第九章雷達(dá)原理

第九章雷達(dá)原理1雷達(dá)也稱為“無線電定位”，是英文Radar的音譯。利用目標(biāo)對電磁波的反射、應(yīng)答或自身的輻射發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并測定其在空間的位置、速度，以及獲取更多有關(guān)目標(biāo)的信息。雷達(dá)一般工作在超短波或微波波段。這是由于波長越小，目標(biāo)面積與波長的比值就越大，波的反射越強(qiáng)。另外，高空的電離層對短波是會反射的，而頻率超過30兆赫以上的超短波就能穿過電離層直上太空，這就避免了電離層對無線電波反射作用的影響。所以，雷達(dá)必須工作在超短波或微波波段才能有效地發(fā)揮作用，探測到目標(biāo)。2波段的劃分3關(guān)于雷達(dá)波段的由來（1）最早用于搜索雷達(dá)的電磁波波長為23cm，這一波段被定義為L波段（英語Long的字頭），后來這一波段的中心波長變?yōu)?2cm。當(dāng)波長為10cm的電磁波被使用后，其波段被定義為S波段(英語Short的字頭，意為比原有波長短的電磁波）。在主要使用3cm電磁波的火控雷達(dá)出現(xiàn)后，3cm波長的電磁波被稱為X波段，因?yàn)閄代表座標(biāo)上的某點(diǎn)。為了結(jié)合X波段和S波段的優(yōu)點(diǎn)，逐漸出現(xiàn)了使用中心波長為5cm的雷達(dá)，該波段被稱為C波段（C即Compromise，英語“結(jié)合”一詞的字頭）。在英國人之后，德國人也開始獨(dú)立開發(fā)自己的雷達(dá)，他們選擇1.5cm作為自己雷達(dá)的中心波長。這一波長的電磁波就被稱為K波段。4“不幸”的是，德國人以其日爾曼民族特有的“精確性”選擇的波長可以被水蒸氣強(qiáng)烈吸收。結(jié)果這一波段的雷達(dá)不能在雨中和有霧的天氣使用。戰(zhàn)后設(shè)計(jì)的雷達(dá)為了避免這一吸收峰，通常使用比K波段波長略長（Ka，即英語K－above的縮寫，意為在K波段之上）和略短（Ku，即英語K－under的縮寫，意為在K波段之下）的波段。最后，由于最早的雷達(dá)使用的是米波，這一波段被稱為P波段（P為Previous的縮寫，即英語“以往”的字頭）。關(guān)于雷達(dá)波段的由來（2）59.1雷達(dá)的基本工作原理在雷達(dá)應(yīng)用中，測定目標(biāo)坐標(biāo)常采用極（球）坐標(biāo)系統(tǒng)，如圖所示?？臻g任一目標(biāo)P所在位置可用下列三個坐標(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——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）在水平面上的夾角；(3)仰角——斜距R與它在水平面上的投影OB在鉛垂面上的夾角，有時也稱為傾角或高低角。69.1.1目標(biāo)斜距測量1.脈沖測距測量高頻脈沖反射回波時間避免混疊現(xiàn)象（回波模糊）。脈沖測距的精度主要取決于信噪比和脈沖前沿的斜率。72.連續(xù)波測距決定雷達(dá)作用距離的最主要因素是平均發(fā)射功率，在允許的峰值功率相同的條件下，連續(xù)波信號比一般的脈沖信號具有更大的平均功率，因此深空測量多采用連續(xù)波測距方式。發(fā)射一連續(xù)的高頻無線電波，并用較長周期的電信號調(diào)制，同時在接收端接收后把較長周期的電信號解調(diào)出來，與發(fā)射調(diào)制信號相比較，從而獲得時間差，即相位差，這就是“連續(xù)波測距”。如圖9-4所示為調(diào)制信號為單一正弦波的連續(xù)波測距原理。連續(xù)波信號分為側(cè)音信號（諧波信號）和數(shù)字信號（非諧波信號），如偽隨機(jī)碼、快捕碼及序列碼等。側(cè)音信號中包括定側(cè)音與掃描側(cè)音。定側(cè)音是指頻率固定的正弦波作調(diào)制信號，而掃描側(cè)音是指頻率按一定規(guī)律變化的正弦波作調(diào)制信號。定側(cè)音又分為單側(cè)音（單一正弦波）和多側(cè)音（頻率比為整數(shù)的一系列正弦波）。899.1.2目標(biāo)角位置測量測量空間目標(biāo)相對于地面站角度的方法分為兩大類：相位法和振幅法。相位法測角(平面波)利用目標(biāo)回波信號相位差別進(jìn)行測角的方法叫相位法測角。圖9-5為相位法測角的示意圖。10振幅法測角（三種）振幅法測角分最大信號法等信號法最小信號法。1.最大信號法以波束軸對準(zhǔn)目標(biāo)接收到最大回波時的角度作為目標(biāo)的角坐標(biāo)。最大信號法測角的優(yōu)點(diǎn)是測角過程簡單，缺點(diǎn)是測角準(zhǔn)確度不高，一般只能達(dá)到波束寬度的10％－25％。由于天線波束方向圖在最大值附近比較平坦，變化率很小，因此目標(biāo)在軸線左右，回波強(qiáng)度變化緩慢，不易判別，所以目標(biāo)的角度不易測準(zhǔn)。