雷達(dá)基本理論與基本原理

1、雷達(dá)基本理論與基本原理一、 雷達(dá)的基本理論1、雷達(dá)工作的基本過程發(fā)射機(jī)產(chǎn)生電磁信號，由天線輻射到空中，發(fā)射的信號一部分被目標(biāo)攔截并向許多方向再輻射。向后再輻射回到雷達(dá)的信號被天線采集，并送到接受機(jī)，在接收機(jī)中，該信號被處理以檢測目標(biāo)的存在并確定其位置,最后在雷達(dá)終端上將處理結(jié)果顯示出來。2、雷達(dá)工作的基本原理一般來說，會通過雷達(dá)信號到目標(biāo)并從目標(biāo)返回雷達(dá)的時間，得到目標(biāo)的距離。目標(biāo)的角度位置可以根據(jù)收到的回波信號幅度為最大時，窄波束寬度雷達(dá)天線所指的方向而獲得。如果目標(biāo)是運(yùn)動的，由于多普勒效應(yīng)，回波信號的頻率會漂移。該頻率的漂移與目標(biāo)相對于雷達(dá)的速度成正比，根據(jù),即可得到目標(biāo)的速度。3、雷達(dá)的

2、主要性能參數(shù)和技術(shù)參數(shù)3.1 雷達(dá)的主要性能參數(shù)3.1.1 雷達(dá)的探測范圍雷達(dá)對目標(biāo)進(jìn)行連續(xù)觀測的空域，叫做探測范圍，又稱威力范圍，取決于雷達(dá)的最小可測距離和最大作用距離，仰角和方位角的探測范圍。3.1.2 測量目標(biāo)參數(shù)的精確度和誤差精確度高低用測量誤差的大小來衡量，誤差越小，精確度越高，雷達(dá)測量精確度的誤差通常可以分為系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差和疏失誤差。3.1.3 分辨力指雷達(dá)對兩個相鄰目標(biāo)的分辨能力?？煞譃榫嚯x分辨力、角分辨力（方位分辨力和俯仰角分辨力）和速度分辨力。距離分辨力的定義：第一個目標(biāo)回波脈沖的后沿與第二個目標(biāo)回波脈沖的前沿相接近以致不能分辨出是兩個目標(biāo)時，作為可分辨的極限，這個極限距

3、離就是距離分辨力：。因此，脈寬越小，距離分辨力越好3.1.4數(shù)據(jù)率雷達(dá)對整個威力范圍完成一次探測所需時間的倒數(shù)。3.1.5 抗干擾能力指雷達(dá)在自然干擾和人為干擾（主要的是敵方干擾（有源和無源）條件下工作的能力。3.1.6 雷達(dá)可靠性分為硬件的可靠性（一般用平均無故障時間和平均修復(fù)時間衡量）、軟件可靠性和戰(zhàn)爭條件下雷達(dá)的生存能力。3.1.7 體積和重量體積和重量決定于雷達(dá)的任務(wù)要求、所用的器件和材料。3.1.8 功耗及展開時間功耗指雷達(dá)的電源消耗總功率。展開時間指雷達(dá)在機(jī)動中的架設(shè)和撤收時間。3.1.9 測量目標(biāo)坐標(biāo)或參數(shù)的數(shù)目目標(biāo)坐標(biāo)是指目標(biāo)的方位、斜距和仰角，此外，還指目標(biāo)的速度和性質(zhì)（機(jī)型

4、、架數(shù)、敵我）。對于邊掃描邊跟蹤雷達(dá)，還指跟蹤目標(biāo)批數(shù)，航跡建立的正確率。3.2 雷達(dá)的主要技術(shù)參數(shù)3.2.1 工作頻率和工作帶寬雷達(dá)工作頻率主要根據(jù)目標(biāo)的特性、電波傳播條件、天線尺寸、高頻器件的性能以及雷達(dá)的測量精確度和功能等要求來決定3.2.2 發(fā)射功率分為脈沖功率和平均功率，雷達(dá)在發(fā)射脈沖信號期間所輸出的功率稱為脈沖功率，平均功率指一個重復(fù)周期內(nèi)，發(fā)射機(jī)輸出功率的平均值。3.2.3 調(diào)制波形、脈沖寬度和重復(fù)頻率現(xiàn)代雷達(dá)則采用多種調(diào)制波形以供選擇。脈沖寬度指發(fā)射脈沖信號的持續(xù)時間。脈沖重復(fù)頻率指雷達(dá)每秒發(fā)射的射頻脈沖個數(shù)，其倒數(shù)叫脈沖重復(fù)周期。3.2.4 天線的波束形狀、增益和掃描方式天線

5、的波束形狀一般用水平和垂直面內(nèi)的波束寬度來表示。天線增益用表示。天線的主瓣在雷達(dá)的探測空域內(nèi)以一定的規(guī)律運(yùn)動，叫做掃描。3.2.5 接受機(jī)的靈敏度指雷達(dá)接受微弱信號的能力，用接受機(jī)載一定的噪聲電平時所能感知的輸入功率的大小來表示。3.2.6 終端裝置和雷達(dá)輸出數(shù)據(jù)的形式3.2.7 電源供應(yīng)飛機(jī)和船舶上的雷達(dá)，為減輕重量，常常采用高頻的交流電源。4、 雷達(dá)方程與目標(biāo)檢測5、 4.1基本雷達(dá)方程：4.2雷達(dá)方程的討論：4.2.1提高雷達(dá)作用距離的途徑：（1) 盡可能選用大孔徑天線，即加大天線的有效面積或增益，但因此會 影響雷達(dá)的抗風(fēng)能力設(shè)計，機(jī)動能力設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計等；（2) 提高發(fā)射功率，但因此可

