雷达原理及系统复习.ppt

雷达原理与系统 课程复习 什么是雷达 radar RadioDetectionandRanging 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速度提供目标的其他信息 如 形态 表面信息等 雷达坐标系 球 极 坐标系 斜距R 雷达到目标的直线距离 方位角 目标斜距R在水平面上的投影OB与某以起始方向 参考方向 在水平面上的夹角 仰角 目标斜距R与其在水平面上的投影OB在铅垂面上的夹角 雷达的基本工作原理 单基地脉冲雷达 收发开关 天线 大气 目标反射 大气 天线 收发开关 发射机 接收机 测距 C 光速 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1 s 求目标离雷达的距离 解 由公式 代入参数可得 常见时延与距离 1 s 0 15km 6 67 s 1km 12 3 s 1 852km 1海里 10 s 1 5km 100 s 15km 1ms 150km 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 测角 利用天线方向性实现 目标角位置 方位角 仰角 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 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 弧度 360 6000密位 1密位 0 06 测速 利用回波多普勒频移测相对速度 v fd 多普勒频移 Hz vr 雷达与目标之间的径向速度 m s 载波波长 m 当目标向着雷达运动时 0 vr 回波载频提高 反之0 vr 回波载频降低 径向速度也可用距离的变化率来求得 目标的尺寸和形状 利用足够高的分辨力获得 距离分辨力 角分辨力 脉冲宽度 B 信号带宽 0 天线半功率宽度 信号波长 D 天线孔径 习题 已知脉冲雷达中心频率f0 3000MHz 回波信号相对发射信号的延迟时间为1000 s 回波信号的频率为3000 01MHz 目标运动方向与目标所在方向的夹角60 求目标距离 径向速度与线速度 v 雷达的工作频率 f c 只要是通过辐射电磁能量 利用从目标反射回来的回波对目标探测和定位 都属于雷达系统的工作范畴 常用雷达工作频率范围 220MHz 35GHz 天波超视距雷达 OTHR 4MHz 5MHz 地波超视距雷达 2MHz 毫米波雷达 94GHz 雷达频段划分和对应频率 书P7 表1 1 频率选择因素 体积 分辨力 用途 功能 工作波长的选择 从接收机灵敏度来看 须考虑所选 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 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 希望 要短一些 从目标检测来看 目标的散射特性与 有关 当目标尺寸 时 目标对电磁波以散射为主 以绕射为辅 RCS大 当目标尺寸 时 目标对电磁波以绕射为主 以散射为辅 RCS小 对隐身目标 波长在两个极端即米波或毫米波为好 从地面或水面的反射影响来看 水平极化的米波雷达 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 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 当目标 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 较好 雷达发射机的任务和基本组成 任务 产生大功率的特定调制的电磁振荡即射频信号 组成 单级振荡式 主振放大式 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CW振荡 再分多级调制和放大 输出功率 输出信号功率 平均功率 峰值功率 单位时间内发出的功率能量Pav 脉冲重复周期内的输出平均功率 脉冲发出时间点的功率Pt 脉冲期间射频振荡的平均功率 总效率 输入发射机的总平均功率 输出和输入的功率比 工作比 占空比 雷达发射机的性能指标 习题 某雷达发射机峰值功率为800kW 矩形脉冲宽度为3 s 脉冲重复频率为1000Hz 求该发射机的平均功率和工作比 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 超外差技术如图所示 当接收的电波频率fRF变化时 本振频率fL和选频滤波器的中心频率f0 fRF能够同步改变 从而使输出的fIF固定不变 这种技术称为外差技术 当fIF低于fRF而高于信号带宽B时就称为超外差技术 超外差技术具有灵敏度高 选择性好 工作稳定 中频部分可标准化等优点 接收机主要质量指标1 灵敏度 Simin 用最小可检测信号功率Simin表示 检测灵敏度 给定虚警概率Pfa 达到指定检测概率Pd时的输入端的信号功率 通常所需接收机gain 120 160dB Simin 120 140dbw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信号强度的变化范围 过载时的Si Simin 80 120dB 接收机的噪声系数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 规定输入噪声以天线等效电阻RA在室温T0 290K时产生的热噪声为标准 雷达显示器的主要类型 距离显示器 A显 J显平面显示器 PPI显示器高度显示器 E显 距离R处任一点的雷达发射信号功率密度 考虑到定向天线增益G 基本雷达方程推导 目标散射截面积设为 则其接收的功率为 S1 以目标为圆心 雷达处散射的功率密度 雷达收到功率 Ar 雷达天线接收面积 雷达接收到的回波功率反比于目标与雷达站间距离R的四次方 收发不同天线时 收发同天线时 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 雷达实际作用距离受目标后向散射截面积 Simin 噪声和其他干扰的影响 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Simin时 信噪比表示的雷达方程 最小可检测信噪比 匹配接收机 检波器 检波后积累 检测装置 D0 i 识别系数M 作用距离 检测准则 门限检测采用奈曼 皮尔逊准则 该准则要求在给定的信噪比条件下 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 