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1、第第7 7章章 基于雷达的测控技术基于雷达的测控技术主要内容p雷达基本概念雷达基本概念p雷达基本组成雷达基本组成p雷达测量原理雷达测量原理p典型雷达系统典型雷达系统7.1 雷达基本概念雷达基本概念 Radar（RadioDetectionandRanging）是无线电探测和测距，即用无线电方法发现目标并测定它们在空间的位置。它的基本任务是探测目标。雷达是利用目标对电磁波的反射现象来发现目标并测定其位置的。雷达接收机将天线接收到的微弱回波加以放大，然后将射频信息转换成视频或数字信号，经处理得出所需目标的多种信息。7.1 雷达基本概念雷达基本概念雷达探测原理7.1 雷达基本概念雷达基本概念目标位置
2、的极坐标表示7.1.1 基本雷达方程基本雷达方程设雷达发射功率为，雷达天线的增益为，则在自由空间工作时，距离雷达天线为R 的目标处的功率密度为用目标的散射截面积来表征其放射特性，表示目标被雷达“看见”的尺寸。若假定目标可将接收到的功率无损耗地辐射出来，则可得到由目标散射的功率为7.1.1 基本雷达方程基本雷达方程假设均匀辐射，在接收天线处收到的回波功率密度为如果雷达接收天线的有效接收面积为A，则在雷达接收处接收回波功率为7.1.1 基本雷达方程基本雷达方程天线增益和有效面积之间有以下关系：式中为所用波长，则接收回波功率可写成如下形式：7.1.1 基本雷达方程基本雷达方程当接收到的功率正好等于最
3、小可检测信号功率时，就可得到雷达检测该目标的最大作用距离。它们的关系式可以表达为：7.1.1 基本雷达方程基本雷达方程或和7.1.2 雷达工作波段雷达工作波段米波段：对空警戒雷达。分米波段：对空监视雷达、舰载雷达，可目标跟踪。厘米波段：武器火控系统，体积小、精度高。毫米波段：机载雷达，天线小、精度高、分辨率高。激光波段：多用于测距和测绘系统。良好的距离和角度分辨力。7.2 雷达基本组成雷达基本组成主要由天线、发射机、接收机、信号处理机、同步设备和终端设备等组成 1.发射机：产生辐射所需强度的脉冲功率，波形是脉冲宽度为t而周期为T的高频脉冲串。2.天线：将波束幅射到空间。天线具有很强的方向性，以
4、便集中辐射能量获得较大的观距离。7.2 雷达基本组成雷达基本组成3.接收机：把微弱的回波信号放大到足以进行信号处理的电平，同时尽量减小接收机的内部噪声，以保证接收机的高灵敏度。4.同步设备：雷达机的频率和时间标准。5.信号处理机：消除不需要的信号（如杂波）及干扰，通过或加强由目标产生的回波信号。信号处理是在做出检测判决之前完成的。雷达发射机雷达发射机为雷达提供一个载波受到调制的大功率射频号。雷 达 发 射 机 有 单 级 振 荡 式 和 主 振 放 大 式 两 类。分为 1.单级振荡式发射机 2.主振放大式发射机 雷达发射机雷达发射机1.单级振荡式发射机 雷达发射机雷达发射机2.主振放大式发射
5、机 雷达发射机雷达发射机主振放大式发射机的结构主振放大式发射机是由多级组成。固体微波源代表主控振荡器，是一个比较复杂的系统.一般由振荡器、倍频器及变频器等构成射频放大电路。射频放大电路一般由二至三级射频功率放大器级联组成，对于脉冲雷达而言，各级功率放大器都要受到各自脉冲调制器的控制，并且还要有定时器协调它们的工作。雷达接收机雷达接收机通过适当的滤波将天线上接收到的微弱高频信号从伴随的噪声和干扰中选择出来，并经过放大和检波后，送至显示器、信号处理器或由计算机控制的雷达终端设备。雷达接收机雷达接收机1.超外差式雷达接收机的组成7.2.3 目标显示与数据记录目标显示与数据记录1.雷达终端显示器距离显
