《雷达原理与系统》PPT课件.ppt

雷达原理与系统,西安电子科技大学电子对抗研究所2014年2月,主要内容,1、绪论2、雷达发射机3、雷达接收机4、雷达终端显示器与录取设备5、雷达作用距离6、目标距离的测量7、目标角度的测量8、目标速度的测量,主要内容,9、连续波雷达10、脉冲多普勒雷达11、相控阵雷达12、数字阵列雷达13、脉冲压缩雷达14、双基地雷达15、合成孔径雷达,1、绪论,1.1 雷达的任务1.2 雷达的基本组成1.3 雷达的工作频率1.4 雷达的应用和发展1.5 电子战和军用雷达的发展,1.1 雷达的任务,正北为方位0，仰角以水平面为0正北同上，以海面/地平面高度为0,1.1 雷达的任务,1.1 雷达的任务,1.1 雷达的任务,1.1 雷达的任务,1.1 雷达的任务,1.2 雷达的基本组成,1.3 雷达的工作频率,雷达的工作频率：3MHz 300GHz(100m 1mm)主要工作频段：300MHz 18GHz(1m 2cm)3 30MHz战略预警超视距雷达30 300MHz 米波远程预警雷达300MHz分米波/厘米波警戒/引导/制导 30GHz火控/末制导雷达30 300GHz毫米波火控/末制导雷达,1.4 雷达的应用和发展,1.4.1 雷达的应用军用雷达：按照作用距离：远程预警雷达 R600km中/近程搜索和警戒雷达 150kmR600km近程引导指示雷达 R150km按照功能/用途：警戒引导雷达 大范围发现目标/粗定位，不引导导弹/火力射击 制导火控雷达 小范围发现/跟踪目标，引导导弹/火力射击 精密跟踪雷达 对单个目标进行精确跟踪和火力打击 多功能雷达：同时具备上述多种功能和用途的雷达，如：SPY-1 特种雷达：具有特定功能的雷达：如：雷达高度表/雷达引信按照装载平台：星载雷达，弹载雷达，机载雷达，舰载雷达，车载雷达，背负雷达按照技术体制：收发关系和位置 单基地/双多基地，非协同探测（PCL），MIMO天线技术 单波束/多波束，机械/电/混合扫描，发射/接收机技术 相参/非相参收发，捷变频，频率分集，信号处理技术 MTI，MTD，PC，PD，SAR，ISAR，民用雷达：气象雷达，航管雷达，宇航雷达，遥感雷达，,1.5 电子战和军用雷达的发展,1.5.1 电子战（EW）定义：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，电子战包括电子对抗和电子反对抗电子对抗（ECM）：为了探测敌方无线电电子装备的电磁信息（电子侦察），削弱或破坏其使用效能所采取的一切战术、技术措施（电子干扰、伪装、隐身和摧毁）电子反对抗（ECCM）：在敌方实施电子对抗的条件下，保证我方有效使用电磁信息所采取的一切战术、技术措施（反侦察、抗干扰、反伪装、反隐身、反摧毁）1.5.2 雷达反干扰天线抗干扰：低旁瓣，旁瓣对消，旁瓣消隐，波束烧穿，随机扫描，波束分集等发射机抗干扰：提高辐射功率，频率捷变，频率编码，频率分集，脉冲压缩，波形隐蔽，窄脉冲，重频时变，诱饵发射等接收机、信号处理抗干扰：接收机抗饱和，重频、脉宽鉴别，MTI，MTD，积累检测，恒虚警，宽限窄，前沿跟踪等隐身与反隐身隐身：通过形体设计和材料选择降低目标的RCS（）反隐身：增加照射功率，组网雷达，短波/米波雷达，双/多基地雷达，PCL等检测隐身目标反侦察和反摧毁低截获的发射波形：噪声雷达，冲击雷达，大时宽/带宽积信号，信号隐匿，诱饵辐射等,2、雷达发射机,2.1 任务和基本组成 2.2 主要质量指标2.3 单级振荡和主振放大式发射机2.4 固态发射机2.5 脉冲调制器,2.1 任务和基本组成,Tr,2.1.1 任务,产生大功率、指定调制特性（振幅/相位）的电磁波,单级振荡式 大功率振荡和调制一次完成（直接形成大功率振荡和调制）,脉冲调制器,射频振荡器,2.1.2 基本组成,主振放大式 先产生小功率振荡和调制，再经放大达到大功率,射频振荡器,激励放大器,末级放大器,基准振荡器,脉冲调制器,脉冲调制器,分频器,2.2 主要质量指标,1.工作频率或波段2.输出功率 脉冲(峰值)功率，平均功率例如：则3.总效率，为供给发射机的各种交直流功率之和上例中，若发射机供电220V/15A,28V/20A,则4.信号形式振幅调制：脉冲、连续波载频调制：单载频，频率捷变，线性调频，频率分集，频率编码等相位调制：随机相位，稳定相位，相位编码,2.2 主要质量指标,5.