雷达原理 第一章 绪论ppt课件.ppt

,第一章 绪 论,电话:15182388504 V网: 66286 西南科技大学国防科技学院,黄传波,1.课程简介2.雷达的任务3.雷达的基本组成4.雷达的工作频率5.雷达的应用和发展6.电子战与军用雷达的发展,提 纲,教学目的： 能够根据雷达的组成、原理以及技术要求，设计、检修、维护雷达设备；能够正确运用雷达对抗中的主要技术措施；了解电子对抗技术的未来发展。 课程性质：专业必修课基本要求：掌握雷达基本组成原理；掌握对雷达信号测频、测向及信号进行处理基本原理、方法；熟悉雷达干扰机构成及干扰能量计算，以及干扰的基本原理与方法。,1：课程简介,1、目的、性质及要求,理论部分（48学时）： 雷达原理：雷达主要分机及测量方法。 雷达对抗原理：雷达对抗的基本原理及主要技术。实验部分（16学时） 采用雷达/雷达对抗实验仪 ，进行雷达信号波形产生、频谱、模糊函数分析，相位法与振幅法测角方案设计，接收机灵敏度，目标距离跟踪，噪声调频干扰和速度拖引干扰等实验。,2、授课内容,1：课程简介,理论环节考核方式：考试实践环节考核方式：实验报告：8（次）*12.5（分）。平时成绩的考核方式：根据出勤，作业，课堂提问，听课情况,平时成绩总计100分。最后成绩：考试（70%）+ 实验（20%）+ 平时（10%）,1：课程简介,3、考核方式,2：雷达的任务,雷达: Radar Radio detection and ranging 无线电探测和测距。定义： 雷达是一种通过发射电磁波和接收回波，对目标进行探测和测定目标信息的设备。早期任务：测距、探测现代任务：获取距离、角度、速度、形状、表面信息特性等,2：雷达的任务,直线传播二次辐射（反射）,1、电磁波特性,实际空间充满了各种不同电磁特性的介质。电 磁波在不同介质中传播表现出不同的特性。人 们正是通过这些不同的特性获取介质或目标性 质性的理论依据。因此电波传播是无线通信、 遥感、目标定位和环境监测的基础。,2：雷达的任务,2：雷达的任务,卫星信号通过电离层和大气层，信号波形将发生改变。因此卫星通信须考虑电离层和大气的影响，采取的相应的修正方法。,使卫星通信能够实现，选择什么样的载波信号传输的信息，必须考虑电离层和大气对电磁波的作用，选择那种适合卫星通信的频率，使得卫星通信能够正常进行,2：雷达的任务,GPS定位系统在确定目标的精确位置时，必须考虑电磁波在电离层和大气中传播中波传播速度的修正。,雷达,2、发现目标方法及原理,2：雷达的任务,2：雷达的任务,3、雷达回波中的可用信息,回波中可提取的信息：距离和空间角度目标位置变化（时间变化规律）目标尺寸和形状（分辨率）目标形状的对称性（极化）表面粗糙度及介电特性,D=RcosH=Rsin= ,直角坐标系，球（极）坐标系，如图,直角坐标系：斜距R，方位角（正北、正南或其他参考方向），仰角圆柱坐标系：水平距离D，方位角，高度H,2：雷达的任务,2：雷达的任务,雷达基本工作原理,由雷达发射机产生的电磁能，经收发开关后传输给天线，再定向辐射于大气中，如果目标位于定向天线波束内，截取一部分电磁能，再将这些截取能量向各方向散射，部分能量进入到雷达接收机。接收机将散射回波信号经信号处理送终端显示。,测定目标距离,雷达,2：雷达的任务,目标斜距的测量 或 R：单程距离m， 往返时间s，C 光速 ，1s150m测距精度与发射信号（时宽）带宽（成处理后脉冲宽度）有关，脉冲越窄、性能越好,2：雷达的任务,雷达,测定目标角度,2：雷达的任务,角位置指方位成仰角，利用天线的方向性来实现。天线尺寸越大测角精度越低,一般用密位表示，2=6000 密位=360,回波波前方向（角位置）还可以利用测量两个分离接收天线收到信号的相位差来决定。,相对速度的测量,2：雷达的任务,式中, fd为多普勒频移，单位为Hz; vr为雷达与目标之间的径向速度， 单位为m/s; 为载波波长，单位为m。