雷达基本工作原理-课件

雷达基本工作原理第一部分雷达基本工作原理1.1基本概念基本概念雷达雷达:Radar Radio detection and ranging 无线电探测和测距。无线电探测和测距。定义：定义：雷雷达达是是一一种种通通过过发发射射电电磁磁波波和和接接收收回回波波，对对目目标标进进行行探探测测和和测测定定目目标标信息信息的设备。的设备。电电磁磁波波特特性性直线传播二次辐射（反射）目标雷雷达达目目标标雷达所能发现的所有目标。船舶船舶岛屿（陆地）岛屿（陆地）浮标浮标海浪杂波海浪杂波雨雪杂波雨雪杂波目目标标信信息息相对位置（距离和方位）真速度真航向CPA（Closest Point of Approach)TCPA(Distance to CPA)大家有疑问的，可以询问和交流大家有疑问的，可以询问和交流可以互相讨论下，但要小声点可以互相讨论下，但要小声点可以互相讨论下，但要小声点可以互相讨论下，但要小声点(1)避碰避碰 距离，方位，速度，航向距离，方位，速度，航向.测量目标参数测量目标参数(2)无视线限制无视线限制(1)远距离探测远距离探测尽早发现目标尽早发现目标三个主要用途三个主要用途:(2)定位定位导航导航1.2海上雷达的用途雷雷达达/ARPA,ECDIS,GPS/DGPS和和自自动动舵舵构构成成的的自自动动船桥系统是未来主要的导航系统船桥系统是未来主要的导航系统雷达结构及其工作原理雷达影像失真的特点及其产生原因影响雷达正常观测的诸要素雷达测距/测方位雷达定位与导航雷达航标1.3雷达考核内容1.4 雷达的测距与测向原理方向扫描方向扫描量程量程:回波回波(at 10 nm)t123.5ss荧光屏边缘荧光屏边缘本船本船目标目标岛屿岛屿12 nm目标目标90245245EBL901802700方位标志方位标志海海图图平平面面雷达平面雷达平面Fig.距离与方位测量距离与方位测量扫描线扫描线固定距标圈固定距标圈HL岛屿岛屿本船本船雷雷达达不不能能“感感知知”目目标标的的背背面面，因此目标的后沿是不可见的因此目标的后沿是不可见的.1.雷达测距原理雷达测距原理 t:往返于天线与目标的时间往返于天线与目标的时间,C:电磁波在空间传播速度电磁波在空间传播速度3108m/s。2.雷达测向原理雷达测向原理 借助于定向天线借助于定向天线 扫描扫描.1.4 雷达的测距与测向原理1tCR2=2 雷达基本组成发射脉冲发射脉冲回波回波发射机发射机接收机接收机电源电源船电船电船首线船首线 微波传输线微波传输线天线天线方位方位回波回波T/R触发器触发器显示器显示器1.波长波长 S 波段波段 10cm波长波长 20004000MHz 7.515cm 3050MHz X 波段波段 3cm波长波长 800012500MHz 2.43.75cm 9375MHz。2.脉冲宽度脉冲宽度 每次发射脉冲的射频振荡持续时间每次发射脉冲的射频振荡持续时间.0.050.2us3 雷达相关技术参数天气好天气好:X band;天气坏天气坏(雨雨/雪雪):S band3.脉冲重复频率脉冲重复频率f/脉冲重复周期脉冲重复周期T f f（P.R.F Pulse Repeat FrequencyP.R.F Pulse Repeat Frequency）每相邻两次发射脉冲的时间间隔每相邻两次发射脉冲的时间间隔。（。（4004000Hz）4.发射峰值功率发射峰值功率Pt:在脉宽持续时间内的功率在脉宽持续时间内的功率3 雷达相关技术参数5.发射平均功率发射平均功率Pm:在脉冲重复周期内的功率在脉冲重复周期内的功率Tpptmt t=6.接收机灵敏度接收机灵敏度Prmin:表示接收机接收微弱信号的能力表示接收机接收微弱信号的能力 P rmin=kT fN f接收机通频带接收机通频带 N接收机噪声接收机噪声 K波尔兹曼常数波尔兹曼常数 T接收机端绝对温度接收机端绝对温度7.接收机带宽接收机带宽 f 指在放大情况下，允许通过接收机的信号频率范围。