信号稳定度或频谱纯度周期性不稳：杂散抑制随机性不稳：相位噪声,例如：在频谱仪上测得主信号与最大杂散信号功率分别为20dBm和50dBm，则杂散抑制为70dB,例如：在频谱仪上测得主信号功率为20dBm，测量带宽为100Hz，在偏离1KHz处噪声功率为50dBm，则相噪为90dBc,2.3 单级振荡和主振放大式发射机,2.3.1 单级振荡式发射机射频振荡器：磁控管振荡器，微波三极管振荡器，固态振荡器等脉冲调制器：刚性开关 由外加脉冲控制开关导通/截至的调制器 软性开关 由外加触发脉冲控制开关导通，开关自行截至的调制器特点：效率较高，只适用于调幅，频率稳定度差，相位噪声很大，系统组成简单，价格低廉，广泛用于非相干信号处理雷达，目前已经很少使用,2.3 单级振荡和主振放大式发射机,2.3.2 主振放大式发射机基准振荡器：恒温或温补晶振，一般相位噪声为 130dBc1KHz射频振荡器：晶振倍频 利用非线性电路与选频网络，变频快/相噪差/杂散小 锁相倍频 利用锁相环，变频慢/相噪好/杂散大放大链：激励放大常用固态放大器，末级放大常用行波管，速调管放大器等特点：效率较低，适用于调幅、调频、调相及其组合的复杂调制，频率稳定度高，相位噪声低，系统组成复杂，成本较高，广泛用于相干信号处理雷达,收集极,输入,输出,2.4 固态发射机,2.4.1 特点频率高（已达100GHz），工作电压低供电方便（12V），寿命长，体积/重量小，可靠性高，成本低，单管/片功率小（30W，且随频率降低）2.4.2 发展趋势通过电路合成提高组件/模块的功率（1000W，随频率降低）；通过组件模块的空间功率合成（相控阵），提高系统的发射功率,2.5 脉冲调制器,作用 为电真空类的微波管提供高压、大功率的视频调制脉冲组成：充电元件 储能元件高压电源 调制开关 耦合元件 微波管高压电源：提供充足、稳定的直流能量，满足工作要求（高压、大电流）充电元件：将直流能量及时传递给储能元件，一般由R，L，二极管D 等担任储能元件：在开关截止时保存充电能量，在开关导通时释放保存的能量（C等）调制开关：刚性 在输入脉冲的控制作用下，脉冲期间导通，脉冲过后截止 软性 在输入脉冲的触发作用下导通，储能元件能量释放尽后截止耦合元件：将高压、大电流脉冲耦合作用到微波管上 分类：刚性开关 由控制信号直接控制开关的导通与截止软性开关 由控制信号触发开管导通，有电路状态决定开关截止,2.5.1 刚性开关脉冲调制器,阴极脉冲调制器充电：E/R1/C/L，C上电压放电：C/V1/V2，C上电压设计要素：对于给定的、，一般选择：脉冲重复周期内充满，放电允许顶降小于允许值。,2.5.1 刚性开关脉冲调制器,阴极脉冲调制器设计举例要求Tr=200s，=1s，E=104V，=0.95，RH=1K,2.5.1 刚性开关脉冲调制器,调制阳极脉冲调制器 前沿充电：E/V1/C0，恒流充电Ic 前沿时间 后沿放电：C0/偏压/V2，恒流放电Id 后沿时间,E,Ic,C0,-Eg,-,偏压,V3,V2,+,偏压与激励电路,偏压与激励电路,V1,前沿触发,后沿触发,C0波形,-Eg,E,2.5.1 刚性开关脉冲调制器,调制阳极脉冲调制器设计举例要求 E=4000V，C0=200PF，Eg=200V，Ic=20A，Id=10A，求前后沿时间,2.5.2 软性开关脉冲调制器,典型电路 谐振充电：E/Lch/PFN/B，充电时间 匹配放电：PFN/V1/B，放电时间PFN节数n，每节电感L，电容C,E,PFN,VD1,Lch,R2,C2,V2,R1,V1,脉冲触发,PFN上端,脉冲变压器次级波形,2E,2E,VD2,2.5.2 软性开关脉冲调制器,软性开关脉冲调制器设计举例 要求：Tr=1ms，=2s，B=1:1，RH=1K，n=5根据脉宽和特性阻抗建立方程组，求解L，C根据Tr求解Lch,3 雷达接收机,3.1 接收机组成与主要质量指标3.2 噪声系数和灵敏度3.3 接收机的高频部分3.4 本振和自动频率控制3.5 动态范围和增益控制3.6 滤波和接收机带宽,3.1 接收机组成与主要质量指标,接收机的作用：放大需要的目标回波信号，抑制各种干扰信号3.1.1 接收机组成 