现代雷达系统理论现代雷达系统理论王一丁王一丁中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所l第一章第一章 绪论绪论l第二章第二章 信号检测与参数估计信号检测与参数估计l第三章第三章 目标分辨与模糊函数目标分辨与模糊函数l第四章第四章 脉冲压缩脉冲压缩l第五章第五章 合成孔径成像雷达合成孔径成像雷达第一章 绪论 根据雷达分机和雷达测根据雷达分机和雷达测量方法分别介绍雷达的组成量方法分别介绍雷达的组成和测量原理。前者包括雷达和测量原理。前者包括雷达发射机、雷达接收机、终端发射机、雷达接收机、终端显示和数据录取设备的组成、显示和数据录取设备的组成、基本工作原理及主要指标；基本工作原理及主要指标；后者包括雷达的测距、测角后者包括雷达的测距、测角和测速的基本原理和各种实和测速的基本原理和各种实现方法。现方法。第二章 信号检测与参数估计 雷达的基本任务是发现雷达的基本任务是发现目标并测定其坐标。通常目目标并测定其坐标。通常目标的回波信号中总是混杂着标的回波信号中总是混杂着噪声和各类干扰，而噪声和噪声和各类干扰，而噪声和各种干扰信号均具有随机特各种干扰信号均具有随机特性，在这种条件下发现目标性，在这种条件下发现目标的问题属于信号检测的范畴，的问题属于信号检测的范畴，而测定目标坐标则是参数估而测定目标坐标则是参数估计问题。计问题。第三章 目标分辨与模糊函数 设计和研究雷达波形的设计和研究雷达波形的主要数学工具是模糊函数。主要数学工具是模糊函数。模糊函数最初虽由分辨问模糊函数最初虽由分辨问题引出，但是它不仅能描题引出，但是它不仅能描述雷达信号的分辨特性和述雷达信号的分辨特性和模糊度，还可以描述由雷模糊度，还可以描述由雷达信号决定的测量精度和达信号决定的测量精度和杂波抑制特性。杂波抑制特性。第四章 脉冲压缩 近年来，从改进雷达体制方面近年来，从改进雷达体制方面来扩大作用距离和提高距离分辨力来扩大作用距离和提高距离分辨力方面已有很大进步。这种体制就是方面已有很大进步。这种体制就是脉冲压缩雷达体制，它采用宽脉冲脉冲压缩雷达体制，它采用宽脉冲发射以提高发射的平均功率，保证发射以提高发射的平均功率，保证足够的最大作用距离，而接收时则足够的最大作用距离，而接收时则采用相应的脉冲压缩方法获得窄脉采用相应的脉冲压缩方法获得窄脉冲，以提高距离分辨力，因而较好冲，以提高距离分辨力，因而较好地解决作用距离和分辨力之间的矛地解决作用距离和分辨力之间的矛盾。盾。第五章 合成孔径成像雷达 深入了解合成孔径成深入了解合成孔径成像雷达的原理、多普勒分像雷达的原理、多普勒分辨理论、脉冲压缩技术、辨理论、脉冲压缩技术、雷达信号模型、非聚焦合雷达信号模型、非聚焦合成孔径雷达和聚焦合成孔成孔径雷达和聚焦合成孔径雷达成像处理方法。径雷达成像处理方法。教学参考书l雷达原理雷达原理丁鹭飞丁鹭飞 等著等著 西安电子科技大学出版社西安电子科技大学出版社l雷达成像技术雷达成像技术刘永坦刘永坦 等著等著 哈尔滨工业大学出版社哈尔滨工业大学出版社第一章第一章 绪论绪论l电磁波特性电磁波特性l电磁波频段电磁波频段l雷达概念雷达概念l雷达基本组成雷达基本组成l雷达基本指标雷达基本指标l雷达参数选择雷达参数选择l雷达分类雷达分类l现代雷达技术发展趋势现代雷达技术发展趋势电磁波特性（电磁波特性（1）l光波特性光波特性牛顿的光微粒学说牛顿的光微粒学说惠更斯的光波动学说惠更斯的光波动学说电磁波特性（电磁波特性（2）l光波特性光波特性光的量子学说光的量子学说麦克斯韦尔理论麦克斯韦尔理论电磁波特性（电磁波特性（3）l电磁波特性电磁波特性方向性方向性直线性直线性电磁波特性（电磁波特性（4）l电磁波产生电磁波产生=C/f电磁波特性（电磁波特性（5）l电磁波与物体的作用电磁波与物体的作用反射反射透射透射吸收吸收电磁波特性（电磁波特性（6）l电磁波传输电磁波传输空气中传输空气中传输 天线天线微波传输线中传输微波传输线中传输 波导波导, 电缆电缆电磁波频段电磁波频段1. 