雷达组成及原理

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1、雷达的组成及其原理课程名称：现代阵列并行信号处理技术姓名：杜凯洋学号： 2015010904025教师：王文钦教授一简介雷达（Radar，即radio detecting and ranging意为无线电搜索和测距。它 是运用各种无线电定位方法， 探测、识别各种目标， 测定目标坐标和其它情报的 装置。在现代军事和生产中， 雷达的作用越来越显示其重要性， 特别是第二次世 界大战，英国空军和纳粹德国空军的“不列颠”空战，使雷达的重要性显露的非常 清楚。雷达由天线系统、发射装置、接收装置、防干扰设备、显示器、信号处理 器、电源等组成。其中，天线是雷达实现大空域、多功能、多目标的技术关键 之一；信号处

2、理器是雷达具有多功能能力的核心组件之 雷达种类很多，可按多种 方法分类：（ 1）按定位方法可分为：有源雷达、半有源雷达和无源雷达。（ 2）按装设地点可分为；地面雷达、舰载雷达、航空雷达、卫星雷达等。（ 3）按辐射种类可分为：脉冲雷达和连续波雷达。（ 4）按工作被长波段可分：米波雷达、分米波雷达、厘米波雷达和其它波段 雷达。（ 5）按用途可分为： 目标探测雷达、 侦察雷达、武器控制雷达、 飞行保障雷 达、气象雷达、导航雷达等。二. 雷达的组成（一）概述1、天线：辐射能量和接收回波（单基地脉冲雷达），（天线形状，波束形状，扫描方式）。2、收发开关：收发隔离。3、发射机：直接振荡式（如磁控管振荡器）

3、 ，功率放大式（如主振放大式） ，（稳定，产生复 杂波形，可相参处理） 。 4、接收机：超外差，高 频放大，混频，中频放大，检波，视频放大等。 （接收机部分也进行一些信号处理，如匹配滤波 等），接收机中的检波器通常是包络检波，对于多普勒处理则采用相位检波器。5、信号处理：消除不需要的信号及干扰而通过或加强由目标产生的回波信号，通常在检测判决之前完成（MTI,多普勒滤波器组，脉冲压缩），许多现代雷达也在检测判决之后完成。6、显示器（终端） ：原始视频，或经过处理的信息。7、同步设备（视频综合器） ：是雷达机的频率和时间标准（只有功率放大式（主振放大式） 才有）。（二）雷达发射机1、单级振荡式：大

4、功率电磁振荡产生与调制同时完成（一个器件）图2 T单级振荡式发射机（1）定时器提供以Tr为间隔的脉冲触发信号（2）脉冲调制器：在触发脉冲信号激励下产生脉宽为t的大功率视频脉冲信号。（3）功率射频振荡器：产生大功率射频信号。特点：简单，廉价，高效，难以产生复杂调制，频率稳定性差，10 4 10 5。2、主振放大式（主控振荡器加上射频放大链）：先产生小功率的 CW振荡，再分多级进行调制和放大。射删率放大銀t1Ik耿冲调制器A11图 2-2 主振放大式发射机1）定时器：给三个脉冲调制器提供不同时间，不同宽度的触发脉冲信号2）固体微波源：是高稳定度的 CW 振荡器，在脉冲调制下形成输出脉冲3）中间放大

5、器：在微波源脉冲到达后很短时间处于放大状态，在微波脉冲结束后退出放大状态，受脉冲控制4）出功率放大器：产生大功率的脉冲射频信号 特点：调制准确，能够适应多种复杂调制，系统复杂，昂贵，效率低。（三）雷达接收机超外差雷达接收机的组成优点：灵敏度高、增益高、选择性好、适应性广。图 3 -1超外差式雷达接收机简化框图1、高频部分：（1）T/R 及保护器：发射机工作时，使接收机输入端短路，并对大信号限幅保护。（2）低噪声高放：提高灵敏度，降低接收机噪声系数，热噪声增益。（3）Mixer， LD， AFC ：保证本振频率与发射频率差频为中频，实现变频。2、中频部分及 AGC ：（1）匹配滤波： （ S /

6、 N o）max（ 2） AGC ： auto gain control.3、视频部分：（1）检波：包络检波，同步（频）检波（正交两路），相位检波。（2）放大：线形放大，对数放大，动态范围。雷达接收机的主要质量指标1、灵敏度S i min：用最小可检测信号功率Simin表示，检测灵敏度，给定虚警概率Pfa，达到指定检测概率 Pd 时的输入端的信号功率：Si min=Si| Pfa =const， Pd =const保证下面灵敏所需接收机gain=120-160 dB , S i min= -120-T40dbw主要由中频完成。2 、工作频带宽度：指瞬时工作频率范围，频率捷变雷达要求的接收机工作