保护器：在发射或收到强信号时，保护接收机（使用收发开关和限幅器）LNA：低噪放，抑制噪声，放大微弱的目标回波信号（如：F=2，G=25dB）MIX：混频，将回波信号频率迁移到合适、固定的中频（fi=30MHz，60MHz等）中放：放大中频带内目标回波信号（G=100120dB），抑制带外噪声LO：本振，提供稳定振荡fL，与发射频率f0保持稳定的中频频差：fi=fLf0增益控制：保持输出信号功率处于预定的范围，线性：近程增益控制（STC），瞬时自动增益控制（IAGC），AGC；非线性：对数放大器，限幅放大器等检波器：解调回波调制信号，包络检波器（振幅）；相位检波器（频率和相位）视放：放大信号电平使之适合于信号处理，线性放大，限幅放大，对数放大,3.1 接收机组成与主要质量指标,3.1.2 主要质量指标灵敏度，典型值 满足检测要求的最小输入信号功率测试方法,3.1 接收机组成与主要质量指标,3.1.2 主要质量指标工作带宽：分别为雷达最低、最高工作频率动态范围：为满足检测要求的最大输入信号功率选择性和滤波特性（接收带宽B）匹配滤波特性工作稳定性和频率稳定度抗干扰能力（抗有源干扰、无源干扰和杂波干扰等）,3.2 噪声系数和灵敏度,3.2.1 接收机噪声内噪声：有接收机内部电路和器件产生的噪声，如晶体管噪声，电阻噪声等外噪声：由电磁环境和其它物体辐射产生的噪声，如宇宙噪声，工业噪声等，等效输入功率为，分别为波尔兹曼常数，天线噪声温度，等效噪声带宽 为频率、仰角、位置等函数，典型地面雷达参见p54图3.6。等效噪声带宽：,效噪声带宽Bn与常用接收机带宽B的比较,3.2 噪声系数和灵敏度,3.2.2 噪声系数和噪声温度定义：线性系统输入端信噪比与输出端信噪比的比值,对于无源网络 测试方法,3.2 噪声系数和灵敏度,3.2.2 噪声系数与噪声温度例如：已知线性接收机输入端接匹配负载时测得输出功率为，接入 输入信号时测得输出功率为，接收机带宽为2MHz，求该接收机噪声系数解：,3.2 噪声系数和灵敏度,3.2.2 噪声系数与噪声温度等效噪声温度，将 等效为噪声温度增量 系统噪声（内外噪声）温度级联电路的噪声系数证明：,3.2 噪声系数和灵敏度,3.2.2 噪声系数与噪声温度例如：某线性接收机及组成部件参数如图，求其噪声系数解：接收机前端部件对系统噪声的影响巨大，LNA贡献重大,馈线/收发开关/限幅保护器,LNA,MIX,中放,G=0.2,F=2G=25dB,F=2.5G=0.3,F=4G=100dB,3.2 噪声系数和灵敏度,3.2.3 灵敏度定义：当接收机能够以正常的发现概率和虚警概率检测目标时（线性系统输出信噪比），在接收机输入端的最小输入信号功率数值关系：临界灵敏度：,3.2 噪声系数和灵敏度,灵敏度计算举例假设接收机各部分组成如下图，试求其临界灵敏度,馈线/开关/保护器,LNA,MIX/BPF,中放,G=0.2/0.5,G=25dBF=3,BPF,G=0.5B=200MHz,G=0.1B=5MHz,G=90dB/F=5B=5MHz,1.计算接收机 噪声系数1,3.计算接收机 临界灵敏度,2.计算接收机 噪声系数2,3.3 接收机的高频部分,组成 收发开关和保护器TR管（有源/无源）常态时开路或透射，气体放电时短路，惰性较大（30300ns）固态限幅器 采用PIN管或变容管，在外加功率下呈现不同反射阻抗，级联限幅，反应快（2ns）LNA 低噪声参放 分为常参与冷参，F1.2低噪声场放 噪声系数F=25dB，价格低廉，普遍使用MIX平衡混频器（可有效抑制本振噪声）镜像抑制混频器（还可有效抑制镜频，2040dB）前置中放当高频部分与接收机后端相距较远时，增加前置中放（增益2040dB）以降低噪声,3.4 本振和自动频率控制,3.4.1 磁控管发射机的自动频率控制（AFC）,3.4 本振和自动频率控制,3.4.2 稳定本振,3.5 动态范围和增益控制,3.5.1 动态范围 定义：，为接收机工作时的最大（饱和）可输入信号功率。工作动态范围：不限制时间和接收机状态调整 瞬时动态范围：同一时刻和同一状态下的 动态范围的需求因素：目标距离远近，RCS大小和起伏，信号处理的合适范围3.5.2 增益控制 主要指标：控制范围，响应时间，控制特性曲线自动增益控制（AGC）特点：控制范围大（80100dB），响应时间长（接近秒级），普遍用于雷达的自动跟踪系统,3.5 动态范围和增益控制,瞬时自动增益控制（IAGC）特点：控制范围较小（2040dB），响应时间短（520），用于抑制长时间强干扰，使接收机在强干扰结束后迅速恢复近程增益控制（STC）根据回波信号的迟延时间（距离），控制接收机增益,例如：R0=10km，G0=30dB，k=30dB 当R=20km时的增益为39dB,3.5 