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 恒虚警 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 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比下得不到所需的发现概率 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 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积累 相干积累要求信号间有严格的相位关系 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M倍 习题 某雷达波长 最小可检测信号 已知探测目标的有效反射面积 求雷达的最大作用距离 若该雷达为相干脉冲体制雷达 其他条件不变时 10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Pt可以降低为多少 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 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 原因 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 雷达直视距离的计算 与大气折射系数n随高度的变化率有关 P159 习题 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 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时 雷达方程可表示为 由于检测因子 可得能量形式的雷达方程 计入中频滤波器失配影响后 例 已知雷达参数Pt 1MW 5 6cm Bn 1 6MHz G 44dB S0 N0 0dB Fn 10dB L 4dB 目标的雷达截面积 1m 求雷达作用距离 解 Pt 60dB 12 5dB Bn 62dB 0dB 与题中参数代入 得 R 54 5dB 282km 目标距离的测量 常用方法 脉冲法 频率法 相位法 测距范围 最小可测距离 最大单值测距范围 最小可测距离 雷达可测量的最近目标的距离 最大单值测距范围 由脉冲重复周期Tr确定 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 出现测距模糊 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 设发射信号频率ft在一定时间T内线性增加 则回波信号fr频率和发射信号频率变化相同 只在时间上延迟了tR 回波时延 如图 B T tR tR 差拍频率 调频周期 调频带宽 人工距离跟踪 原理 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 关键 产生移动的电刻度 且其时延可精确读出 习题 角度测量 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 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 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有不同的振幅和相位的响应 利用振幅响应进行测角 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 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 相位法测角原理 测角误差与多值性问题 测角误差 实际读数 解决方法 三天线测角 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 振幅法测角 天线的波束形状及扫描方式 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 以进行目标探测和目标坐标测量 扫描方式 机械扫描 电子扫描 相位扫描法 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 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 圆锥扫描自动测角系统 目标方向 天线最大辐射方向偏离等信号轴O O 当波束以一定角速度 s绕轴O O旋转时 O B在空间画出一个圆锥 故称圆锥扫描 A目标回波信号强弱变化规律 0 s 2 s 顺序波瓣测角法 思考 习题 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 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 0 产生频率为f0的等幅高频振荡 少量发射能量耦合至接收端作为基准电压 混频后的信号经放大 在相位检波器输出端取出差拍电压 提取多卜勒频率信号 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 t 匀速目标 回波信号围绕基准点等wd旋转 合成矢量振幅为 固定目标 无交流分量输出 连续波多普勒雷达各主要点频谱变化图 2 脉冲工作时的多卜勒效应 利用多普勒效应的脉冲雷达的原理框图 发射信号按一定脉宽和重复周期工作 由连续振荡器取出电压作为基准 基准电压在每一重复周期均和发射信号有相同起始相位 cos dt 0 脉冲多普勒雷达相位检波器输出波形 固定目标 运动目标 8 1 3盲速和频闪 a 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 cos wdt 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 完全没有多值的测量为 wd Tr Tr fd fr 运动目标的回波信号是u t tr 与具有多卜勒频移的连续振荡时域相乘 频域相卷 sr t 相当于将U f 的频谱中心搬移到 f0 fd 和 f0 fd 相参电压谱 相位检波器输出谱 盲速原因 fd nfr 固定目标 位于nfr 运动目标nfr fd若nfr fd Nfr 频闪原因 fd fr频谱混叠fd1 fd2满足fd1 nfr