雷达的组成及其原理
课程名称：现代阵列并行信号处理技术
姓名：杜凯洋
学号：2015010904025
教师：王文钦教授
一．简介
雷达（Radar，即 radio detecting and ranging），意为无线电搜索和测距。它是运用各种无线电定位方法，探测、识别各种目标，测定目标坐标和其它情报的装置。在现代军事和生产中，雷达的作用越来越显示其重要性，特别是第二次世界大战，英国空军和纳粹德国空军的“不列颠”空战，使雷达的重要性显露的非常清楚。雷达由天线系统、发射装置、接收装置、防干扰设备、显示器、信号处理器、电源等组成。其中，天线是雷达实现大空域、多功能、多目标的技术关键之一；信号处理器是雷达具有多功能能力的核心组件之 雷达种类很多，可按多种方法分类： （1）按定位方法可分为：有源雷达、半有源雷达和无源雷达。
（2）按装设地点可分为；地面雷达、舰载雷达、航空雷达、卫星雷达等。
（4）按工作被长波段可分：米波雷达、分米波雷达、厘米波雷达和其它波段雷达。
（5）按用途可分为：目标探测雷达、侦察雷达、武器控制雷达、飞行保障雷达、气象雷达、导航雷达等。
二. 雷达的组成
（一）概述
1、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）。
2、收发开关：收发隔离。
3、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）。 4、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。 5、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。
6、显示器（终端）：原始视频，或经过处理的信息。
7、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）。
（二）雷达发射机
1、单级振荡式：大功率电磁振荡产生与调制同时完成（一个器件）
图2-1 单级振荡式发射机
（1）定时器提供以oadm>斩波调速器为间隔的脉冲触发信号
（2） 脉冲调制器：在触发脉冲信号激励下产生脉宽为τ的大功率视频脉冲信号。
（3）功率射频振荡器：产生大功率射频信号。
特点：简单，廉价，高效，难以产生复杂调制，频率稳定性差，。
2、主振放大式（主控振荡器加上射频放大链）：先产生小功率的CW 振荡，再分多级进行
调制和放大。
图2-2 主振放大式发射机
（1）定时器：给三个脉冲调制器提供不同时间，不同宽度的触发脉冲信号
（2）固体微波源：是高稳定度的 CW 振荡器，在脉冲调制下形成输出脉冲
（3）中间放大器：在微波源脉冲到达后很短时间处于放大状态，在微波脉冲结束后退出放大状态，受脉冲控制
（4）出功率放大器：产生大功率的脉冲射频信号
特点：调制准确，能够适应多种复杂调制，系统复杂，昂贵，效率低。
（三）圆钢矫直机雷达接收机
一、超外差雷达接收机的组成
优点：灵敏度高、增益高、选择性好、适应性广。
图3-1 超外差式雷达接收机简化框图
1、高频部分：
（1）T/R 及保护器：发射机工作时，使接收机输入端短路，并对大信号限幅保护。
（2）低噪声高放：提高灵敏度，降低接收机噪声系数，热噪声增益。
（3）Mixer，LD，AFC：保证本振频率与发射频率差频为中频，实现变频。
2、中频部分及 AGC：
（1）匹配滤波：
（2）AGC：auto gain control.