6、能會出現(xiàn)高壓打火以及增加設(shè)備的重量和體積等問題；（3) 盡可能提高接收機(jī)的靈敏度，但也可能出現(xiàn)抗噪聲性能下降等問題；（4) 盡可能降低系統(tǒng)的傳輸損耗L。4.2.2其他因素（1) 最小可檢測信號的統(tǒng)計特性；（2) 目標(biāo)雷達(dá)反射面積的統(tǒng)計特性；（3) 地球表面或大氣傳播的精確特性；（4) 雷達(dá)本身可能存在的各種損耗。4.3 對雷達(dá)方程的進(jìn)一步討論4.3.1檢測因子：檢測目標(biāo)信號所需的最小輸出信噪比，用表示，其中：為信號能量。4.3.2用檢測因子和能量表示雷達(dá)方程波爾茲曼常數(shù) 系統(tǒng)等效噪聲溫度 噪聲系數(shù) 檢測因子 帶寬校正因子優(yōu)點：1、當(dāng)雷達(dá)在檢測目標(biāo)之前有多個脈沖可以積累時，由于積累可改善信噪比，

7、故此時檢波器輸入端的檢測因子將隨脈沖個數(shù)的增加而下降，因此可以表明雷達(dá)作用距離和脈沖累計數(shù)之間的簡明關(guān)系，可計算和繪制出標(biāo)準(zhǔn)曲線供查用。2、用能量表示的雷達(dá)方程適用于當(dāng)雷達(dá)使用各種復(fù)雜脈壓信號的情況只要知道脈沖功率計發(fā)射脈寬就可以用來估算作用距離而不必考慮具體的波形參數(shù)。4.4 噪聲中的信號檢測4.4.1信號檢測的基本準(zhǔn)則在信號檢測中， 信號統(tǒng)計檢測理論主要可分為貝葉斯準(zhǔn)則和派生貝葉斯準(zhǔn)則，其中派生貝葉斯準(zhǔn)則主要又包括：最小平均錯誤概率準(zhǔn)則、最大后驗概率準(zhǔn)則、極小化極大準(zhǔn)則和奈曼-皮爾遜準(zhǔn)則。4.4.2門限檢測雷達(dá)信號的檢測過程一般包括包絡(luò)檢波、門限、檢測判決三個步驟，包絡(luò)檢波從雷達(dá)信號中濾去

8、載頻信號，解調(diào)出包絡(luò)信號。經(jīng)檢波和放大后，然后與一個門限值進(jìn)行比較，如果接收機(jī)信號超過該門限，則判定目標(biāo)存在。4.4.3雷達(dá)脈沖的積累雷達(dá)對多個脈沖的檢測結(jié)果求和，稱為脈沖積累。脈沖積累可以改變檢測因子，即改善檢測信噪比。如果脈沖積累是在檢波之前完成的，由于此時考慮了信號的相位關(guān)系，稱為相參積累。反之，則稱為非相參積累，在理想狀況下，相參積累時的信噪比將改善N倍，其中表示N各脈沖相參積累時的信噪比，表示單個脈沖檢測的信噪比。與相參積累相比，非相參積累有一個信噪比損失，稱作積累效率，定義如下：，另，積累損耗與積累效率的關(guān)系為：。4.5 虛警概率和檢測概率4.5.1虛警概率其中，表示檢波器輸出的噪

9、聲電壓概率密度表示相鄰兩次虛警的間隔時間，表示噪聲電平超過門限的持續(xù)時間。4.5.2檢測概率其中，為檢波器輸出信號加噪聲電壓概率密度函數(shù)，為門限。4.5.3提高檢測概率的方法（1) “N次掃描檢測到M次”準(zhǔn)則；（2) 航跡建立作為檢測準(zhǔn)則；（3) 累計檢測概率：N次掃描至少有一次檢測到目標(biāo)的概率。4.6 恒虛警檢測基本原理：根據(jù)檢測單元附近的參考單元估計背景雜波的能量并依此調(diào)整門限，從而使雷達(dá)信號檢測滿足奈曼皮爾遜準(zhǔn)則（在錯誤判決概率的約束條件下，使正確判決概率最大的準(zhǔn)則）、5、雷達(dá)波形與信號處理5.1 匹配濾波器5.1.1 頻率響應(yīng)函數(shù)：5.1.2 沖擊響應(yīng)函數(shù)：；5.1.3 最大輸出峰值信

10、噪比（對于正弦載頻調(diào)制的矩形脈沖，平均功率意義下的峰值信噪比為）；5.1.4對于高斯白噪聲，它是最佳濾波器，輸出的瞬時信噪比最大，且等于輸入的信噪比；5.1.5對于有色噪聲，其頻率響應(yīng)函數(shù)為： 5.2 雷達(dá)模糊度函數(shù)當(dāng)目標(biāo)信號實際到達(dá)時刻與匹配濾波器設(shè)定的時刻存在一個時間差，信號的多普勒頻率與匹配濾波器設(shè)定的多普勒頻率之間存在一個頻率差時，目標(biāo)回波輸出同設(shè)定的匹配接收機(jī)輸出之間的失配程度叫做雷達(dá)模糊度函數(shù)，并記為：通過對雷達(dá)模糊度函數(shù)的分析，我們可以知道雷達(dá)能夠在何種程度上將兩個距離相差，在徑向速度上相差的目標(biāo)分開。也就是說，雷達(dá)對于目標(biāo)距離和速度的分辨率和可能的模糊度有多大。二、雷達(dá)的基本組

