遙測(cè)遙控-03

1、雷達(dá)原理簡(jiǎn)介,1.1 雷 達(dá) 的 任 務(wù),1.1.1 雷達(dá)回波中的可用信息 當(dāng)雷達(dá)探測(cè)到目標(biāo)后, 就要從目標(biāo)回波中提取有關(guān)信息: 可對(duì)目標(biāo)的距離和空間角度定位, 目標(biāo)位置的變化率可由其距離和角度隨時(shí)間變化的規(guī)律中得到，并由此建立對(duì)目標(biāo)跟蹤; 雷達(dá)的測(cè)量如果能在一維或多維上有足夠的分辨力, 則可得到目標(biāo)尺寸和形狀的信息; 采用不同的極化，可測(cè)量目標(biāo)形狀的對(duì)稱性。原理上，雷達(dá)還可測(cè)定目標(biāo)的表面粗糙度及介電特性等。,目標(biāo)在空間

2、、陸地或海面上的位置, 可以用多種坐標(biāo)系來(lái)表示。最常見的是直角坐標(biāo)系, 即空間任一點(diǎn)目標(biāo)P的位置可用x、 y、z三個(gè)坐標(biāo)值來(lái)決定。在雷達(dá)應(yīng)用中, 測(cè)定目標(biāo)坐標(biāo)常采用極(球)坐標(biāo)系統(tǒng), 如圖1.1所示。圖中, 空間任一目標(biāo)P所在位置可用下列三個(gè)坐標(biāo)確定: (1) 目標(biāo)的斜距R： 雷達(dá)到目標(biāo)的直線距離OP; (2) 方位角α：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

3、的夾角。,圖1.1 用極(球)坐標(biāo)系統(tǒng)表示目標(biāo)位置,(3) 仰角β：斜距R與它在水平面上的投影OB在鉛垂面上的夾角, 有時(shí)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(gè)坐標(biāo)來(lái)確定: 水平距離D，方位角α，高度H。 這兩種坐標(biāo)系統(tǒng)之間的關(guān)系如下:D=R cosβ， H=Rsinβ，α=α 上述這些關(guān)系僅在目標(biāo)

4、的距離不太遠(yuǎn)時(shí)是正確的。當(dāng)距離較遠(yuǎn)時(shí), 由于地面的彎曲, 必須作適當(dāng)?shù)男薷摹?圖1-2 雷達(dá)的原理及其基本組成,由雷達(dá)發(fā)射機(jī)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。電磁能在大氣中以光速(約3×108m/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。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(dá)接收方向。雷達(dá)天線搜集到這部分散射的電磁波后, 就經(jīng)傳

5、輸線和收發(fā)開關(guān)饋給接收機(jī)。接收機(jī)將這微弱信號(hào)放大并經(jīng)信號(hào)處理后即可獲取所需信息, 并將結(jié)果送至終端顯示。,1. 目標(biāo)斜距的測(cè)量,2R=ctr,或,式中, R為目標(biāo)到雷達(dá)站的單程距離, 單位為m; tr為電磁波往返于目標(biāo)與雷達(dá)之間的時(shí)間間隔, 單位為s; c為光速，c=3×108m/s。 由于電磁波傳播的速度很快, 雷達(dá)技術(shù)常用的時(shí)間單位為μs, 回波脈沖滯后于發(fā)射脈沖為一個(gè)微秒時(shí), 所對(duì)應(yīng)的目標(biāo)斜距離R為,能測(cè)

6、量目標(biāo)距離是雷達(dá)的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn), 測(cè)距的精度和分辨力與發(fā)射信號(hào)帶寬(或處理后的脈沖寬度)有關(guān)。脈沖越窄, 性能越好。,圖1.3 雷達(dá)測(cè)距,2. 目標(biāo)角位置的測(cè)量 目標(biāo)角位置指方位角或仰角, 在雷達(dá)技術(shù)中測(cè)量這兩個(gè)角位置基本上都是利用天線的方向性來(lái)實(shí)現(xiàn)的。雷達(dá)天線將電磁能量匯集在窄波束內(nèi), 當(dāng)天線波束軸對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)時(shí), 回波信號(hào)最強(qiáng), 如圖1.4實(shí)線所示。當(dāng)目標(biāo)偏離天線波束軸時(shí)回波信號(hào)減弱, 如圖上虛線所示。根據(jù)接收回波最強(qiáng)時(shí)

7、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(cè)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。,圖1.4 角坐標(biāo)測(cè)量,3. 相對(duì)速度的測(cè)量 有些雷達(dá)除確定目標(biāo)的位置外, 還需測(cè)定運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的相對(duì)速度, 例如測(cè)量飛機(jī)或?qū)楋w行時(shí)的速度。當(dāng)目標(biāo)與雷達(dá)站之間存在相對(duì)速度時(shí), 接收到回波信號(hào)的載頻相對(duì)于發(fā)射信號(hào)的載頻產(chǎn)生一個(gè)頻移, 這個(gè)頻移在物理學(xué)上稱為多卜勒頻移, 它的數(shù)值為,式中, fd為多卜勒頻移，單位為Hz;

8、vr為雷達(dá)與目標(biāo)之間的徑向速度， 單位為m/s; λ為載波波長(zhǎng)，單位為m。,當(dāng)目標(biāo)向著雷達(dá)站運(yùn)動(dòng)時(shí), vr＞0, 回波載頻提高; 反之vr ＜0, 回波載頻降低。雷達(dá)只要能夠測(cè)量出回波信號(hào)的多卜勒頻移fd, 就可以確定目標(biāo)與雷達(dá)站之間的相對(duì)速度。 徑向速度也可以用距離的變化率來(lái)求得, 此時(shí)精度不高但不會(huì)產(chǎn)生模糊。無(wú)論是用距離變化率或用多卜勒頻移來(lái)測(cè)量速度, 都需要時(shí)間。觀測(cè)時(shí)間愈長(zhǎng)，則速度測(cè)量精度愈高。

9、 多卜勒頻移除用作測(cè)速外, 更廣泛的是應(yīng)用于動(dòng)目標(biāo)顯示(MTI)、脈沖多卜勒(PD)等雷達(dá)中，以區(qū)分運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波和雜波。,4. 目標(biāo)尺寸和形狀 如果雷達(dá)測(cè)量具有足夠高的分辨力, 就可以提供目標(biāo)尺寸的測(cè)量。由于許多目標(biāo)的尺寸在數(shù)十米量級(jí), 因而分辨能力應(yīng)為數(shù)米或更小。目前雷達(dá)的分辨力在距離維已能達(dá)到, 但在通常作用距離下切向距離(RQ)維的分辨力還遠(yuǎn)達(dá)不到, 增加天線的實(shí)際孔徑來(lái)解決此問題是不現(xiàn)實(shí)的。然而當(dāng)雷達(dá)和目標(biāo)的各個(gè)部