7、频带宽度：10-20% 。3、动态范围：表示接收机能够正常工作所允许的输入信号强度的变化范围，过载时的Si|Si min，80-120 dB。14、 中频的选择与滤波特性：f0f ，中频选择通常选择 30M500M，抑制镜频实际2与发射波形特性，接收机工作带宽有关。5、工作稳定性和频率稳定度：指当环境变化时，接收机性能参数受到影响的程度，频率稳定度，信号处理，采取频率稳定度、相位稳定度提高的本振，“稳定本振”。6、抗干扰能力：杂波干扰（MTI， MTD）、有源干扰、假目标干扰。7、 微电子化和模块化结构。MMIC 微波单片集成电路、IMIC中频单片集成电路、ASIC专用集成电路。四、雷达的终端

8、显示器和录取设备1、距离显示器：图4.1显示目标的斜距坐标，用光点在荧光屏上偏转的振幅来表示目标回 波的大小，所以又称为偏转调制显示器。A显：直线扫掠，扫掠线长度和雷达的距离量程相对应，直线的起始点为雷达，回波距离点 的长度表示距离，有距离刻度。A/R显：A显同上，R显上 A的某一段进行放大。J显：圆周扫掠，顶端为雷达圆弧长表示距离，读数精度提高n倍。2、 平面显示器：图4.2又称PPI（Plan position indicator）显示斜距、方位，是二维显示 器，用亮点来显示坐标，属亮度调制显示器。P显：圆心为雷达，径长表示距离，顶向方位为正北，圆周角表方位，顺时针方 向。偏心式P显：移动

9、原点，使放大给定方向。以上两种均为极坐标。B式显示：直角坐标，常用微 B式显示，距离和方位只显示一段。3、高度显示器：RHI显示：水平距离和高度、仰角，雷达在左下方。4、情况显示器：一次信息：雷达二次信息：表格数据、特征符号、地图等。5、光栅扫描雷达显示器：数字显示技术的应用。既能显示目标回波的二次信息，也能显示各种二次信息以及背景地图。三雷达原理（一）基本雷达方程PGt1、 距离R处任一点处的雷达发射信号功率密度: 1 4 R4皿 4 R2雷达发射功率。2、 对于定向天线，考虑到 天线增益G，表示相对于各向同性天线，则S1 PG七4R2S2SPG14 R24 皿 4 2R雷达天线接收面积 A

10、e，收到功率Pr AeS2PGAte尹4R(4最大测量距离：当雷达接收功率为接收机最小检测功率（即临界灵敏度）时Pr Smin时,max-PGA t e J1/4(4 2)Smin收发不同天线时,6.PrPtGt4 R 22ArPt G Ar(4 )R4maxGtTs2Ar打1i min7.收发共天线时,ArAtGrGtR2R2ArArmaxS(4 )2i minPt(4 )2 2 iSmin雷达实际作用距离受目标后向散射截面积o 有不确定性,服从统计学规律。Si min、噪声和其他干扰的影响，具以目标为圆心，雷达处散射的功率密度: 雷达散射截面积。二）雷达距离的测量磁波在均匀介质中以光速匀速

11、直线传播；测量目标回波滞后于发射信号的延迟时间tR 的测量： 脉冲雷达采用脉冲法；连续波雷达采用频率法和相位法 确定回波到达的位置：前沿法： 以目标回波脉冲的前沿测量到达时间。特点：物理概念清楚（适用于人工测量） 、前沿受回波大小及噪声影响中 心法： 以回波脉冲的中心测量回波到达时间。特点：到达时间的测量不受波形的影响、适用于自动跟踪系统,采用专用电路；提高距离分辨力： 发射脉宽窄、管子聚焦性要好、降低显示器量程、提高电子束扫描速度 提高单值可测距离： 降低重复频率、多重频率法、舍脉冲法人工距离跟踪特点：1 、锯齿电压法：跟踪范围大，精度低2、相位调制法：跟踪范围小，精度高3、复合法：跟踪范围

12、大，精度高-雷达角度坐标的确定方位角a,高低角B绝对坐标表示法：方位角a 基准为正北，顺时针方向为正。第侍号扶相两法线相三位犬（三）角度测量高低角B基准为水平面，向上方向为正。相对坐标表示法：测出目标相对于天线轴线的偏离角，再根据天线轴线的实际角度，计算出目标实际角度。角度分辨力：雷达将相同距离上相互靠近的两个目标区分的最小角度。角度分辨力由天线半功率波束宽度决定。振幅法：利用天线收到的回波信号幅度值进行角度测量。最大信号法：天线作圆周扫描或扇形扫描时，找出回波脉冲串的最大值（中心值）对应的波束轴线指向角度，即为目标所在方向。等信号法：采用两个相同且彼此部分重叠的波束，当两个波束收到的回波信号