11、成1、雷達(dá)天線1.1天線的作用雷達(dá)天線的作用主要分為兩個方面：（1）、將雷達(dá)發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的高能量電磁波輻射（有一定的方向性）向外部自由空間；（2）、接受目標(biāo)的回波（包括外部噪聲）。1.2天線的主要參數(shù)1.2.1天線的效率：將高頻電流轉(zhuǎn)化為電磁波能量的有效程度（短波損耗?。?.2.2天線的方向性系數(shù)輻射功率相等時，某天線的最大輻射方向與各向同性天線的功率通量密度的比值，或者在該條件下，場強(qiáng)平方的比值。此外，也可以定義為其最大輻射方向的同一接收點場強(qiáng)相同的條件下，各向同性天線的輻射功率與定向天線的總功率的比值。1.2.3 天線的增益與前兩個參數(shù)類似1.2.4 天線的有效面積天線最大接收面積對準(zhǔn)來波方

12、向接收，且負(fù)載與天線完全匹配時，天線向負(fù)載輸出的功率假設(shè)為，設(shè)想此功率是由一塊與來波方向垂直的面積接收，這個面積就叫做天線的有效面積。1.2.5 天線的波束寬度：半功率點處的波束寬度。1.2.6 天線的工作帶寬2、 雷達(dá)發(fā)射機(jī)2.1 雷達(dá)發(fā)射機(jī)的作用產(chǎn)生所需強(qiáng)度的高頻脈沖信號，并將高頻信號饋送到天線發(fā)射出去。2.2 雷達(dá)發(fā)射機(jī)的分類及特點2.2.1單極振蕩式發(fā)射機(jī) 上圖是單極振蕩式發(fā)射機(jī)組成框圖，其結(jié)構(gòu)簡單，比較輕便，效率較高，成本低，但是頻穩(wěn)性差，難以產(chǎn)生復(fù)雜的信號波形，相繼的射頻脈沖信號之間的相位不相等，難以滿足脈沖壓縮，脈沖多普勒等現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)的要求。2.2.2主振放大式發(fā)射機(jī)上圖是主振

13、放大式發(fā)射機(jī)組成框圖，主振放大式發(fā)射機(jī)具有很高的頻率穩(wěn)定度，可以發(fā)射相位相參信號，能產(chǎn)生復(fù)雜的調(diào)制波形，并且適用于頻率捷變雷達(dá)。2.3 雷達(dá)發(fā)射機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo) 2.3.1工作頻率和射頻帶寬工作頻率和雷達(dá)的工作能力和抗干擾性能有關(guān)，射頻帶寬和雷達(dá)的距離分辨率有關(guān)。2.3.2輸出功率影響雷達(dá)的威力和抗干擾能力。2.3.3總效率發(fā)射機(jī)的輸出功率與輸入總功率之比。對于減輕整機(jī)的體積與重量很有意義。2.3.4調(diào)制形式根據(jù)雷達(dá)體制的不同選擇不同的調(diào)制方式。2.3.5信號穩(wěn)定度與譜純度信號的穩(wěn)定度指信號的各項參數(shù)是否隨時間做不應(yīng)有的起伏變化，可分為規(guī)律不穩(wěn)定和隨機(jī)不穩(wěn)定兩類。信號穩(wěn)定度在頻域即稱信號的譜純

14、度。3、 雷達(dá)接收機(jī)3.1 雷達(dá)接收機(jī)的作用和分類雷達(dá)接收機(jī)可分為超外差式、超再生式、晶體視放式和調(diào)諧高頻式四類。其中超外差式具有靈敏度高、增益高、選擇性好和適用性廣等優(yōu)點，是應(yīng)用最為廣泛的一種接收體制。3.2 超外差式接收機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)3.2.1靈敏度接收微弱信號的能力，通常用最小可檢測信號表示。3.2.2工作頻帶寬度表示瞬時工作頻率范圍，主要決定于高頻器件的性能，接收機(jī)的工作頻帶較寬時，必須選擇較高的中頻，以減少混頻器輸出的寄生響應(yīng)對接收機(jī)的性能產(chǎn)生影響。3.2.3動態(tài)范圍接收機(jī)正常工作時所容許的輸入信號強(qiáng)度變化的范圍。使接收機(jī)出現(xiàn)過載時的輸入功率與最小可檢測信號的功率之比，叫做動態(tài)范圍

15、。3.2.4中頻的選擇和濾波特性減小接收機(jī)噪聲的關(guān)鍵因素是中頻的濾波特性，如果中頻的帶寬大于回波信號的帶寬，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帶寬窄，波形將失真且能量會損失。3.2.5工作的穩(wěn)定性和頻率穩(wěn)定度指環(huán)境因素、電源電壓等條件發(fā)生改變時，接收機(jī)的各項參數(shù)收到影響的程度。3.2.6抗干擾能力現(xiàn)代雷達(dá)接收機(jī)需具備多種抗干擾電路，以適應(yīng)現(xiàn)代電子戰(zhàn)和復(fù)雜電磁干擾環(huán)境。3.2.7噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)越小，接收機(jī)的噪聲性能越好。4、相參雷達(dá)系統(tǒng)相參雷達(dá)是指雷達(dá)發(fā)射波形的相位之間具有確定的關(guān)系或具有統(tǒng)一的參考基準(zhǔn)，多數(shù)現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)需要對目標(biāo)回波進(jìn)行多普勒效應(yīng)或脈沖壓縮處理，必須采用相參

