1、第2講 雷達的工作原理,延遲符,以脈沖雷達為例：雷達主要有天線、發(fā)射機、接收機、信號處理機、數(shù)據(jù)處理機和顯示器等若干分系統(tǒng)構(gòu)成。,目標(biāo),天線,波束掃描產(chǎn) 生器或伺服,發(fā)射機,接收機,信號處理機,數(shù)據(jù)處理機,顯示器,收發(fā)開關(guān)（雙工器）,雷達的基本組成,1.2.1 雷達的基本組成,雷達基本工作原理： (1)由雷達發(fā)射機產(chǎn)生的電磁能, 經(jīng)收發(fā)開關(guān)后傳輸給天線, 再由天線將此電磁能定向輻射于大氣中; (2)電磁能在大氣中以光速(約3108m/s)傳播, 如果目標(biāo)恰好位于定向天線的波束內(nèi), 則它將要截取一部分電磁能; (3)目標(biāo)將被截取的電磁能向各方向散射, 其中部分散射的能量朝向雷達接收方向。雷達天線

2、搜集到這部分散射的電磁波后, 就經(jīng)傳輸線和收發(fā)開關(guān)饋給接收機; (4)接收機將這微弱信號放大并經(jīng)信號處理后即可獲取所需信息, 將結(jié)果送至終端顯示。,典型的單基地脈沖雷達組成框圖,1.發(fā)射機：在特定的時間、以特定的頻率和相位產(chǎn)生大功率電磁波 2.天線：向確定的方向發(fā)射和接收特定頻段的電磁波 3.接收機：放大微弱的回波信號，解調(diào)目標(biāo)信息 4.信號處理機：消除不需要的信號、雜波及干擾，并通過或加強所關(guān)注目標(biāo)產(chǎn)生的回波信號。 5.數(shù)據(jù)處理機：自動跟蹤、目標(biāo)識別。 6.顯示器：顯示經(jīng)過處理的信息。顯示目標(biāo)的位置信息等。 7.收發(fā)開關(guān) 發(fā)射狀態(tài)： 將發(fā)射機輸出功率接到天線，保護接收機輸入端； 接受狀態(tài) ：

3、將天線接收信號接到接收機，防止 發(fā)射機旁路信號。,雷達截面積（RCS）：把實際目標(biāo)等效為一個垂直電波入射方向的截面積，并且這個截面積所截獲的入射功率向各個方向均勻散射時，在雷達處產(chǎn)生的電磁波回波功率密度與實際目標(biāo)所產(chǎn)生的功率密度相同，這個等效面積稱為雷達截面積。 雷達截面積是目標(biāo)向雷達接收天線方向散射電磁波能力的量度，目標(biāo)的雷達截面積越大則反射的電磁波信號功率就越強。,基本雷達方程,實際雷達總是使用定向天線將發(fā)射機功率集中輻射于某些方向上。天線增益G用來表示相對于各向同性天線, 實際天線在輻射方向上功率增加的倍數(shù)。 因此當(dāng)發(fā)射天線增益為G時, 距雷達R處目標(biāo)所照射到的功率密度為,設(shè)雷達發(fā)射機功

4、率為Pt,當(dāng)用各向均勻輻射的天線發(fā)射時, 距雷達R遠(yuǎn)處任一點的功率密度等于功率被假想的球面積4R2所除, 即,目標(biāo)截獲了一部分照射功率并將它們重新輻射于不同的方向。 用雷達截面積來表示被目標(biāo)截獲入射功率后再次輻射回雷達處功率的大小, 或用下式表示在雷達處的回波信號功率密度:,的大小隨具體目標(biāo)而異, 它可以表示目標(biāo)被雷達“看見”的尺寸。雷達接收天線只收集了回波功率的一部分, 設(shè)天線的有效接收面積為Ae, 則雷達收到的回波功率Pr為,當(dāng)接收到的回波功率Pr等于最小可檢測信號Smin時, 雷達達到其最大作用距離Rmax, 超過這個距離后, 就不能有效地檢測到目標(biāo)。,目標(biāo)在空間、陸地或海面上的位置,

5、可以用多種坐標(biāo)系來表示。最常見的是直角坐標(biāo)系, 即空間任一點目標(biāo)P的位置可用x、 y、z三個坐標(biāo)值來決定。在雷達應(yīng)用中, 測定目標(biāo)坐標(biāo)常采用極(球)坐標(biāo)系, 如圖所示。圖中, 空間任一目標(biāo)P所在位置可用下列三個坐標(biāo)確定: (1) 目標(biāo)的斜距R： 雷達到目標(biāo)的直線距離OP; (2) 方位角：目標(biāo)斜距R在水平面上的投影OB與某一起始方向(正北、 正南或其它參考方向)在水平面上的夾角。,目標(biāo)的位置坐標(biāo),(3) 仰角：斜距R與它在水平面上的投影OB在鉛垂面上的夾角, 有時也稱為傾角或高低角。,如需要知道目標(biāo)的高度和水平距離, 那么利用圓柱坐標(biāo)系統(tǒng)就比較方便。在這種系統(tǒng)中, 目標(biāo)的位置由以下三個坐標(biāo)來確