3、视频部分：
（1）检波：包络检波，同步（频）检波（正交两路） ，相位检波。
（2）放大：线形放大，对数放大，动态范围。
雷达接收机的主要质量指标
1、灵敏度：用最小可检测信号功率 表示，检测灵敏度，给定虚警概率 ，达到指定检测概率时的输入端的信号功率：
=|=const，研磨粉=const
保证下面灵敏所需接收机gain=120-160 dB，＝-120～-140dbw主要由中频
完成。
2、工作频带宽度：指瞬时工作频率范围，频率捷变雷达要求的接收机工作频带宽度：10-20% 。
3、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 |，80-120 dB。
4、中频的选择与滤波特性： ，中频选择通常选择 30M～500M，抑制镜频.实际与发射波形特性，接收机工作带宽有关。
5、工作稳定性和频率稳定度：指当环境变化时，接收机性能参数受到影响的程度，频率稳定度，信号处理，采取频率稳定度、相位稳定度提高的本振，“稳定本振” 。
6、抗干扰能力：杂波干扰（MTI，MTD） 、有源干扰、假目标干扰。
7、微电子化和模块化结构。MMIC 微波单片集成电路、IMIC中频单片集成电路、ASIC 专用集成电路。
四、雷达的终端显示器和录取设备
1、距离显示器： 图 4.1 显示目标的斜距坐标，用光点在荧光屏上偏转的振幅来表示目标回波的大小，所以又称为偏转调制显示器。 A显：直线扫掠，扫掠线长度和雷达的距离量程相对应，直线的起始点为雷达，回波距离点的长度表示距离，有距离刻度。
A/R 显：A显同上，R显上 A的某一段进行放大。
J 显：圆周扫掠，顶端为雷达圆弧长表示距离，读数精度提高π 倍。
2、平面显示器： 图4.2，又称 PPI(Plan position indicator)显，显示斜距、方位，是二维显示器，用亮点来显示坐标，属亮度调制显示器。
P显：圆心为雷达，径长表示距离，顶向方位为正北，圆周角表方位，顺时针方
向。
偏心式 P显：移动原点，使放大给定方向。
以上两种均为极坐标。
B 式显示：直角坐标，常用微 B 式显示，距离和方位只显示一段。
3、高度显示器：
RHI 显示：水平距离和高度、仰角，雷达在左下方。
4.情况显示器：
一次信息：雷达
二次信息：表格数据、特征符号、地图等。
5.光栅扫描雷达显示器：
数字显示技术的应用。既能显示目标回波的二次信息，也能显示各种二次信息以及背景地图。
三．雷达原理
（一）基本雷达方程
1、距离R 处任一点处的雷达发射信号功率密度：,雷达发射功率。
2、对于定向天线，考虑到天线增益G，表示相对于各向同性天线，则
3、以目标为圆心，雷达处散射的功率密度：,
σ 雷达散射截面积老人发明智能车。
4、雷达天线接收面积，收到功率.
5、最大测量距离：当雷达接收功率为接收机最小检测功率（即临界灵敏度）时时，
6.收发不同天线时，
7. 收发共天线时，
雷达实际作用距离受目标后向散射截面积σ 、 、噪声和其他干扰的影响，具有不确定性，服从统计学规律。
（二）雷达距离的测量
磁波在均匀介质中以光速匀速直线传播；测量目标回波滞后于发射信号的延迟时间
的测量：脉冲雷达采用脉冲法；连续波雷达采用频率法和相位法
确定回波到达的位置：
前沿法：以目标回波脉冲的前沿测量到达时间。
特点：物理概念清楚（适用于人工测量）、前沿受回波大小及噪声影响
中心法：以回波脉冲的中心测量回波到达时间。
特点：到达时间的测量不受波形的影响、适用于自动跟踪系统，采用专用电路；
提高距离分辨力：发射脉宽窄、管子聚焦性要好、降低显示器量程、提高电子束扫描速度
提高单值可测距离：降低重复频率、多重频率法、舍脉冲法
人工距离跟踪特点：镜片镀膜
1、锯齿电压法：跟踪范围大，精度低
2、相位调制法：跟踪范围小，精度高
3、复合法：跟踪范围大，精度高
（三）角度测量
雷达角度坐标的确定
方位角α，高低角β
绝对坐标表示法：
方位角α——基准为正北，顺时针方向为正。
高低角β——基准为水平面，向上方向为正。
相对坐标表示法：测出目标相对于天线轴线的偏离角，再根据天线轴线的实际角度，计算出目标实际角度。
角度分辨力：雷达将相同距离上相互靠近的两个目标区分的最小角度。角度分辨力由天线半功率波束宽度决定。
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