16、雷達(dá)系統(tǒng)。相參脈沖雷達(dá)中各電路節(jié)點的信號波形示意圖4.1振蕩頻率源4.1.1基準(zhǔn)振蕩器（RO）基準(zhǔn)振蕩器的頻率極其穩(wěn)定，它提供雷達(dá)工作所需的基準(zhǔn)參考頻率，并為雷達(dá)系統(tǒng)中的其他電路提供基準(zhǔn)的時鐘信號。4.1.2相干振蕩器（COHO）有基準(zhǔn)振蕩器驅(qū)動，其工作頻率為,且一般情況下，其中為載頻，由用戶給定。4.1.3穩(wěn)定本機(jī)振蕩器（STALO）通過基準(zhǔn)振蕩器驅(qū)動來獲得最大的頻率穩(wěn)定度，其工作頻率為。4.2波形調(diào)制雷達(dá)信號時經(jīng)過調(diào)制的射頻信號，因調(diào)制信號的不同而得到不同的雷達(dá)波形。波形發(fā)生器接收到波形信息后，與相干振蕩器輸出的中頻信號經(jīng)混頻器混頻后，產(chǎn)生低功率的、具有所需發(fā)射波形的中頻信號，在上圖中，沖

17、相干振蕩器來得中頻信號（頻率為，帶寬為0）同帶寬為的基帶模擬波形混頻，產(chǎn)生受到波形調(diào)制的中頻信號（頻率為，帶寬為）。4.3混頻器混頻器實際上是一個乘法器，有三角公式可知，混頻的結(jié)果為一個“和”頻分量和一個“差”頻分量，其中，在發(fā)射機(jī)中，通常使用“和”頻分量（上變頻），在接收機(jī)中，通常使用“差”頻分量（下變頻）。4.4 限幅器由于外部的強(qiáng)電磁干擾或目標(biāo)本身很強(qiáng)的雷達(dá)回波信號，有可能使接收天線的輸出信號幅度超過低噪聲放大器所能允許的功率極限，將很有可能損壞該放大器，甚至接收機(jī)的其他精密器件，因此，一般采用限幅器將所有回波信號的幅度強(qiáng)行限制在規(guī)定的范圍內(nèi)，不過，限幅器有時可能導(dǎo)致原信號的失真，從而導(dǎo)

18、致目標(biāo)回波信息失真。4.5 信號解調(diào)和正交檢波通過限幅器后的目標(biāo)回波信號經(jīng)過低噪聲射頻放大器放大，以便得到足夠功率的射頻信號，采用低噪聲放大器是為了提高接收機(jī)的噪聲系數(shù)。放大后的射頻信號輸入到混頻器，進(jìn)行下變頻處理，得到具有相同調(diào)制包絡(luò)的中頻信號。正交檢波通過正交混頻器實現(xiàn)，是相參雷達(dá)中廣為采用的技術(shù)。正交檢波后，得到一對正交的基帶信號，分為同相信號和正交相位信號，簡稱I、Q信號。其保留了接收信號中關(guān)于目標(biāo)距離的延遲相位和原始相位信息。5、 雷達(dá)信號處理機(jī)雷達(dá)系統(tǒng)對雷達(dá)信號的處理主要分為以下三個方面：1) 從雷達(dá)接收機(jī)的輸出中檢測目標(biāo)回波，判定目標(biāo)的存在與否；2) 測量并錄取目標(biāo)的距離、角度、

19、速度等信息；3) 根據(jù)錄取的目標(biāo)信息，對目標(biāo)進(jìn)行編批，建立目標(biāo)航跡，實現(xiàn)目標(biāo)的穩(wěn)定跟蹤。就目前的經(jīng)驗來看，采用多DSP和FPGA/CPLD相結(jié)合的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是雷達(dá)信號處理機(jī)最有效的方案，這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靈活，實時性強(qiáng)，成本較低，能滿足雷達(dá)信號處理通用性的要求。6、雷達(dá)終端設(shè)備6.1雷達(dá)終端概述6.1.1雷達(dá)終端的基本內(nèi)容包括：目標(biāo)數(shù)據(jù)的錄取、數(shù)據(jù)處理及目標(biāo)狀態(tài)的顯示。雷達(dá)終端的典型組成框圖1) 各部分的作用（1) 點跡錄取用于實現(xiàn)對來自接收機(jī)或信號處理機(jī)的雷達(dá)目標(biāo)回報確認(rèn)，并提取其仰角、方位角。距離、速度等信息；（2) 數(shù)據(jù)處理完成目標(biāo)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)、航跡處理、數(shù)據(jù)濾波等功能實現(xiàn)對目標(biāo)的連續(xù)跟蹤；（3)