,2：雷达的任务,当目标向着雷达站运动时, vr0, 回波载频提高; 反之vr 0, 回波载频降低。雷达只要能够测量出回波信号的多普勒频移fd, 就可以确定目标与雷达站之间的相对速度。 径向速度也可以用距离的变化率来求得, 此时精度不高但不会产生模糊。无论是用距离变化率或用多普勒频移来测量速度, 都需要时间。观测时间愈长，则速度测量精度愈高。 多普勒频移除用作测速外, 更广泛的是应用于动目标显示(MTI)、脉冲多普勒(PD)等雷达中，以区分运动目标回波和杂波。,目标尺寸和形状,2：雷达的任务,前提：足够高的分辨力（SAR 和ISAR）,比较目标对不同极化波（如正交极化）的散射场，可以对目标形状的不对称性进行测量，用于目标识别。,例题： 某一目标正对雷达飞行，雷达的工作频率为30MHz，若观察到回波信号的频率为30.0001MHz。试求：1、该目标是相向飞行还是背离飞行？2、雷达测得的多普勒频率是多少？3、目标的径向速度是多少？,2：雷达的任务,4、雷达探测能力基本雷达方程,2：雷达的任务,设雷达发射功率为Pt,距雷达R远处任一点的功率密度等于功率被假想的球面积4R2所除, 即,对于定向天线，将发射机功率集中辐射于某些方向上。考虑天线增益G用来表示相对于各向同性天线, 在辐射方向上功率增加的倍数。 则距雷达R处目标所照射到的功率密度为,2：雷达的任务,目标截获了一部分照射功率并将它们重新辐射于不同的方向。用来表示目标散射截面积，则在雷达处的回波信号功率密度为,的大小随具体目标而异, 它可以表示目标被雷达“看见”的尺寸。雷达接收天线只收集了回波功率的一部分, 设天线的有效接收面积为Ae, 则雷达收到的回波功率Pr为,2：雷达的任务,当接收到的回波功率Pr等于最小可检测信号Smin时, 雷达达到其最大作用距离Rmax, 超过这个距离后, 就不能有效地检测到目标。,最大测量距离,（一）主要战术参数 1. 雷达的威力范围最大作用距离最小作用距离最大仰角最小仰角方位角范围,5、雷达的战术和技术参数,2：雷达的任务,战术参数：与战术使用有关的参数。技术参数：为保证战术参数分配到雷达各组成部分的技术指标。,2. 分辨力 雷达区分点目标在位置上靠近的能力距离分辨力是指同一方向上两个目标之间最小可区别的距离角度分辨力是指在相同距离上的两个不同方向的点目标之间最 小能区别的角度,2：雷达的任务,3. 数据率 雷达对整个威力范围内完成一次搜索所需时间的倒数，也就是单位时间内雷达所能提供对一个目标数据的次数。单位：一般用秒（分） 4. 跟踪速度 自动跟踪雷达连续跟踪运动目标的最大可能速度,2：雷达的任务,5. 抗干扰能力 干扰最后作用于雷达显示设备或其它终端设备，严重时可能使雷达失去工作能力。近代雷达必须具有一定程度的抗干扰能力。6. 雷达测定目标坐标的数目和精确度7. 体积和重量,2：雷达的任务,8. 工作的可靠性平均故障时间平均修复时间9. 使用条件运输条件架设和撤收时间连续工作时间机动性等等,2：雷达的任务,1. 波长 S 波段 10cm波长 20004000MHz 7.515cm 3050MHz X 波段 3cm波长 800012500MHz 2.43.75cm 9375MHz 。,2. 脉冲宽度 每次发射脉冲的射频振荡持续时间.0.050.2us,（二）雷达相关技术参数,天气好: X band; 天气坏(雨/雪) : S band,2：雷达的任务,3. 脉冲重复频率f/脉冲重复周期T f（P.R.F Pulse Repeat Frequency） 每相邻两次发射脉冲的时间间隔 。（4004000Hz）,4. 发射峰值功率Pt: 在脉宽持续时间内的功率,5. 发射平均功率Pm: 在脉冲重复周期内的功率,6. 接收机灵敏度Prmin:表示接收机接收微弱信号的能力,P rmin = kTfN f接收机通频带 N接收机噪声 K波尔兹曼常数 T接收机端绝对温度,2：雷达的任务,7.