【学习课件】第一章雷达基本工作原理(2)

微波传输线 发射脉冲
发射机
T/R 触发器
天线 回波
接收机
电源
船电
显示器
Fig1-2 (2)
回波 船首线 方位
精品
T/R
Receiver
Transmitter
第二节 雷达的基本组成、作用
一、基本组成七部分及作用：
1、定时器（触发电路、同步电路等）： 是雷达的指挥中心，产生周期性的窄脉冲——触发脉冲 送：1）发射机：控制发射开始 2）接收机：控制近距离增益 3）显示器：控制计时开始
船舶导航雷达
精品
第一章 雷达基本工作原理
引言
Radar —Radio detection and ranging
—无线电探测和测距
雷达：发射微波并接收目标反射回波，对目标进行探测 和测定目标信息
现代雷达 IBS的重要组成部分 定位、导航、避碰
主要传感器
精品
雷达 罗经 计程仪 GNSS AIS ECDIS
二、船用雷达单元构成：
1、三单元雷达： 收发机（触发电路、发射机、接收机、收发开关） 显示器、天线、中频电源
2、二单元雷达： 天线收发机、显示器、精中品频电源
荧光屏的单位长度：在不同量程代表不同的距离
二. 雷达测方位原理
1、利用收发定向天线 ，只向一个方向发射雷达波且 只接收此方向上的目标的反射回波
2、天线旋转依次向四周发射雷达波，则可探知周围 物标的方位——天线的精品方向即目标的方向
触发器
天线
方位与 船首线
收发机 回波
显示器
ARPA
Fig1-2(1)
第二节 雷达的基本组成、作用
5、接收机：超外差式，将微弱回波信号放大千万倍以符合

1.2.5 目标速度和其他特征参数测量
1. 目标径向速度的测量
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普勒频移,
它的数值为
fd
2vr
2R=ctr
或
R ctr 2
1.2.4 目标位置的测量
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
2. 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, 就可以利用多普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)。
式中, fd为多普勒频移，单位为Hz; vr为雷达与目标之间的径向速度， 单位为m/s; λ为载波波长，单位为m。
1.2.5 目标速度和其他特征参数测量
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普勒频移fd , 就可以确定目标与雷达站之间的 相对速度。

南宁 0°50‘ 湛江 0°44’ 海口 0°29‘ 拉萨 0°21’ 珠穆朗玛 0°19‘西沙群岛0°10‘曾母暗沙 0°24‘(东） 南沙群岛 0°35’(东） 乌鲁木齐 2°44'(东) 东沙群岛 1°05‘
雷达原理与系统教学
三、测速原理
当目标相对于RD运动后，出现△fD(回 波相对于发射ft 的频率偏移)，此时， 目标相对于RD的径向速度为：
角度采用度或密位表示, 其关系为：360度=6000密位 1度=16.7 密位 国外常用角度单位为弧度，度及毫弧度关系为：
1弧度=57度= 1000毫弧度 1毫弧度=0.057度
雷达原理与系统教学
注意：关于真北的概念及三北方向*
我国通用的标准方向有真子午线方向、 磁子午线方向和坐标纵轴方向，简称 为真北方向、磁北方向和轴北方向， 即三北方向。
雷达原理与系统教学
3．坐标纵轴方向：
在高斯平面直角坐标系中 ， 其每一投影带中央子午线的 投影为坐标纵轴方向，即轴 北方向。若采用假定坐标系 则坐标纵轴方向为标准方向 。 在同一投影带内，各点的坐 标纵轴线方向是彼此平行的 。
雷达原理与系统教学
三北之间的关系*
+δ –γ
α
β A
1
2
三种方位角之间的关系
A=β+δ A=α+λ α=β+δ+λ
+δ –γ
α
β A
1
2
三种方位角之间的关系
雷达原理与系统教学
真北是通过地面或图面上某点指向北地 极的方向，即经线（亦称子午线）所指 的北，磁北则是通过地面或地图上某点 指向北磁极的方向，由于磁极与地极并 不完全一致，所以磁北方向与真北方向 常有一定的夹角。这个夹角叫做磁偏角。

雷达的分类
01
脉冲雷达
发射脉冲信号，通过测量脉冲 信号往返时间计算目标距离。
02
连续波雷达
发射连续波信号，通过测量信 号频率变化计算目标距离和速
度。
03
合成孔径雷达
利用高速平台对目标区域进行 扫描，形成高分辨率的合成孔
径图像。
雷达的应用
军事侦察
利用雷达探测敌方军事目标，如飞机、 坦克等。
气象观测
指雷达在存在欺骗干扰的情况下，仍能正常工作并检测到目标的能力 ，通常由信号鉴别和抗干扰算法决定。
多目标处理能力
跟踪能力
指雷达在同一时间内能够跟踪的 目标数量，通常由数据处理能力 和硬件资源决定。
分辨能力
指雷达在同一时间内能够分辨的 目标数量，通常由信号处理算法 和天线波束宽度决定。
05
雷达技术的发展趋势
天线是雷达系统的辐射和接收单元，负责发射和接收电磁波。
波束形成是天线的重要技术，通过控制天线阵列的相位和幅度，形成具有特定形状 和方向的波束。
天线的性能指标包括方向图、增益、副瓣电平和极化方式等。
信号处理与数据处理
信号处理是雷达系统的关键技术之一，负责对接收到的回波信号进行处 理和分析。
数据处理负责对雷达系统获取的数据进行进一步的处理、分析和利用。
当目标相对于雷达移动时，反 射的电磁波频率会发生变化， 这种变化被雷达接收并转换为 目标的相对速度。
速度测量的精度受到多普勒效 应的影响，而分辨率则受到雷 达工作频率和采样率的影响。
03
雷达系统组成
发射机
发射机是雷达系统的核心组件之 一，负责产生高功率的射频信号
。
它通常包括振荡器、功率放大器 和调制器等组件，用于将低功率 信号放大并调制为所需的波形。

