1、 什么是雷达（什么是雷达（radar）？）？Radio Detection and Ranging无线电探测与测距无线电探测与测距测量目标的距离、方位和仰角测量目标的距离、方位和仰角测量目标的速度测量目标的速度提供目标的其他信息，如：形态、表面信息等提供目标的其他信息，如：形态、表面信息等 雷达坐标系雷达坐标系球（极）坐标系球（极）坐标系斜距斜距R R，雷达到目标的直线距离雷达到目标的直线距离方位角方位角，目标斜距，目标斜距R在水平面上在水平面上的投影的投影OB与某以起始方向（参考与某以起始方向（参考方向）在水平面上的夹角方向）在水平面上的夹角仰角仰角，目标斜距，目标斜距R与与其在水平面上的投
2、影其在水平面上的投影OB在铅垂面上的夹角在铅垂面上的夹角 雷达的基本工作原理雷达的基本工作原理单基地脉冲雷达单基地脉冲雷达收发开关收发开关天线天线大气大气目标反射目标反射大气大气天线天线收发开关收发开关发射机发射机接收机接收机电信号电信号电磁波电磁波回波回波测距测距tr 2rctR2rRtcC：光速，：光速，利用发射信号回波时延求得利用发射信号回波时延求得例：一单基地脉冲雷达目标回波时延为例：一单基地脉冲雷达目标回波时延为1s，求，求目标离雷达的距离。目标离雷达的距离。解：由公式解：由公式2rctR代入参数可得代入参数可得150Rm常见时延与距离：常见时延与距离：1s0.15km，6.67s1
3、km，12.3s1.852km（1海里），海里），10s1.5km，100s15km，1ms150km，测距精度与发射信号（时宽）带宽（或处理后脉冲宽度）有关，测距精度与发射信号（时宽）带宽（或处理后脉冲宽度）有关，脉冲越窄、性能越好脉冲越窄、性能越好测角测角利用天线方向性实现利用天线方向性实现目标角位置：方位角目标角位置：方位角 仰角仰角接收回波最强时的天线波束指向接收回波最强时的天线波束指向天线尺寸增加，波束变窄，测角精度和角分辨力提高天线尺寸增加，波束变窄，测角精度和角分辨力提高角位置还可以利用两个分离接收天线收到信号的相位差来决定角位置还可以利用两个分离接收天线收到信号的相位差来决定2
4、弧度弧度3606000密位，密位，1密位密位0.06 测速测速利用回波多普勒频移测相对速度利用回波多普勒频移测相对速度2rdvfrvvcosrvv fd：多普勒频移（多普勒频移（Hz）vr：雷达与目标之间的径向速度（雷达与目标之间的径向速度（m/s）：载波波长（载波波长（m）当目标向着雷达运动时，当目标向着雷达运动时，0 vr，回波载频提高；，回波载频提高；反之反之0 vr，回波载频提高；当目标向着雷达运动时，0 vr，回波载频提高；vr：雷达与目标之间的径向速度（m/s）由连续振荡器取出电压作为基准vr：雷达与目标之间的径向速度（m/s）用信号能量表示的雷达方程测距范围：最小可测距离、最大单
5、值测距范围特殊场合，雷达重复频率不能满足单值测距要求，此时由于相位检波器参考电压远大于回波电压，矢量合成如图8.工作波长的选择工作波长的选择从接收机灵敏度来看，须考虑所选从接收机灵敏度来看，须考虑所选下接收机内部噪声和大下接收机内部噪声和大气噪声大小以及电磁波在大气中的衰减，气噪声大小以及电磁波在大气中的衰减，应长一些。应长一些。从提高距离分辨率、角分辨率、天线增益的角度来看，希从提高距离分辨率、角分辨率、天线增益的角度来看，希望望要短一些。要短一些。从目标检测来看，目标的散射特性与从目标检测来看，目标的散射特性与有关：当目标尺寸有关：当目标尺寸时，目标对电磁波以散射为主，以绕射为辅，时，目标
6、对电磁波以散射为主，以绕射为辅，RCS大；大；当目标尺寸当目标尺寸 时，目标对电磁波以绕射为主，以散射时，目标对电磁波以绕射为主，以散射为辅，为辅，RCS小；对隐身目标，波长在两个极端即米波或毫小；对隐身目标，波长在两个极端即米波或毫米波为好。米波为好。从地面或水面的反射影响来看：水平极化的米波雷达，从地面或水面的反射影响来看：水平极化的米波雷达，由于地面反射，波瓣分裂；地面反射对厘米波影响较小，由于地面反射，波瓣分裂；地面反射对厘米波影响较小，故中等作用距离的引导雷达均采用厘米波段。故中等作用距离的引导雷达均采用厘米波段。从杂波干扰的影响来看：在目标（飞机）与云、雨相混从杂波干扰的影响来看：