6、示器：显示目标的斜距坐标，它是一维空间显示器，用光点在荧光屏上偏转的振幅来表示目标回波小。A型显示器为直线扫描，主波与回波之间的扫描线长代表目标的斜距。J型显示器是圆周扫描。AR型显示器有两条扫描线。7.2.3 目标显示与数据记录目标显示与数据记录平面显示器：显示雷达目标的斜距和方位两个坐标，是二维显示器，用平面上的亮点位置来表示目标的坐标。P显：平面显示器提供了360度范围内全部平面信息，所以也叫全景显示器或环视显示器。B显：用直角坐标来显示距离和方位。横坐标表示方位，纵坐标表示距离。通常方位角不是取整个360，而是取其中的某一段。7.2.3 目标显示与数据记录目标显示与数据记录2.雷达数据
7、的录取主要包括：测量并录取目标坐标和其它参数。录取方法有半自动录取和全自动录取。半自动录取由人工通过显示器来发现目标，然后由人工操纵录取设备，利用编码器把目标的坐标记录下来。7.2.3 目标显示与数据记录目标显示与数据记录半自动录取系统方框图7.2.3 目标显示与数据记录目标显示与数据记录全自动录取7.3.1 目标距离的测量目标距离的测量测距公式如下根据雷达发射信号的不同，测定延迟时间通常可以采用脉冲法、频率法和相位法。7.3.1 目标距离的测量目标距离的测量1.脉冲法测距基本原理在脉冲雷达中，回波信号是滞后发射脉冲的回波脉冲。在荧光屏上目标回波出现的时刻滞后于主波，滞后的时间就是测量距离所需
8、时间。测量距离就是要测出时间。现代雷达常常采用电子设备自动测读回波到达的迟延时间。目标距离的测量目标距离的测量2.调频法测距调频法测距可以用于连续波雷达，也可用于脉冲雷达。基本原理（以连续波为例）发射机产生连续高频等幅波，目标回波和发射机直接耦合过来的信号加到接收机混频器内。发射机频率与回波频率的变化使混频器输出端便出现差频电压。差频电压的频率与目标距离有关。目标距离的测量目标距离的测量调频连续波雷达的组成框图 目标距离的测量目标距离的测量用正弦波对连续载频进行调频时 发射信号可表示为发射频率为 目标距离的测量目标距离的测量目标反射回来的回波电压滞后一个时间T，可表示为：接收信号与发射信号在混
9、频器中外差后其差频电压为：为调制频率，为频率偏移量。目标距离的测量目标距离的测量一般情况下均满足所以差额频率值和目标距离R成比例且随时间作余弦变比。目标距离的测量目标距离的测量3.距离跟踪原理（以脉冲法测距为例）测距时需要对目标距离作连续的测量，称为距离跟踪人工距离跟踪采用移动的电刻度作为时间基准。由操纵员将电刻度对准目标回波并从控制器度盘或计数器上读出准确时延以获得目标的距离。移动的电刻度的产生是准确测量的关键，方法有锯齿电压波法和相位法。目标距离的测量目标距离的测量自动距离跟踪使电移动指标自动地跟踪目标回波并连续地给出目标距离数据。7.3.2 目标角度的测量目标角度的测量测量内容：目标角坐
10、标的测定包括目标方位角和高低角（仰角）的测量。物理基础：电波在均匀介质中传播的直线性和雷达天线的方向性。测量方法：分为相位法和振幅法误差因素：各种情况下的电波传播路径的偏折。7.3.2 目标角度的测量目标角度的测量1.相位测角法相位法测角利用多个天线所接收回波信号之间的相位差进行测角。7.3.2 目标角度的测量目标角度的测量为波程差，为雷达波长两天线所收到的信号由于波程差产生的相位差为7.3.2 目标角度的测量目标角度的测量由于在较低频率上容易实现比相，故通常将两天线收到的高频信号经过与同一本振信号差频后，在中频进行比相设两高频信号为本振信号为为两信号的相位差，为本振信号初相。7.3.2 目标
