电子对抗原理2雷达系统结构和工作原理.ppt

1 1 无线电频率资源无线电频率资源 2 2雷达波段习惯称法雷达波段习惯称法P波段：波段：1GHz，HF、VHF、UHF 现现 A/B 波段波段L波段：波段：1GHz 2GHz 现现 C/D 波段波段S波段：波段：2GHz 4GHz 现现 E/F 波段波段C波段：波段：4GHz 8GHz 现现 G/H 波段波段X波段：波段：8GHz 12GHz 现现 I/J 波段波段Ku波段：波段：12GHz 18GHzK波段：波段：18GHz 27GHzKa波段：波段：27GHz 40GHz，8mmV波段：波段：40GHz 75GHzW波段：波段：75GHz 110GHz，3mm毫米波：毫米波：110GHz 300GHzTHz：300GHz 1THz 3 3 4 4 5 5大气吸收与频率的关系大气吸收与频率的关系 6 6大气天顶衰减与地面水汽密度的关系大气天顶衰减与地面水汽密度的关系 7 7斜路径大气衰减斜路径大气衰减f23.75GHz 8 8目标反射电磁波脉冲发射电磁波 9 9雷达系统雷达系统结构与工作原理结构与工作原理n雷达系统结构和基本工作原理雷达系统结构和基本工作原理n频率综合器频率综合器n发射机发射机n天线天线n接收机接收机n信号处理机信号处理机n雷达终端雷达终端n监控设备监控设备 10101 雷达系统结构和基本工作原理雷达系统结构和基本工作原理n发射天线、接收天线分置结构图发射天线、接收天线分置结构图n采用采用T/R开关雷达（磁控管发射机）开关雷达（磁控管发射机）结构图结构图n采用采用环行器雷达（主振放大式发射机）环行器雷达（主振放大式发射机）结构图结构图 1111Daventry试验示意图试验示意图波束方位波束方位30，俯仰，俯仰10，波长，波长49m 1212采用采用T/R开关雷达开关雷达 1313T/R开关开关n快速转换开关，保护接快速转换开关，保护接收机免受发射机泄漏能收机免受发射机泄漏能量的损坏量的损坏n发射时，大部分能量传发射时，大部分能量传输到天线，通过输到天线，通过TR1和和TR2的小部分泄漏的小部分泄漏能量能量被假负载吸收被假负载吸收n接收时，微弱信号通过接收时，微弱信号通过TR1和和TR2传输到接收传输到接收机机TR为宽带接收机为宽带接收机保护放电管保护放电管 1414雷达显示器雷达显示器A型和型和A/R型型 PPI型型 1515一种典型的雷达系统原理框图一种典型的雷达系统原理框图 16162 频率综合器频率综合器 n 为雷达系统提供各种定时信号和相参频率信为雷达系统提供各种定时信号和相参频率信号号n 为发射机提供具有一定载频和波形的射频激为发射机提供具有一定载频和波形的射频激励信号，为接收机提供本振和正交相位检波信号励信号，为接收机提供本振和正交相位检波信号n 是雷达系统实现接收与发射相参的关键是雷达系统实现接收与发射相参的关键 1717频率源分类频率源分类n自激振荡源自激振荡源 晶体振荡器、腔体振荡器晶体振荡器、腔体振荡器 介质振荡器、压控振荡器等介质振荡器、压控振荡器等n合成频率源合成频率源直接模拟式：对基准频率进行各种各样的直接模拟式：对基准频率进行各种各样的加减乘除加减乘除间接模拟式：利用模拟锁相环间接模拟式：利用模拟锁相环锁定锁定VCO 来实现频率合成来实现频率合成直接数字式：使用数字技术完成频率和波直接数字式：使用数字技术完成频率和波形的合成形的合成间接数字式：由数字锁相环构成，包含数间接数字式：由数字锁相环构成，包含数字分频器和数字鉴相器字分频器和数字鉴相器 1818n模拟模拟合成法：用振荡器（如合成法：用振荡器（如VCO）和锁相环）和锁相环（PLL）等器件实现。