7、在目标（飞机）与云、雨相混的情况下，由于飞机的尺寸远大于水滴的尺寸，依目标的情况下，由于飞机的尺寸远大于水滴的尺寸，依目标的反射特性，采用大的的反射特性，采用大的可以提高输入信杂比。当目标可以提高输入信杂比。当目标（飞机）以地物为背景时，由于飞机的尺寸远小于地物（飞机）以地物为背景时，由于飞机的尺寸远小于地物的尺寸，依目标的反射特性，采用小的的尺寸，依目标的反射特性，采用小的较好。较好。雷达发射机的任务和基本组成雷达发射机的任务和基本组成 任务任务产生大功率的特定调制的电磁振荡即射频信号产生大功率的特定调制的电磁振荡即射频信号 组成组成单级振荡式单级振荡式主振放大式主振放大式大功率电磁振荡产生
8、与调制在一个器件中同时完成大功率电磁振荡产生与调制在一个器件中同时完成先产生小功率的先产生小功率的CW 振荡，再分多级调制和放大振荡，再分多级调制和放大 输出功率输出功率输出信号功率输出信号功率平均功率平均功率峰值功率峰值功率单位时间内发出的功率能量单位时间内发出的功率能量Pav，脉冲重复周，脉冲重复周期内的输出平均功率。期内的输出平均功率。脉冲发出时间点的功率脉冲发出时间点的功率Pt，脉冲期间射频振荡，脉冲期间射频振荡的平均功率。的平均功率。总效率总效率输入发射机的总平均功率输入发射机的总平均功率输出和输入的功率比输出和输入的功率比工作比，占空比工作比，占空比雷达发射机的性能指标雷达发射机的
9、性能指标习题习题 某雷达发射机峰值功率为某雷达发射机峰值功率为800kW，矩形脉，矩形脉冲宽度为冲宽度为3s，脉冲重复频率为，脉冲重复频率为1000Hz，求，求该发射机的平均功率和工作比。该发射机的平均功率和工作比。雷达接收机雷达接收机作用：通过适当的滤波将天线上接收到的微弱高频信号从噪作用：通过适当的滤波将天线上接收到的微弱高频信号从噪声和干扰中选择出来，并经放大和检波后，送至显示器、信声和干扰中选择出来，并经放大和检波后，送至显示器、信号处理器或由计算机控制的雷达终端设备中。号处理器或由计算机控制的雷达终端设备中。超外差技术超外差技术 如图所示，当接收的电波频率如图所示，当接收的电波频率f
10、RF变化时，本振频率变化时，本振频率fL和选频滤和选频滤波器的中心频率波器的中心频率f0=fRF能够同步改变，从而使输出的能够同步改变，从而使输出的fIF固定不固定不变，这种技术称为外差技术，当变，这种技术称为外差技术，当fIF低于低于fRF而高于信号带宽而高于信号带宽B时时就称为超外差技术。超外差技术具有灵敏度高、选择性好、工就称为超外差技术。超外差技术具有灵敏度高、选择性好、工作稳定、中频部分可标准化等优点。作稳定、中频部分可标准化等优点。选频滤波选频滤波混频器混频器本振本振滤波滤波 解调解调滤波滤波无线电波无线电波解调输出解调输出fLfIF fRF 接收机主要质量指标接收机主要质量指标1
11、.灵敏度：灵敏度：Simin，用最小可检测信号功率，用最小可检测信号功率Simin 表示，表示，检测灵敏度，给定虚警概率检测灵敏度，给定虚警概率 Pfa，达到指定检测概，达到指定检测概率率Pd 时的输入端的信号功率：时的输入端的信号功率：通常所需接收机通常所需接收机 gain=120 160 dB，Simin-120-140dbw 主要由中频完成。主要由中频完成。2.动态范围：表示接收机能够正常工作所允许的输入动态范围：表示接收机能够正常工作所允许的输入信号强度的变化范围。信号强度的变化范围。过载时的过载时的Si/Si min，80120 dB 接收机的噪声系数接收机的噪声系数 接收机输入端信
12、号噪声比与输出端信号噪声比接收机输入端信号噪声比与输出端信号噪声比的比值。其公式为：的比值。其公式为：规定输入噪声以天线等效电阻规定输入噪声以天线等效电阻 RA在室温在室温T 0=290 K 时产生的热噪声为标准时产生的热噪声为标准雷达显示器的主要类型雷达显示器的主要类型 距离显示器。距离显示器。A显，显，J显显 平面显示器。平面显示器。PPI显示器显示器 高度显示器。高度显示器。E显显距离距离R 处任一点的雷达发射信号功率密度：处任一点的雷达发射信号功率密度：考虑到定向天线增益考虑到定向天线增益G：基本雷达方程推导基本雷达方程推导目标散射截面积设为目标散射截面积设为，则其接收的功率为，则其接
13、收的功率为S1以目标为圆心，雷达处散射的功率密度：以目标为圆心，雷达处散射的功率密度：雷达收到功率：雷达收到功率：Ar：雷达天线接收面积：雷达天线接收面积rr雷达接收到的回波功率反比于目雷达接收到的回波功率反比于目标与雷达站间距离标与雷达站间距离R的四次方的四次方 收发不同天线时收发不同天线时 收发同天线时收发同天线时由于相位检波器参考电压远大于回波电压，矢量合成如图8.匹配滤波：在输入为确知信号加白噪声时，所得输出信噪比最大。机载下视PD雷达杂波示意图相控阵雷达波束扫描基本原理但随着噪声电压的变化，其包络振幅的概率密度可能会发生变化，导致一定门限值的虚警概率Pfa发生变化，从而使得在给定信噪
