模式全呼叫 S模式选择询问 仅S模式全呼叫3、S模式下传输回答格式0号格式：专门监视4号格式：报告飞机高度5号格式：报告飞机代号11号格式16号格式20号格式21号格式24号格式(三)工作过程 A-C模式/S模式全呼叫 S模式应答机作S模式回答 对呼叫作点名式的询问 三、系统的三大技术单脉冲处理技术选择性(S模式)询问 (224个多址)双向数据通信 四、S模式的应用 1、有选择地询问，防止信号范围内的所有飞机同时应答

15、引起的系统饱和、混迭发生； 2、一机一码，防止询问信号串扰其他飞机； 3、为ATC服务提供数据链能力，为VHF话音通信提供备份； 4、实现对飞机状态的跟踪监视； 5、使用单脉冲技术有效地改善了角度分辨率，提高了方位数据的精度； 6、是防撞的可靠手段，TCAS是利用SSR应答器的信号来确定邻近飞机的距离和高度，利用S模式数据链功能，可确切知道对方的坐标位置，有利于选择正确的回避措施。 五、S 模式的缺陷 对通信功能而言，因为S 模式的数据链仍沿用了SSR的工作方式，势必受到天线扫掠间歇的限制，使依赖于S 模式的通信次数、速率和实时性差于VHF数据链。 思考题：1、一次雷达是如何工作的？2、一次雷

16、达有何优缺点？3、什么是二次雷达？4、二次雷达的工作模式有哪些？5、二次雷达有何优缺点？6、S模式SSR有哪些应用？返回影响雷达的探测距离： 脉冲重复频率(PRF)与作用距离的关系：(1)PRF过小，单位时间从目标反射回来的回波少，PPI上回波不影响对远距离目标的观测；(2)PRF多高，若PRI小于最大探测距离的延迟时间，则雷达还来不及收到远目标回波时，下一个脉冲已经发射出去，PPI重新进行距离扫描，使目标显示混乱。返回影响：脉冲宽，能量多，作用距离远。脉冲窄，回波在PPI上显示时间短，相近目标易区分，距离分辨率高。返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回返

17、回返回隐身飞机对RCS的减少：非隐形战斗机的RCS为1m25m2非隐形轰炸机的RCS为40m2隐身的F117A的RCS为0.02m2F22的RCS为0.05m2B2隐身轰炸机的RCS大约在1m20.1m2返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回内容：内容：界限界限机场、跑道、五机场、跑道、五边边导航设备的分布导航设备的分布禁区禁区限制区限制区主要障碍物主要障碍物返回返回返回返回起始基准相位返回返回返回1微秒间隔的前半周0.5微秒内发射脉冲时，呈现逻辑电平11微秒间隔的后半周0.5微秒内发射脉冲时，呈现逻辑电平0组成： 前同步脉冲 数据脉冲返回返回双向数据通信:采用有选择的选择询问，建立与单独一架飞机的联系，为建立空地双向数据通信提供了可能；提供信息： 飞行信息(天气报告、起飞许可、高度许可、新通信频率确定、最低安全高度告警等)不能完全取代地空指挥联络的VHF通信功能。 返回