生成信号的杂波成分多，等器件实现。生成信号的杂波成分多，频谱纯度低，频率分辨率与频率转换时间的矛盾频谱纯度低，频率分辨率与频率转换时间的矛盾始终难以解决；始终难以解决；n数字合成法：具有频率转换时间短、频率分辨率数字合成法：具有频率转换时间短、频率分辨率和相位分辨率高、体积小等优点。和相位分辨率高、体积小等优点。1919间接模拟合成法间接模拟合成法用振荡器（用振荡器（如如VCO）和锁相环（）和锁相环（PLL）等器）等器件实现件实现 2020数字合成法数字合成法n存储器存储器D/A产生一定波形信号产生一定波形信号nDDS产生一定波形信号产生一定波形信号DDS结构结构 2121DDS加锁相环加锁相环 2222DDS加锁相环和倍频器加锁相环和倍频器 2323频综主要指标频综主要指标n频综主要指标有：频综主要指标有：标称频率、频率精度、频率范围、输出信号带宽、标称频率、频率精度、频率范围、输出信号带宽、频率间隔、频率捷变时间、频率稳定度、相位噪频率间隔、频率捷变时间、频率稳定度、相位噪声、杂散、输出功率和波形种类等声、杂散、输出功率和波形种类等n标称频率：频综输出信号的中心频率的标称值标称频率：频综输出信号的中心频率的标称值n频率精度：频综输出频率在室温（频率精度：频综输出频率在室温（25C）下相）下相对于标称频率的偏差对于标称频率的偏差n频率范围：频综输出信号频率的范围频率范围：频综输出信号频率的范围n频率分辨率频率分辨率n频率捷变时间：频综从一个频率跳变到另一个频频率捷变时间：频综从一个频率跳变到另一个频率所需要的时间，该时间越短，频综的跳频速度率所需要的时间，该时间越短，频综的跳频速度越快越快 2424n频率稳定度：在指定温度范围内频综输出频率频率稳定度：在指定温度范围内频综输出频率相对于相对于25C测量值的最大允许频率偏差，一测量值的最大允许频率偏差，一般表示成相对值，频率稳定度分长期稳定度和般表示成相对值，频率稳定度分长期稳定度和短期稳定度短期稳定度n输出信号带宽指频综输出信号的输出信号带宽指频综输出信号的3dB频域宽度频域宽度n相位噪声：相位噪声：表示振荡器频谱纯度的性能参数表示振荡器频谱纯度的性能参数，通常定义为载波发生某一频率偏移时在通常定义为载波发生某一频率偏移时在1Hz带带宽内的相对于载波的单边带功率密度，单位为宽内的相对于载波的单边带功率密度，单位为dBc/Hzn杂散：频综输出信号中包含不需要的非规则的杂散：频综输出信号中包含不需要的非规则的随机的频率分量，单位为随机的频率分量，单位为dBcn谐波：单位为谐波：单位为dBc 2525振荡器的输出频谱振荡器的输出频谱 2626 2727相位噪声和杂散频域测试结果相位噪声和杂散频域测试结果 2828相位噪声影响示意相位噪声影响示意 2929锁相环相位噪声的计算锁相环相位噪声的计算 N为倍频系数，为倍频系数，为基准信号的相位为基准信号的相位噪声噪声，为锁相环路对输出信号的附加为锁相环路对输出信号的附加噪声噪声 30303 天线天线n 天线是一个导波和辐射波的换能器。天线是一个导波和辐射波的换能器。n 在发射时，天线把发射机送来的高频电流在发射时，天线把发射机送来的高频电流变换成辐射波并将辐射能量集中到所要求方变换成辐射波并将辐射能量集中到所要求方向的赋形波束内。向的赋形波束内。n 在接收时，天线接收回波信号中所含能量，在接收时，天线接收回波信号中所含能量，把它转变为高频电流输送给接收机。把它转变为高频电流输送给接收机。