14、比下得不到所需的发现概率。根据干扰电平调整门限保持恒虚警基准电压在每一重复周期均和发射信号有相同起始相位。假定要设计一部低空目标探测雷达，将雷达安装在海拔1000 米的山顶上，目标飞行高度100 米，则该雷达的作用距离选取多少为宜？考虑目标在远区，且阵元等幅馈电，波程差引起的场强差可忽略，则远区各阵元辐射场强近似相等雷达发射机的任务和基本组成天线对于不同方向到达的电磁波具有不同的振幅和相位的响应考虑目标在远区，且阵元等幅馈电，波程差引起的场强差可忽略，则远区各阵元辐射场强近似相等求雷达的最大作用距离。超外差技术具有灵敏度高、选择性好、工作稳定、中频部分可标准化等优点。虚警概率一定时，发现概率P
15、d才随信噪比的增加而增加，因此检测系统要求虚警保持一个恒定的值；反之0 vr，回波载频降低。解决办法：改进相位检波器的特性解决盲相问题（早期）线性调频信号脉冲压缩比：模糊函数：由分辨问题引入，可描述雷达信号的分辨特性和模糊度，亦可描述由雷达信号决定的测量精度和杂波抑制特性。取 n 1、n 2互为质数除了常数和相位因子外，滤波器的频率特性恰好是输入信号频谱的共轭，其冲击响应由欲匹配的信号唯一确定。利用多个天线所接收到的回波信号间的相位差测角 收发不同天线时，最大作用距离收发不同天线时，最大作用距离 收发同天线时，最大作用距离收发同天线时，最大作用距离雷达实际作用距离受目标后向散射截面积雷达实际作
16、用距离受目标后向散射截面积、Simin、噪声、噪声和其他干扰的影响，具有不确定性，服从统计学规律。和其他干扰的影响，具有不确定性，服从统计学规律。当接收功率为接收机最小检测功率当接收功率为接收机最小检测功率S imin时：时：信噪比表示的雷达方程信噪比表示的雷达方程最小可检测信噪比最小可检测信噪比匹配接收机匹配接收机检波器检波器检波后积累检波后积累检测装置检测装置检测门限检测门限SiminKT0BnFnD0i由由可得，可得，min则则识别系数识别系数M作用距离作用距离灵敏度灵敏度 检测准则检测准则门限检测采用奈曼门限检测采用奈曼-皮尔逊准则。该准则要求在给定的皮尔逊准则。该准则要求在给定的信噪
17、比条件下，在满足一定的虚警概率时的发现概率信噪比条件下，在满足一定的虚警概率时的发现概率最大，或者漏警概率最小。最大，或者漏警概率最小。降低门限的缺点：只要有噪声存在，其尖峰超过门限降低门限的缺点：只要有噪声存在，其尖峰超过门限电平的概率增加，虚警相应增加。电平的概率增加，虚警相应增加。恒虚警恒虚警虚警概率一定时，发现概率虚警概率一定时，发现概率Pd才随信噪比的增加才随信噪比的增加而增加，因此检测系统要求虚警保持一个恒定的而增加，因此检测系统要求虚警保持一个恒定的值；但随着噪声电压的变化，其包络振幅的概率值；但随着噪声电压的变化，其包络振幅的概率密度可能会发生变化，导致一定门限值的虚警概密度可
18、能会发生变化，导致一定门限值的虚警概率率Pfa发生变化，从而使得在给定信噪比下得不到发生变化，从而使得在给定信噪比下得不到所需的发现概率。所以，噪声电平变化时，系统所需的发现概率。所以，噪声电平变化时，系统门限电平应相应变化以获得恒虚警。门限电平应相应变化以获得恒虚警。积累对作用距离的改善积累对作用距离的改善 积累的作用：增加信号功率，提高检测性能积累的作用：增加信号功率，提高检测性能 积累的方法：相干积累，非相干积累积累的方法：相干积累，非相干积累在检波前完成，亦称检波前积累或中频在检波前完成，亦称检波前积累或中频积累，相干积累要求信号间有严格的相积累，相干积累要求信号间有严格的相位关系，即
19、信号是相干的。位关系，即信号是相干的。M个脉冲的中频理想积累可使信噪比提高为原来的个脉冲的中频理想积累可使信噪比提高为原来的M倍倍M个脉冲的视频理想积累对信噪比的改善为原来的个脉冲的视频理想积累对信噪比的改善为原来的 MM倍之间倍之间习题习题 某雷达波长某雷达波长 ，最小，最小可检测信号可检测信号 ，已知探测目标的有，已知探测目标的有效反射面积效反射面积 ；求雷达的最大作用距离。求雷达的最大作用距离。若该雷达为相干脉冲体制雷达，其他条件不若该雷达为相干脉冲体制雷达，其他条件不变时，变时，10个等幅相参中频脉冲信号进行相参个等幅相参中频脉冲信号进行相参积累，如果作用距离要求不变，发射功率积累，如