10、分有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí), 就可以利用多卜勒頻率域的分辨力來(lái)獲得切向距離維的分辨力。例如，裝于飛機(jī)和宇宙飛船上的SAR(綜合孔徑)雷達(dá), 與目標(biāo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是由雷達(dá)的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的。 高分辨力雷達(dá)可以獲得目標(biāo)在距離和切向距離方向的輪廓(雷達(dá)成像)。,此外, 比較目標(biāo)對(duì)不同極化波(例如正交極化等)的散射場(chǎng), 就可以提供目標(biāo)形狀不對(duì)稱性的量度。復(fù)雜目標(biāo)的回波振幅隨著時(shí)間會(huì)變化, 例如，螺旋槳的轉(zhuǎn)動(dòng)和噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)將使回波振幅的調(diào)制各具特點(diǎn), 可經(jīng)過譜分析

11、檢測(cè)到。這些信息為目標(biāo)識(shí)別提供了相應(yīng)的基礎(chǔ)。,實(shí)際雷達(dá)總是使用定向天線將發(fā)射機(jī)功率集中輻射于某些方向上。天線增益G用來(lái)表示相對(duì)于各向同性天線, 實(shí)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(shí), 距雷達(dá)R處目標(biāo)所照射到的功率密度為,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(dá)截面積σ來(lái)表示被目標(biāo)截獲入射功率后再次輻射回雷達(dá)處功率的大小, 或用下式表示在雷達(dá)處的回波信號(hào)功率密度:,σ的大小隨具體目標(biāo)而異,

12、它可以表示目標(biāo)被雷達(dá)“看見”的尺寸。雷達(dá)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(dá)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(cè)信號(hào)Smin時(shí), 雷達(dá)達(dá)到其最大作用距離Rmax, 超過這個(gè)距離后, 就不能有效地檢測(cè)到目標(biāo)。,,1.2 雷達(dá)的基本組成,圖1.5 脈沖雷達(dá)基本組成框圖,,1.3 雷達(dá)的工作頻率,按照雷達(dá)的工作原理, 不論發(fā)射波的頻率如何, 只要是通過輻射電磁能量和利用從目標(biāo)反射回來(lái)的

13、回波, 以便對(duì)目標(biāo)探測(cè)和定位, 都屬于雷達(dá)系統(tǒng)工作的范疇。常用的雷達(dá)工作頻率范圍為220~35 000MHz(220MHz~35GHz), 實(shí)際上各類雷達(dá)工作的頻率在兩頭都超出了上述范圍。 例如天波超視距(OTH)雷達(dá)的工作頻率為4MHz或5MHz, 而地波超視距的工作頻率則低到2MHz。 在頻譜的另一端, 毫米波雷達(dá)可以工作到94 GHz, 激光(Laser)雷達(dá)工作于更高的頻率。工作頻率不同的雷達(dá)在工程實(shí)現(xiàn)時(shí)差別很大。,雷達(dá)的工作頻

14、率和整個(gè)電磁波頻譜示于圖1.6, 實(shí)際上絕大部分雷達(dá)工作于200 MHz至10 000MHz頻段。由于70年代中制成能產(chǎn)生毫米波的大功率管, 毫米波雷達(dá)已獲得試制和應(yīng)用。 目前在雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域里常用頻段的名稱,用L、S、C、X等英文字母來(lái)命名。這是在第二次世界大戰(zhàn)中一些國(guó)家為了保密而采用的, 以后就一直延用下來(lái), 我國(guó)也經(jīng)常采用。,圖1.6 雷達(dá)頻率和電磁波頻譜,表1.1 雷達(dá)頻段和對(duì)應(yīng)的頻率,22 cm為中心的20~25

15、cm(S代表10 cm為中心, 相應(yīng)地, C代表5cm, X代表3 cm, Ku代表2.2 cm, Ka代表8 mm等)。表中還列出國(guó)際電信聯(lián)盟分配給雷達(dá)的具體波段, 例如, L波段包括的頻率范圍應(yīng)是1000 MHz到2000MHz, 而L波段雷達(dá)的工作頻率卻被約束在1215MHz到1400MHz的范圍。,,1.4 雷達(dá)的應(yīng)用和發(fā)展,1.4.1 應(yīng)用情況,軍用雷達(dá)按戰(zhàn)術(shù)來(lái)分可有下列主要類型: 1) 預(yù)警雷達(dá)(超遠(yuǎn)程雷達(dá))

16、 它的主要任務(wù)是發(fā)現(xiàn)洲際導(dǎo)彈, 以便及早發(fā)出警報(bào)。它的特點(diǎn)是作用距離遠(yuǎn)達(dá)數(shù)千公里, 至于測(cè)定坐標(biāo)的精確度和分辨力是次要的。目前應(yīng)用預(yù)警雷達(dá)不但能發(fā)現(xiàn)導(dǎo)彈, 而且可用以發(fā)現(xiàn)洲際戰(zhàn)略轟炸機(jī)。,2) 搜索和警戒雷達(dá) 其任務(wù)是發(fā)現(xiàn)飛機(jī), 一般作用距離在400 km以上, 有的可達(dá)600 km。對(duì)于測(cè)定坐標(biāo)的精確度、分辨力要求不高。 對(duì)于擔(dān)當(dāng)保衛(wèi)重點(diǎn)城市或建筑物任務(wù)的中程警戒雷達(dá)要求有方位360°的搜索空城。 3) 引導(dǎo)

17、指揮雷達(dá)(監(jiān)視雷達(dá)) 這種雷達(dá)用于對(duì)殲擊機(jī)的引導(dǎo)和指揮作戰(zhàn), 民用的機(jī)場(chǎng)調(diào)度雷達(dá)亦屬這一類。其特殊要求是: (1)對(duì)多批次目標(biāo)能同時(shí)檢測(cè); (2)測(cè)定目標(biāo)的三個(gè)坐標(biāo), 要求測(cè)量目標(biāo)的精確度和分辨力較高, 特別是目標(biāo)間的相對(duì)位置數(shù)據(jù)的精度要求較高。,4) 火控雷達(dá) 其任務(wù)是控制火炮(或地空導(dǎo)彈)對(duì)空中目標(biāo)進(jìn)行瞄準(zhǔn)攻擊, 因此要求它能夠連續(xù)而準(zhǔn)確地測(cè)定目標(biāo)的坐標(biāo), 并迅速地將射擊數(shù)據(jù)傳遞給火炮(或地空導(dǎo)彈)。這類雷達(dá)的作用距離較小, 一般只

18、有幾十公里, 但測(cè)量的精度要求很高。 5) 制導(dǎo)雷達(dá) 它和火控雷達(dá)同屬精密跟蹤雷達(dá), 不同的是制導(dǎo)雷達(dá)對(duì)付的是飛機(jī)和導(dǎo)彈, 在測(cè)定它們的運(yùn)動(dòng)軌跡的同時(shí), 再控制導(dǎo)彈去攻擊目標(biāo)。制導(dǎo)雷達(dá)要求能同時(shí)跟蹤多個(gè)目標(biāo), 并對(duì)分辨力要求較高。這類雷達(dá)天線的掃描方式往往有其特點(diǎn), 并隨制導(dǎo)體制而異。,6) 戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)視雷達(dá) 這類雷達(dá)用于發(fā)現(xiàn)坦克、 軍用車輛、 人和其它在戰(zhàn)場(chǎng)上的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。 7) 機(jī)載雷達(dá) 這類雷達(dá)除機(jī)載預(yù)警雷