3131圆抛物面天线三维立体方向图圆抛物面天线三维立体方向图 3232切面方向图切面方向图 3333天线参数天线参数n方向图、主瓣宽度与副瓣电平方向图、主瓣宽度与副瓣电平n方向性系数方向性系数 n功率增益功率增益 n有效口径与口径效率有效口径与口径效率n极化极化：水平、垂直、（右、左）圆极化、椭圆极水平、垂直、（右、左）圆极化、椭圆极化化n输入阻抗；一般雷达、通信设备所用天线输入阻抗；一般雷达、通信设备所用天线的输入阻抗为的输入阻抗为 3434n 驻波比（驻波比（SWR）R为反射系数为反射系数n 天线带宽：天线增益比在中心频率时的天线增天线带宽：天线增益比在中心频率时的天线增益下降益下降3分贝范围内的频率范围分贝范围内的频率范围，也有定义天线，也有定义天线的驻波比不超过的驻波比不超过1.5的频率范围为天线的带宽的频率范围为天线的带宽 功率容量功率容量n 互调是由天线本身的非线性造成的，互调可分互调是由天线本身的非线性造成的，互调可分为二阶、三阶和三阶以上互调，三阶互调影响最为二阶、三阶和三阶以上互调，三阶互调影响最大大天线参数（续）天线参数（续）3535半波振子天线及其方向图半波振子天线及其方向图 3636垂直八元阵方向图垂直八元阵方向图 3737八木天线八木天线 图2-11 八木天线示意图具有结构轻巧、制作架设简单、经济适用等优具有结构轻巧、制作架设简单、经济适用等优点点 3838喇叭天线喇叭天线 喇叭天线结构简单，调整使用方便，可以作为独喇叭天线结构简单，调整使用方便，可以作为独立的天线，更多作为其它天线的馈源立的天线，更多作为其它天线的馈源 3939平板型天线平板型天线 基站天线应用最为普遍的是平板型天线基站天线应用最为普遍的是平板型天线 4040抛物面反射器天线抛物面反射器天线n反射面天线由馈源与反射构成。馈源的主要作反射面天线由馈源与反射构成。馈源的主要作用是辐射，反射面的主要作用是形成期望的方用是辐射，反射面的主要作用是形成期望的方向图。常用的反射面由导电良好的金属材料制向图。常用的反射面由导电良好的金属材料制成。反射面的形状可为平面或曲面。应用广泛成。反射面的形状可为平面或曲面。应用广泛的是各种抛物面天线。的是各种抛物面天线。4141馈源置于抛物面的焦点上，对着反射面馈源置于抛物面的焦点上，对着反射面，主要利用主要利用了抛物面的光学性质了抛物面的光学性质 4242卡塞格伦天线卡塞格伦天线 4343n 卡塞格伦天线是一个双反射系统，它由三部分卡塞格伦天线是一个双反射系统，它由三部分组成：主反射面，副反射面和馈源组成：主反射面，副反射面和馈源n 主面为旋转抛物面，焦距主面为旋转抛物面，焦距为为f，焦点为，焦点为Fn 副面一般为双曲面，其虚焦点与副面一般为双曲面，其虚焦点与F重合，实焦重合，实焦点点Fp在主面顶点附近，在主面顶点附近，双曲面上任一点到两焦点双曲面上任一点到两焦点的距离差等于常数的距离差等于常数n使用卡塞格伦天线，馈源可以放在反射面的后使用卡塞格伦天线，馈源可以放在反射面的后面，从而避免了口径阻挡。同时，减小了传输线面，从而避免了口径阻挡。同时，减小了传输线的长度的长度n由于等效抛物面的焦距比普通抛物面的大，为由于等效抛物面的焦距比普通抛物面的大，为长焦抛物面天线，所以其口径场比较均匀，可提长焦抛物面天线，所以其口径场比较均匀，可提高口径利用率高口径利用率 4444电子扫描天线电子扫描天线 n 电子扫描方式主要电子扫描方式主要分为分为3种：相位扫描、频率种：相位扫描、频率扫描和数字波束形成（扫描和数字波束形成（DBF）n 辐射单元按一定形式排成阵列，如果辐射单元辐射单元按一定形式排成阵列，如果辐射单元在一条线上排列，称为线阵；如果在二维上排成在一条线上排列，称为线阵；如果在二维上排成阵列，称为面阵阵列，称为面阵 4545相位扫描原理图相位扫描原理图 4646智能天线智能天线n 频谱资源越来越紧张，采用时分多址（频谱资源越来越紧张，采用时分多址（TDMA）、）、频分多址（频分多址（FDMA）和码分多址（）和码分多址（CDMA）技术可）技术可提高频谱的利用率，但仍然无法满足人们对频谱资提高频谱的利用率，但仍然无法满足人们对频谱资源的需求。