11、角度的测量目标角度的测量两高频信号与中频信号的差频分别是7.3.2 目标角度的测量目标角度的测量相位法测角的方框图7.3.2 目标角度的测量目标角度的测量通过测量相位差求解角会产生测角误差，误差如下采用读数精度高（小）的相位计，或减小值，均可提高测角精度。当时，即目标处在天线法线方向时，测角误差最小。7.3.2 目标角度的测量目标角度的测量2.振幅法测角振幅法测角是用天线收到的回波信号幅度值来做角度测量的，分为最大信号法和等信号法两大类。最大信号法 原理：当天线波束在一定范围内作匀角速扫描时，对共用收发天线的单基地脉冲雷达而言，找出脉冲串的最大值（中心值），该时刻波束轴线指向即目标所在方向。7
12、.3.2 目标角度的测量目标角度的测量处理方法：测读时可先将回波脉冲串进行二进制量化，其振幅超过门限时取1时，否则取0。可根据出现1和消失1的时刻，方便且精确地找出回波脉冲串“开始”和“结束”时的角度，两者的中间值就是目标的方向。最大信号法测角的优缺点：优点：简单；信噪比最大，利于检测发现目标。缺点：是直接测量时测量精度不很高。7.3.2 目标角度的测量目标角度的测量等信号法采用两个相同且彼此部分重叠的波束。如果目标在两波束的交叠轴OA方向，则由两波束收到的信号强度相等。比较两个波束回波的强弱就可以判断目标偏离等信号轴的方向。7.3.2 目标角度的测量目标角度的测量设天线电压方向性函数为，等信
13、号轴OA指向则波束1、2的方向性函数可分别写成：为波束最大值方向与的偏角。则，波束1，2接收到的回波电压值为为目标方向偏离等信号轴的角度。对和信号进行处理，就可以获得目标方向信息。7.3.2 目标角度的测量目标角度的测量两个波束可以同时存在，若用两套相同的接收系统同时工作，称为同时波瓣法。两波束也可以交替出现，或只要其中一个波束，使它绕OA轴旋转，只用一套接收系统工作，称为顺序波瓣法。等信号法的主要优缺点测角精度比最大信号法高。便于自动测角。测角系统较复杂。等信号轴方向不是方向图的最大值方向，故发射功率相同的条件下，作用距离比最大信号法小些。7.3.3 运动目标检测与测速运动目标检测与测速 物
14、理原理区分运动目标和固定杂波的基础是它们在速度上的差别。由于运动速度不同，引起回波信号频率产生的多普勒频移不相等，因此可以从频率上区分不同速度目标的回波。7.3.3 运动目标检测与测速运动目标检测与测速1.多普勒效应多普勒效应是指当发射源和接收者之间有相对径向运动时，接收到的信号频率将发生变化。连续波信号的多普勒效应设雷达发射信号为：雷达发射站接收到的由目标反射的回波信号为：7.3.3 运动目标检测与测速运动目标检测与测速回波与发射信号之间有固定相位差当目标与雷达站之间有相对匀速运动时，距离函数为因为雷达和目标间的相对运动速度远小于电磁波速度c，故时延可以近似为：7.3.3 运动目标检测与测速
15、运动目标检测与测速回波信号与发射信号的高频相位差为在径向速度为常数时，产生的频率差为这就是多普勒频率，它正比于相对运动的速度而反比于工作波长。当目标飞向雷达站时，多普勒频率为正值；当目标背离雷达站飞行时，多普勒频率为负值。7.3.3 运动目标检测与测速运动目标检测与测速窄带信号的多普勒效应常用雷达信号为窄带信导，其发射信号可以表示为同理7.3.3 运动目标检测与测速运动目标检测与测速2.多普勒信息的提取连续波多普勒雷达为取出收发信号频率的差频，可以在接收机检波器输入端引入发射信号作为基准电压，在检波器输出端即可得到收发频率的差额电压，即多普勒频率电压。完成差额比较的检波器称为相干滤波器，这是一