功率功率2. 穿透能力穿透能力3. 设备体积设备体积4. 系统性能系统性能雷达概念（雷达概念（1）lRadioDetectionandRanging1. 目标斜距的测量目标斜距的测量2. 目标角位置的测量目标角位置的测量3. 相对速度的测量相对速度的测量4. 目标尺寸和形状的测量目标尺寸和形状的测量雷达概念（雷达概念（2）l雷达方程雷达方程雷达基本组成雷达基本组成l发射机发射机l天线天线l接收机接收机l数据采集数据采集l显示显示l定时定时l信号处理信号处理l控制系统控制系统l通讯系统通讯系统雷达原理框图雷达发射机（雷达发射机（1）雷达发射机工作原理：雷达发射机工作原理：雷达发射机（雷达发射机（2）雷达发射机主要指标：雷达发射机主要指标：1. 工作频率或波段工作频率或波段 2. 输出功率输出功率 3. 效率效率 4. 信号形式信号形式 5. 信号频谱纯度信号频谱纯度雷达发射机（雷达发射机（3）使用器件使用器件l真空电子管发射机真空电子管发射机l晶体管固态发射机晶体管固态发射机工作方式工作方式l单级振荡式发射机单级振荡式发射机l主振放大式发射机主振放大式发射机雷达发射机分类：雷达发射机分类：雷达发射机（雷达发射机（4）磁控管发射机：磁控管发射机： 磁控管磁控管 调制器调制器雷达发射机（雷达发射机（5）行波管发射机：行波管发射机：雷达发射机（雷达发射机（6）固态发射机：固态发射机：雷达天线（1）雷达天线的工作原理：雷达天线的工作原理：雷达天线（2）l雷达天线的主要指标：雷达天线的主要指标：1. 方向图方向图2. 增益增益3. 带宽带宽4. 极化极化5. 副瓣电平副瓣电平方位向方向图方位向方向图高低向方向图高低向方向图雷达天线（3）l雷达天线的分类：雷达天线的分类：1. 直接辐射类型直接辐射类型2. 间接反射类型间接反射类型雷达接收机（1）雷达接收机组成：雷达接收机组成：雷达接收机（2）雷达接收机主要指标：雷达接收机主要指标：1. 灵敏度灵敏度 2. 频带宽度频带宽度 3. 动态范围动态范围 4. 滤波特性滤波特性 5. 频率稳定度频率稳定度雷达接收机（3）雷达接收机分类：雷达接收机分类：1. 直接混频方式直接混频方式 2. 前级放大方式前级放大方式雷达数据采集1.数据采集数据采集2. 数据存储数据存储3. 数据形成数据形成4. 高速数据采集高速数据采集雷达数据后处理1. 角度信息处理角度信息处理2. 距离信息处理距离信息处理3. 速度信息处理速度信息处理4. 目标特性处理目标特性处理5. 综合信息处理综合信息处理雷达定时1. 雷达工作的中枢神经雷达工作的中枢神经2. 参数测量的基础参数测量的基础3. 信号产生的源头信号产生的源头雷达控制系统雷达控制系统1. 目标跟踪功能目标跟踪功能2. 天线控制功能天线控制功能雷达通讯系统1. 指令传递指令传递2. 数据传递数据传递雷达基本指标（雷达基本指标（1）l战术指标战术指标l技术指标技术指标雷达基本指标（雷达基本指标（2）l战术指标：战术指标：1. 雷达的探测范围雷达的探测范围2. 测量目标参数的精度测量目标参数的精度3. 