13、相等时，等信号轴所指方向即为目标方向。最小信号法：采用两个在零点处相切的波束，转动天线使显示器上的回波消失或最小时，天线零值轴所指方向即为目标的角度。波束的扫描方法：1、机械扫描：利用整个天线系统或其中一部分机械运动实现波束扫描。（1）整个天线系统转动（2 ）馈源不动，反射体摆动（3）反射体不运动，馈源动优点：简单缺点：机械运动惯性大，扫描速度低，精度差2、电扫描：天线系统不做任何机械运动，利用电子技术实现波束扫描。实现方法：相位法、频率法、时间延迟法特点：无惯性限制，波束控制迅速，方便灵活特别适用于要求波束快速扫描及巨型天线的雷 达。（四）运动目标检测及测速多普勒效应: 1、连续波信号的多普

14、勒效应tkA cos o其中R为目(t r t雷达发射信号可表示为：s （t ） ks（t在雷达发射站处接收到由目标反射的回波信号Sr （t为：2 f 2R 2式中，oE 2 f?/cV ）2 RJ= 2R/c，为回波滞后于发射信号的时间,k 回波的衰和雷达站 的距离； c 磁波 播速度，在自由空 播 它等于光速； 减系数。如果目固定2不,目 示雷达的基本 型距 离 R 常 数 。 回 波 与 射 信 号 之 有 固 定 相 位 差 ）2 R，它是磁波往返于雷达与目之所生的相位滞后。中全相参 干（ ）目 示： 当雷达射机采用主振放大器,每次 射脉冲的初相由振 的主振源控制 , 射信号是全相参的

15、, 即 射高 脉冲、本振 、相参 之 均有确定的相位关系。相位 波通常是在中上行的, 因在超外差接收机中 , 信号的放大主要依靠中 放大器。在中 行相位 波, 仍能保持和高 相位 波相同的相位关系。相相参目 示：当雷达 射机采用自激振器（如磁控管振器 ） 它,的每一射脉冲高 起始相位是随机的。因此， 了得到与 射脉冲起始相位保持 格关系的基准采用 相的 法, 也就是使振 的起始相位受外加 相位的控制。原 上有两种相的 法 :一种是将射机出的高 加到相参振 器去 相;另一种是将 振的相参 加到射机振器去, 以控制射脉冲的起始相位。后一种方法要求大的控制功率 ,因而在 中用得 少。四并行计算机在现

16、代雷达信号处理中的应用1 大规模并行处理机的并行性大模并行理机的并行性大模并行理机取决于 用 的算法、程序言和理机构,而基在于并行性。算法的并行性是 算法中可并行行的操作次数。并行 理机在 像 理、 信号 理和神 网 中有巨大的用潜力。 一幅 像的所有像素均可 分配到 列各 理 元中 每, 个 理机 一个像素。如一像很大 ,可以被分,每 像大小等于 理 元列的大小。信号理机用向量或矩运算是利用大量理元 向量或矩 包含的各元素同 行 算。用 SIMD 矢量指令取代 算机程序的 内循。数据并行性就可使所有理元在列的各元上并行行同指令。在ISAR成像雷达中 ,数据并行性可按向距离元和横向距离元 行运

17、算。英国机MPRF 多普勒搜索雷达用DAP搜索雷达的数据并行性 6万点。瑞典机多普勒（MPRF）雷达信号 理用的 SIMD 大模并行 理机 ,其数据并行性 是 1万个元素 , 就意味着每个 相干理隔 （CPI内 理100 个脉冲 而每个脉冲有 100个距离，100 X100 =1万个采 。MP-2 的构并行性128 X 128=16K。每个理机元都行相同的所有信号理运算。SIMD（指令多数据流）构中 FFT并行算法，于一个N点数如果采用基rFFT算法用序 理机每迭代要行N/r次蝶形运算。如果我 并行N/r个基r蝶形运算器 ，每一 迭代只需一个蝶形运算 完成 是， 序 理机的 N/r 倍。此 N

18、 点可取16K . 1024、等。N数由雷达距离元数和多普勒决定,N =PRF f D其中 PRF脉冲重复 率 ，fD 多普勒 率分辨率。 在流行的多 理 机 构 行的是 MIMD方式 ，那就 用MPMD（ 多程 序多数据 ）方式 ，多个 程可 行不同代，功能并行 ，用并行构造。那就没有 SIMD 方式那么多的 构并行性 ，可把 FFT 的大 N 点数分成 N1 N2现代雷达应用的大规模并行处理机（一）国外应用的大规模并行处理机1. 美国MP-2大规模并行处理机1992年美国成功研制出MP-2并行处理机其结构为SIMD,网络拓扑为X网交叉开关网络传送速 度为 1. 423MB/s,其处理单元为

