1第第2 2章章 雷达系统组成与雷达方程雷达系统组成与雷达方程雷达信号处理重点实验室雷达信号处理重点实验室 陈伯孝陈伯孝陈伯孝陈伯孝雷达原理与系统雷达原理与系统2雷达信号处理重点实验室 陈伯孝陈伯孝 029-88202320本章教学目的与内容本章教学目的与内容掌握雷达方程的作用、计算方法掌握雷达方程的作用、计算方法了解雷达的系统损耗了解雷达的系统损耗 雷达系统的基本组成雷达系统的基本组成了解不同体制雷达的作用距离计算方法了解不同体制雷达的作用距离计算方法 了解目标的散射截面积了解目标的散射截面积(RCS)(RCS)了解了解电波传播电波传播对雷达对雷达的影响的影响了解了解终端设备及其信息处理终端设备及其信息处理2.1雷达系统基本组成雷达系统基本组成电源电源（1）天天线线及及其其伺伺服服控控制制。天天线线用用来来辐辐射射大大功功率率信信号号，接接收收目目标标散散射射回回波波信信号号。为为了了提提高高雷雷达达的的探探测测能能力力，雷雷达达基基本本都都是是采采用用方方向向性性强强的的天天线线。伺伺服服控控制制系系统统用用来来控控制制天天线线的的转转动动速速度度和和转转动动方方式式，一一般般警警戒戒雷雷达达需需要要在在360方方位位搜索目标，需要在方位维搜索目标，需要在方位维360旋转。旋转。（2）波形产生器波形产生器，也称频率综合器（简称，也称频率综合器（简称频综频综）。根据雷达工作的信号形式，波形产）。根据雷达工作的信号形式，波形产生器产生不同调制类型、输出功率生器产生不同调制类型、输出功率10mW到到1W量级的射频激励信号，送给雷达发射机，量级的射频激励信号，送给雷达发射机，同时给雷达接收机提供相干本振信号。同时给雷达接收机提供相干本振信号。2.1雷达系统基本组成雷达系统基本组成电源电源（3）发射机发射机，即高功率发射部分。对射频，即高功率发射部分。对射频激励信号进行放大、滤波激励信号进行放大、滤波。警戒雷达的发射警戒雷达的发射机输出功率一般在机输出功率一般在100W到到1MW的量级。的量级。（4）接收机接收机，即低功率接收部分。雷达接收信号的功率一般在，即低功率接收部分。雷达接收信号的功率一般在 W到到mW的量级，对的量级，对接收信号进行放大、混频、滤波等。特别是目标距离远，要求雷达接收机的灵敏度较接收信号进行放大、混频、滤波等。特别是目标距离远，要求雷达接收机的灵敏度较高。过去雷达接收机大多经过正交检波器，输出基带回波信号，而现代雷达接收机一高。过去雷达接收机大多经过正交检波器，输出基带回波信号，而现代雷达接收机一般输出中频信号般输出中频信号。2.1雷达系统基本组成雷达系统基本组成电源电源（5）收发开关收发开关，也称为，也称为环形器环形器。作为单基。作为单基地雷达，收发共用天线，在发射期间，大功地雷达，收发共用天线，在发射期间，大功率信号经过收发开关、馈线至天线，收发开率信号经过收发开关、馈线至天线，收发开关需要保护接收机，阻止或减少大功率信号关需要保护接收机，阻止或减少大功率信号进行接收机；在接收期间，接收信号经过收进行接收机；在接收期间，接收信号经过收发开关几乎无插损地进入接收机发开关几乎无插损地进入接收机（6）信号处理机信号处理机。接收机输出信号经。接收机输出信号经A/D采样、中频数字正交检采样、中频数字正交检波后，完成脉冲压缩、波后，完成脉冲压缩、MTI/MTD、检测、点迹凝聚等处理，提高目、检测、点迹凝聚等处理，提高目标回波的信噪比，同时抑制杂波和干扰。为了抑制干扰，通常需要进标回波的信噪比，同时抑制杂波和干扰。为了抑制干扰，通常需要进行副瓣对消、副瓣匿影等处理。不同体制的雷达，信号处理的差异也行副瓣对消、副瓣匿影等处理。不同体制的雷达，信号处理的差异也较大，例如，阵列雷达需要进行较大，例如，阵列雷达需要进行DBF或或ADBF等处理。等处理。（7）数据处理机数据处理机。在帧与帧之间对点迹进行航迹关联、航迹管理、。在帧与帧之间对点迹进行航迹关联、航迹管理、航迹滤波，送雷达终端显示器，并生成航迹文件。