20、果作用距离要求不变，发射功率Pt可以降低为多少？可以降低为多少？由于由于M个等幅相参中频脉冲可以提高输出信噪比个等幅相参中频脉冲可以提高输出信噪比M倍，则达到原来要求的作用距离只需原来发射功率倍，则达到原来要求的作用距离只需原来发射功率的的1/M。大气折射和雷达直视距离大气折射和雷达直视距离改变雷达的测量距离，产生测距误差；引起仰角测量误差改变雷达的测量距离，产生测距误差；引起仰角测量误差原因：原因：大气成分随时间、地点而改变，且不同高度的空大气成分随时间、地点而改变，且不同高度的空气的密度也不相同，大气密度随高度变化的结果气的密度也不相同，大气密度随高度变化的结果使折射系数对高度增加而减小。
21、因此电磁波在正使折射系数对高度增加而减小。因此电磁波在正常大气下的传播折射常使电波射线向下弯曲。常大气下的传播折射常使电波射线向下弯曲。雷达直视距离的计算雷达直视距离的计算与大气折射系数与大气折射系数n随高度的变化率有随高度的变化率有关。关。P159习题习题 假定要设计一部低空目标探测雷达，将雷假定要设计一部低空目标探测雷达，将雷达安装在海拔达安装在海拔1000 米的山顶上，目标飞行米的山顶上，目标飞行高度高度100 米，则该雷达的作用距离选取多米，则该雷达的作用距离选取多少为宜？少为宜？用信号能量表示的雷达方程用信号能量表示的雷达方程当信号为简单脉冲，且检波器输入端信噪比用检测因子表示当信号
22、为简单脉冲，且检波器输入端信噪比用检测因子表示时，雷达方程可表示为：时，雷达方程可表示为：由于检测因子由于检测因子可得能量形式的雷达方程：可得能量形式的雷达方程：计入中频滤波器失配影响后：计入中频滤波器失配影响后：例：例：已知雷达参数已知雷达参数Pt1MW，5.6cm，Bn1.6MHz，G44dB，S0/N0=0dB，Fn10dB，L4dB，目标的雷达截面积，目标的雷达截面积 1 1m，求雷达作用距离。，求雷达作用距离。解：解：得：得：R54.5dB282kmBn62dB，0dB，与题中参数代入通常所需接收机 gain=120 160 dB，输入发射机的总平均功率-(f0+fd )但随着噪声电
23、压的变化，其包络振幅的概率密度可能会发生变化，导致一定门限值的虚警概率Pfa发生变化，从而使得在给定信噪比下得不到所需的发现概率。根据干扰电平调整门限保持恒虚警常用方法：脉冲法、频率法、相位法6MHz，G44dB，S0/N0=0dB，积累的作用：增加信号功率，提高检测性能连续波多普勒雷达多普勒差拍矢量动态范围：表示接收机能够正常工作所允许的输入信号强度的变化范围。采用移动的电刻度作为时间基准，操作员按显示器上的画面，将电刻度对准目标回波，从控制器度盘或计数器上读出移动电刻度的准确时延即可代表目标距离。地面反射对厘米波影响较小，故中等作用距离的引导雷达均采用厘米波段。收发同天线时，最大作用距离M
24、个脉冲的视频理想积累对信噪比的改善为原来的除了常数和相位因子外，滤波器的频率特性恰好是输入信号频谱的共轭，其冲击响应由欲匹配的信号唯一确定。wd Tr,Tr,|fd|fr完全没有多值的测量为：天线尺寸增加，波束变窄，测角精度和角分辨力提高经过脉压处理，LFM信号输出脉冲幅度为原来的 倍；测量目标的距离、方位和仰角与信号波形紧密联系的雷达分辨力：距离分辨力、速度分辨力。目标距离的测量2rctR2rRtc 测距范围：最小可测距离、最大单值测距范围测距范围：最小可测距离、最大单值测距范围最小可测距离最小可测距离雷达可测量的最近目标的距离雷达可测量的最近目标的距离最大单值测距范围最大单值测距范围由脉冲
25、重复周期由脉冲重复周期Tr确定确定特殊场合，雷达重复频率不能满足单值测距要求，此时特殊场合，雷达重复频率不能满足单值测距要求，此时通常选择：通常选择：出现测距模糊出现测距模糊 解距离模糊的方法：多重复频率法、舍脉冲法解距离模糊的方法：多重复频率法、舍脉冲法 调频连续波测距原理调频连续波测距原理设发射信号频率设发射信号频率 ft 在一定时间在一定时间T 内线性增加，内线性增加，则回波信号则回波信号fr 频率和发射信号频率变化相同，频率和发射信号频率变化相同，只在时间上延迟了只在时间上延迟了tR（回波时延）。如图：（回波时延）。如图：Bf0TtRtRf（t）tfb（t）t差拍频率差拍频率调频周期调