19、達(dá)外， 主要有下列數(shù)種類型: (1) 機(jī)載截?fù)衾走_(dá)。當(dāng)殲擊機(jī)按照地面指揮所命令, 接近敵機(jī)并進(jìn)入有利空域時(shí), 就利用裝在機(jī)上的截?fù)衾走_(dá), 準(zhǔn)確地測(cè)量敵機(jī)的位置, 以便進(jìn)行攻擊。 它要求測(cè)量目標(biāo)的精確度和分辨率高。,(2) 機(jī)載護(hù)尾雷達(dá)。 它用來(lái)發(fā)現(xiàn)和指示機(jī)尾后面一定距離內(nèi)有無(wú)敵機(jī)。這種雷達(dá)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單, 不要求測(cè)定目標(biāo)的準(zhǔn)確位置, 作用距離也不遠(yuǎn)。 (3) 機(jī)載導(dǎo)航雷達(dá)。它裝在飛機(jī)或艦船上，用以顯示地面或

20、港灣圖像, 以便在黑夜和大雨、 濃霧情況下, 飛機(jī)和艦船能正確航行。 這種雷達(dá)要求分辨力較高。,(4) 機(jī)載火控雷達(dá)。20世紀(jì)70年代后的戰(zhàn)斗機(jī)上火控系統(tǒng)的雷達(dá)往往是多功能的。它能空對(duì)空搜索和截獲目標(biāo)，空對(duì)空制導(dǎo)導(dǎo)彈，空對(duì)空精密測(cè)距和控制機(jī)炮射擊，空對(duì)地觀察地形和引導(dǎo)轟炸，進(jìn)行敵我識(shí)別和導(dǎo)航信標(biāo)的識(shí)別, 有的還兼有地形跟隨和回避的作用, 一部雷達(dá)往往具有七八部雷達(dá)的功能。 ,對(duì)于機(jī)載雷達(dá)共同的要求是體積小、重量輕、工作可靠性高。

21、 8) 無(wú)線電測(cè)高儀 它裝置在飛機(jī)上。這是一種連續(xù)波調(diào)頻雷達(dá), 用來(lái)測(cè)量飛機(jī)離開地面或海面的高度。 9) 雷達(dá)引信 這是裝置在炮彈或?qū)楊^上的一種小型雷達(dá), 用來(lái)測(cè)量彈頭附近有無(wú)目標(biāo), 當(dāng)距離縮小到彈片足以擊傷目標(biāo)的瞬間, 使炮彈(或?qū)楊^)爆炸, 提 高了擊中目標(biāo)的命中率。,在民用雷達(dá)方面, 舉出以下一些類型和應(yīng)用: 1) 氣象雷達(dá) 這是觀察氣象的雷達(dá), 用來(lái)測(cè)量暴風(fēng)雨和云層的位置及其移動(dòng)路

22、線。 2) 航行管制(空中交通)雷達(dá) 在現(xiàn)代航空飛行運(yùn)輸體系中, 對(duì)于機(jī)場(chǎng)周圍及航路上的飛機(jī), 都要實(shí)施嚴(yán)格的管制。 航行管制雷達(dá)兼有警戒雷達(dá)和引導(dǎo)雷達(dá)的作用, 故有時(shí)也稱為機(jī)場(chǎng)監(jiān)視雷達(dá), 它和二次雷達(dá)配合起來(lái)應(yīng)用。 二次雷達(dá)地面設(shè)備發(fā)射詢問信號(hào), 機(jī)上接到信號(hào)后, 用編碼的形式, 發(fā)出一個(gè)回答信號(hào), 地面收到后在航行管制雷達(dá)顯示器上顯示。這一雷達(dá)系統(tǒng)可以鑒定空中目標(biāo)的高度、速度和屬性, 用以識(shí)別目標(biāo)。,3) 宇宙航行中

23、用雷達(dá) 這種雷達(dá)用來(lái)控制飛船的交會(huì)和對(duì)接, 以及在月球上的著陸。某些地面上的雷達(dá)用來(lái)探測(cè)和跟蹤人造衛(wèi)星。 4) 遙感設(shè)備 安放在衛(wèi)星或飛機(jī)上的某種雷達(dá), 可以作為微波遙感設(shè)備。 它主要感受地球物理方面的信息, 由于具有二維高分辨力而可對(duì)地形、 地貌成像。 雷達(dá)遙感也參與地球資源的勘探, 其中包括對(duì)海的情況、 水資源、冰覆蓋層、 農(nóng)業(yè)森林、 地質(zhì)結(jié)構(gòu)及環(huán)境污染等進(jìn)行測(cè)量和地圖描繪。 也曾利用此類雷達(dá)來(lái)探測(cè)月亮和行星(雷達(dá)

24、天文學(xué))。,此外，在飛機(jī)導(dǎo)航, 航道探測(cè)(用以保證航行安全), 公路上車速測(cè)量等方面, 雷達(dá)也在發(fā)揮其積極作用。 為了滿足多種用途不同的要求, 已研制了各雷達(dá)。 例如, 按照雷達(dá)信號(hào)的形式分類, 可以分為以下幾類： 1) 脈沖雷達(dá) 此類雷達(dá)發(fā)射的波形是矩形脈沖, 按一定的或交錯(cuò)的重復(fù)周期工作, 這是目前使用最廣的。,2) 連續(xù)波雷達(dá) 此類雷達(dá)發(fā)射連續(xù)的正弦波, 主要用來(lái)測(cè)量目標(biāo)的速度。如需同時(shí)測(cè)量目標(biāo)的距離

25、, 則往往需對(duì)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行調(diào)制, 例如，對(duì)連續(xù)的正弦信號(hào)進(jìn)行周期性的頻率調(diào)制。 3) 脈沖壓縮雷達(dá) 此類雷達(dá)發(fā)射寬的脈沖波, 在接收機(jī)中對(duì)收到的回波信號(hào)加以壓縮處理, 以便得到窄脈沖。目前實(shí)現(xiàn)脈沖壓縮主要有兩種。 線性調(diào)頻脈沖壓縮處理和相位編碼脈沖壓縮處理。 脈沖壓縮能解決距離分辨力和作用距離之間的矛盾。20世紀(jì)70年代研制的新型雷達(dá)絕大部分采用脈沖壓縮的體制。 此外，還有脈沖多卜勒雷達(dá)、噪聲雷達(dá)、頻率捷變