动态范围和增益控制,人工增益控制（MGC）特点：控制范围较大（4080dB），通常人工进行AGC/MGC选择，少数只控视放，用于在复杂背景（干扰/多目标等）下辅助人工检测和参数测量对数中放限幅中放,例如：Si1=10-10W，k=106，kL=1mW Si=10-8W时，输出功率为310-3W Si=10-3W时，输出功率为810-3W,中放,检波器,视放,MGC电压,中频信号输入,选择开关,合成,MGC,AGC,中频信号输出,STC IAGC,非线性中放会形成交调，产生大量的其它频谱分量，必须通过中频滤波器抑制,3.6 滤波和接收机带宽,3.6.1 匹配滤波和准匹配滤波匹配滤波 满足最大信噪比准则的滤波器为匹配滤波器 白噪声背景中的匹配滤波器特性为：匹配滤波器的输出信噪比：准匹配滤波 选择物理可实现的实际滤波器和参数逼近匹配滤波器，称为准匹配滤 波，两者输出信噪比的比值定义失配损失：,3.6 滤波和接收机带宽,3.6.1 匹配滤波和准匹配滤波 各种常用准匹配滤波器的带宽时宽积由求得Bopt。,3.6 滤波和接收机带宽,3.6.2 接收机带宽选择警戒雷达尽可能提高检测信噪比，故按照Bopt设计带宽中频带宽：,为AFC跟踪残差 视频带宽：跟踪雷达已有较高的检测信噪比，需要提高时间测量精度，故按照包络前沿时间设计中放和视放带宽,3.6 滤波和接收机带宽,3.6.2 接收机带宽选择举例警戒雷达发射矩形脉冲宽度0.5s，无AFC跟踪残差接收机中放为5级参差调谐，解得中频带宽和视频带宽为跟踪雷达 发射矩形脉冲宽度0.5s，无AFC跟踪残差接收机中放为5级参差调谐，解得中频带宽和视频带宽为,4、雷达终端显示器与录取设备,4.1 雷达终端显示器 4.2 距离显示器4.3 平面位置显示器4.4 计算机图形显示4.5 雷达数据的录取,4.1 雷达终端显示器,4.1.1 显示器的主要类型与指标1.显示信号类型模拟显示/一次显示 直接显示接收机输出的模拟信号数字显示/二次显示 显示经过数字信号处理后的数字信号2.显示屏类型CRT 阴极射线管LEDLCD3.显示色彩单色，多色，彩色4.显示目标信息距离-幅度（距离显示）距离-方位-幅度（平面位置显示）距离-仰角/高度-幅度距离-方位-仰角-幅度（空间位置显示，如飞行员头盔显示）综合本课程主要讨论：模拟/CRT/单色显示器,4.1 雷达终端显示器,4.1.1 显示器的主要类型与指标5.模拟/CRT/单色显示器的主要指标扫描方式 不加信号时电子束在显示屏上的轨迹形状直线扫描，圆周扫描，径向圆周扫描，光栅扫描目标回波信号对电子束的作用偏转调制，亮度调制显示亮度的保持时间短余辉（s级），中余辉（ms级），长余辉（s级）最小扫略线/亮点宽度d（mm）最大显示尺寸圆形r（cm），矩形L（cm）W（cm）最大分辨数圆形4r2/d2，矩形LW/d2,4.1 雷达终端显示器,4.1.1 显示器的主要类型,4.1 雷达终端显示器,4.1.1 显示器的主要类型 形成R显的参数：量程RRmax(Km)，扫略长度LRmax(cm)，标尺系数CR=RRmax/LRmax扫略时间TR(ms)=RRmax/150km，偏转电压VRmax=LRmax/S,目标回波,距离刻度,发射主波,目标回波,A显,4.1 雷达终端显示器,4.1.1 显示器的主要类型,4.1 雷达终端显示器,4.1.1 显示器的主要类型,-30-20-10 0 10 20 30,6050403020100,方位,距离,目标,4.1 雷达终端显示器,4.1.1 显示器的主要类型,E显,仰角,6050403020100,距离,0 20 40 60 80 100 120,目标,RHI,高度,水平距离,目标,1086420,0 20 40 60 80 100 120,4.1 雷达终端显示器,4.1.1 显示器的主要类型,F001/140/50,距离,方位,0,60,0,-30,30,左舵,右舵,0,0,E001/-14/36,4.1 雷达终端显示器,4.1.2 对显示器的主要要求根据任务要求选择显示器种类和数量与雷达的任务、功能、目标环境密切相关对比度与工作背景亮度密切相关图像重显频率模拟显示与脉冲重复周期、天线扫描周期密切相关数字显示与视觉滞留有关，50Hz显示失真和误差,4.2 距离显示器,4.2.1 A显 A显画面1.1 目标回波 上偏转1.2 距离刻度 下偏转1.3 水平扫略 从左至右 1.4 亮度控制 显示与量程对应的时间1.5 加亮控制 对特定时间显示加亮A显波形与各级电压,4.2 距离显示器,4.2.1 A显 A显组成方波产生器 锯齿电压形成电路 差分放大器 振铃电路 限幅放大 正向微分移动距标形成 辉亮放大主要参数设计示波管偏转灵敏度：S(cm/V)，锯齿电压幅度：Vmax=Lmax/S正程时间：T(s)，量程：Rmax=0.15 T(Km)单位刻度：R(Km)，刻度波周期：T=R/0.15(s),4.2 距离显示器,举例：某雷达A显量程为300km，示波管偏转灵敏度为0.1cm/V，扫略线长度为20cm，距离刻度为15km，目标距离25km，试求：正程扫略时间，2.