26、频周期调频带宽调频带宽人工距离跟踪人工距离跟踪 原理原理采用移动的电刻度作为时间基准，操作员按显示采用移动的电刻度作为时间基准，操作员按显示器上的画面，将电刻度对准目标回波，从控制器器上的画面，将电刻度对准目标回波，从控制器度盘或计数器上读出移动电刻度的准确时延即可度盘或计数器上读出移动电刻度的准确时延即可代表目标距离。代表目标距离。关键关键产生移动的电刻度，且其时延可精确读出。产生移动的电刻度，且其时延可精确读出。习题习题角度测量角度测量 测角的物理基础：电波在均匀介质中传播测角的物理基础：电波在均匀介质中传播的直线性，雷达天线的方向性。的直线性，雷达天线的方向性。测角的性能参数：测角范围、
27、测角速度、测测角的性能参数：测角范围、测角速度、测角精度或准确度、角分辨力。角精度或准确度、角分辨力。测角的方法：相位法，振幅法。测角的方法：相位法，振幅法。天线对于不同方向到达的电磁波具天线对于不同方向到达的电磁波具有不同的振幅和相位的响应有不同的振幅和相位的响应利用振幅响应进行测角利用振幅响应进行测角利用相位响应进行测角利用相位响应进行测角利用多个天线所接收到的回波信号间的相位差测角利用多个天线所接收到的回波信号间的相位差测角实现方法：将两天线收到的高频信号与同一本振差实现方法：将两天线收到的高频信号与同一本振差频后在中频上比相。频后在中频上比相。相位法测角原理相位法测角原理模糊函数：由分
28、辨问题引入，可描述雷达信号的分辨特性和模糊度，亦可描述由雷达信号决定的测量精度和杂波抑制特性。匹配滤波：在输入为确知信号加白噪声时，所得输出信噪比最大。由于相位检波器参考电压远大于回波电压，矢量合成如图8.d与0相比很小 d/0 =2v/C 提取 d 要用差拍方法。测量目标的距离、方位和仰角6MHz，G44dB，S0/N0=0dB，852km（1海里），盲速：目标径向速度vr，其回波经过相位检波器后输出为一串等幅脉冲，与固定目标的回波相同，vr为盲速。由于M个等幅相参中频脉冲可以提高输出信噪比M倍，则达到原来要求的作用距离只需原来发射功率的1/M。测角的方法：相位法，振幅法。改变雷达的测量距离
29、，产生测距误差；基准电压在每一重复周期均和发射信号有相同起始相位。5km，100s15km，1ms150km，求雷达的最大作用距离。高度杂波滤除：零多普勒滤波器，同时可抑制发射机直接进入接收机的泄漏。大功率电磁振荡产生与调制在一个器件中同时完成使用矢量对消器解决盲相问题(现代)例：已知雷达参数Pt1MW，5.输入发射机的总平均功率匹配滤波：在输入为确知信号加白噪声时，所得输出信噪比最大。Bn62dB，0dB，与题中参数代入所以，噪声电平变化时，系统门限电平应相应变化以获得恒虚警。测角误差与多值性问题测角误差与多值性问题测角误差测角误差当当 ，此时，此时 ，可能超出可能超出2，实际读数实际读数解
30、决方法解决方法三天线测角三天线测角 测角原理：利用天线收到的回波信号幅度测角原理：利用天线收到的回波信号幅度来做角度测量。幅度变化规律取决于天线来做角度测量。幅度变化规律取决于天线方向图以及天线的扫描方式。方向图以及天线的扫描方式。测角方法：最大信号法，等信号法。测角方法：最大信号法，等信号法。振幅法测角振幅法测角天线的波束形状及扫描方式天线的波束形状及扫描方式 波束形状：针状波束、扇形波束波束形状：针状波束、扇形波束雷达波束通常以一定的方式依次照射给定空域，以进雷达波束通常以一定的方式依次照射给定空域，以进行目标探测和目标坐标测量。行目标探测和目标坐标测量。扫描方式：机械扫描、电子扫描扫描方
31、式：机械扫描、电子扫描 相位扫描法：相位扫描法：在阵列天线元采用控制移相器相在阵列天线元采用控制移相器相移量的方法改变激励相位，从而实现电扫描。移量的方法改变激励相位，从而实现电扫描。目标高度测量目标高度测量 方法：由目标斜距和仰角得到，并考虑大气折射方法：由目标斜距和仰角得到，并考虑大气折射圆锥扫描自动测角系统圆锥扫描自动测角系统目标方向目标方向x 方位方位y 仰角仰角等信号轴等信号轴A0波束中心波束中心波束截面波束截面波束中心波束中心运动轨迹运动轨迹天线最大辐射方向偏离等信天线最大辐射方向偏离等信号轴号轴OO，当波束以一定角，当波束以一定角速度速度s绕轴绕轴OO旋转时，旋转时，OB在空间画