20、 軸角編碼完成天線瞬時指向角的提取及其坐標(biāo)轉(zhuǎn)換；（4) 顯示系統(tǒng)完成目標(biāo)的位置、運(yùn)動狀態(tài)、特征參數(shù)及空情態(tài)勢等信息的顯示。2) 雷達(dá)顯示畫面的坐標(biāo)系可分為極坐標(biāo)和直角坐標(biāo)兩種方式。根據(jù)顯示的坐標(biāo)參數(shù)數(shù)量，可分為一維顯示和二維顯示。3) 雷達(dá)終端采用的顯示器件可分為陰極射線管（CRT）和平板顯示器件，其中陰極射線管包括靜電偏轉(zhuǎn)CRT和磁偏轉(zhuǎn)CRT；平板顯示器件包括液晶顯示板（LCD）和等離子顯示板（PDP）。4) 對于傳統(tǒng)的雷達(dá)顯示器，有直線掃描、徑向掃描、以及圓周掃描等方式；對現(xiàn)代雷達(dá)顯示器，有隨機(jī)掃描顯示方式和光柵掃描顯示方式。5) 根據(jù)需要顯示信息的種類，可將雷達(dá)終端設(shè)備分為一次信息顯示和

21、二次信息顯示，一次顯示以模擬顯示為主，二次顯示以數(shù)字顯示為主。6.1.2 傳統(tǒng)雷達(dá)顯示器的類型及質(zhì)量指標(biāo)1) 距離顯示器距離顯示器屬于一維顯示方式，其畫面表現(xiàn)方式為：用屏幕上光點距參考點的水平偏移量表示目標(biāo)的斜距，光點的垂直偏轉(zhuǎn)幅度表示目標(biāo)的回波強(qiáng)度。2) 平面顯示器平面顯示器為二維顯示方式，其畫面表現(xiàn)為：用屏幕上光點的位置表示目標(biāo)的平面位置坐標(biāo)，光點的亮度表示目標(biāo)回波的強(qiáng)度。3) 高度顯示器高度顯示器為二維顯示方式，其畫面表現(xiàn)方式為：用平面上光點的橫坐標(biāo)表示距離，縱坐標(biāo)表示目標(biāo)仰角或高度。4) 質(zhì)量指標(biāo)（1) 顯示器類型：根據(jù)所測參數(shù)的類型選擇；（2) 顯示器的目標(biāo)坐標(biāo)數(shù)量、種類和量程：根據(jù)

22、雷達(dá)的用途和戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)來確定；（3) 對目標(biāo)的分辨力：指對兩個相鄰目標(biāo)的分辨能力；（4) 顯示器的亮度和對比度：對比度是指圖像亮度和背景亮度的相對比值。定義為：一般要求在200%以上。（5) 圖像重顯頻率為使圖像畫面不出現(xiàn)閃爍，要求圖像刷新的頻率必須達(dá)到一定數(shù)值，一般要求大于每秒20-30次。（6) 顯示圖像的失真和誤差很多因素會使圖像產(chǎn)生失真和誤差，如掃描線路的非線性失真，字符和圖像位置配合不準(zhǔn)確等，在設(shè)計中應(yīng)該根據(jù)不同情況予以補(bǔ)償和改善。（7) 其他指標(biāo)如體積、重量、功耗、工作溫度、電源電壓等。6.1.3 數(shù)字式雷達(dá)顯示技術(shù) 數(shù)字式顯示系統(tǒng)主要有兩種形式，即計算機(jī)圖形顯示系統(tǒng)和智能圖形顯示系

23、統(tǒng)。其通常由計算機(jī)、顯示處理器、緩沖處理器、顯示控制器、圖形功能部件及監(jiān)視器等部分組成。數(shù)字顯示系統(tǒng)按其顯示內(nèi)容可分為：字符顯示系統(tǒng)、圖形圖像顯示系統(tǒng)及態(tài)勢顯示系統(tǒng)等；按掃描方式主要有兩種類型：一種是早期的隨機(jī)掃描顯示系統(tǒng)，另一種是目前的光柵掃描顯示系統(tǒng)。6.1.4 光柵掃描雷達(dá)顯示系統(tǒng)1) 系統(tǒng)構(gòu)成掃描轉(zhuǎn)換及回波圖像生成單元：實現(xiàn)天線波束掃描轉(zhuǎn)換、原始雷達(dá)回波和雷達(dá)數(shù)據(jù)的加工或處理；（1) 圖形處理器：顯示處理器與顯示控制器的整合形式；（2) 幀緩存：分為圖像體和圖形體，圖像體用于存儲雷達(dá)的原始回波圖像信息，圖形體用于存儲圖形、字符等信息，幀緩存容量不能小于屏幕的物理分辨率所決定的總像素，為

24、了對圖像進(jìn)行展開等特殊顯示處理，幀緩存的容量通常比屏幕像素數(shù)大很多倍；（3) 監(jiān)視器：光柵掃描顯示器。2) 圖像通道（1) 系統(tǒng)構(gòu)成各部分功能、A/D變換：將雷達(dá)原始信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，滿足奈奎斯特準(zhǔn)則；、數(shù)據(jù)壓縮：顯示屏幕上一根掃描線上的像素點往往小于雷達(dá)回波在一個雷達(dá)重復(fù)周期內(nèi)的采樣點數(shù)，為正常顯示，需對鄰近距離單元的回波數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的合并壓縮處理；、矢量產(chǎn)生：為產(chǎn)生徑向掃描線，需要產(chǎn)生掃描線上各像素點的X、Y坐標(biāo)值，可以通過矢量產(chǎn)生器得到。、圖像展開：對矢量產(chǎn)生的坐標(biāo)值進(jìn)行相應(yīng)的變換處理。3) 圖形通道（1）、系統(tǒng)構(gòu)成（2）各部分功能、圖形處理器：直接外部主機(jī)接口，可編程CRT控制，直接