分辨力分辨力4. 数据率数据率5. 抗干扰能力抗干扰能力6. 工作可靠性工作可靠性7. 体积和重量体积和重量8. 功耗及展开时间功耗及展开时间9. 测量目标坐标或参数的数目测量目标坐标或参数的数目l雷达的探测范围雷达的探测范围 雷达对目标进行连续观测的空域，叫做雷达对目标进行连续观测的空域，叫做探测范围，又称为力范围，它决定于雷达的探测范围，又称为力范围，它决定于雷达的最小可探测距离和最大作用距离，仰角和方最小可探测距离和最大作用距离，仰角和方位角的探测范围雷达的探测范围。位角的探测范围雷达的探测范围。 l测量目标参数的精度测量目标参数的精度 精确度的高低是以测量误差的大小来精确度的高低是以测量误差的大小来衡量的。测量方法不同精确度也不同。误衡量的。测量方法不同精确度也不同。误差越小，精度度越高。雷达测量精确度的差越小，精度度越高。雷达测量精确度的误差通常可分为系统误差、随即误差。所误差通常可分为系统误差、随即误差。所以往往对测量结果规定一个误差范围。以往往对测量结果规定一个误差范围。l分辨力分辨力 分辨力是指对两个相邻目标的区分能力。分辨力是指对两个相邻目标的区分能力。两个目标在同一角度但处在不同距离上，其两个目标在同一角度但处在不同距离上，其最小可区分的距离称为距离分辨力；两个目最小可区分的距离称为距离分辨力；两个目标处在相同距离上，但角位置有所不同，最标处在相同距离上，但角位置有所不同，最小能够区分的角度称为角分辨力。小能够区分的角度称为角分辨力。l数据率数据率 数据率是雷达对整个探测范围完成一数据率是雷达对整个探测范围完成一次探测所需时间的倒数。也是单位时间内次探测所需时间的倒数。也是单位时间内雷达对每个目标提供数据的次数，它表征雷达对每个目标提供数据的次数，它表征雷达的工作速度。雷达的工作速度。l抗干扰能力抗干扰能力 雷达通常在各种自然干扰和人为干扰的雷达通常在各种自然干扰和人为干扰的条件下工作，其中主要是敌方施放的无源干条件下工作，其中主要是敌方施放的无源干扰和有源干扰。这些干扰最终作用于雷达终扰和有源干扰。这些干扰最终作用于雷达终端设备，严重时可能使雷达失去工作能。所端设备，严重时可能使雷达失去工作能。所以现代雷达必须具有一定程度的抗干扰能力。以现代雷达必须具有一定程度的抗干扰能力。l工作可靠性工作可靠性 雷达需要可靠地工作。通常用两次故雷达需要可靠地工作。通常用两次故障之间的平均时间间隔来表示，称为平均无障之间的平均时间间隔来表示，称为平均无故障时间故障时间MTBF。可靠性的另一个标志是发。可靠性的另一个标志是发生故障以后平均修复时间生故障以后平均修复时间MTTR。l体积和重量体积和重量 体积和重量决定于雷达的任务要体积和重量决定于雷达的任务要求、所用器件和材料。机载和空基雷求、所用器件和材料。机载和空基雷达对体积和重量的要求很严格。达对体积和重量的要求很严格。l功耗和展开时间功耗和展开时间 这两项性能对雷达的机动性很重要。这两项性能对雷达的机动性很重要。l测量目标坐标或参数的数目测量目标坐标或参数的数目目标的方位、斜距和仰角目标的方位、斜距和仰角目标的速度和性质目标的速度和性质雷达基本指标（雷达基本指标（3）l技术指标技术指标:1. 工作频率及工作带宽工作频率及工作带宽2. 发射功率发射功率3. 调制波形、脉冲宽度和重复频率调制波形、脉冲宽度和重复频率4. 天线的波束形状、增益和扫描方式天线的波束形状、增益和扫描方式5. 接收机的灵敏度接收机的灵敏度6. 终端装置和雷达输出数据的形式终端装置和雷达输出数据的形式7. 