32、出一个圆锥，在空间画出一个圆锥，故称圆锥扫描。故称圆锥扫描。A目标回波信号强弱变化规律目标回波信号强弱变化规律0/s2/s顺序波瓣测角法顺序波瓣测角法s思考思考习题习题 一雷达系统采用三天线法测角，已知：一雷达系统采用三天线法测角，已知：双天线测角精度低于三天线双天线测角精度低于三天线多卜勒信息的提取d与0相比很小 d/0 =2v/C 提取 d 要用差拍方法。即：r、d 的差值1、连续波多卜勒雷达连续波发射机放大器相检器多卜勒滤波器指示器000 d由于相位检波器参考电压远大于回波电压，矢量合成如图8.1连续波多普勒雷达多普勒差拍矢量tud0 cos0rUUU 匀速目标，回波信号围绕基准点等wd
33、 旋转，合成矢量振幅为：)cos(00 drwUUUwdutU0固定目标，无交流分量输出；000+d020d0 d0 dd maxd滤波器频率特性连续波多普勒雷达各主要点频谱变化图连续波发射机放大器相检器多卜勒滤波器指示器000 d2.脉冲工作时的多卜勒效应功率放大器接收机脉冲调制器连续振荡器显示系统00+d利用多普勒效应的脉冲雷达的原理框图发射信号按一定脉发射信号按一定脉宽和重复周期工作宽和重复周期工作由连续振荡器取出由连续振荡器取出电压作为基准电压作为基准基准电压在每一重复周期均和发射信号有相同起始相位。UrUkUinTrut0Ur1Ur2Uk?ut0cos(dt?0)脉冲多普勒雷达相位检
34、波器输出波形固定目标：运动目标：考虑目标在远区，且阵元等幅馈电，波程差引起的场强差可忽略，则远区各阵元辐射场强近似相等例：已知雷达参数Pt1MW，5.毫米波雷达：94GHz相邻重复周期信号相减，固定目标由于振幅不变而相互抵消；fd1=nfr fd2 也无法区分（采样定理）测速模糊。采用N个参差重复频率时：天线对于不同方向到达的电磁波具有不同的振幅和相位的响应从地面或水面的反射影响来看：水平极化的米波雷达，由于地面反射，波瓣分裂；LFM信号的距离旁瓣抑制的实质：对信号进行失配处理径向速度也可用距离的变化率来求得增大信号处理的线性动态范围运动目标的回波信号是u(t t r)与具有多卜勒频移的连续振
35、荡时域相乘，频域相卷。扫描方式：机械扫描、电子扫描求雷达的最大作用距离。当目标尺寸 时，目标对电磁波以绕射为主，以散射为辅，RCS小；因此电磁波在正常大气下的传播折射常使电波射线向下弯曲。利用发射信号回波时延求得提供目标的其他信息，如：形态、表面信息等虚警概率一定时，发现概率Pd才随信噪比的增加而增加，因此检测系统要求虚警保持一个恒定的值；采用移动的电刻度作为时间基准，操作员按显示器上的画面，将电刻度对准目标回波，从控制器度盘或计数器上读出移动电刻度的准确时延即可代表目标距离。由相位检波器特性所引起，减弱雷达对运动目标的检测能力。模糊函数是决定临近目标的距离和速度联合分辨力的唯一因素，并给出均
36、方差的一个保守估计。盲速和频闪盲速和频闪a.：目标径向速度vr，其回波经过相位检波器后输出为一串等幅脉冲，与固定目标的回波相同，vr为盲速。当 d=kr=k=0,1,2,时，脉冲不能区别运动目标和固定目标2vr cos(wd t-?0)=cos wd(t nTr )-?0 从采样上看，相当于所有采样都发生在正弦波的同一相位点上，从频谱上看，即回波频谱线与发射频谱线重合。b：指速度测量有多值性。wd=2 与w d+k2 fr 不能区分。2v r完全没有多值的测量为：wd Tr,Tr,|fd|vr，回波载频提高；多普勒滤波器组：覆盖预期多普勒范围的窄带滤波器组，目标 fd 不同，落入不同滤波器。输
37、入发射机的总平均功率模糊函数：由分辨问题引入，可描述雷达信号的分辨特性和模糊度，亦可描述由雷达信号决定的测量精度和杂波抑制特性。大气折射和雷达直视距离wd Tr,Tr,|fd|fr矢量图和波形图也可解释.利用多个天线所接收到的回波信号间的相位差测角天线的波束形状及扫描方式消除固定目标回波消除固定目标回波 相位检波器的输出相位检波器的输出 消除固定回波的方法消除固定回波的方法滤波器组，每个滤波单元抑制其中一个滤波器组，每个滤波单元抑制其中一个nfr相邻重复周期信号相减，固定目标由于振相邻重复周期信号相减，固定目标由于振幅不变而相互抵消；动目标相减后剩下相幅不变而相互抵消；动目标相减后剩下相邻重复
38、周期振幅变化的部分作为输出。邻重复周期振幅变化的部分作为输出。习题习题 测速模糊和测距模糊的关系测速模糊和测距模糊的关系例：例：？常用解决办法：首先保证测距无模糊，再解决测速常用解决办法：首先保证测距无模糊，再解决测速模糊问题。模糊问题。最大单值不模糊距离最大单值不模糊距离设设 f r 1、f r 2 均满足无模糊测距均满足无模糊测距对消器输出分别为：对消器输出分别为：不采用参差重频时：不采用参差重频时：参差重复频率对动目标显示性能的影响参差重复频率对动目标显示性能的影响同时盲速称为等效第一盲速同时盲速称为等效第一盲速 vr0取取 n 1、n 2互为质数互为质数采用参差重频时：采用参差重频时：