扫略电压幅度，3.刻度波周期，4.标尺系数，5.目标所在的扫略长度解：1.正程扫略时间 Tmax=300km/150km=2ms2.扫略电压幅度 V=20cm/(0.1cm/V)=200V3.刻度波周期TC=15km/150km=100s4.标尺系数C=300km/20cm=15km/cm5.目标所在的扫略长度L(25km)=25km/15km=5/3cm,4.2 距离显示器,4.2.2 A/R显A/R显画面 对A显局部距离范围 进行放大显示R显可有单独的距离刻度A/R显组成单束A/R显 只有一个电子束，A/R各有扫描电路，按照次序A-R-A分时进行，R在A上空缺双束A/R显 同时有两个电子束和扫描电路，分别用作A显和R显，R在A上加亮,A显,A显,单束A/R显,双束A/R显,4.3 平面位置显示器,4.3.1 画面特点正上方对准正北方向，顺时针圆周角为方位圆心为雷达站位置，径向长度正比于距离目标回波为加亮弧段回波信号幅度对应亮度方位刻度为等分直径线距离刻度为同心圆周线径向扫略与雷达脉冲重频同步圆周扫略与雷达天线方位圆周扫描同步,主要参数：量程Rmax(Km)，径向扫略长度Lmax(cm)，标尺系数C=Rmax/Lmax 径向扫略时间T(ms)=Rmax/150km，径向偏转灵敏度S(cm/A)，径向偏转电流Imax=Lmax/S,4.3 平面位置显示器,4.3.2 动圈式平面位置显示器由天线同步发电机带动示波管同步电动机/偏转线圈旋转，形成圆周扫描，由偏转线圈中锯齿波电流驱动电子束径向偏转组成与波形系统设计距离扫略 偏转灵敏度S(cm/A)，锯齿电流幅度Imax=Lmax/S方位扫略 由同步收发电机完成距离刻度 同A显方位刻度 由天线刻度盘和光电检测器完成,4.3 平面位置显示器,4.3.3 定圈式平面位置显示器采用X/Y固定的偏转线圈，经过扫描电流的分解实现距离/方位扫描距离/方位扫描的力矩电流：扫略电流的分解-旋转变压器定圈式平面位置显示器的组成方波产生 锯齿电流形成 功率放大 电流放大钳位 水平偏转线圈振铃电路 辉亮放大 阳极 电流放大钳位 垂直偏转线圈刻度形成 混合电路 阴极视频放大 方位刻度 天线转盘,天线转轴,4.4 计算机图形显示,4.4.1 计算机图形显示系统与分类系统的组成计算机 信号控制/处理/存储电路 显示读出装置 操作员/接口 信号控制/处理/存储电路（显示卡）以显示系统约定的格式保存需要显示的全部图形数据；显示读出装置 以约定的格式从存储电路中读出显示数据，并将其表现在显示屏幕上；操作员、计算机通信装置 通过人机界面，完成对显示数据的实施修改和控制分类 根据CRT内电子束的偏转方式分类 随机扫描显示器 电子束根据显示的内容控制其在X、Y平面内的偏转（扫描）和亮度（Z），书写速度快，扫描复杂，较少使用 光栅扫描显示器 电子束按照规定的轨迹在X、Y平面内进行偏转（如由上至下、由左至右），根据显示内容控制电子束在偏转过程中的轨迹亮度，书写速度慢，扫描简单，普遍使用,4.4 计算机图形显示,4.4.2 字符产生器主要技术指标字符种类，字符尺寸（mn），书写速率（字符/s），显示效率（字符辉亮时间与书写时间的比值）随机扫描字符产生器书写步骤：1 给出需要书写的字符码C和C在显示器上的初始位置x0，y0，置入x,y计数器，字符译码逻辑查找其在字符库中的存储位置2 给出书写起始信号，同步控制逻辑发出存储器读出时钟，存储器依次给出x,y单位变化和辉亮3 顺序点阵法 经过确定的时钟，书写自行停止（每个字符具有相同的点阵数）；程控点阵法 存储器读出结束，输出书写停止（每个字符的点阵数不同）。,4.4 计算机图形显示,4.4.2 字符产生器1.