航迹滤波，送雷达终端显示器，并生成航迹文件。（8）终端显示与数据传输终端显示与数据传输。显示回波信号的原始视频、航迹；上。显示回波信号的原始视频、航迹；上传目标的点迹信息。终端显示包括传目标的点迹信息。终端显示包括A显和显和PPI显示。显示。（9）监控设备。）监控设备。（10）电源与供电设备）电源与供电设备6雷达信号处理重点实验室 陈伯孝陈伯孝 029-882023202.2 基本雷达方程基本雷达方程l雷达是依靠目标散射的回波能量来探测目标的。雷达是依靠目标散射的回波能量来探测目标的。l雷达方程定量地描述了作用距离和雷达参数及目标特性之间雷达方程定量地描述了作用距离和雷达参数及目标特性之间的关系。的关系。研究雷达方程主要有以下作用：研究雷达方程主要有以下作用：根据雷达参数来估算雷达的作用距离；根据雷达参数来估算雷达的作用距离；根据雷达的威力范围来估算雷达的发射功率；根据雷达的威力范围来估算雷达的发射功率；分析雷达参数对雷达作用距离的影响，这对雷达系统设分析雷达参数对雷达作用距离的影响，这对雷达系统设计中正确地选择系统参数有重要的指导作用。计中正确地选择系统参数有重要的指导作用。72.2 基本雷达方程基本雷达方程全向辐射全向辐射的功率密度示意图的功率密度示意图Pt：雷达发射的峰值功率：雷达发射的峰值功率S1：雷达辐射到距离为：雷达辐射到距离为R1处任意点的功率密度处任意点的功率密度4R12：球的表面积（：球的表面积（假设球是以雷达为球心，假设球是以雷达为球心，雷达到目标的距离为半径雷达到目标的距离为半径）R1Gt为了增加在某一方向上的辐射功为了增加在某一方向上的辐射功率密度，通常采用方向性的天线。率密度，通常采用方向性的天线。Gt：天线增益：天线增益Ae：天线等效面积：天线等效面积:波长波长天线等效面积天线等效面积Ae和物理面积和物理面积A之间的关系为之间的关系为:天线的孔径效率天线的孔径效率(有效接收率有效接收率),),性能好的天线要求性能好的天线要求接近于接近于1 1。在实际中通常取。在实际中通常取 0.70.7增益与天线的方位和仰角波束宽度：增益与天线的方位和仰角波束宽度：:取决于天线的物理孔径形状取决于天线的物理孔径形状 :方位和仰角波束宽度方位和仰角波束宽度(单位为单位为弧度弧度)方向性辐射：方向性辐射：8雷达信号处理重点实验室 陈伯孝陈伯孝 029-882023202.2 基本雷达方程基本雷达方程如果雷达接收天线的有效接收面积为如果雷达接收天线的有效接收面积为A Ar r，天线增益，天线增益G Gr r和有效面积和有效面积A Ar r之间的关之间的关系为系为 ，则接收回波的功率，则接收回波的功率P Pr r为为单基地脉冲雷达通常采用收发共用天线，单基地脉冲雷达通常采用收发共用天线，由此可看出，接收的回波功率由此可看出，接收的回波功率Pr与目标的距离与目标的距离R的四次方成反比。只有当接收的四次方成反比。只有当接收到的功率到的功率Pr必须大于最小可检测信号功率必须大于最小可检测信号功率Si,min时，雷达才能可靠地发现目标。时，雷达才能可靠地发现目标。9雷达信号处理重点实验室 陈伯孝陈伯孝 029-882023202.2 基本雷达方程基本雷达方程因为超过这个距离因为超过这个距离,接收的信号功率接收的信号功率Pr进一步减小进一步减小,就不能可靠地检测到目标就不能可靠地检测到目标当当Pr正好等于正好等于Smin时时,就可得到雷达检测目标的最大作用距离就可得到雷达检测目标的最大作用距离Rmax。表明了作用距离表明了作用距离Rmax和雷达参数以及目标特性之间的关系。在上式中第一个等式里和雷达参数以及目标特性之间的关系。在上式中第一个等式里Rmax与与1/2成反比，而在第二个等式里成反比，而在第二个等式里Rmax却和却和1/2成正比。这里看似矛盾，其实并不成正比。这里看似矛盾，其实并不矛盾。这是由于在第一个等式中当天线面积不变、波长矛盾。