05
雷达成像技术发展与展望
雷达成像技术的发展历程
雷达成像技术的起源
20世纪40年代，雷达技术开始应用于军事 领域，随着技术的发展，人们开始探索雷达 在成像方面的应用。
雷达成像技术的初步发展
20世纪60年代，随着计算机技术和信号处理技术的 发展，雷达成像技术开始进入初步发展阶段，出现 了多种成像模式。
提取雷达图像中的边 缘信息，用于目标识
别和形状分析。
纹理分析
提取雷达图像中的纹 理特征，用于分类和 识别不同的物质或结
构。
04
雷达图像解译
雷达图像的解译方法
直接解译法
01
根据雷达图像的直接特征，如斑点、纹理、色彩等，对目标进
行识别和分类。
间接解译法
02
利用雷达图像的间接特征，如地形、地貌、阴影等，结合地理
03
雷达图像处理
雷达图像预处理
去噪
去除雷达图像中的噪声，提高图像质量。
标定
对雷达图像进行几何校正和辐射校正，以 消除误差。
配准
将多幅雷达图像进行对齐，确保后续处理 的一致性。
滤波
平滑雷达图像，减少随机噪声和斑点效应 。
雷达图像增强
01 对比度增强
提高雷达图像的对比度， 使其更易于观察和理解。
03 直方图均衡化
雷达成像技术的成熟
20世纪80年代以后，随着数字信号处理技 术的广泛应用，雷达成像技术逐渐成熟，分 辨率和成像质量得到显著提高。
雷达成像技术的未来展望
高分辨率成像技术
未来雷达成像技术将进一步提高分辨率，实现更精细的成像效果 ，为各种应用提供更准确的信息。
多模式成像技术
未来雷达成像技术将发展多种模式，包括透射、反射、合成孔径等 多种模式，以满足不同场景的需求。

的射频信号进行下变频以转化为视频信号（即中心频率等
于0）。正交解调接收机即可完成这样的下变频处理：
sm(t) = s(t) exp(-j2 f0t) 可见，正交解调处理将信号的中心频率降低了 f0 。
|s( f )|
s(t)
sm(t)
正交解 调前
exp(-j2 f0t)
0 |sm( f )|
f0
f
正交解
基本原理
发射系统 接收系统
目标
将雷达的接收信号与发射信号进行比较，就可 以获得目标的位置、速度、形状等信息，根据这些 信息，雷达进而可以完成对目标的检测、跟踪、识 别等任务。
基本原理
发射信号：
Tp
t
Tr
雷达发射周期性脉冲，记脉冲宽度为 Tp，重复周期为 Tr，雷达峰值功率（即脉冲期间的平均功率）为Pt，雷达 平均功率（即周期内的平均功率）为Pav，工作比（即脉冲 宽度与重复周期之比）为D。显然有：
SNR = Ps / Pn 显然SNR越高，目标回波就越显著，就越有利于信号分析。
发射功率
不考虑各种损耗，影响目标回波峰值功率Ps的因素有：
雷达发射峰值功率Pt、目标的雷达截面积（RCS） 、目
标与雷达的相对距离R。它们之间存在关系：
Ps= Pt /R4 是与雷达系统及环境有关的常数。若 过小或R过大，则
Tp
t
响应的 3dB宽度称为雷 达距离分辨率，它表征 了雷达将相邻目标区分 开的能力。若接收机没 有脉冲压缩，可用发射
与雷达相距r的目标回波相对于发射脉冲 脉宽Tp近似距离分辨率；
的延时 = 2r / c，c为电磁波的传播速度。 若有脉冲压缩，分辨率
那么，与雷达的相对距离差为r的两个