顺序点阵法规定：起点、终点、x,y顺序、点阵数mn，只需要进行字符辉亮分解 zi,mn特点：xy规则变化（与字符无关），每个字符具有相同mn举例：字符A，75点阵，起点、终点、顺序如图，分解得到的辉亮点阵顺序如下表,4.4 计算机图形显示,4.4.2 字符产生器2.程控点阵法(xy阶跃变化，每个字符点阵数不同)规定：起点/方向，按字符轨迹分解xi+,xi-,yi+,yi-,zii 特点：书写效率高，每个字符的分解点阵数不同举例：起点左下角，x,y正方向如图中箭头，书写顺序如红线所连，结果见下表3.单位线段法(xy连续变化，其余同程控点阵法)光栅扫描字符产生器全屏幕的顺序点阵法字符产生器,4.4 计算机图形显示,4.4.3 矢量产生器矢量与图形 具有一定方向和长度的直线称为矢量，图形可表现为一组首尾相接的矢量的集合矢量产生器作图原理单条矢量的完成时间：1/f在该时间里发生的计数脉冲数：|x|,4.4 计算机图形显示,4.4.3 矢量产生器速率乘法矢量产生器 负边沿计数分频，正边沿微分输出,ck,F1,F2,F3,F4,由各增量位选择相应的分频器正边沿微分输出，经或门用作计数脉冲,4.4 计算机图形显示,4.4.3 矢量产生器速率乘法矢量产生器作图过程1.|x|，|y|送对应寄存器，线长检测器按照高位共有0数设置分频链位置2.启动分频链对ck分频，产生相应的计数脉冲进行加减计数，经DAC输出扫掠电压3.检测到分频链全0（也可作下段矢量绘图启动），本段矢量绘制结束。,4.4 计算机图形显示,4.4.3 矢量产生器速率乘法矢量产生器作图过程1.|x|，|y|送对应寄存器，移位控制按照高位共有0数设置寄存器移位2.启动两个累加器按ck时钟累加.|x|，|y|，产生相应的进位脉冲进行加减计数，经DAC输出扫掠电压3.检测到两个累加器全0（也可作下段矢量绘图启动），本段矢量绘制结束。,4.4 计算机图形显示,累加法矢量产生器初始全零，用累加器的溢出作为矢量增/减的时钟，结束全零|x|寄存 x累加器 x扫掠计数器 xDAC移位控制 全零检测|y|寄存 y累加器 y扫掠计数器 yDAC 累加器长度n决定矢量的最大长度移位控制 使|x|、|y|的最高位不同时为0，自适应调整作图的时间。,Sgn(x),Sgn(y),启停,4.5 雷达数据的录取,4.5.1 引言 检测、测量、记录、保存和分发目标数据称为雷达数据的录取人工录取 由人操作完成上述过程半自动录取 由人完成目标检测和引导，设备完成其他过程全自动录取 由设备完成上述过程4.5.2 目标距离数据的录取距离编码器 计数脉冲 距离计数器 0距离脉冲（清零）检测脉冲 目标计数器 距离存储器 各目标距离输出 影响距离录取精度的因素：距离量化误差，脉冲前沿斜率（噪声），系统稳定度4.5.3 目标角坐标数据的录取光电转换读取角度码盘 单向增量码盘 双向增量码盘 二进制码盘 循环码盘 低位（15-16）高位 单向扫描 双向扫描 任意相邻码只差一位,正北,5、雷达作用距离,5.1 雷达方程5.2 最小可检测信号5.3 脉冲积累对检测性能的改善5.4 目标截面积及其起伏特性5.5 系统损耗5.6 传播过程中各种因素的影响5.7 雷达方程的几种形式,5.1 雷达方程,5.1.1 基本雷达方程表现空间能量关系5.1.2 目标的雷达截面积（RCS）分别为散射总功率，入射功率密度，距离R处的散射功率密度。通常采用如下的测试方法：1.测量距离R处镀金或银的标准金属球(0)回波信号功率2.测量距离R1处的目标回波信号功率，尽量使R=R1，以便降低不同大气衰减的影响3.计算,5.1 雷达方程,例如：某雷达测得20km处10m2标准金属球的回波信号功率为10-12W，在同样距离处测得目标的回波信号功率为5 10-12W，计算可得该目标的雷达截面积为=10m2 5=50m2。注意：的散射默认为各方向相同(无方向性，如标准金属球)，而实际目标的散射都具有方向性，因此它是目标入射角的函数，与目标的物理投影面积不同。例如：边长为a的三角形反射器，当电 磁波从35锥角内入射时，=4a4/(32)，若a=1m，=3cm，则=4654m2,a,a,a,5.2 最小可检测信号,5.2.1 最小可检测信噪比D0（M）满足检测性能要求（虚警概率，发现概率）时，在接收机线性系统输出端单个脉冲检测需要的最小信噪比5.2.2 门限检测 将接收机输出信号 与检测门限 进行比较，高于门限时判为有目标 判决结果存在4种可能1.无目标判为有目标称为虚警，虚警概率2.3.有目标判为有目标称为发现，发现概率4.