26、雷達(dá)等。,也可以按其它標(biāo)準(zhǔn)對(duì)雷達(dá)進(jìn)行分類, 例如:#; (1) 按角跟蹤方式分, 有單脈沖雷達(dá)、 圓錐掃描雷達(dá)、 隱蔽錐掃雷達(dá)等。 (2) 按測(cè)量目標(biāo)的參量分, 有測(cè)高雷達(dá)、 兩坐標(biāo)雷達(dá)、 三坐標(biāo)雷達(dá)、測(cè)速雷達(dá)、目標(biāo)識(shí)別雷達(dá)等。 (3) 按信號(hào)處理方式分, 有各種分集雷達(dá)(頻率分集, 極化分集等等)、相參或非相參積累雷達(dá)、 動(dòng)目標(biāo)顯示雷達(dá)、合成孔徑雷達(dá)等。 (4) 按天線掃描

27、方法分, 有機(jī)械掃描雷達(dá)、 相控陣?yán)走_(dá)、 頻掃雷達(dá)等。,2.1 雷達(dá)發(fā)射機(jī)的任務(wù)和基本組成,雷達(dá)是利用物體反射電磁波的特性來(lái)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并確定目標(biāo)的距離、方位、高度和速度等參數(shù)的。因此, 雷達(dá)工作時(shí)要求發(fā)射一種特定的大功率無(wú)線電信號(hào)。發(fā)射機(jī)在雷達(dá)中就是起這一作用的, 也就是說(shuō), 它為雷達(dá)提供一個(gè)載波受到調(diào)制的大功率射頻信號(hào), 經(jīng)饋線和收發(fā)開關(guān)由天線輻射出去。,2.2 雷達(dá)發(fā)射機(jī)的主要質(zhì)量指標(biāo),1. 工作頻率或波段 雷達(dá)

28、的工作頻率或波段是按照雷達(dá)的用途確定的。為了提高雷達(dá)系統(tǒng)的工作性能和抗干擾能力, 有時(shí)還要求它能在幾個(gè)頻率上跳變工作或同時(shí)工作。工作頻率或波段的不同對(duì)發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)影響很大, 它首先牽涉到發(fā)射管種類的選擇, 例如目前在1000MHz以下主要采用微波三、四極管, 在1 000 MHz以上則有多腔磁控管、 大功率速調(diào)管、行波管以及前向波管等。,2. 輸出功率 發(fā)射機(jī)的輸出功率直接影響雷達(dá)的威力和抗干擾能力。 通常規(guī)定發(fā)射機(jī)

29、送至天線輸入端的功率為發(fā)射機(jī)的輸出功率。 有時(shí)為了測(cè)量方便, 也可以規(guī)定在指定負(fù)載上(饋線上一定的電壓駐波比)的功率為發(fā)射機(jī)的輸出功率。如果是波段工作的發(fā)射機(jī)，則還應(yīng)規(guī)定在整個(gè)波段中輸出功率的最低值, 或者規(guī)定在波段內(nèi)輸出功率的變化不得大于多少分貝。,脈沖雷達(dá)發(fā)射機(jī)的輸出功率又可分為峰值功率Pt和平均功率Pav。Pt是指脈沖期間射頻振蕩的平均功率(注意不要與射頻正弦振蕩的最大瞬功率相混淆)。Pav是指脈沖重復(fù)周期內(nèi)輸出功率的平均值。如果

30、發(fā)射波形是簡(jiǎn)單的矩形脈沖列, 脈沖寬度為τ, 脈沖重復(fù)周期為Tr, 則有,式中的fr=1/Tr是脈沖重復(fù)頻率。τ/Tr=τfr稱作雷達(dá)的工作比D。 常規(guī)的脈沖雷達(dá)工作比的典型值為D=0.001, 但脈沖多卜勒雷達(dá)的工作比可達(dá)10-2數(shù)量級(jí), 甚至達(dá)10-1數(shù)量級(jí)。顯然, 連續(xù)波雷達(dá)的D=1。,4. 信號(hào)形式(調(diào)制形式),表 2.1 雷達(dá)的常用信號(hào)形式,圖 2.4 三種典型雷達(dá)信號(hào)和調(diào)制波形,5 . 信號(hào)的穩(wěn)定度或頻譜純度

31、 信號(hào)的穩(wěn)定度是指信號(hào)的各項(xiàng)參數(shù), 例如信號(hào)的振幅、 頻率(或相位)、 脈沖寬度及脈沖重復(fù)頻率等是否隨時(shí)間作不應(yīng)有的變化。后面將會(huì)分析到, 雷達(dá)信號(hào)的任何不穩(wěn)定都會(huì)給雷達(dá)整機(jī)性能帶來(lái)不利的影響。例如對(duì)動(dòng)目標(biāo)顯示雷達(dá), 它會(huì)造成不應(yīng)有的系統(tǒng)對(duì)消剩余, 在脈沖壓縮系統(tǒng)中會(huì)造成目標(biāo)的距離旁瓣以及在脈沖多卜勒系統(tǒng)中會(huì)造成假目標(biāo)等。信號(hào)參數(shù)的不穩(wěn)定可分為規(guī)律性的與隨機(jī)性的兩類, 規(guī)律性的不穩(wěn)定往往是由電源濾波不良、機(jī)械震動(dòng)等原因引起的, 而

32、隨機(jī)性的不穩(wěn)定則是由發(fā)射管的噪聲和調(diào)制脈沖的隨機(jī)起伏所引起的。,圖 2.5 矩形射頻脈沖列的理想頻譜,圖 2.6 實(shí)際發(fā)射信號(hào)的頻譜,3.1 雷達(dá)接收機(jī)的組成和主要質(zhì)量指標(biāo),3.1.1 超外差式雷達(dá)接收機(jī)的組成,超外差式雷達(dá)接收機(jī)的簡(jiǎn)化方框圖如圖3.1所示。 它的主要組成部分是:  (1) 高頻部分, 又稱為接收機(jī)“前端”, 包括接收機(jī)保護(hù)器、低噪聲高頻放大器、混頻器和本機(jī)振蕩器;  (2) 中頻放

33、大器, 包括匹配濾波器;  (3) 檢波器和視頻放大器。,圖3.1 超外差式雷達(dá)接收機(jī)簡(jiǎn)化方框圖,從天線接收的高頻回波通過收發(fā)開關(guān)加至接收機(jī)保護(hù)器, 一般是經(jīng)過低噪聲高頻放大器后再送到混頻器。在混頻器中, 高頻回波脈沖信號(hào)與本機(jī)振蕩器的等幅高頻電壓混頻, 將信號(hào)頻率降為中頻(IF), 再由多級(jí)中頻放大器對(duì)中頻脈沖信號(hào)進(jìn)行放大和匹配濾波, 以獲得最大的輸出信噪比, 最后經(jīng)過檢波器和視頻放大后送至終端處理設(shè)備。

34、 更為通用的超外差式雷達(dá)接收機(jī)的組成方框圖如圖3.2所示。 它適用于收、發(fā)公用天線的各種脈沖雷達(dá)系統(tǒng)。實(shí)際的雷達(dá)接收機(jī)可以不(而且通常也不)包括圖中所示的全部部件。,圖3.2 超外差式雷達(dá)接收機(jī)的一般方框圖,3.1.2 超外差式雷達(dá)接收機(jī)的主要質(zhì)量指標(biāo) 1. 靈敏度 靈敏度表示接收機(jī)接收微弱信號(hào)的能力。能接收的信號(hào)越微弱, 則接收機(jī)的靈敏度越高, 因而雷達(dá)的作用距離就越遠(yuǎn)。 雷達(dá)