fd2也无法区分 采样定理 测速模糊 矢量图和波形图也可解释 Fd 习题1 习题2 会出现盲速现象 会出现频闪现象 习题3 从0 到30 时 fd从0连续变化到fdmax 方向满足 当fr 600Hz 共有30000 600 50个盲速点 消除固定目标回波 相位检波器的输出 消除固定回波的方法 频谱抑制法 对消法 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 固定目标由于振幅不变而相互抵消 动目标相减后剩下相邻重复周期振幅变化的部分作为输出 习题 测速模糊和测距模糊的关系 例 常用解决办法 首先保证测距无模糊 再解决测速模糊问题 最大单值不模糊距离 设fr1 fr2均满足无模糊测距 对消器输出分别为 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 同时盲速称为等效第一盲速vr0 取n1 n2互为质数 采用参差重频时 采用N个参差重复频率时 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 基准电压方向 对消输出 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 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 现代 习题 动目标检测 MTD 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 为弥补MTI的缺陷 由最佳滤波器理论发展起来 优点 多卜勒滤波器组 单个脉冲的匹配滤波器 对相参脉冲串进行匹配滤波 理论推导 匹配滤波 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 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器 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 最佳处理 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 匹配滤波结论 式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信号频谱间应满足的关系 式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 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 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 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 距离分辨力 延时分辨常数 有效相关带宽 速度分辨力 多普勒分辨常数 有效相关时间 模糊函数结论 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 并给出均方差的一个保守估计 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 在雷达波形设计时需考虑信号的模糊函数形式 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最大作用距离上的矛盾 常用脉冲压缩信号 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 数字脉压的实现方式 时域处理 频域处理 匹配滤波 匹配滤波频域传递函数 线性调频信号脉冲压缩比 LFM信号的距离旁瓣抑制的实质 对信号进行失配处理 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0 两种相位调制 相位由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 压缩比等于码长 经过脉压处理 LFM信号输出脉冲幅度为原来的倍 输出脉冲信号的功率信噪比提高为输入的D倍 NLFM信号的基本构造原则是使设计出的信号具有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 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0 两种相位调制 相位由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 压缩比等于码长 机载下视PD雷达杂波示意图 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 典型机载PD雷达框图 从回波频谱中滤出单根谱线 滤除高度线杂波 减轻多普勒滤波负担 降低数字部分的动态范围 速度分辨 精确测量 根据干扰电平调整门限保持恒虚警 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 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 每个滤波器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 根据杂波环境及对雷达性能的要求 可采用参量法或非参量法CFAR技术根据背景干扰调整检测门限 相控阵天线是由多个辐射单元排列组成 每个单元的馈电相位由计算机灵活控制 从而实现波束灵活扫描的阵列 具有很强的波束 空间位置和方向图 捷变能力 能够灵活地实现多目标跟踪 功率调度分配 自适应抗干扰等功能 相控阵定义相控阵优点 相控阵雷达 相控阵雷达波束扫描基本原理 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 在方向上有 有主瓣存在 且主瓣方向由决定 只要修改移相器的相移量 就可以控制最大辐射方向 0 从而形成波束扫描 波束扫描结论 实质 用移相器引入的相移量来抵销对于不同角度单元间波程差引入的相位差 从而在该角度上获得电场同相叠加而出现的最大值 波束展宽当通过调整移相器相位 使得波束指向 0方向时 此时的半功率波束宽度 0 5s为 波束扫描的影响 天线增益下降 若考虑天线为匹配接收天线 则扫描波束所收集的能量正比于天线口径的投影面积A 0 所以此时增益为 相控阵天线的相位控制方法 射频移相法 中频移相法 数字基带移相法