雷达原理第三版丁鹭飞绪论.pptx

第一章绪论1.1雷达的任务目标在空间、陆地或海面上的位置,可以用多种坐标系来表示。最常见的是直角坐标系,即空间任一点目标P的位置可用x、y、z三个坐标值来决定。在雷达应用中,测定目标坐标常采用极(球)坐标系统,如图1.1所示。图中,空间任一目标P所在位置可用下列三个坐标确定:(1)目标的斜距R：雷达到目标的直线距离OP;(2)方位角α：目标斜距R在水平面上的投影OB与某一起始方向(正北、正南或其它参考方向)在水平面上的夹角。图1.1用极(球)坐标系统表示目标位置(3)仰角β：斜距R与它在水平面上的投影OB在铅垂面上的夹角,有时也称为倾角或高低角。如需要知道目标的高度和水平距离,那么利用圆柱坐标系统就比较方便。在这种系统中,目标的位置由以下三个坐标来确定:水平距离D，方位角α，高度H。这两种坐标系统之间的关系如下:D=Rcosβ，H=Rsinβ，α=α上述这些关系仅在目标的距离不太远时是正确的。当距离较远时,由于地面的弯曲,必须作适当的修改。图1-2雷达的原理及其基本组成由雷达发射机产生的电磁能,经收发开关后传输给天线,再由天线将此电磁能定向辐射于大气中。电磁能在大气中以光速(约3×108m/s)传播,如果目标恰好位于定向天线的波束内,则它将要截取一部分电磁能。目标将被截取的电磁能向各方向散射,其中部分散射的能量朝向雷达接收方向。雷达天线搜集到这部分散射的电磁波后,就经传输线和收发开关馈给接收机。接收机将这微弱信号放大并经信号处理后即可获取所需信息,并将结果送至终端显示。1.目标斜距的测量雷达工作时,发射机经天线向空间发射一串重复周期一定的高频脉冲。如果在电磁波传播的途径上有目标存在,那么雷达就可以接收到由目标反射回来的回波。由于回波信号往返于雷达与目标之间,它将滞后于发射脉冲一个时间tr,如图1.3所示。我们知道电磁波的能量是以光速传播的,设目标的距离为R,则传播的距离等于光速乘上时间间隔,即式中,R为目标到雷达站的单程距离,单位为m;tr为电磁波往返于目标与雷达之间的时间间隔,单位为s;c为光速，c=3×108m/s。由于电磁波传播的速度很快,雷达技术常用的时间单位为μs,回波脉冲滞后于发射脉冲为一个微秒时,所对应的目标斜距离R为图1.3雷达测距2.目标角位置的测量目标角位置指方位角或仰角,在雷达技术中测量这两个角位置基本上都是利用天线的方向性来实现的。雷达天线将电磁能量汇集在窄波束内,当天线波束轴对准目标时,回波信号最强,如图1.4实线所示。当目标偏离天线波束轴时回波信号减弱,如图上虚线所示。根据接收回波最强时的天线波束指向,就可确定目标的方向,这就是角坐标测量的基本原理。天线波束指向实际上也是辐射波前的方向。图1.4角坐标测量3.相对速度的测量有些雷达除确定目标的位置外,还需测定运动目标的相对速度,例如测量飞机或导弹飞行时的速度。当目标与雷达站之间存在相对速度时,接收到回波信号的载频相对于发射信号的载频产生一个频移,这个频移在物理学上称为多卜勒频移,它的数值为当目标向着雷达站运动时,vr＞0,回波载频提高;反之vr＜0,回波载频降低。雷达只要能够测量出回波信号的多卜勒频移fd,就可以确定目标与雷达站之间的相对速度。径向速度也可以用距离的变化率来求得,此时精度不高但不会产生模糊。无论是用距离变化率或用多卜勒频移来测量速度,都需要时间。观测时间愈长，则速度测量精度愈高。多卜勒频移除用作测速外,更广泛的是应用于动目标显示(MTI)、脉冲多卜勒(PD)等雷达中，以区分运动目标回波和杂波。4.目标尺寸和形状如果雷达测量具有足够高的分辨力,就可以提供目标尺寸的测量。由于许多目标的尺寸在数十米量级,因而分辨能力应为数米或更小。目前雷达的分辨力在距离维已能达到,但在通常作用距离下切向距离(RQ)维的分辨力还远达不到,增加天线的实际孔径来解决此问题是不现实的。然而当雷达和目标的各个部分有相对运动时,就可以利用多卜勒频率域的分辨力来获得切向距离维的分辨力。例如，装于飞机和宇宙飞船上的SAR(综合孔径)雷达,与目标的相对运动是由雷达的运动产生的。高分辨力雷达可以获得目标在距离和切向距离方向的轮廓(雷达成像)。此外,比较目标对不同极化波(例如正交极化等)的散射场,就可以提供目标形状不对称性的量度。复杂目标的回波振幅随着时间会变化,例如，螺旋桨的转动和喷气发动机的转动将使回波振幅的调制各具特点,可经过谱分析检测到。这些信息为目标识别提供了相应的基础。1.1.2雷达探测能力——基本雷达方程目标截获了一部分照射功率并将它们重新辐射于不同的方向。用雷达截面积σ来表示被目标截获入射功率后再次辐射回雷达处功率的大小,或用下式表示在雷达处的回波信号功率密度:当接收到的回波功率Pr等于最小可检测信号Smin时,雷达达到其最大作用距离Rmax,超过这个距离