源的需求。n 从空域来提高频谱利用率已成为需要，智能天线从空域来提高频谱利用率已成为需要，智能天线就是在此基础上提出来的一种新型天线系统。就是在此基础上提出来的一种新型天线系统。4747DBF系统的基本原理图系统的基本原理图 天线单元阵列天线单元阵列 接收模块接收模块 A/D变换器变换器 数字波束形成器数字波束形成器 4848稀布阵雷达稀布阵雷达VHF波段波段发射发射1个个圆阵圆阵（25个窄个窄带带全向全向发发射天射天线线，每个，每个10KHz带宽带宽，共，共250KHz）接收接收1个个圆阵圆阵，48个全向接收天个全向接收天线线，带宽带宽250KHz 4949RIAS*/SIAR*by Jaques Dorey(1986)Space Frequency orthogonal coding 50504 接收机接收机n作用是在杂波、噪声和各种干扰中放大所作用是在杂波、噪声和各种干扰中放大所需回波信号，使输出信号与干扰功率之比需回波信号，使输出信号与干扰功率之比达到最大，并把所需信号放大到能把目标达到最大，并把所需信号放大到能把目标信息显示给操作员，或放大到便于信号处信息显示给操作员，或放大到便于信号处理机检测的电平。理机检测的电平。n分为超外差式、直接变频接收机（又称零分为超外差式、直接变频接收机（又称零拍接收机）等类型。拍接收机）等类型。n超外差式雷达接收机具有灵敏度高、增益超外差式雷达接收机具有灵敏度高、增益高、选择性好和实用性广等优点，在雷达高、选择性好和实用性广等优点，在雷达系统中得到广泛应用。系统中得到广泛应用。5151超外差式雷达接收机的主要组成超外差式雷达接收机的主要组成n射频部分，又称为接收机射频部分，又称为接收机“前端前端”，包括接收机，包括接收机保护器、低噪声放大器、混频器和本机振荡器；保护器、低噪声放大器、混频器和本机振荡器；n中频部分，包括中频滤波器和放大器；中频部分，包括中频滤波器和放大器；n视频部分，包括正交相位检波器、低通滤波器和视频部分，包括正交相位检波器、低通滤波器和视频放大器。视频放大器。5252超外差式接收机原理框图超外差式接收机原理框图 5353超外差式接收机射频部分超外差式接收机射频部分 n 主要由接收机保护电路、低噪声放大器、混频主要由接收机保护电路、低噪声放大器、混频器等部分组成，简称为接收机器等部分组成，简称为接收机“前端前端”。n 如系统无频率综合器，本机振荡器（如系统无频率综合器，本机振荡器（LO，Local oscillator）可放在接收机内。）可放在接收机内。5454超外差式接收机中频部分超外差式接收机中频部分 包括中频滤波器、中频放大器和中频衰减器。包括中频滤波器、中频放大器和中频衰减器。中频信号放大之前一般应经过中频滤波以减中频信号放大之前一般应经过中频滤波以减少不需要的频率分量、抑制带外干扰；中频少不需要的频率分量、抑制带外干扰；中频放大器的输出，除了需要的频率分量外，还放大器的输出，除了需要的频率分量外，还有其它不需要的成分，也需要通过中频滤波有其它不需要的成分，也需要通过中频滤波器予以滤除器予以滤除 5555超外差式接收机视频部分超外差式接收机视频部分n包括相位检波器、低通滤波器和视频放大器。包括相位检波器、低通滤波器和视频放大器。正交正交相位检波信号频率等于中频，相位检波信号频率等于中频，2路信号要求路信号要求幅度相等、相位相差幅度相等、相位相差90度。