雷达技术的发展
1886-1888赫兹 赫兹(Germany): 实现了电磁波振荡、发射、接收。 实现了电磁波振荡、发射、接收。 赫兹 1897 波波夫 波波夫(Russian):提出了回声探测器－雷达的初始模型。 提出了回声探测器－ 提出了回声探测器 雷达的初始模型。 1936沃森 瓦特 (England):制造对空警戒雷达 第一部实用军事 沃森─瓦特 制造对空警戒雷达-第一部实用军事 沃森 制造对空警戒雷达 雷达 1936 德国“海军上将施佩尔伯爵”号战列舰装备舰载雷达 第一 德国“海军上将施佩尔伯爵”号战列舰装备舰载雷达-第一 部实用的舰载雷达 1938美国海军“New York” 巡洋舰 美国海军“ 巡洋舰XAF型雷达 第一部舰载对空 型雷达-第一部舰载对空 美国海军 型雷达 警戒雷达 1937英国科学家爱德华 鲍恩“安桑”式飞机 第一部机载雷达 英国科学家爱德华·鲍恩 英国科学家爱德华 鲍恩“安桑”式飞机-第一部机载雷达 After WWII 成为了发展快速的导航仪器。 成为了发展快速的导航仪器。 中国:从发达国家引进技术 从发达国家引进技术。 中国 从发达国家引进技术。 现代雷达/ARPA: 具有计算机 构成组合导航 integrated 具有计算机, 现代雷达 navigation system(Loran, GPS, ECDIS), 及自动船桥系统 Automatic bridge navigation system.
距离，方位，速度，航向， 距离，方位，速度，航向，……
导航
(1) 避碰 (2) 定位
第一章 雷达基本工作原理
第一节 雷达测距与测方位原理
岛屿 本船 ＝ Δt＝123.5 μs 0 方向扫描 90° ° 本船 245° ° 岛屿 海图平面 目标船 90 方位标志 245 雷达不能“ 感知”目标的背面， 雷达不能 “ 感知 ” 目标的背面 ， 因此目标的后沿是不可见的. 因此目标的后沿是不可见的 量程: 量程 12 nm EBL 180 雷达平面 固定距标圈 荧光屏边缘 HL 回波 (at 10 nm) 270 扫描线 目标

激励和同步
收发开关
激励器
同步器
底座 和伺服
接收机
高频 和混频
中放
信号处理
显示器 操作员
图1.5 脉冲雷达基本组成框图
第一章 绪 论
1.3 雷达的工作频率
按照雷达的工作原理, 不论发射波的频率如何, 只要是通过 辐射电磁能量和利用从目标反射回来的回波, 以便对目标探测和 定位, 都属于雷达系统工作的范畴。常用的雷达工作频率范围为 220~35 000MHz(220MHz~35GHz), 实际上各类雷达工作的频率 在两头都超出了上述范围。 例如天波超视距(OTH)雷达的工作 频率为4MHz或5MHz, 而地波超视距的工作频率则低到2MHz。 在频谱的另一端, 毫米波雷达可以工作到94 GHz, 激光(Laser)雷 达工作于更高的频率。工作频率不同的雷达在工程实现时差别 很大。
第一章 绪 论
1.4 雷达的应用和发展
1.4.1 应用情况
军用雷达按战术来分可有下列主要类型:#; 1) 预警雷达(超远程雷达) 它的主要任务是发现洲际导弹, 以 便及早发出警报。它的特点是作用距离远达数千公里, 至于测定 坐标的精确度和分辨力是次要的。目前应用预警雷达不但能发 现导弹, 而且可用以发现洲际战略轰炸机。
S1
PtG
4R2
第一章 绪 论
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:
S2S14 R 24 P tG R 24 R 2
σ的大小随具体目标而异, 它可以表示目标被雷达“看见”的尺 寸。雷达接收天线只收集了回波功率的一部分, 设天线的有效 接收面积为Ae, 则雷达收到的回波功率Pr为

雷达抗干扰与隐身技术探讨
2024/1/28
15
常见干扰类型及抗干扰措施
有源干扰
通过发射与雷达信号相似的干扰信号，使雷达难以区分目标 回波和干扰信号。
2024/1/28
无源干扰
利用反射、散射等方式，使雷达信号偏离目标或产生虚假目 标。
16
常见干扰类型及抗干扰措施
01
02
03
信号处理技术
采用先进的信号处理技术 ，如脉冲压缩、动目标检 测等，提高雷达抗干扰能 力。
2024/1/28
雷达定义
利用电磁波的反射原理进行目标 探测和定位的电子设备。
发展历程
从20世纪初的萌芽阶段到二战期 间的广泛应用，再到现代雷达技 术的不断创新和发展。
4
雷达应用领域及重要性
应用领域
军事、民用航空、气象、海洋监测、 地质勘探等。
重要性
在各个领域发挥着不可替代的作用， 如保障国家安全、提高航空安全、预 测天气变化等。
强化信号处理部分
信号处理是雷达技术的核心，建议增加相关 课时和实验，深入讲解信号处理技术。
2024/1/28
33
课程安排建议和拓展学习资源推荐
• 引入新技术：随着科技的发展，新型雷达技术不断涌现，建议课程中加入新型雷达技术的介绍和 讨论。
2024/1/28
34
课程安排建议和拓展学习资源推荐
2024/1/28
02
在安检、反恐、生物医学等领域 具有潜在应用价值。
2024/1/28
30
06
总结回顾与课程安排建议
2024/1/28
31
关键知识点总结回顾
雷达基本概念
雷达是一种利用电磁波进行探测和测 距的电子设备，广泛应用于军事、民 用等领域。