指在放大情况下，允许通过接收机的信号频率范围。3 雷达相关技术参数长脉冲长脉冲 窄范围的频谱窄范围的频谱f 噪声噪声灵敏度灵敏度 失真失真f 噪声噪声 灵敏度灵敏度 失真失真兼顾兼顾:远量程远量程 f 灵敏度灵敏度近量程近量程 f 灵敏度灵敏度航海雷达航海雷达 125 MHz8.天线增益天线增益 定向天线最大辐射方向的功率与点状天线各向均匀辐射的平均功率之比。定向天线最大辐射方向的功率与点状天线各向均匀辐射的平均功率之比。表示定向天线的功率集束能力。表示定向天线的功率集束能力。3 雷达相关技术参数 =2a 4Ge aGeAA aGl ll lp p9.水平波束宽度水平波束宽度 HH 在水平面内的波束半功率点的宽度。在水平面内的波束半功率点的宽度。LHlq70=L q H 方位分辩率 一般为1H H半功率点半功率点ABBCC水平方向性图水平方向性图PLR半功率点半功率点10.垂直波束宽度垂直波束宽度 V V 表示在垂直面内的波束半功率点的宽度。为防止船舶摇摆时不至丢失目标，表示在垂直面内的波束半功率点的宽度。为防止船舶摇摆时不至丢失目标，一般一般15 30 。3 雷达相关技术参数HBWVBW棒状波束 通通过过分分析析雷雷达达使使用用性性能能及及其其影影响响因因素素，了了解解雷雷达达影影像像失失真真的的特特点点及及其其产产生生原原因因，是是正正确确理理解解和和使使用用雷雷达达图图像像信信息息的的前提。前提。4 雷达使用性能及其影响因素最大探测距离最大作用距离最小作用距离距离分辨率方位分辨率 在在考考虑虑地地球球曲曲率率、天天线线高高度度、物物标标高高度度及及雷雷达达电电波波传传播播空间大气折射影响时，雷达可能观测的最大距离空间大气折射影响时，雷达可能观测的最大距离4.1 最大探测距离)2.23(21hhR+=几何地平几何地平 1.93光学地平光学地平 2.07雷达地平雷达地平 2.23雷达地平和最大探测距离雷达地平和最大探测距离hh 天线雷达地平天线雷达地平目标雷达地平目标雷达地平21 一一台台雷雷达达在在一一定定的的电电波波传传播播条条件件下下，对对某某一一特特定定的的物物标标，雷雷达达能能满满足足一一定定发发现现概概率率是是，所所能能观观测测到到物物标标的的最最大大距距离离，其影响因素包括：其影响因素包括：4.2 最大作用距离雷达技术参数物标反射性能海面反射（工作环境）大气衰减1 雷达技术参数对雷达最大作用距离的影响雷达技术参数对雷达最大作用距离的影响4.2 最大作用距离Pt:天线发射的脉冲功率；天线发射的脉冲功率；GA：天线增益；天线增益；：工作波长；：工作波长；P Prminrmin：接收机门限电压；：接收机门限电压；0 0：物标有效散射面积物标有效散射面积2 物标反射性能对雷达最大作用距离的影响物标反射性能对雷达最大作用距离的影响4.2 最大作用距离大小尺寸大小尺寸物标形状物标形状表面结构表面结构入射波的方向入射波的方向物标质地物标质地工作波长工作波长侧视图侧视图俯视图俯视图3 海面（镜面）反射对雷达最大作用距离的影响海面（镜面）反射对雷达最大作用距离的影响4.2 最大作用距离 到达物标有直射波和海面反射波，两者互相作用造成雷到达物标有直射波和海面反射波，两者互相作用造成雷达波束在垂直方向上的分裂现象。回波将时隐时现。达波束在垂直方向上的分裂现象。回波将时隐时现。