39、采用采用N个参差重复频率时：个参差重复频率时：盲相盲相 点盲相和连续盲相点盲相和连续盲相由相位检波器特性所引起，减弱雷达对运动目标的检测能力。由相位检波器特性所引起，减弱雷达对运动目标的检测能力。基准电压方向基准电压方向相检器输出相检器输出对消输出对消输出差矢量差矢量连续盲相后果：可能使得在某次天线扫描时丢失在强杂波连续盲相后果：可能使得在某次天线扫描时丢失在强杂波背景下的运动目标。背景下的运动目标。解决办法：改进相位检波器的特性解决盲相问题（早期）解决办法：改进相位检波器的特性解决盲相问题（早期）使用矢量对消器解决盲相问题使用矢量对消器解决盲相问题(现代现代)习题习题动目标检测（动目标检测（
40、MTD）增大信号处理的线性动态范围增大信号处理的线性动态范围 增加一组多普勒滤波器，使之更接近最佳滤波增加一组多普勒滤波器，使之更接近最佳滤波 能抑制地杂波，且能同时抑制运动杂波能抑制地杂波，且能同时抑制运动杂波 增加一个或多个杂波图，帮助检测切向飞行大目标增加一个或多个杂波图，帮助检测切向飞行大目标为弥补为弥补MTI的缺陷，由最佳滤波器理论发展起来。的缺陷，由最佳滤波器理论发展起来。多卜勒滤波器组多卜勒滤波器组单个脉冲的单个脉冲的匹配滤波器匹配滤波器对相参脉冲串对相参脉冲串进行匹配滤波进行匹配滤波 理论推导理论推导由连续振荡器取出电压作为基准利用发射信号回波时延求得大气折射和雷达直视距离测角
41、的方法：相位法，振幅法。改变雷达的测量距离，产生测距误差；考虑目标在远区，且阵元等幅馈电，波程差引起的场强差可忽略，则远区各阵元辐射场强近似相等设 f r 1、f r 2 均满足无模糊测距67s1km，12.fd1=nfr fd2 也无法区分（采样定理）测速模糊。由于相位检波器参考电压远大于回波电压，矢量合成如图8.从杂波干扰的影响来看：在目标（飞机）与云、雨相混的情况下，由于飞机的尺寸远大于水滴的尺寸，依目标的反射特性，采用大的可以提高输入信杂比。虚警概率一定时，发现概率Pd才随信噪比的增加而增加，因此检测系统要求虚警保持一个恒定的值；由连续振荡器取出电压作为基准测速模糊和测距模糊的关系匹配
42、滤波：在输入为确知信号加白噪声时，所得输出信噪比最大。由于相位检波器参考电压远大于回波电压，矢量合成如图8.双天线测角精度低于三天线一雷达系统采用三天线法测角，已知：根据干扰电平调整门限保持恒虚警对相参脉冲串进行匹配滤波大气折射和雷达直视距离由于相位检波器参考电压远大于回波电压，矢量合成如图8.匹配滤波匹配滤波 匹配滤波：在输入为确知信号加白噪声时，匹配滤波：在输入为确知信号加白噪声时，所得输出信噪比最大。所得输出信噪比最大。传输函数能使输出峰值信号功率与平均噪传输函数能使输出峰值信号功率与平均噪声功率之比为最大的滤波器即是匹配滤波声功率之比为最大的滤波器即是匹配滤波器。器。由雷达距离方程可知
43、，为增加作用距离，应使信噪比最大。由雷达距离方程可知，为增加作用距离，应使信噪比最大。匹配滤波的作用即是将接收机输出端噪声功率减至最小。匹配滤波的作用即是将接收机输出端噪声功率减至最小。除了常数和相位因子外，滤波器的频率特除了常数和相位因子外，滤波器的频率特性恰好是输入信号频谱的共轭，其冲击响性恰好是输入信号频谱的共轭，其冲击响应由欲匹配的信号唯一确定。应由欲匹配的信号唯一确定。匹配滤波结论匹配滤波结论 式式 即是要获得滤波器最即是要获得滤波器最大输出信噪比时，滤波器传递函数和输入大输出信噪比时，滤波器传递函数和输入信号频谱间应满足的关系；信号频谱间应满足的关系；式式 是滤波器的冲击响应与输入
44、是滤波器的冲击响应与输入信号时域波形之间应满足的关系；信号时域波形之间应满足的关系；模糊函数与雷达分辨力模糊函数与雷达分辨力 模糊函数：由分辨问题引入，可描述雷达模糊函数：由分辨问题引入，可描述雷达信号的分辨特性和模糊度，亦可描述由雷信号的分辨特性和模糊度，亦可描述由雷达信号决定的测量精度和杂波抑制特性。达信号决定的测量精度和杂波抑制特性。雷达分辨力：在各种目标环境下区分两个雷达分辨力：在各种目标环境下区分两个或两个以上临近目标的能力。或两个以上临近目标的能力。与信号波形紧密联系的雷达分辨力：距离与信号波形紧密联系的雷达分辨力：距离分辨力、速度分辨力。分辨力、速度分辨力。距离分辨力距离分辨力延