其中只有两种独立结果：虚警，发现（检测）,无目标判为无目标，概率,有目标判为无目标称为漏警，概率,5.2 最小可检测信号,5.2.3 检测性能和信噪比解决虚警与发现概率的矛盾N-P准则：首先满足虚警概率的要求，然后达到发现概率最大。恒虚警（CFAR）检测门限此时达到的最大发现概率 结论：对于给定的，仅是信噪比 的函数,5.2 最小可检测信号,其它常用描述检测特性的参数平均虚警宽度：，发生一次虚警的平均时间宽度，近似为等效噪声带宽（接收机带宽）的倒数平均虚警时间：，发生虚警的平均时间周期，因为虚警数：，在 时间里最大可能出现的虚警次数重要设计：P137 图5.7例如：虚警概率10-6，发现概率0.9，查图可得,5.3 脉冲积累对检测性能的改善,在目标方向发射的每一个信号都会存在目标回波，短时间内距离不变。将相同距离单元的n个回波信号求和，再进行信号检测称为脉冲积累。在中频求和时称为中频积累（相参积累/线性），在视频求和时称为视频积累（非相参积累/非线性）。5.3.1 积累的效果相参积累的信噪比改善：n倍。因为n个同相正弦波叠加后功率提高n2倍，n个非相关噪声叠加后功率提高n倍，因此相参积累后信噪比改善n倍非相参积累的信噪比改善 倍。是信号与噪声合成包络的叠加，无解析式，由P139/140图5.9/5.10查表计算D0(n),表中单位为dB组合积累 n个脉冲中，每m个作相参积累，n/m个再作非相参积累，其检测因子：D0=D0(n/m)-10lgm dB积累后的检测因子,5.3 脉冲积累对检测性能的改善,举例：某雷达脉冲积累数为25，虚警概率10-6，发现概率0.9，试求其在相参积累、非相参积累、m=5时组合积累条件下的检测因子解：1.由图5.7查得虚警概率10-6，发现概率0.9时的单个脉冲检测因子为13dB，相参积累时 2.由图5.10查得虚警概率10-6，发现概率0.9时,非相参积累 D0(25)=2.2dB 3.由图5.10查得虚警概率10-6，发现概率0.9时,非相参积累 D0(25/5)=7.3dB组合积累5.3.2 积累脉冲数的确定 分别为雷达脉冲重复频率，波束在目标方向的驻留时间和目标在雷达距离分辨单元的驻留时间。对方位机械扫描雷达 分别为方位波束宽度，扫描速度和仰角；分别为雷达的距离分辨和目标径向运动速度,5.3 脉冲积累对检测性能的改善,设计举例某雷达发射功率105W，G=30dB，=10cm，接收机噪声系数F=6dB，等效接收机带宽2MHz，天线圆周扫描，6转/分钟，方位波束宽度3，重频500Hz，相参积累，Pfa=10-10，Pd=0.5，仰角0，求其对RCS为1m2非起伏目标的作用距离。解：1.计算脉冲积累数 扫描速度2.求M 根据Pfa=10-10，Pd=0.5，查P137 图5.7得D01=13.6dB 相参积累改善后的D0=13.6-16.2=2.6dB3.求接收机灵敏度 Simin=-114dBm+6+10lg2-2.6=-107.59dBm4.计算作用距离,5.4 目标截面积及其起伏特性,5.4.1 点目标特性与波长的关系以半径为r 的镀金或银金属球测试结果 目标雷达截面积与球半径r 的关系(可推广到一般目标)：瑞利区：r，=r2，目标散射特性相对稳定，主要目标,5.4 目标截面积及其起伏特性,5.4.2 常用简单形状目标的雷达截面积(裁剪自P143 表5.1、表5.2),5.4 目标截面积及其起伏特性,5.4.3 目标特性与极化的关系 目标散射矩阵 无源物体满足收发极化互易性：为主极化散射面积，也是无源目标散射的主分量。因此一般雷达具有相同的收发信号极化，且共用同一天线。与入射方向对称的目标满足正交极化分量对消性：利用目标极化散射矩阵可识别目标特性，例如先发射，正交接收再发射，正交接收，利用得到完整的目标散射矩阵。观察雷达天线波导口的状态，可判断其极化(垂直于长边方向)。,为水平、垂直入射电场的功率密度,5.4 目标截面积及其起伏特性,5.4.4 复杂目标的雷达截面积 由多个不同形状、不同位置的物体共同组成的目标称为复杂目标，它的雷达截面积是一系列小散射体雷达截面积的矢量合成：雷达的分辨能力：距离分辨，例如带宽为10MHz的雷达信号一般雷达角度分辨点目标：目标尺寸V,本章讨论点目标。复杂目标 是电波入射方向的复杂函数，参见P147图5.12,起伏30dB 复杂目标 举例，P148表5.3，一般以各向平均值表示。,5.4 目标截面积及其起伏特性,5.4.5 目标起伏模型 目标随时间的变化称为起伏（相对运动引起），归纳为4种极限情况。