35、接收機(jī)的靈敏度通常用最小可檢測(cè)信號(hào)功率Si min來(lái)表示。 當(dāng)接收機(jī)的輸入信號(hào)功率達(dá)到Si min時(shí), 接收機(jī)就能正常接收而在輸出端檢測(cè)出這一信號(hào)。如果信號(hào)功率低于此值, 信號(hào)將被淹沒在噪聲干擾之中, 不能被可靠地檢測(cè)出來(lái), 如圖3.3所示。由于雷達(dá)接收機(jī)的靈敏度受噪聲電平的限制, 因此要想提高它的靈敏度, 就必須盡力減小噪聲電平, 同時(shí)還應(yīng)使接收機(jī)有足夠的增益。,圖3.3 顯示器上所見到的信號(hào)與噪聲,2. 接收機(jī)的工作頻帶寬度

36、 接收機(jī)的工作頻帶寬度表示接收機(jī)的瞬時(shí)工作頻率范圍。 在復(fù)雜的電子對(duì)抗和干擾環(huán)境中, 要求雷達(dá)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)具有較寬的工作帶寬, 例如頻率捷變雷達(dá)要求接收機(jī)的工作頻帶寬度為(10~20)%。接收機(jī)的工作頻帶寬度主要決定于高頻部件(饋線系統(tǒng)、高頻放大器和本機(jī)振蕩器)的性能。 需要指出, 接收機(jī)的工作頻帶較寬時(shí), 必須選擇較高的中頻, 以減少混頻器輸出的寄生響應(yīng)對(duì)接收機(jī)性能的影響。,3. 動(dòng)態(tài)范圍 動(dòng)態(tài)范圍表示接

37、收機(jī)能夠正常工作所容許的輸入信號(hào)強(qiáng)度變化的范圍。最小輸入信號(hào)強(qiáng)度通常取為最小可檢測(cè)信號(hào)功率Si min, 允許最大的輸入信號(hào)強(qiáng)度則根據(jù)正常工作的要求而定。 當(dāng)輸入信號(hào)太強(qiáng)時(shí), 接收機(jī)將發(fā)生飽和而失去放大作用, 這種現(xiàn)象稱為過載。使接收機(jī)開始出現(xiàn)過載時(shí)的輸入功率與最小可檢測(cè)功率之比, 叫做動(dòng)態(tài)范圍。為了保證對(duì)強(qiáng)弱信號(hào)均能正常接收, 要求動(dòng)態(tài)范圍大, 就需要采取一定措施, 例如采用對(duì)數(shù)放大器、 各種增益控制電路等抗干擾措施。,4. 中頻的選

38、擇和濾波特性 接收機(jī)中頻的選擇和濾波特性是接收機(jī)的重要質(zhì)量指標(biāo)之一。 中頻的選擇與發(fā)射波形的特性、 接收機(jī)的工作帶寬以及所能提供的高頻部件和中頻部件的性能有關(guān)。在現(xiàn)代雷達(dá)接收機(jī)中, 中頻的選擇可以從30 MHz到4GHz之間。當(dāng)需要在中頻增加某些信號(hào)處理部件, 如脈沖壓縮濾波器, 對(duì)數(shù)放大器和限幅器等時(shí), 從技術(shù)實(shí)現(xiàn)來(lái)說(shuō), 中頻選擇在30MHz至500MHz更為合適。 對(duì)于寬頻帶工作的接收機(jī), 應(yīng)選擇較高的中頻, 以

39、便使虛假的寄生響應(yīng)減至最小。  減小接收機(jī)噪聲的關(guān)鍵參數(shù)是中頻的濾波特性, 如果中頻濾波特性的帶寬大于回波信號(hào)帶寬, 則過多的噪聲進(jìn)入接收機(jī)。 反之, 如果所選擇的帶寬比信號(hào)帶寬窄, 信號(hào)能量將會(huì)損失。這兩種情況都會(huì)使接收機(jī)輸出的信噪比減小。 在白噪聲(即接收機(jī)熱噪聲)背景下, 接收機(jī)的頻率特性為“匹配濾波器”時(shí), 輸出的信號(hào)噪聲比最大。,5. 工作穩(wěn)定性和頻率穩(wěn)定度一般來(lái)說(shuō), 工作穩(wěn)定性是指當(dāng)環(huán)境條件(例如溫度

40、、 濕度、 機(jī)械振動(dòng)等)和電源電壓發(fā)生變化時(shí), 接收機(jī)的性能參數(shù)(振幅特性、 頻率特性和相位特性等)受到影響的程度, 希望影響越小越好。 大多數(shù)現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)需要對(duì)一串回波進(jìn)行相參處理, 對(duì)本機(jī)振蕩器的短期頻率穩(wěn)定度有極高的要求(高達(dá)10-10或者更高), 因此，必須采用頻率穩(wěn)定度和相位穩(wěn)定度極高的本機(jī)振蕩器, 即簡(jiǎn)稱的“穩(wěn)定本振”。,6. 抗干擾能力 在現(xiàn)代電子戰(zhàn)和復(fù)雜的電磁干擾環(huán)境中, 抗有源干擾和無(wú)

41、源干擾是雷達(dá)系統(tǒng)的重要任務(wù)之一。 有源干擾為敵方施放的各種雜波干擾和鄰近雷達(dá)的異步脈沖干擾, 無(wú)源干擾主要是指從海浪、雨雪、地物等反射的雜波干擾和敵機(jī)施放的箔片干擾。 這些干擾嚴(yán)重影響對(duì)目標(biāo)的正常檢測(cè), 甚至使整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)無(wú)法工作。現(xiàn)代雷達(dá)接收機(jī)必須具有各種抗干擾電路。 當(dāng)雷達(dá)系統(tǒng)用頻率捷變方法抗干擾時(shí), 接收機(jī)的本振應(yīng)與發(fā)射機(jī)頻率同步跳變。 同時(shí)接收機(jī)應(yīng)有足夠大的動(dòng)態(tài)范圍, 以保證后面的信號(hào)處理器有高的處理精度。,5.1.1 基本雷達(dá)

42、方程,5.1 雷 達(dá) 方 程,設(shè)雷達(dá)發(fā)射功率為Pt, 雷達(dá)天線的增益為Gt, 則在自由空間工作時(shí), 距雷達(dá)天線R遠(yuǎn)的目標(biāo)處的功率密度S1為,(5.1.1),目標(biāo)受到發(fā)射電磁波的照射, 因其散射特性而將產(chǎn)生散射回波。 散射功率的大小顯然和目標(biāo)所在點(diǎn)的發(fā)射功率密度S1以及目標(biāo)的特性有關(guān)。用目標(biāo)的散射截面積σ(其量綱是面積)來(lái)表征其散射特性。若假定目標(biāo)可將接收到的功率無(wú)損耗地輻射出來(lái), 則可得到由目標(biāo)散射的功率(二次輻射功率)為,(5.1.2