25、DRAM、雙口VRAM接口，自動CRT顯示刷新，直接灰度轉(zhuǎn)換。、視頻DAC：完成顯示信號的接收與鎖存，畫面優(yōu)先疊加，彩色查找，D/A轉(zhuǎn)換及狀態(tài)控制等。三、 雷達(dá)測距根據(jù)雷達(dá)發(fā)射信號的不同，測定延遲時間通常采用脈沖法、頻率法和相位法。3.1脈沖法測距有兩種定義回波到達(dá)時間的方法：一種是以目標(biāo)回波脈沖的前沿作為它的到達(dá)時刻；另一種是以回波脈沖的中心作為它的到達(dá)時刻。3.2調(diào)頻法測距3.2.1調(diào)頻連續(xù)波測距在無線電波從目標(biāo)返回天線的這段時間內(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)過放大、限幅后加到頻率計上。由于差頻電壓的頻率與目標(biāo)距離有關(guān)，因而頻率計上的刻度可

26、以直接采用距離長度作為單位。（1) 三角波形調(diào)制差頻：為發(fā)射頻率，為回波頻率，對于一定距離的目標(biāo)回波，除去在時間軸上很小的一部分以外（這里差頻急劇下降至零），其他時間差頻是不變的。若用頻率計測量一個周期內(nèi)的平均差頻值：實際工作中，應(yīng)保證單值測距且滿足，由此可以得出目標(biāo)距離。若存在多普勒頻移，回波頻率為：目標(biāo)距離：為前半周正向調(diào)頻范圍，為后半周負(fù)向范圍，如果能分別測出和，就可以求得目標(biāo)運(yùn)動的徑向速度：。由于頻率計數(shù)只能讀出整數(shù)數(shù)字而不能讀出分?jǐn)?shù)值，因此這種方法會產(chǎn)生一個固定誤差：，為減小這項誤差，往往使加大到數(shù)十兆赫茲以上，而通常工作頻率則選為數(shù)百兆赫到數(shù)千兆赫。（2) 正弦波調(diào)頻正弦波調(diào)頻的發(fā)

27、射信號為：，其回波電壓可表示為：。其余推導(dǎo)過程與三角波類似。正弦波調(diào)頻可以解決三角波調(diào)制要求嚴(yán)格線性調(diào)頻的技術(shù)困難。在調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)測距時，還可以提供附加的收發(fā)隔離。（3）調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)的特點：能測量很近的距離，一般可測到數(shù)米，而且有較高的測量精度；雷達(dá)線路簡單，且可以做到體積小，重量輕，普遍應(yīng)用于飛機(jī)高度表及微波引信等場合。主要缺點：難以同時測量多個目標(biāo)。如欲測量多個目標(biāo)，必須采用大量濾波器和頻率計數(shù)器等，使裝置變得復(fù)雜，從而限制了其應(yīng)用范圍。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)泄露功率將阻塞接收機(jī)，因而限制了發(fā)射功率的大小。發(fā)射機(jī)噪聲的泄漏會直接影響接收機(jī)的靈敏度。3.2.2脈沖

28、調(diào)頻測距脈沖調(diào)頻時，發(fā)射信號頻率分為三段，分別采用正斜率調(diào)頻，負(fù)斜率調(diào)頻和發(fā)射恒定頻率。接收機(jī)混頻器中加上連續(xù)振蕩的發(fā)射信號和回波脈沖串，故在混頻器輸出端可得到收發(fā)信號的差頻信號。目標(biāo)的距離： 徑向速度：當(dāng)發(fā)射信號的頻率經(jīng)過了A、B、C變化的全過程后，每個目標(biāo)的回波將是3串不同中心頻率的脈沖。經(jīng)過接收機(jī)混頻后可分別得到差頻、和，然后按上式就可以得到目標(biāo)距離和徑向速度。在用脈沖調(diào)頻法時，可以選取較大的調(diào)頻周期T，以保證測距的單值性。這種測距方法的缺點是測量精度較差，因為發(fā)射信號的調(diào)頻線性不容易做好，而頻率測量也不容易做準(zhǔn)確。3.3測距精度對于常規(guī)脈沖測距雷達(dá)，雷達(dá)測距精度取決于其對時延的測量精度

29、。因此，測距的均方根誤差為：其中，為時延測量的均方根誤差?；谒迫槐?、逆概率等多種統(tǒng)計方法可以證明，時延測量的均方根誤差滿足如下關(guān)系：其中，為信號能量；為噪聲功率譜密度；為有效帶寬，其定義為：結(jié)論，在保持相同信噪比的條件下，信號頻譜的能量越朝兩端會聚，則其有效帶寬就越大，時延（距離）的測量精度越高。3.4距離分辨力3.4.1距離分辨力早期在顯示器上測距時，分辨力主要取決于脈沖寬度，同時也和光點直徑d所代表的距離有關(guān)。這時，定義距離分辨力為：，為光點直徑，為光點掃掠速度。用電子方法測距或者自動測距時，距離分辨力由脈沖寬度或波門寬度決定。若用均方差準(zhǔn)則討論距離分辨力，則可以做如下討論：設(shè)為雷達(dá)信號