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。,长脉冲 窄范围的频谱f 噪声灵敏度 失真f 噪声 灵敏度 失真兼顾: 远量程 f 灵敏度近量程 f 灵敏度航海雷达 125 MHz,2：雷达的任务,8.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。 表示定向天线的功率集束能力。,9.水平波束宽度 H 在水平面内的波束半功率点的宽度。,L q H 方位分辩率 一般为1,2：雷达的任务,10.垂直波束宽度 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，一般15 30 。,2：雷达的任务,3：雷达的基本组成,脉冲雷达基本组成,3：雷达的基本组成,天线：辐射能量和接收回波（单基地脉冲雷达）（天线形状，波束形状，扫描方式）收发开关：收发隔离发射机：直接振荡式（如磁控管振荡器） 功率放大式（如主振放大式）（稳定，产生复杂波形，可相参处理）接收机：超外差，高频放大，混频，中频放大，检波，视频放大等。（接收机部分也进行一些信号处理，如匹配滤波等）接收机中的检波器通常是包络检波，对于多普勒处理则采用相位检波器,3：雷达的基本组成,信号处理：消除不需要的信号及干扰而通过或加强由目标产生的回波信号，通常在检测判决之前完成（MTI，多普勒滤波器组，脉冲压缩），许多现代雷达也在检测判决之后完成。显示器（终端）：原始视频，或经过处理的信息同步设备（视频综合器）：是雷达机的频率和时间标准（只有功率放大式（主振放大式）才有）,4：雷达的工作频率,按照雷达的工作原理, 不论发射波的频率如何, 只要是通过辐射电磁能量和利用从目标反射回来的回波, 以便对目标探测和定位, 都属于雷达系统工作的范畴。 常用的雷达工作频率范围为22035 000MHz (220MHz 35GHz), 实际上各类雷达工作的频率在两头都超出了上述范围。 例如：天波超视距(OTH)雷达的工作频率为4MHz或5MHz, 而地波超视距的工作频率则低到2MHz。 在频谱的另一端, 毫米波雷达可以工作到94 GHz, 激光(Laser)雷达工作于更高的频率。工作频率不同的雷达在工程实现时差别很大。,4：雷达的工作频率,雷达频段和对应的频率,5：雷达的应用和发展,1、雷达的应用,按应用平台：太空，空中，地面，海上（空基，地基，海基）作用：探测，定位，跟踪军用：预警雷达（超远程雷达），洲际导弹，洲际轰炸机；搜索和警戒雷达，飞机；引导指挥雷达（监视雷达）（预警飞机），引导歼击机；火控雷达，火炮；制导雷达，导弹；战场监视雷达，坦克，车辆，人员；机载雷达（截击，护尾，导航（可民用），火控）；无线电测高仪；雷达引信。,5：雷达的应用和发展,民用：气象雷达，航行管制（空中交通雷达），宇宙航行中用雷达，遥感，另有飞机导航，航道探测，公路测速按雷达信号形式分：脉冲，连续波，脉冲压缩（LPM/相位编码）脉冲多普勒，噪声雷达，频率捷变雷达等按角度跟踪分：单脉冲，圆锥扫描雷达，隐蔽锥扫雷达等按测量目标的参量分：测高，两坐标，三坐标，测速，目标认别等按信号处理方式分：分集雷达（频率分集，极化分集等等），相参，非相参积累雷达，动目标显示雷达，合成孔径雷达等按天线扫描方法分：机械扫描，相控阵，频扫等,5：雷达的应用和发展,2、雷达的发展,. VHLSI（Very High Large Scale Integration）和VLSI 数字技术和计算机的发展和应用a) MTD，PD 信号处理机更为精致，灵活b) 自动检测和跟踪得到完善，提高了工作的自动化程度. SAR，ISAR. 脉压（满足距离分辨力和电子对抗和需要）. 固态功率源. 平面阵列天线代替抛物面a) 在三坐标雷达中实现一维相扫b) 获得超低副瓣，用于机载雷达或抗干扰c) 组成自适应旁瓣相消系统抗干扰d) 相控阵雷达,5：雷达的应用和发展,. 