度。n输出同相（输出同相（I）和正交（）和正交（Q）两路信号。理想情）两路信号。理想情况下，要求况下，要求I、Q两路信号正交，即幅度相同，两路信号正交，即幅度相同，相位相差相位相差90度。度。n由于相位检波器、低通滤波器和视频放大器采由于相位检波器、低通滤波器和视频放大器采用模拟器件，很难保证两个通道的一致性，用模拟器件，很难保证两个通道的一致性，I、Q两路信号的正交性不够好，导致镜频抑制比不两路信号的正交性不够好，导致镜频抑制比不够高，一般在够高，一般在60dB以下。以下。5656数字化接收机数字化接收机n数字化接收机主要有数字化接收机主要有2种：种：全数字化全数字化 中频数字化中频数字化n全数字化接收机没有中频，射频信号放大后直接进全数字化接收机没有中频，射频信号放大后直接进行行A/D变换和数字下变频（变换和数字下变频（DDC）。受）。受A/D转换速转换速率的约束，全数字化接收机工作频率一般在几率的约束，全数字化接收机工作频率一般在几GHz以下。以下。n数字中频接收机结构仍是超外差型，先由模拟频率数字中频接收机结构仍是超外差型，先由模拟频率变换把变换把RF信号变到较低的中频（信号变到较低的中频（IF），），然后在此然后在此中频上进行数字化，中频上进行数字化，再用数字处理技术实现下变频。再用数字处理技术实现下变频。5757数字中频接收机原理框图数字中频接收机原理框图问题问题：上图有什么问题？：上图有什么问题？5858数字中频接收机原理框图数字中频接收机原理框图 5959数字接收机与模拟接收机相比有以下优点：数字接收机与模拟接收机相比有以下优点：n适应性好适应性好n线性动态范围宽，对窄带信号可到线性动态范围宽，对窄带信号可到90dB以上以上n理想正交性，理想正交性，I、Q两路信号的正交性好两路信号的正交性好n传输无误差，数字传输传输无误差，数字传输 n低成本低成本 6060测试方法测试方法 6161AD后数据做后数据做FFTDDC后数据做后数据做FFT红色和兰色对应不同红色和兰色对应不同的通道的通道 6262信道化接收机信道化接收机n由具有相同带宽的若干子信道按频率从低到高由具有相同带宽的若干子信道按频率从低到高的顺序排列起来所组成，在频域覆盖很宽的范的顺序排列起来所组成，在频域覆盖很宽的范围，且中间没有漏缺围，且中间没有漏缺n 子信道带宽越窄，子信道的数量就越多，频子信道带宽越窄，子信道的数量就越多，频率精度就越高，设备量也随之增加率精度就越高，设备量也随之增加n这种多信道可以通过高频电路形成这种多信道可以通过高频电路形成n还可以通过什么方式形成？还可以通过什么方式形成？6363信道化接收机（续）信道化接收机（续）信道化接收机具有动态范围大、窄带性能好、信道化接收机具有动态范围大、窄带性能好、测量精确、具有分选功能等优点，同时又克测量精确、具有分选功能等优点，同时又克服了瞬时范围太小的弱点，在电子战系统中服了瞬时范围太小的弱点，在电子战系统中得到广泛应用，其主要不足是设备量太大。得到广泛应用，其主要不足是设备量太大。6464一种经典的信道化接收机原理框图一种经典的信道化接收机原理框图nN个门限个门限比较器的输出送到频率编码器，由频比较器的输出送到频率编码器，由频率编码器对接收信号进行频率编码（频率编码率编码器对接收信号进行频率编码（频率编码代表频率）；代表频率）；n当只有某路信道有输出或相邻信道有输出时，当只有某路信道有输出或相邻信道有输出时，则将该信号判为单信号；当不相邻信道有信号则将该信号判为单信号；当不相邻信道有信号输出时，将该信号判为分集信号输出时，将该信号判为分集信号