43、),又假設(shè)P2均勻地輻射, 則在接收天線處收到的回波功率密度為,(5.1.3),如果雷達(dá)接收天線的有效接收面積為Ar, 則在雷達(dá)接收處接收回波功率為Pr, 而,(5.1.4),由天線理論知道, 天線增益和有效面積之間有以下關(guān)系:,式中λ為所用波長(zhǎng), 則接收回波功率可寫成如下形式:,(5.1.5),(5.1.6),單基地脈沖雷達(dá)通常收發(fā)共用天線, 即Gt=Gr=G, At=Ar, 將此關(guān)系式代入上二式即可得常用結(jié)果。,由式(5.1.4)~

44、(5.1.6)可看出, 接收的回波功率Pr反比于目標(biāo)與雷達(dá)站間的距離R的四次方, 這是因?yàn)橐淮卫走_(dá)中, 反射功率經(jīng)過往返雙倍的距離路程, 能量衰減很大。接收到的功率Pr必須超過最小可檢測(cè)信號(hào)功率Si min, 雷達(dá)才能可靠地發(fā)現(xiàn)目標(biāo), 當(dāng)Pr正好等于Si min時(shí), 就可得到雷達(dá)檢測(cè)該目標(biāo)的最大作用距離Rmax。 因?yàn)槌^這個(gè)距離, 接收的信號(hào)功率Pr進(jìn)一步減小, 就不能可靠地檢測(cè)到該目標(biāo)。它們的關(guān)系式可以表達(dá)為,(5.1.7),或,(

45、5.1.8),(5.1.9),式(5.1.8)、(5.1.9)是雷達(dá)距離方程的兩種基本形式, 它表明了作用距離Rmax和雷達(dá)參數(shù)以及目標(biāo)特性間的關(guān)系。,雷達(dá)方程雖然給出了作用距離和各參數(shù)間的定量關(guān)系, 但因未考慮設(shè)備的實(shí)際損耗和環(huán)境因素, 而且方程中還有兩個(gè)不可能準(zhǔn)確預(yù)定的量: 目標(biāo)有效反射面積σ和最小可檢測(cè)信號(hào)Si min, 因此它常用來(lái)作為一個(gè)估算的公式, 考察雷達(dá)各參數(shù)對(duì)作用距離影響的程度。  雷達(dá)總是在噪聲和其

46、它干擾背景下檢測(cè)目標(biāo)的, 再加上復(fù)雜目標(biāo)的回波信號(hào)本身也是起伏的，故接收機(jī)輸出的是隨機(jī)量。 雷達(dá)作用距離也不是一個(gè)確定值而是統(tǒng)計(jì)值, 對(duì)于某雷達(dá)來(lái)講, 不能簡(jiǎn)單地說(shuō)它的作用距離是多少, 通常只在概率意義上講, 當(dāng)虛警概率(例如10-6)和發(fā)現(xiàn)概率(例如90%)給定時(shí)的作用距離是多大。,5.1.2 目標(biāo)的雷達(dá)截面積 (RCS) 雷達(dá)是通過目標(biāo)的二次散射功率來(lái)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的。為了描述目標(biāo)的后向散射特性, 在雷達(dá)方程的推導(dǎo)過程中

47、, 定義了“點(diǎn)”目標(biāo)的雷達(dá)截面積σ, 如式(5.1.2)所示, P2=S1σ P2為目標(biāo)散射的總功率, S1為照射的功率密度。雷達(dá)截面積σ又可寫為,圖 5.1 目標(biāo)的散射特性,,5.2 最小可檢測(cè)信號(hào),5.2.1 最小可檢測(cè)信噪比 典型的雷達(dá)接收機(jī)和信號(hào)處理框圖如圖5.2所示, 一般把檢波器以前(中頻放大器輸出)的部分視為線性的, 中頻濾波器的特性近似匹配濾波器, 從而使中放輸出端的信號(hào)

48、噪聲比達(dá)到最大。,圖 5.2 接收信號(hào)處理框圖,噪聲系數(shù)Fn可寫成,(5.2.1),將上式整理后得到輸入信號(hào)功率Si的表示式為,(5.2.2),根據(jù)雷達(dá)檢測(cè)目標(biāo)質(zhì)量的要求,可確定所需要的最小輸出信噪比 , 這時(shí)就得到最小可檢測(cè)信號(hào)Si min為,(5.2.3),5.2.2 門限檢測(cè),圖 5.3 接收機(jī)輸出典型包絡(luò),檢測(cè)時(shí)門限電壓的高低影響以下兩種錯(cuò)誤判斷的多少:  (1) 有信號(hào)而誤判為沒有信號(hào)(

49、漏警);  (2) 只有噪聲時(shí)誤判為有信號(hào)(虛警)。  應(yīng)根據(jù)兩種誤判的影響大小來(lái)選擇合適的門限。,門限檢測(cè)是一種統(tǒng)計(jì)檢測(cè), 由于信號(hào)疊加有噪聲, 所以總輸出是一個(gè)隨機(jī)量。在輸出端根據(jù)輸出振幅是否超過門限來(lái)判斷有無(wú)目標(biāo)存在, 可能出現(xiàn)以下四種情況:  (1) 存在目標(biāo)時(shí), 判為有目標(biāo), 這是一種正確判斷, 稱為發(fā)現(xiàn), 它的概率稱為發(fā)現(xiàn)概率Pd;  (2) 存在目標(biāo)時(shí),

50、 判為無(wú)目標(biāo), 這是錯(cuò)誤判斷, 稱為漏報(bào), 它的概率稱為漏報(bào)概率Pla;  (3) 不存在目標(biāo)時(shí)判為無(wú)目標(biāo), 稱為正確不發(fā)現(xiàn), 它的概率稱為正確不發(fā)現(xiàn)概率Pan;  (4) 不存在目標(biāo)時(shí)判為有目標(biāo), 稱為虛警, 這也是一種錯(cuò)誤判斷, 它的概率稱為虛警概率Pfa; ,顯然四種概率存在以下關(guān)系:,Pd+Pla=1， Pan+Pfa=1,每對(duì)概率只要知道其中一個(gè)就可以了。 我們下面只討論常用的發(fā)現(xiàn)概率和虛

51、警概率。  門限檢測(cè)的過程可以用電子線路自動(dòng)完成, 也可以由觀察員觀察顯示器來(lái)完成。當(dāng)用觀察員觀察時(shí), 觀察員自覺不自覺地在調(diào)整門限, 人在雷達(dá)檢測(cè)過程中的作用與觀察人員的責(zé)任心、熟悉程度以及當(dāng)時(shí)的情況有關(guān)。例如, 如果害怕漏報(bào)目標(biāo), 就會(huì)有意地降低門限, 這就意味著虛警概率的提高。 在另一種情況下, 如果觀察人員擔(dān)心虛報(bào), 自然就傾向于提高門限, 這樣只能把比噪聲大得多的信號(hào)指示為目標(biāo), 從而丟失一些弱信號(hào)。操縱人員