目标的分类与识别敌我识别器（IFF），信标/二次雷达弹道参数，RDS，电离尾迹，宽带雷达获得距离剖面，高分辨，SAR、ISAR 二维像，用VHF 波段的宽频观测，获得目标响应的因有谐振点，RCS 或目标部分散射单元的极化比,6：电子战与军用雷达的发展,电子战：EW，Electronic Warfare，敌我双方利用无线电电子装备或器材所进行的电磁信息斗争（ECM，ECCM）。电子对抗：ECM，Electronic Countermeasure，为了探测敌方无线电子装备的电磁信息，削弱或破坏其使用效能所采取的一切战术，技术措施。电子反对抗：ECCM，Electronic Counter-ountermeasure，在敌方实施电子对抗条件下保证我方有效地使用电磁信息所采用的一切战术，技术措施。,1、电子战的科学定义,6：电子战与军用雷达的发展,电子战的科学定义示意图,6：电子战与军用雷达的发展,2、雷达反干扰,（1） 与天线有关的电子抗干扰低旁瓣，旁瓣消隐（SLB），旁瓣对消（SLC），波束宽度控制和天线覆盖范围和扫描控制，自适应阵列，（数字波束形成DBF）. 旁瓣消隐（SLB）a) 只对低占空比的脉冲干扰或扫频干扰有效b) 增加一个辅助全向天线，比主天线最大旁瓣增益要高34dB,6：电子战与军用雷达的发展,. 旁瓣相消（SLC）a) 只需要一个或多个辅助天线，使其与主通道的输出合成后在干扰机方向产生合成天线方向图响应的零点。b) 至少需要N 个辅助天线形成N 个零点对付N 个干扰. 自适应阵列是旁瓣相消概念的推广和更通用的形式,6：电子战与军用雷达的发展,（2） 与发射机有关的电子抗干扰不同类型的ECCM 的实现，就是适当地利用和控制发射信号的功率，频率和波形。a) 增加有效辐射功率b) 发射频率（频率提高，频率分集）c) 发射波形编码（脉冲重复频率跳变，参差及编码和脉间编码）（3） 与接收机，信号处理机有关的电子抗干扰a) 接收机抗饱和（宽限窄）抗扫频干扰b) 信号鉴别：脉宽，重频，识别c) 信号处理技术： MTI，MTD，CFAR,6：电子战与军用雷达的发展,3、隐身和反隐身的斗争,隐身的方法：外形设计，涂覆电波吸收材料，新的结构材料特点：非全方位，只在正前方向（鼻锥方向）水平45垂直30后向散射截面，吸波材料218GHz 有效反隐身的方法：针对隐身的特点和不足. 发挥单基地雷达的潜力：发射功率，天线孔径乘积，频率、极化分集，优化信号设计，改善信号处理等措施. 组网：各种频率的雷达联网. 超视距后向散射（OTH-B）雷达：波长1060m，隐身无效,6：电子战与军用雷达的发展,. 双/变基地雷达，利用前向散射. 冲击雷达和极宽频带雷达. 积极探索反隐身技术的新构思，新原理，新体制. 补充，无源接收雷达 40400MHz美：隐蔽哨兵；法：黑暗（埃菲尔电视塔180KM）；德：无源雷达捷克旨佩森，科帕奇拉莫那塔码拉俄：“卡尔秋塔”中国，6000 万美元，购买捷克“维拉”。（塔码拉的移动型）1000 亿美元，隐形飞机美国准备未来15 年投入1000 亿美元研制新隐身技术,6：电子战与军用雷达的发展,4、反侦察和反摧毁,反侦察：降低截获概率大时宽积，复杂波形，低副瓣，自适应的波形参数和扫描参数变化反摧毁：闪烁欺骗干扰，研制反辐射弹告警设备，摧毁反辐射弹,作业：,1-1. 已知脉冲雷达中心频率f03000MHz，回波信号相对发射信号的延迟时间为1000s，回波信号的频率为3000.01 MHz，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。1-2. 已知某雷达对=5m2 的大型歼击机最大探测距离为100Km，a） 如果该机采用隐身技术，使减小到0.1m2，此时的最大探测距离为多少？b） 在a）条件下，如果雷达仍然要保持100Km 最大探测距离，并将发射功率提高到10 倍，则接收机灵敏度还将提高到多少？,谢谢大家！,