4 大气衰减对雷达最大作用距离的影响大气衰减对雷达最大作用距离的影响4.2 最大作用距离与工作频率有关，与工作频率有关，S波段强于波段强于X波段波段大雾对雷达回波有影响大雾对雷达回波有影响与天线波束宽度及脉冲宽度有关与天线波束宽度及脉冲宽度有关 指指雷雷达达波波在在大大气气层层传传播播过过程程中中受受到到大大气气吸吸收收或或散散射射导导致致雷达波能量的衰减，其特点是：雷达波能量的衰减，其特点是：4.3 最小作用距离 指指雷雷达达能能在在显显示示器器屏屏幕幕上上显显示示并并测测定定物物标标的的最最近近距距离离，最小作用距离取决于：最小作用距离取决于：)(2Cmin1rtR+=t t脉冲宽度脉冲宽度和收发开关恢复时间和收发开关恢复时间t tr r雷达的安装位置，吃水，雷达的安装位置，吃水，垂直波束宽度垂直波束宽度min1RRmin2H最小作用距离最小作用距离受垂直波束宽度影响受垂直波束宽度影响零发射线零发射线 半功率发射线半功率发射线Rmin2=Hctgv4.4 距离分辨率指雷达分辨同方位的两个相邻物标的能力，取决于：指雷达分辨同方位的两个相邻物标的能力，取决于：量程选择量程选择脉冲宽度和回波波形脉冲宽度和回波波形屏幕大小及象素点屏幕大小及象素点接收带宽接收带宽带带宽宽失失真真距离分瓣率距离分瓣率荧荧光光屏屏边边缘缘 AB4.5 方位分辨率 指指雷雷达达分分辨辨距距离离相相同同方方位位相相邻邻的的两两个个物物标标的的能能力力，取决于：取决于：水平波束宽度水平波束宽度荧光屏及象素点大小荧光屏及象素点大小增益亮度调整增益亮度调整方位分瓣率方位分瓣率象素分瓣象素分瓣率率H HH H5 雷达指标对使用性能影响工作波长工作波长 脉冲宽度脉冲宽度脉冲重复频率脉冲重复频率f*发射峰值功率发射峰值功率Pt*天线波束宽度天线波束宽度天线转速天线转速nA天线极化型式天线极化型式*接收机通频带接收机通频带f*5.1 工作波长对使用性能影响正常天气观测较小的物标时，正常天气观测较小的物标时，3cm雷达的雷达的rmax要比要比10cm的大的大雨雪天，则雨雪天，则10cm雷达的雷达的rmax要比要比3cm雷达的大得多雷达的大得多1 对最大作用距离的影响对最大作用距离的影响2 对距离分辨率和测距精度的关系对距离分辨率和测距精度的关系工作波长越短，脉冲前沿越短，测距精度高；脉冲前沿越短，有工作波长越短，脉冲前沿越短，测距精度高；脉冲前沿越短，有利于缩短脉冲宽度，提高距离分辨率利于缩短脉冲宽度，提高距离分辨率3 对方位分辨率和测方位精度的关系对方位分辨率和测方位精度的关系工作波长越短，天线水平波束宽度越窄，方位分辨率和测方位进工作波长越短，天线水平波束宽度越窄，方位分辨率和测方位进度越高度越高4 抗杂波干扰能力的关系抗杂波干扰能力的关系工作波长越短，雨雪海浪等对雷达波德反射越强，干扰越大工作波长越短，雨雪海浪等对雷达波德反射越强，干扰越大5.2 脉冲宽度对使用性能影响脉冲宽度越大，能量越大，作用距离越大脉冲宽度越大，能量越大，作用距离越大1 对最大作用距离的影响对最大作用距离的影响2 对最小作用距离的关系对最小作用距离的关系脉冲宽度越小，脉冲宽度越小，rmin越小越小3 对距离分辨率和测距精度的关系对距离分辨率和测距精度的关系脉冲宽度越小，脉冲宽度越小，rmin越小，距离分辨率越高越小，距离分辨率越高脉冲宽度越小，雷达回波图像外侧的图像扩大效应越小，图像失脉冲宽度越小，雷达回波图像外侧的图像扩大效应越小，图像失真小，有利于提高测距精度真小，有利于提高测距精度4 对抗杂波干扰能力的关系对抗杂波干扰能力的关系脉冲宽度越短，缩短照射在雨雪及海浪上的时间，干扰回波较弱脉冲宽度越短，缩短照射在雨雪及海浪上的时间，干扰回波较弱5.3 天线波束宽度对使用性能影响 H H越小，越小，GA越大，越大，rmax越大越大 H H越小，越小，amin越小，方位分辨率越高越小，方位分辨率越高 H H越小，回波图像的越小，回波图像的“角向肥大角向肥大”（H H/2）越小）越小,测方位精度越测方位精度越高高 H H越小，照射到海浪、雨雪等范围小，杂波干扰回波强度小越小，照射到海浪、雨雪等范围小，杂波干扰回波强度小1 天线水平波束宽度天线水平波束宽度 HH 2 天线垂直波束宽度天线垂直波束宽度 v v v v越小，越小，GA越大，越大，rmax越大越大 v v越大，最小作用距离越小越大，最小作用距离越小 v v越小，越小，v v越小，照射到海浪、雨雪等范围小，杂波干扰回波强度小越小，照射到海浪、雨雪等范围小，杂波干扰回波强度小