模型号 分布 振幅A分布 散射点分布 相对运动Swerling1 均匀 慢速，扫描间起伏(S级)Swerling2 快速，脉间起伏(ms级)Swerling3非均匀,有强散射点 慢速，扫描间起伏Swerling4 快速，脉间起伏对检测性能的影响：通过查表P151 图5.15，修订起伏模型对D0的影响。例如发现概率0.5时，情况1/2损失2.7dB，情况3/4损失1dB发现概率0.9时，情况1/2损失8dB，情况3/4损失4.2dB,5.5 系统损耗,射频传输损耗由于射频信号在系统内传输引起的损耗，如转换开关、旋转关节，传输波导等天线波束形状损失天线波束宽度边缘增益低于最大值引起叠加损失参与积累的脉冲中有一部分不含有目标信号引起设备不完善损失匹配滤波不理想，时间/频率漂移，信号采集边缘化等引起其他损失对作用距离的影响：,5.6 传播过程中各种因素的影响,5.6.1 大气传播影响大气衰减 由大气中水蒸气和氧气形成，与波长、仰角、气象条件有关，主要特点：1.频率越高衰减越大，氧气衰减在40GHz以下较平缓，100GHz附近有小衰减区(称为传播窗)，所以远程雷达选用较低频率2.测量单程衰减,晴天地面雷达：P157 图5.18，雨雾天 图5.193.对雷达作用距离查P158 图5.20修正，修正方法a)首先计算无衰减时作用距离Rmax，再查图得到有衰减时Rmaxb)首先根据有衰减Rmax查图得到Rmax，再分配计算无衰减时作用距离例如：求10cm波长雷达，5仰角，在晴天和小雨天对300km目标的单程衰减解：将km换算为海里 海里，由图5.18b查得双程衰减0.73dB，求得此时单程衰减为小雨天由图5.19查得单程雨衰减 0.01dB/km全天候雷达按照考核的天气条件计算作用距离雷达最大作用距离是在 中取最小值,5.6 传播过程中各种因素的影响,5.6.1 大气传播影响大气折射与雷达直视距离由于电磁波呈直线传播，雷达频段主能量透射大气层，地球曲率影响作用距离；大气密度非均匀，使电磁波传播会向地表弯曲，对作用距离有一定的改善。考虑大气折射后的等效地球半径为 R=8490km 直视距离例如：海岸边天线高度10m的雷达，观测海面2m目标的直视距离为雷达探测需要同时满足能量条件和直视距离条件，所以实际最大作用距离是在两者中取最小值 雷达天线都应具有尽可能大的高度,5.6 传播过程中各种因素的影响,5.6.2 地面或水面反射对作用距离的影响条件：主瓣打地(0.5),且存在地/水面镜反射(表面粗糙度/8)多径路程差分析对雷达最大作用距离的影响,雷达,R,R1,R2,ha,ht,目标,解决方法：1.采用垂直极化波减小镜反射2.采用较高的频率避免镜反射,5.7 雷达方程的几种形式,5.7.1 二次雷达方程 在目标上加装收发信机与雷达收发信号相互协同工作称为二次雷达第1收发信机作用距离：第2收发信机作用距离：二次雷达作用距离：举例：某地面测控雷达发射功率100W，波长10cm，收发天线增益30dB，接收机灵敏度-120dBm，星上应答机发射功率10W，收发天线增益20dB，灵敏度-110dBm，忽略大气衰减与直视距离，求其作用距离解：,特点1.协作目标2.作用距离远,5.7 雷达方程的几种形式,5.7.2 双基地雷达方程收发不在相同位置处的雷达为双多基地雷达接收信号功率：条件：收发天线均对准目标作用距离：举例：某地面双基地雷达发射功率105W，波长10cm，收发天线增益30dB，接收机灵敏度-120dBm，目标的侧向雷达截面积1m2,忽略大气衰减，求其作用距离积解：,特点：双基地雷达作用距离没有明显差别，但收发信号时间、空间、频谱同步复杂 有利于隐蔽接收，抗干扰，反隐身，发射源可借用多种形式,5.7 雷达方程的几种形式,5.7.3 用信号能量表示的雷达方程在雷达方程中带入参数条件：相参积累数M，按照准匹配滤波选择带宽，失配损失CB，带入雷达方程主要表明：照射目标的能量 越大，作用距离越远，包括增加脉冲积累数M，提高发射功率Pt，加大脉宽，提高天线增益。5.7.4 搜索雷达方程在雷达方程中带入参数条件：,主要表明：搜索空间越小，搜索时间Tf越长，作用距离越远,5.7 雷达方程的几种形式,5.7.5 跟踪雷达方程在t0时间内连续跟踪一个目标，带入参数带入雷达方程：主要表明：天线在目标方向跟踪的时间t0越长，作用距离越远雷达可用天线连续照射目标方向方式提高作用距离(距离烧穿)但t0仍然会受