112.等信號法在等信號法中，兩個波束可同時存在，也可交替出現(xiàn)。兩套天線接收系統(tǒng)同時工作，叫做同時（瞬時）波瓣法；兩套天線輪流工作或用最大輻射方向偏離等信號線一個角度的波束旋轉(zhuǎn)來得到，叫做順序波瓣法。等信號法的優(yōu)點(diǎn)是測角精度較高，收發(fā)天線分開時，測角精度比最大信號法約提高6倍，收發(fā)天線共用時約提高12倍。它的缺點(diǎn)是天線設(shè)備比較復(fù)雜；另外由于等信號軸方向不是波束最大方向，在發(fā)射功率同樣的情況下，它的作用距離比最大信號法的作用距離要近些。123.最小信號法最小信號法測角從理論上說具有較高的精度，因?yàn)樵诜较驁D的零點(diǎn)附近變化率最大，但實(shí)際上由于噪聲干擾不可能得到高的測角精度；另外當(dāng)方向?qū)?zhǔn)目標(biāo)時方向圖的最小目標(biāo)回波消失，從而失去了測距的可靠性，作用距離不遠(yuǎn)；也不能進(jìn)行自動測角。所以，雷達(dá)中很少用這種測角方法來測目標(biāo)的方位角，只是在波長較長（如米波）的雷達(dá)中，由于天線波束較寬，垂直瓣受地面反射的影響發(fā)生分裂，形成多瓣，可利用垂直波瓣的零方向來粗略地測目標(biāo)的仰角。139.1.3相對速度的測量目標(biāo)徑向速度的測量方法有兩種：距離變化率直接求速度；多普勒頻移求速度。單向多普勒測速雙向多普勒測速如果由地面三個或三個以上已知位置的測量站分別測出目標(biāo)相對于各測量站的徑向速度，且已知目標(biāo)在該時刻的位置，則由3RR定位方法可求得目標(biāo)速度的大小及方向。149.1.4雷達(dá)的主要戰(zhàn)術(shù)參數(shù)（應(yīng)用參數(shù)）1.雷達(dá)用途。2.雷達(dá)威力范圍：它由最大作用距離、最小作用距離、最大仰角及方位角范圍決定。3.分辨率：能區(qū)分兩個點(diǎn)目標(biāo)之間的最小距離ΔR與最小角度。4.數(shù)據(jù)率：單位時間內(nèi)雷達(dá)所能提供對一個目標(biāo)數(shù)據(jù)的次數(shù)，即雷達(dá)對整個威力范圍內(nèi)完成一次搜索所需時間的倒數(shù)。5.跟蹤速度：自動跟蹤雷達(dá)連續(xù)跟蹤運(yùn)動目標(biāo)的最大可能速度。6.抗干擾能力：雷達(dá)通常在各種自然干擾和人為干擾的的條件下工作的能力。7.雷達(dá)的準(zhǔn)確度及精密度：159.2雷達(dá)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)169.3目標(biāo)及其發(fā)現(xiàn)目標(biāo)是雷達(dá)觀測的對象。雷達(dá)發(fā)射的電磁波，在傳播時遇見目標(biāo)，—部分能量被目標(biāo)所吸收，轉(zhuǎn)化為熱而消耗了，另一部分被目標(biāo)所重新輻射。目標(biāo)重新輻射，可認(rèn)為是沒有方向性的，這一重新輻射的能量，將有一小部分被接收天線所截獲進(jìn)入接收機(jī)，從而發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。所以，雷達(dá)接收機(jī)一定是對弱信號的處理，SNR的概念與蜂窩通信理論截然不同。Maximum&Balanced17目標(biāo)的回波信號與目標(biāo)本身信息的對應(yīng)關(guān)系可以簡單的歸納如下：反射信號的存在代表著目標(biāo)的存在；信號的時延代表著目標(biāo)與雷達(dá)發(fā)射機(jī)有一定的距離；目標(biāo)的多普勒頻移代表著目標(biāo)的徑向速度；回波波前的法向方向代表著目標(biāo)的角度信息；幅度對空間的變化率可以反映出目標(biāo)的形狀；幅度對時間的變化率可以反映出目標(biāo)的自旋特征；幅度對頻率的變化率可以反映出目標(biāo)的大小和體積。目標(biāo)18由于噪聲的存在，判定是否有目標(biāo)，并不是絕對，也就是說，目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)應(yīng)以概率的大小來度量。在判斷的過程中，有目標(biāo)存在，監(jiān)測器判定有目標(biāo)，這種事件發(fā)生的概率叫做發(fā)現(xiàn)概率；沒有目標(biāo)只有噪聲存在，監(jiān)測器也判定有目標(biāo)，這種錯誤事件發(fā)生的概率叫做虛警概率。對于檢測器來說，希望有較高的發(fā)現(xiàn)概率和較低的虛警概率。發(fā)現(xiàn)概率和虛警概率是信號檢測問題中兩個重要的性能指標(biāo)。發(fā)現(xiàn)19自然界中的物體是否屬于雷達(dá)目標(biāo)要視雷達(dá)的任務(wù)而定。一般說，希望觀測的物體都可稱為雷達(dá)目標(biāo)，如對搜索和跟蹤