45、时分辨常数延时分辨常数有效相关带宽有效相关带宽速度分辨力速度分辨力多普勒分辨常数多普勒分辨常数有效相关时间有效相关时间模糊函数结论模糊函数结论 模糊函数是决定临近目标的距离和速度联模糊函数是决定临近目标的距离和速度联合分辨力的唯一因素，并给出均方差的一合分辨力的唯一因素，并给出均方差的一个保守估计。个保守估计。模糊函数越大，相邻目标差异越小，目标模糊函数越大，相邻目标差异越小，目标越难以分辨，即越模糊。越难以分辨，即越模糊。在雷达波形设计时需考虑信号的模糊函数在雷达波形设计时需考虑信号的模糊函数形式。形式。脉冲压缩雷达脉冲压缩雷达脉冲压缩技术很好的解决了雷达在距离分辨力和脉冲压缩技术很好的解决
46、了雷达在距离分辨力和最大作用距离上的矛盾最大作用距离上的矛盾 线性调频脉冲信号、非线性调频脉冲信号、线性调频脉冲信号、非线性调频脉冲信号、频率编码脉冲信号、相位编码脉冲信号频率编码脉冲信号、相位编码脉冲信号时域处理时域处理频域处理频域处理匹配滤波匹配滤波匹配滤波频域匹配滤波频域传递函数传递函数线性调频信号线性调频信号脉冲压缩比：脉冲压缩比：LFM信号的距离旁瓣抑制的实质：对信号进行失配处理信号的距离旁瓣抑制的实质：对信号进行失配处理 二相编码信号特点：将宽脉冲分为许多短的等宽度子脉冲，二相编码信号特点：将宽脉冲分为许多短的等宽度子脉冲，每个子脉冲以每个子脉冲以0、两种相位调制，相位由指定的编码
47、序列决两种相位调制，相位由指定的编码序列决定。定。二相编码信号的脉压处理：应用匹配滤波器进行压缩处理，二相编码信号的脉压处理：应用匹配滤波器进行压缩处理，输出压缩脉冲主瓣半幅度点的宽度近似于子脉冲宽度，距离输出压缩脉冲主瓣半幅度点的宽度近似于子脉冲宽度，距离分辨力与子脉冲宽度成正比，压缩比等于码长。分辨力与子脉冲宽度成正比，压缩比等于码长。经过脉压处理，经过脉压处理，LFM信号输出脉冲幅度为原来的信号输出脉冲幅度为原来的 倍；倍；输出脉冲信号的功率信噪比提高为输入的输出脉冲信号的功率信噪比提高为输入的D倍倍 NLFM信号的基本构造原则是使设计出的信号具有信号的基本构造原则是使设计出的信号具有窗
48、函数形状的幅度谱，使匹配滤波输出即得到低的窗函数形状的幅度谱，使匹配滤波输出即得到低的旁瓣电平，避免失配能量损失。旁瓣电平，避免失配能量损失。二相编码信号特点：将宽脉冲分为许多短的等宽度二相编码信号特点：将宽脉冲分为许多短的等宽度子脉冲，每个子脉冲以子脉冲，每个子脉冲以0、两种相位调制，相位由两种相位调制，相位由指定的编码序列决定。指定的编码序列决定。二相编码信号的脉压处理：应用匹配滤波器进行压二相编码信号的脉压处理：应用匹配滤波器进行压缩处理，输出压缩脉冲主瓣半幅度点的宽度近似于缩处理，输出压缩脉冲主瓣半幅度点的宽度近似于子脉冲宽度，距离分辨力与子脉冲宽度成正比，压子脉冲宽度，距离分辨力与子
49、脉冲宽度成正比，压缩比等于码长。缩比等于码长。机载下视机载下视PD雷达杂波示意图雷达杂波示意图 脉冲多普勒雷达脉冲多普勒雷达兼具脉冲雷达距离分辨力和连续波雷达速度分辨力兼具脉冲雷达距离分辨力和连续波雷达速度分辨力 典型机载典型机载PD雷达框图雷达框图从回波频谱中从回波频谱中滤出单根谱线滤出单根谱线滤除高度滤除高度线杂波线杂波减轻多普勒滤波减轻多普勒滤波负担，降低数字负担，降低数字部分的动态范围部分的动态范围速度分辨、速度分辨、精确测量精确测量根据干扰电根据干扰电平调整门限平调整门限保持恒虚警保持恒虚警 高度杂波滤除：零多普勒滤波器，同时可抑制发射高度杂波滤除：零多普勒滤波器，同时可抑制发射机直
50、接进入接收机的泄漏。当多普勒滤波器组动态机直接进入接收机的泄漏。当多普勒滤波器组动态范围足够时，可直接由多普勒滤波器滤除。范围足够时，可直接由多普勒滤波器滤除。多普勒滤波器组：覆盖预期多普勒范围的窄带滤波多普勒滤波器组：覆盖预期多普勒范围的窄带滤波器组，目标器组，目标 fd 不同，落入不同滤波器。每个滤波器不同，落入不同滤波器。每个滤波器带宽应尽量与回波信号的谱线宽度匹配。带宽应尽量与回波信号的谱线宽度匹配。恒虚警处理：防止干扰增大时虚警概率过高。根据恒虚警处理：防止干扰增大时虚警概率过高。根据杂波环境及对雷达性能的要求，可采用参量法或非杂波环境及对雷达性能的要求，可采用参量法或非参量法参量法