30、的復(fù)調(diào)制包絡(luò)，則相鄰兩個等強(qiáng)度“點”目標(biāo)的回波可以用和來表示，其中，和代表不同的表征位置的參量，討論雷達(dá)的分辨力，即是想辦法衡量二者的區(qū)別。根據(jù)取樣定理，將用個取樣值表示，即表示為維空間中的矢量：這樣，就可以用維空間兩點的距離來衡量和之間的可分辨程度，距離越大，表明參量越容易分辨，將和兩點間的距離記為，則：再根據(jù)取樣定理，可將上式轉(zhuǎn)化為連續(xù)積分形式，可得將其展開，有：上式的第一項是常數(shù)，第二項是信號的復(fù)合自相關(guān)函數(shù)，它決定信號的分辨力。假設(shè)兩個靜止的點目標(biāo)，其他坐標(biāo)數(shù)據(jù)一樣，只是距離上稍有區(qū)別。他們與雷達(dá)站之間也不存在相對運(yùn)動和多普勒頻移。再假設(shè)兩個目標(biāo)回波具有相同的強(qiáng)度。可得兩回波信號間的方

31、差為：兩回波信號間的方差越大，越容易分辨，由上式可以看出，影響距離分辨力的唯一因素為：，該式通常稱為距離分辨函數(shù)，可以看做信號通過其匹配濾波器后的輸出響應(yīng)，且為輸出的最大值。因此若要求雷達(dá)具有高的距離分辨力，則所選擇的信號通過匹配濾波器后的輸出應(yīng)有很窄的尖峰。有時采用主瓣寬度來定義信號的固有分辨力，通常采用波瓣寬度，稱為名義分辨力。他表面主瓣對鄰近目標(biāo)的分辨能力，當(dāng)目標(biāo)延遲差較大時，為全面考慮主瓣和旁瓣對分辨性能的影響，又定義了延遲分辨常數(shù)：利用傅里葉變換以及帕薩瓦爾定理，上式可以改寫為：可見距離分辨力取決于雷達(dá)信號的頻譜結(jié)構(gòu)。3.4 測距范圍雷達(dá)系統(tǒng)中不模糊距離范圍（測距范圍）為：，若距離超

32、過，遠(yuǎn)處目標(biāo)的回波會被認(rèn)為是在距離近處的目標(biāo)回波，因此產(chǎn)生距離模糊。若距離小于，雷達(dá)此時收發(fā)開關(guān)處于發(fā)射狀態(tài)，無法接受目標(biāo)回波信號，此距離稱作雷達(dá)的距離盲區(qū)。四、雷達(dá)測角雷達(dá)測角的物理基礎(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，雷達(dá)測角的性能可用測角范圍、測角速度、測角準(zhǔn)確度或精度、角分辨力來衡量。準(zhǔn)確度用測角誤差的大小來表示，它包括雷達(dá)系統(tǒng)本身調(diào)整不良引起的系統(tǒng)誤差和由噪聲及各種起伏因素引起的隨機(jī)誤差。而測量精度由隨機(jī)誤差決定。角分辨力存在多目標(biāo)的情況下，雷達(dá)能在角度上把它們分辨開的能力，通常用雷達(dá)在可分辨條件下同距離的兩目標(biāo)間最小角坐標(biāo)之差來表示。4.1 相位法測角基本原理：到達(dá)

33、接受點的目標(biāo)回波近似為平面波，則利用多個天線所接受回波信號之間的相位差進(jìn)行測角：為雷達(dá)波長，為相位差，只要測出相位差就可以確定目標(biāo)的方向。由于在低頻時比較容易得出相位差，一般將天線收到的高頻信號與統(tǒng)一本振信號進(jìn)行差頻后，在中頻中進(jìn)行比相?？梢酝ㄟ^采用讀數(shù)精度高的相位計或減小值來提高測角精確度。但是，當(dāng)減小到一定程度后，值可能會超過，此時，有可能會出現(xiàn)多值，未解決多值性問題，通常采用三天線測角設(shè)備，一組完成高精度測量，一組解決多值性問題。4.2 振幅法測角4.2.1最大信號法當(dāng)天線波束做圓周掃描或在一定的扇形范圍內(nèi)做勻角速掃描時，對收發(fā)共用天線的單基地脈沖雷達(dá)而言，接收機(jī)輸出的脈沖串幅度值被天線

34、雙程方向圖函數(shù)所調(diào)制。找出脈沖串的最大值，確定該時刻波束軸線指向即為目標(biāo)所在方向。最大信號法測角的優(yōu)點一是簡單，二是用天線方向圖的最大值方向測角，此時回波最強(qiáng)，故信噪比大，對檢測發(fā)現(xiàn)目標(biāo)是有利的。其主要缺點是直接測量時測量精度不高，約為波束半功率寬度的20%左右。因為方向圖最大值附近比較平坦，最強(qiáng)點不易判別，測量方法改進(jìn)后可以提高精度。另一個缺點是不能判別目標(biāo)偏離波束軸線的方向，故不能用于自動測角。4.2.2等信號法等信號法測角采用兩個相同且彼此部分重疊的波束，如果目標(biāo)處在兩波束交疊軸方向，則由兩波束收到的信號強(qiáng)度相等。否則一個波束收到的信號強(qiáng)度將高于另一個，因此，比較兩個波束回波的強(qiáng)弱就可以