电源供应电源供应l工作频率及工作带宽工作频率及工作带宽 雷达的工作频率主要根据目标的特性、雷达的工作频率主要根据目标的特性、电磁波传播条件、天线尺寸、高频器件的性电磁波传播条件、天线尺寸、高频器件的性能、雷达的测量精度和功能等要求来决定。能、雷达的测量精度和功能等要求来决定。工作带宽主要根据抗干扰的要求来决定。工作带宽主要根据抗干扰的要求来决定。 l发射功率发射功率 发射功率的大小影响作用距离。发射功率的大小影响作用距离。发射功率分为脉冲功率和平均功率。发射功率分为脉冲功率和平均功率。 l调制波形、脉冲宽度和重复频率调制波形、脉冲宽度和重复频率 脉冲宽度指发射脉冲信号的持续时间脉冲宽度指发射脉冲信号的持续时间脉冲重复频率指雷达每秒钟发射的射频脉冲的脉冲重复频率指雷达每秒钟发射的射频脉冲的个数个数l天线的波束形状、增益和扫描方式天线的波束形状、增益和扫描方式 方位波束形状、高低波束形状方位波束形状、高低波束形状 扫描方式：机械扫描、电扫描扫描方式：机械扫描、电扫描l接收机的灵敏度接收机的灵敏度 接收机的灵敏度是指雷达接收微弱信号的能力接收机的灵敏度是指雷达接收微弱信号的能力 l终端装置和雷达输出数据的形式终端装置和雷达输出数据的形式 终端装置是显示器终端装置是显示器 雷达输出数据形式雷达输出数据形式 l电源供电电源供电 电源供应：电源供应： 50Hz, 400Hz雷达参数选择（雷达参数选择（1）l工作波长的选择工作波长的选择l脉冲重复频率的选择脉冲重复频率的选择l脉冲宽度的选择脉冲宽度的选择l天线方向图和功率增益系数的选择天线方向图和功率增益系数的选择l接收机噪声系数和通频带的确定接收机噪声系数和通频带的确定l发射脉冲功率的计算发射脉冲功率的计算l雷达波形的选择雷达波形的选择l工作波长的选择工作波长的选择1.从提高接收机灵敏度考虑从提高接收机灵敏度考虑2.从提高作用距离考虑从提高作用距离考虑3.从雷达的用途考虑从雷达的用途考虑4.从地面或水面的反射影响考虑从地面或水面的反射影响考虑5.从杂波干扰的影响考虑从杂波干扰的影响考虑l脉冲重复频率的选择脉冲重复频率的选择1.从天线扫描引起的干扰考虑从天线扫描引起的干扰考虑2.从测距的单值性考虑从测距的单值性考虑3.从脉冲积累个数考虑从脉冲积累个数考虑4.从发射平均功率考虑从发射平均功率考虑l脉冲宽度的选择脉冲宽度的选择1.从工作带宽考虑从工作带宽考虑2.从距离分辨力考虑从距离分辨力考虑3.从稳定性考虑从稳定性考虑l天线方向图和功率增益系数的选择天线方向图和功率增益系数的选择1.水平波束选择水平波束选择2.垂直波束选择垂直波束选择3.天线旁瓣电平天线旁瓣电平4.波瓣图的形状波瓣图的形状5.天线增益天线增益l接收机噪声系数和通频带的确定接收机噪声系数和通频带的确定1.接收机噪声系数接收机噪声系数2.接收机带宽接收机带宽l发射脉冲功率的计算发射脉冲功率的计算l雷达波形的选择雷达波形的选择1.足够的能量足够的能量2.足够的目标分辨力足够的目标分辨力3.良好的抑制能力良好的抑制能力雷达分类（雷达分类（1）l非成像雷达非成像雷达l成像雷达成像雷达雷达分类（雷达分类（2）l非成像雷达：非成像雷达：火控雷达火控雷达制导雷达制导雷达预警雷达预警雷达导航雷达导航雷达气象雷达气象雷达雷达分类（雷达分类（3）l成像雷达：成像雷达：实孔径雷达实孔径雷达合成孔径雷达合成孔径雷达逆合成孔径雷达逆合成孔径雷达现代雷达技术发展趋势现代雷达技术发展趋势l宽带宽带l高精度高精度l抗干扰抗干扰l智能化智能化l多传感器融合多传感器融合