52、在雷達(dá)檢測(cè)過程中的能力, 可以用試驗(yàn)的方法來(lái)決定, 但這種試驗(yàn)只是概略的。,5.2.3 檢測(cè)性能和信噪比,1. 虛警概率Pfa 虛警是指沒有信號(hào)而僅有噪聲時(shí), 噪聲電平超過門限值被誤認(rèn)為信號(hào)的事件。噪聲超過門限的概率稱虛警概率。顯然, 它和噪聲統(tǒng)計(jì)特性、噪聲功率以及門限電壓的大小密切相關(guān)。 下面定量地分析它們之間的關(guān)系。  通常加到接收機(jī)中頻濾波器(或中頻放大器)上的噪聲是寬帶高斯噪聲, 其概率密度函

53、數(shù)由下式給出:,(5.2.8),圖 5.4 門限電平和虛警概率,2.發(fā)現(xiàn)概率Pd 為了討論發(fā)現(xiàn)概率Pd , 必須研究信號(hào)加噪聲通過接收機(jī)的情況, 然后才能計(jì)算信號(hào)加噪聲電壓超過門限的概率, 也就是發(fā)現(xiàn)概率Pd 。  下面將討論振幅為A的正弦信號(hào)同高斯噪聲一起輸入到中頻濾波器的情況。  設(shè)信號(hào)的頻率是中頻濾波器的中心頻率fIf, 包絡(luò)檢波器的輸出包絡(luò)的概率密度函數(shù)為,(5.2.14),圖 5

54、.8 用概率密度函數(shù)來(lái)說(shuō)明檢測(cè)性能,,圖 5.7 非起伏目標(biāo)單個(gè)脈沖線性檢波時(shí)檢測(cè)概率 和所需信噪比(檢測(cè)因子)的關(guān)系曲線,5.3 脈沖積累對(duì)檢測(cè)性能的改善,5.3.1 積累的效果 脈沖積累的效果可以用檢測(cè)因子D0的改變來(lái)表示。  對(duì)于理想的相參積累, M個(gè)等幅脈沖積累后對(duì)檢測(cè)因子Do的影響是:,(5.3.1),式中，Do(M)表示M個(gè)脈沖相參積累后的檢測(cè)因子。因?yàn)檫@種積累使信噪

55、比提高到M倍, 所以在門限檢測(cè)前達(dá)到相同信噪比時(shí), 檢波器輸入端所要求的單個(gè)脈沖信噪比Do(M)將減小到不積累時(shí)的Do(1)的M倍。,對(duì)于非相參積累(視頻積累)的效果分析, 是一件比較困難的事。要計(jì)算M個(gè)視頻脈沖積累后的檢測(cè)能力, 首先要求出M個(gè)信號(hào)加噪聲以及M個(gè)噪聲脈沖經(jīng)過包絡(luò)檢波并相加后的概率密度函數(shù)psn(r)和pn(r), 這兩個(gè)函數(shù)與檢波器的特性及回波信號(hào)特性有關(guān)； 然后由psn(r)和pn(r)按照同樣的方法求出Pd和Pfa

56、。,(5.3.2),(5.3.3),圖 5.9 線性檢波非起伏目標(biāo)檢測(cè)因子(所需信噪比)與 非相參脈沖積累數(shù)的關(guān)系(Pd=0.5),圖 5.10 線性檢波非起伏目標(biāo)檢測(cè)因子與非相參脈沖 積累數(shù)的關(guān)系Pd=0.9,測(cè)量目標(biāo)的距離是雷達(dá)的基本任務(wù)之一。 無(wú)線電波在均勻介質(zhì)中以固定的速度直線傳播(在自由空間傳播速度約等于光速c=3×105 km/s)。圖6.1中, 雷達(dá)位于A點(diǎn), 而在B點(diǎn)有

57、一目標(biāo), 則目標(biāo)至雷達(dá)站的距離(即斜距)R可以通過測(cè)量電波往返一次所需的時(shí)間tR得到，即,(6.0.1),而時(shí)間tR也就是回波相對(duì)于發(fā)射信號(hào)的延遲,因此, 目標(biāo)距離測(cè)量就是要精確測(cè)定延遲時(shí)間tR。根據(jù)雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的不同,測(cè)定延遲時(shí)間通常可以采用脈沖法, 頻率法和相位法。,圖6.1 目標(biāo)距離的測(cè)量,6.1 脈 沖 法 測(cè) 距,6.1.1 基本原理,在常用的脈沖雷達(dá)中, 回波信號(hào)是滯后于發(fā)射脈沖tR的回波脈沖, 如圖6.2所示。在熒光屏上目

58、標(biāo)回波出現(xiàn)的時(shí)刻滯后于主波, 滯后的時(shí)間就是tR, 測(cè)量距離就是要測(cè)出時(shí)間tR 。 回波信號(hào)的延遲時(shí)間tR通常是很短促的, 將光速c=3×105 km/s的值代入式(6.0.1)后得到,R=0.15 tR,(6.1.1),其中tR的單位為μs, 測(cè)得的距離其單位為km, 即測(cè)距的計(jì)時(shí)單位是微秒。測(cè)量這樣量級(jí)的時(shí)間需要采用快速計(jì)時(shí)的方法。早期雷達(dá)均用顯示器作為終端, 在顯示器畫面上根據(jù)掃掠量程和回波位置直接測(cè)讀

59、延遲時(shí)間。 現(xiàn)代雷達(dá)常常采用電子設(shè)備自動(dòng)地測(cè)讀回波到達(dá)的遲延時(shí)間tR。,圖6.2 具有機(jī)械距離刻度標(biāo)尺的顯示器熒光屏畫面,圖6.3 回波脈沖中心估計(jì),1. 電波傳播速度變化產(chǎn)生的誤差 如果大氣是均勻的, 則電磁波在大氣中的傳播是等速直線, 此時(shí)測(cè)距公式(6.0.1)中的c值可認(rèn)為是常數(shù)。 但實(shí)際上大氣層的分布是不均勻的且其參數(shù)隨時(shí)間、地點(diǎn)而變化。大氣密度、濕度、 溫度等參數(shù)的隨機(jī)變化, 導(dǎo)致大氣傳播介

60、質(zhì)的導(dǎo)磁系數(shù)和介電常數(shù)也發(fā)生相應(yīng)的改變, 因而電波傳播速度c不是常量而是一個(gè)隨機(jī)變量。由式(6.1.2)可知, 由于電波傳播速度的隨機(jī)誤差而引起的相對(duì)測(cè)距誤差為,(6.1.3),表6.1 在不同條件下電磁波傳播速度,1. 電波傳播速度變化產(chǎn)生的誤差,2. 因大氣折射引起的誤差 當(dāng)電波在大氣中傳播時(shí), 由于大氣介質(zhì)分布不均勻?qū)⒃斐呻姴ㄕ凵? 因此電波傳播的路徑不是直線而是走過一個(gè)彎曲的軌跡。 在正折射時(shí)電波傳播途徑為一向下彎