19、专用芯片，处理单元数为1 02416 384,处理单元峰值为0 . 15Mflops每秒百万浮点运算）,MP-2峰值处理速度为2. 4Gflops每秒千兆次浮点运算），主存容量4GB（千兆 字节）一台这种4096 个处理机的机器安装在美国 衣阿华州立大学的 Ames 实验室中 ,有时运算速度超过1Gflops。该机1993年标价为50余万美元。MP-2的处理机芯片采用的是1 u m CMOS处理技术 ,支持超 过 12MHz 的时钟频率。该机已成功用于THAAD 和 NMD 系统中的地基雷达。2. 美国的 PEPE 并行单元处理集合机 美国 Burroughs 公司于 1977 年成功研制的

20、PEPE并行单元处理集合机现被用作反弹道导弹的雷达信号处理 ,属 SIMD 结构 ,是管理阵列的处理机以实现雷达 的实时跟踪。该机运算速度可达 1 亿次浮点运算 /秒 ,共有 288 个处理单 元,每个处理单元负责观察一个目标 ,在其存储器内保存特定目标的一个数据文件。3. 美国反导雷达应用的阵列处理机 美国于 1989 年初已成功地对实弹发射的所有能 力 作了演习。此阵列处理机能以 10s 的更新率提供多 达 1200个目标的点迹数据。处理能力包括弹道导弹 型号、发射点和弹道点的识别。（二）神经网络应用的并行处理机神经网络模型映射到并行结构所用的技术为启发性（heuris ti映射。处理机相

21、互连接成网格 ,能执行所 有计算 （例如加权的输入求和、求激活函数、求矢量和矩阵输出函数 ）。在处理机的N X N网格上实现n个神经元和e个突触连接 这里N2三n +e表示处理机数多于数据项数）。处理机阵列为N X N , N大到足 够在阵列中存储所有神经元值和突触权 值,每个处理 机分配到一个项 ,此映射分两步 :神经元和权值加载入处理机 ,由内连路径传送。（三）中国现状（ 1北） 航星载 SAR 数据成像用 Origin2000 并行机据 2002 年报道 ,对星载 SAR RD 成像算法的并行化 ,采用阶段并行和流水线相结合的并行方法。SGI公司的Origin 200（是共享存储多处理机

22、，在硬盘中按距离向逐点存储原始 SAR 数据。在方位向上有 8192 点、距离向上有 3 900点的复数据。（2科学院电子所的星载SAR雷达用曙光1000和曙光 2000- II并行机曙光1000采用并行的 2DFFT实现二维相关运算。整个处理时间约为350s，曙光1000A为150 160s）可完成星载 SAR雷 CS（ chirp scaling）性调频定标算法的并行 达大国家航天署提供的 RAOARSAT 1 星处理 ,并利用该并行机完成对CS 算法的实时成像并行化结构的系统仿真。利用的是加拿 载 SAR 数据 ,效果很好。（ 3）电子科技大学成都电子科技大学在国产曙光3000-11机群

23、上实系统的验了 SAR实时数字成像处理（作地面 实时处理）结果证明研究工作是有效的。曙光3000 -II并行机有16个结点（64个CPU） ,AIX4. 3.操作系统、 C语言。采用基于 CS算法作并行运算，处理大小为 16 384 X 16 384,回波数据的总时间 （包括数据加载和 图像存储的时间）为72. 12。CS算法只用 FFT 运算 和复乘 ,无需内插 ,因而消除了使用内插使图像质量变坏的现象。 经过 CS 相位相乘后 ,所有目标的距离变 曲程度与参考距离的弯曲程度相同。 FFT 变换采用 曙光 3000 提供的数 学函数库。（ 4西） 安微电子技术研究所该所于 1997 年成功研制出我国第一代用于航空 航天图像处理的嵌入式大规模并行处理（ MPP） 元芯 片 ,阵列规模为 64X 64（ 4 096的） 样机于 2001 年 6月 通过鉴定。该 MPP 并 行机能及时准确地计算飞行器 所处的位置 以, 使制导系统修正其航向（四）结论目前国内外大规模并行处理机的发展速度很快 ,美国处于世界领先水平比还相 ,我国与美国相 , 差较大 距离 ,我们应借鉴国外经验 ,尤其是美国的研制并行机 的经验以促进我国并行机的发展。此外 ,并行机应用 于雷达 ,以提高信号处理速度 ,将是必然的发展趋势。