35、判斷目標(biāo)偏離等信號軸的方向，并可以查表估計出目標(biāo)偏離等信號軸的大小。利用比幅法和和差法可以確定目標(biāo)偏離信號軸的方向。4.3 雷達(dá)測角精度雷達(dá)測角精度理論公式可以根據(jù)前面討論測距精度時的類似思路來討論，因為就數(shù)學(xué)上而言，空間域（角度）和頻譜（頻率）是相似的?，F(xiàn)在假定天線的一維電壓方向圖為：根據(jù)傅里葉變換可知，上式與時間信號及其頻譜構(gòu)成的傅里葉變換對相似，即與測距精度與測速精度類比，則對于測角均方根誤差有類似的公式，即式中，等效孔徑寬度定義為：在給定信噪比條件下，雷達(dá)的測角精度取決于天線孔徑的電尺寸，天線電尺寸越大，測角精度越高；或者說，雷達(dá)的測角精度取決于天線波束寬度，天線波束越窄，其測角精度越

36、高。五、雷達(dá)測速5.1 基本方法如果雷達(dá)固定不動，目標(biāo)以徑向速度向雷達(dá)靠近，則通過測量多普勒頻率，可以測得運(yùn)動目標(biāo)的徑向速度： 如果雷達(dá)和目標(biāo)均在動，則徑向速度對應(yīng)的是雷達(dá)和目標(biāo)之間的距離變化率，取決于雷達(dá)和目標(biāo)的相對速度。5.2 最大不模糊多普勒頻率（速度）：如果來自一個移動目標(biāo)的兩個序貫脈沖的相位差是，是不等于零的正整數(shù)或者負(fù)整數(shù)，那么該相位不能同相互區(qū)分開，故導(dǎo)致相位的模糊。這種相位的模糊進(jìn)而導(dǎo)致相應(yīng)的多普勒速度模糊，稱為多普勒盲速。因此產(chǎn)生盲速的條件為：為脈沖重復(fù)時間間隔，為雷達(dá)脈沖重復(fù)頻率，則雷達(dá)測速的最大不模糊速度間隔為：5.3雷達(dá)測頻（測速）精度雷達(dá)測速的精度取決于雷達(dá)測多普勒頻

37、率的精度。根據(jù)最大不模糊速度的公式，測速均方根誤差公式為：由相關(guān)研究結(jié)論可知，多普勒測頻的均方根誤差為：式中其中，是作為時間函數(shù)的輸入信號；參數(shù)稱為信號的有效時間。易知，關(guān)于測頻精度有以下結(jié)論：在保持相同信噪比的條件下，信號在時間上能量越朝兩端會聚，則其有效時間越長，頻率（速度）的測量精度越高。假設(shè)點目標(biāo)其他坐標(biāo)數(shù)據(jù)一樣，兩個目標(biāo)回波具有相同的強(qiáng)度，只是徑向速度上稍有區(qū)別，兩個回波信號可以寫成和，其中為兩個目標(biāo)徑向速度不同引起的回波多普勒頻移差值。這樣，兩個回波之間的均方差為：令，為速度模糊函數(shù)?？梢杂眯盘柕念l譜表示頻率自相關(guān)函數(shù)，即：信號的速度分辨力性能完全取決于的形狀，和距離分辨力一樣，速

38、度分辨力也可以以波形主瓣寬度來表示相鄰速度目標(biāo)分辨力，并稱為名義速度分辨力。當(dāng)目標(biāo)速度較大時，還要考慮旁瓣對速度分辨力的影響，故定義多普勒分辨常數(shù)為利用傅里葉變換和帕薩瓦爾定理，上式可以改寫為：脈沖多普勒雷達(dá)的信號模型1、 信號模型結(jié)構(gòu)框圖2、 各部分概況1) 信號發(fā)射基本的PD雷達(dá)信號發(fā)生器由振蕩器組、功率放大器、混頻器及脈沖形成器（由波形信息和波形發(fā)生器組成）組成。其簡化方框圖如上圖所示。相干振蕩器產(chǎn)生一個中頻信號，經(jīng)波形發(fā)生器脈沖調(diào)制后，形成的脈沖信號經(jīng)過混頻器混頻，產(chǎn)生低功率的、具有所要求的發(fā)射波形的射頻信號。射頻信號經(jīng)過功率放大器，然后輸出一串放大后射頻脈沖信號，即為雷達(dá)的發(fā)射信號。2) 信號接收（1) 限幅器由于外部強(qiáng)電磁干擾或目標(biāo)本身很強(qiáng)的雷達(dá)回波信號，使得天線的輸出信號幅度超過低噪聲放大器所能允許的功率極限，將很容易損壞該放大器，甚至接收機(jī)的其他精密器件。為防止這類大功率信號直接進(jìn)入接收機(jī)而對系統(tǒng)產(chǎn)生不良影響，一般采用限幅器。限幅器是一種非線性器件，它的作用是將所有回波信號的信號強(qiáng)度強(qiáng)制限定在規(guī)定的范圍內(nèi)，限幅器的使用很有可能導(dǎo)致原信號的失真，從而導(dǎo)致目標(biāo)回波信息的失真。（2) 低噪聲放大器采用低噪聲放大器是為了提高接收機(jī)的噪聲系數(shù)（3) 混頻器混頻