6、定: 水平距離D，方位角，高度H。 這兩種坐標(biāo)系統(tǒng)之間的關(guān)系如下: D=R cos， H=Rsin，= 上述這些關(guān)系僅在目標(biāo)的距離不太遠(yuǎn)時是正確的。當(dāng)距離較遠(yuǎn)時, 由于地面的彎曲, 必須作適當(dāng)?shù)男薷摹?1. 目標(biāo)斜距的測量 雷達工作時, 發(fā)射機經(jīng)天線向空間發(fā)射一串重復(fù)周期一定的高頻脈沖。如果在電磁波傳播的途徑上有目標(biāo)存在, 那么雷達就可以接收到由目標(biāo)反射回來的回波。由于回波信號往返于雷達與目標(biāo)之間, 它將滯后于發(fā)射脈沖一個時間tr, 如圖所示。 我們知道電磁波的能量是以光速傳播的, 設(shè)目標(biāo)的距離為R, 則傳播的距離等于光速乘上時間間隔, 即,2R=ctr,或,式中, R為目標(biāo)到雷達站的單程距離

7、, 單位為m; tr為電磁波往返于目標(biāo)與雷達之間的時間間隔, 單位為s; c為光速，c=3108m/s。 由于電磁波傳播的速度很快, 雷達技術(shù)常用的時間單位為s, 回波脈沖滯后于發(fā)射脈沖為一個微秒時, 所對應(yīng)的目標(biāo)斜距離R為,能測量目標(biāo)距離是雷達的一個突出優(yōu)點, 測距的精度和分辨力與發(fā)射信號帶寬(或處理后的脈沖寬度)有關(guān)。脈沖越窄, 性能越好。,目標(biāo)距離的測量,2. 目標(biāo)角位置的測量 目標(biāo)角位置指方位角或仰角, 在雷達技術(shù)中測量這兩個角位置基本上都是利用天線的方向性來實現(xiàn)的。雷達天線將電磁能量匯集在窄波束內(nèi), 當(dāng)天線波束軸對準(zhǔn)目標(biāo)時, 回波信號最強, 如圖實線所示。當(dāng)目標(biāo)偏離天線波束軸時回波信

8、號減弱, 如圖上虛線所示。根據(jù)接收回波最強時的天線波束指向, 就可確定目標(biāo)的方向, 這就是角坐標(biāo)測量的基本原理。天線波束指向?qū)嶋H上也是輻射波前的方向。,目標(biāo)角坐標(biāo)測量,3.目標(biāo)高度的測量 目標(biāo)高度的測量是以測距和測仰角原理為基礎(chǔ)，在不考慮地球曲面時，目標(biāo)高度H同斜距R和俯仰角之間的關(guān)系是 H=Rsin ,4.目標(biāo)軌跡的測量 對運動目標(biāo)，通過多次測量目標(biāo)的距離、角度參數(shù)，可以描繪出目標(biāo)的飛行軌跡參數(shù)，雷達能夠預(yù)測下一個時刻目標(biāo)所在位置。根據(jù)彈道目標(biāo)，可以據(jù)此預(yù)測其彈著點、彈著時間和發(fā)射點。,1. 目標(biāo)徑向速度的測量 有些雷達除確定目標(biāo)的位置外, 還需測定運動目標(biāo)的相對速度, 例如測量飛機或?qū)楋w

9、行時的速度。當(dāng)目標(biāo)與雷達站之間存在相對速度時, 接收到回波信號的載頻相對于發(fā)射信號的載頻產(chǎn)生一個頻移, 這個頻移在物理學(xué)上稱為多普勒頻移, 它的數(shù)值為,式中, fd為多普勒頻移，單位為Hz; vr為雷達與目標(biāo)之間的徑向速度， 單位為m/s; 為載波波長，單位為m。,當(dāng)目標(biāo)向著雷達站運動時, vr0, 回波載頻提高; 反之vr 0, 回波載頻降低。雷達只要能夠測量出回波信號的多普勒頻移fd, 就可以確定目標(biāo)與雷達站之間的相對速度。 徑向速度也可以用距離的變化率來求得, 此時精度不高但不會產(chǎn)生模糊。無論是用距離變化率或用多普勒頻移來測量速度, 都需要時間。觀測時間愈長，則速度測量精度愈高。 多普勒

10、頻移除用作測速外, 更廣泛的是應(yīng)用于動目標(biāo)顯示(MTI)、脈沖多普勒(PD)等雷達中，以區(qū)分運動目標(biāo)回波和雜波。,2. 目標(biāo)尺寸和形狀 如果雷達測量具有足夠高的分辨力, 就可以提供目標(biāo)尺寸的測量。由于許多目標(biāo)的尺寸在數(shù)十米量級, 因而分辨能力應(yīng)為數(shù)米或更小。目前雷達的分辨力在距離維已能達到, 但在通常作用距離下切向距離(RQ)維的分辨力還遠(yuǎn)達不到, 增加天線的實際孔徑來解決此問題是不現(xiàn)實的。然而當(dāng)雷達和目標(biāo)的各個部分有相對運動時, 就可以利用多普勒頻率域的分辨力來獲得切向距離維的分辨力。例如，裝于飛機和宇宙飛船上的SAR(綜合孔徑)雷達, 與目標(biāo)的相對運動是由雷達的運動產(chǎn)生的。 高分辨力雷達可以獲得目標(biāo)在距離和切向距離方向的輪廓(雷達成像)。,3.目標(biāo)其他特性測量 雷達可以測量目標(biāo)回波起伏特性。目標(biāo)回波起伏特性的測量相對于判斷目標(biāo)屬性有重要意義，例如，在空間目標(biāo)監(jiān)視雷達中，利用目標(biāo)起伏特性可區(qū)分該目標(biāo)是否為穩(wěn)定目標(biāo)（自旋穩(wěn)定目標(biāo)或非自旋穩(wěn)定目標(biāo)）。 此外雷達還可以測量目標(biāo)的極化散射矩