61、曲的弧線。 由圖6.4可看出, 雖然目標(biāo)的真實(shí)距離是R0, 但因電波傳播不是直線而是彎曲弧線, 故所測(cè)得的回波延遲時(shí)間tR=2R/c,這就產(chǎn)生一個(gè)測(cè)距誤差(同時(shí)還有測(cè)仰角的誤差Δβ):,(6.1.4),圖6.4 大氣層中電波的折射,3. 測(cè)讀方法誤差 測(cè)距所用具體方法不同, 其測(cè)距誤差亦有差別。 早期的脈沖雷達(dá)直接從顯示器上測(cè)量目標(biāo)距離, 這時(shí)顯示器熒光屏亮點(diǎn)的直徑大小、所用機(jī)械或電刻度的精度、人工測(cè)讀

62、時(shí)的慣性等都將引起測(cè)距誤差。當(dāng)采用電子自動(dòng)測(cè)距的方法時(shí), 如果測(cè)讀回波脈沖中心, 則圖6.3中回波中心的估計(jì)誤差(正比于脈寬τ而反比于信噪比)以及計(jì)數(shù)器的量化誤差等均將造成測(cè)距誤差。 自動(dòng)測(cè)距時(shí)的測(cè)量誤差與測(cè)距系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)傳遞函數(shù)、 目標(biāo)特性(包括其動(dòng)態(tài)特性和回波起伏特性)、干擾(噪聲)的強(qiáng)度等因素均有關(guān)系, 詳情可參考測(cè)距系統(tǒng)有關(guān)資料。,6.1.3 距離分辨力和測(cè)距范圍 距離分辨力是指同一方向上兩

63、個(gè)大小相等點(diǎn)目標(biāo)之間最小可區(qū)分距離。在顯示器上測(cè)距時(shí), 分辨力主要取決于回波的脈沖寬度τ, 同時(shí)也和光點(diǎn)直徑d所代表的距離有關(guān)。如圖6.5所示的兩個(gè)點(diǎn)目標(biāo)回波的矩形脈沖之間間隔為τ+d/υn, 其中υn為掃掠速度, 這是距離可分的臨界情況, 這時(shí)定義距離分辨力Δrc為,式中, d為光點(diǎn)直徑; υn為光點(diǎn)掃掠速度(cm/μs)。,圖6.5 距離分辨力,6.1.4 判距離模糊的方法 1. 多種重復(fù)頻率判模糊

64、 設(shè)重復(fù)頻率分別為fr1和fr2, 它們都不能滿足不模糊測(cè)距的要求。fr1和fr2具有公約頻率，其為fr,,N和a為正整數(shù), 常選a=1, 使N和N+a為互質(zhì)數(shù)。fr的選擇應(yīng)保證不模糊測(cè)距。 雷達(dá)以fr1和fr2的重復(fù)頻率交替發(fā)射脈沖信號(hào)。通過記憶重合裝置, 將不同的fr發(fā)射信號(hào)進(jìn)行重合, 重合后的輸出是重復(fù)頻率fr的脈沖串。同樣也可得到重合后的接收脈沖串, 二者之間的時(shí)延代表目標(biāo)的真實(shí)距離, 如圖6.6(a)所示。,以

65、二重復(fù)頻率為例,,n1, n2分別為用fr1和fr2測(cè)距時(shí)的模糊數(shù)。當(dāng)a=1時(shí), n1和n2的關(guān)系可能有兩種, 即n1=n2或n1=n2+1, 此時(shí)可算得,或,如果按前式算出tR為負(fù)值, 則應(yīng)用后式。,6.2 調(diào) 頻 法 測(cè) 距,6.2.1 調(diào)頻連續(xù)波測(cè)距 調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)的組成方框圖如圖6.7所示。發(fā)射機(jī)產(chǎn)生連續(xù)高頻等幅波, 其頻率在時(shí)間上按三角形規(guī)律或按正弦規(guī)律變化, 目標(biāo)回波和發(fā)射機(jī)直接耦合過來(lái)的信號(hào)加到接收機(jī)混頻器內(nèi)

66、。在無(wú)線電波傳播到目標(biāo)并返回天線的這段時(shí)間內(nèi), 發(fā)射機(jī)頻率較之回波頻率已有了變化, 因此在混頻器輸出端便出現(xiàn)了差頻電壓。 后者經(jīng)放大、限幅后加到頻率計(jì)上。由于差頻電壓的頻率與目標(biāo)距離有關(guān), 因而頻率計(jì)上的刻度可以直接采用距離長(zhǎng)度作為單位。,圖6.7 調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)方框圖,1. 三角形波調(diào)制 發(fā)射頻率按周期性三角形波的規(guī)律變化, 如圖6.8所示。 圖中ft是發(fā)射機(jī)的高頻發(fā)射頻率, 它的平均頻率是ft0, ft0變化的周

67、期為Tm 。通常ft0為數(shù)百到數(shù)千兆赫, 而Tm為數(shù)百分之一秒。f r為從目標(biāo)反射回來(lái)的回波頻率, 它和發(fā)射頻率的變化規(guī)律相同, 但在時(shí)間上滯后tR, tR=2R/c。發(fā)射頻率調(diào)制的最大頻偏為±Δf, fb為發(fā)射和接收信號(hào)間的差拍頻率, 差頻的平均值用fbav表示。,圖6.8 調(diào)頻雷達(dá)工作原理示意圖,3. 調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)的特點(diǎn) 調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)是: (1) 能測(cè)量很近的距離, 一般可測(cè)到數(shù)米

68、, 而且有較高的測(cè)量精度。 (2) 雷達(dá)線路簡(jiǎn)單, 且可做到體積小、 重量輕, 普遍應(yīng)用于飛機(jī)高度表及微波引信等場(chǎng)合。,它的主要缺點(diǎn)是: (1) 難于同時(shí)測(cè)量多個(gè)目標(biāo)。如欲測(cè)量多個(gè)目標(biāo), 必須采用大量濾波器和頻率計(jì)數(shù)器等, 使裝置復(fù)雜，從而限制其應(yīng)用范圍。 (2) 收發(fā)間的完善隔離是所有連續(xù)波雷達(dá)的難題。發(fā)射機(jī)泄漏功率將阻塞接收機(jī), 因而限制了發(fā)射功率的大小。發(fā)射機(jī)噪聲的泄漏會(huì)直接影

69、響接收機(jī)的靈敏度。,7.1 概 述,為了確定目標(biāo)的空間位置, 雷達(dá)在大多數(shù)應(yīng)用情況下, 不僅要測(cè)定目標(biāo)的距離, 而且還要測(cè)定目標(biāo)的方向, 即測(cè)定目標(biāo)的角坐標(biāo), 其中包括目標(biāo)的方位角和高低角(仰角)。  雷達(dá)測(cè)角的物理基礎(chǔ)是電波在均勻介質(zhì)中傳播的直線性和雷達(dá)天線的方向性。  由于電波沿直線傳播, 目標(biāo)散射或反射電波波前到達(dá)的方向, 即為目標(biāo)所在方向。 但在實(shí)際情況下, 電波并不是在理想均勻的介質(zhì)中傳播