16、种相位检波器。7.3.3 运动目标检测与测速运动目标检测与测速连续波多普勒雷达的原理组成框图7.3.3 运动目标检测与测速运动目标检测与测速脉冲多普勒雷达运动目标回波信号中产生一个附加的多普勒频率分量仅在脉冲宽度时间内按重复周期出现。脉冲多普勒雷达7.3.3 运动目标检测与测速运动目标检测与测速脉冲雷达的特殊问题 盲速：目标虽然有一定的径向速度，但若回波信号经过相位检波器后，输出为一串等幅脉冲与固定目标的回波相同。这时的目标运动速度称为盲速。频闪效应：当脉冲工作状态时，相位检波器输出端回波脉冲串的包络调制频率和目标运动的径向速度不再保持正比关系。此时如用包络调制频率测速时将产生测速模糊。产生盲
17、速和频闪效应的基本原因在于脉冲工作状态是对连续发射的取样，取样后波形和频谱均将发变化。7.3.3 运动目标检测与测速运动目标检测与测速3.速度测量方法1:测量确定时间间隔的距离变化量方法2:准确地测出多普勒频移的数值和正负连续波雷达测速为了提取出多普勒频率信息，需要使用低通滤波器。7.3.3 运动目标检测与测速运动目标检测与测速脉冲雷达测速与连续雷达测速的相同点：同时测量多个目标的速度需多个匹配多普勒频率的窄带滤波器。脉冲雷达测速时特有的问题：取样使信号频谱和对应窄带滤波器的频响周期重复出现，引起测速模糊。所以，要保证：为目标回波的最大多普勒频移；为雷达重复频率7.4 典型雷达系统典型雷达系统
18、1.脉冲多普勒雷达脉冲多普勒雷达，是应用多普勒效应并以频谱分离技术抑制各类背景杂波的脉冲雷达。机载脉冲多普勒雷达具有下视的功能，是截击机火控系统重要组成部分。可测量和分辨距离，并测量和分辨速度。7.4 典型雷达系统典型雷达系统2.合成孔径雷达 思路：可以先在第一个振元发射和接收，然后依次在其他振元上发射和接收，并把在每个振元上接收的回波信号全部存储并叠加，其效果就类似于长线阵同时发、收。天线构成：使用小天线沿着长线阵的轨迹等速移动从而获得一个相当于很长线阵的方位（横向）高分辨力。7.4 典型雷达系统典型雷达系统合成孔径雷达的概念合成孔径雷达就是用雷达与目标的相对运动把尺寸较小的真实天线孔径用数
19、据处理的方法合成一较大的雷达。逆合成孔径雷达（ISAR）：在一定条件下雷达固定而目标物体运动时获得目标清晰图像的理论和方法。7.4 典型雷达系统典型雷达系统合成孔径雷达的特点高分辨能力:SAR最值得推崇的优越之处远距离探测能力：SAR具有防区外探测能力全天候成像：能昼夜工作并穿透尘埃等障碍具有穿透性的观察视场：具有树叶穿透能力的较低频率的SAR也在发展之列7.4 典型雷达系统典型雷达系统SAR基本工作原理SAR有两种工作方式，一种是对回波信号作聚焦处理回波信号作聚焦处理，另一种是非聚焦处理非聚焦处理。如果在接收机信号处理时，对不同距离的球面波前分别予以相位补偿，则对应于这样的处理称为聚焦处理。
20、此时的方向分辨力为：此时的横向线分辨力与目标距离R无关，且与实际天线尺寸D成正比，这是完全不同于实际孔径天线的。7.4 典型雷达系统典型雷达系统具有代表性的合成孔径雷达聚束模式SAR聚束模式SAR，使波束始终“聚焦”照射在同一目标区域，可得到较高的方位分辨率。美国密执安环境研究所（ERIM）与空军共同开发聚束SAR数据采集系统，可以在几百米到几千米的区域范围内，获得距离和方位分辨率均达到1m的高分辨率图像。ERIM与海军联合开发的P3ASAR系统，方位分辨率达到0.66m。APG-76雷达也有聚束SAR模式操作，方位分辨率1m。7.4 典型雷达系统典型雷达系统2.干涉式合成孔径雷达采用IFSAR技术实现了对目标的三维测量。获得数据的方式有：在一架飞机上使用两副天线；用一副天线进行重复轨迹飞行。通过使用SAR相位测量来推断同一平面的两个或更多SAR图像间的距离差和距离变化，从而产生非常精确的地形表面剖面图。END