这是由于在第一个等式中当天线面积不变、波长增加时天线增益下降，导致增加时天线增益下降，导致作用距离减小；而在第二个等式中，当天线增益不变，波长增大时要求的天线面积亦作用距离减小；而在第二个等式中，当天线增益不变，波长增大时要求的天线面积亦相应增大，有效面积增加，其结果是作用距离加大。相应增大，有效面积增加，其结果是作用距离加大。雷达方程虽然给出了作用距离和各参数间的定量关系，但因未考虑设备的实际损耗和雷达方程虽然给出了作用距离和各参数间的定量关系，但因未考虑设备的实际损耗和环境因素环境因素,而且方程中还有两个不可能准确预定的量：目标有效反射面积而且方程中还有两个不可能准确预定的量：目标有效反射面积和和最小可检最小可检测信号测信号Si,min，因此雷达方程常作为一个估算公式，用来考察雷达各参数对作用距离影，因此雷达方程常作为一个估算公式，用来考察雷达各参数对作用距离影响的程度。响的程度。10雷达信号处理重点实验室 陈伯孝陈伯孝 029-882023202.2 基本雷达方程基本雷达方程在实际中，雷达接收的回波信号总会受接收机内部噪声和外部干扰的影响。在实际中，雷达接收的回波信号总会受接收机内部噪声和外部干扰的影响。为了描述这种影响，通常引入噪声系数。接收机的噪声系数为了描述这种影响，通常引入噪声系数。接收机的噪声系数F为为 :实际接收机的输出噪声功率实际接收机的输出噪声功率 :接收机的输入噪声功率接收机的输入噪声功率 :接收机的增益接收机的增益 输入端信号功率为输入端信号功率为若雷达的检测门限设置为最小输出信噪比若雷达的检测门限设置为最小输出信噪比(SNR)omin=D0，则，则最小可检测信号最小可检测信号功率功率可表示为可表示为112.2 基本雷达方程基本雷达方程用用 L表示雷达各部分的损耗，雷达方程为表示雷达各部分的损耗，雷达方程为雷达方程的雷达方程的两种基本形式两种基本形式在早期雷达中在早期雷达中,通常用各类显示器来观察和检测目标信号通常用各类显示器来观察和检测目标信号,所以称所需的所以称所需的(SNR)omin为为识别系数识别系数或或可见度因子可见度因子M。现代雷达则用建立在统计检测理论。现代雷达则用建立在统计检测理论基础上的统计判决方法来实现信号检测，检测目标信号所需的基础上的统计判决方法来实现信号检测，检测目标信号所需的最小输出信最小输出信噪比噪比又称为又称为检测因子检测因子(DetectabilityFactor)D0,即即D0=(SNR)omin。D0就是满足所需检测性能就是满足所需检测性能(即检测概率为即检测概率为Pd和虚警概率为和虚警概率为Pfa)时，检测前所时，检测前所需要达到的最小信噪比。需要达到的最小信噪比。雷达信号处理重点实验室 陈伯孝陈伯孝 029-8820232012雷达信号处理重点实验室 陈伯孝陈伯孝 029-882023202.2 基本雷达方程基本雷达方程一般情况下，可以近似认为带宽为时宽的倒数，一般情况下，可以近似认为带宽为时宽的倒数，B1/。当用。当用,即信号能量即信号能量代替脉冲功率代替脉冲功率Pt时，时，用检测因子用检测因子D0代替代替(SNR)omin，并考虑接收机带宽失配所带来的信噪比损耗，并考虑接收机带宽失配所带来的信噪比损耗，在雷达距离方程中增加在雷达距离方程中增加带宽校正因子带宽校正因子CB1(匹配时匹配时CB=1)，雷达距离方程为，雷达距离方程为用检测因子用检测因子D0和能量和能量Et表示的雷达方程在使用时有以下优点：表示的雷达方程在使用时有以下优点：1.用能量表示的雷达方程适用于各种复杂脉压信号的情况。只要知道脉冲功率及发用能量表示的雷达方程适用于各种复杂脉压信号的情况。只要知道脉冲功率及发射脉宽就可以用来估算作用距离，而不必考虑具体的波形参数。射脉宽就可以用来估算作用距离，而不必考虑具体的波形参数。2.当有当有np个脉冲可以积累时，积累可改善信噪比，个脉冲可以积累时，积累可改善信噪比，Et=Pt np，故检测前的，故检测