雷达组成及原理.doc

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），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：大功率电磁振荡产生与调制同时完成（一个器件）图2-1 单级振荡式发射机（1）定时器提供以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，。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。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） 雷达接收机一、 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：（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：用最小可检测信号功率 表示，检测灵敏度，给定虚警概率 ，达到指定检测概率时的输入端的信号功率： =|=const，=const保证下面灵敏所需接收机gain=120-160 dB，-120-140dbw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 |，80-120 dB。4、中频的选择与滤波特性： ，中频选择通常选择 30M500M，抑制镜频.实际与发射波形特性，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 倍。2、平面显示器： 图4.2，又称 PPI(Plan position indicator)显，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1、距离R 处任一点处的雷达发射信号功率密度：,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 3、以目标为圆心，雷达处散射的功率密度：, 雷达散射截面积。4、雷达天线接收面积，收到功率.5、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）时时，6.收发不同天线时，7. 收发共天线时，雷达实际作用距离受目标后向散射截面积 、 、噪声和其他干扰的影响，具有不确定性，服从统计学规律。（二）雷达距离的测量磁波在均匀介质中以光速匀速直线传播；测量目标回波滞后于发射信号的延迟时间的测量：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：跟踪范围大，精度高（三）角度测量雷达角度坐标的确定方位角，高低角绝对坐标表示法：方位角基准为正北，顺时针方向为正。高低角基准为水平面，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、连续波信号的多普勒效应雷达发射信号可表示为：在雷达发射站处接收到由目标反射的回波信号为：式中,= 2R/c，为回波滞后于发射信号的时间，其中R为目标和雷达站间的距离；c为电磁波传播速度，在自由空间传播时它等于光速；k为回波的衰减系数。如果目标固定不动, 则距离R为常数。回波与发射信号之间有固定相位差，它是电磁波往返于雷达与目标之间所产生的相位滞后。 动目标显示雷达的基本类型中频全相参(干)动目标显示：当雷达发射机采用主振放大器时, 每次发射脉冲的初相由连续振荡的主振源控制, 发射信号是全相参的, 即发射高频脉冲、本振电压、相参电压之间均有确定的相位关系。相位检波通常是在中频上进行的, 因为在超外差接收机中, 信号的放大主要依靠中频放大器。在中频进行相位检波, 仍能保持和高频相位检波相同的相位关系。锁相相参动目标显示：当雷达发射机采用自激振荡器(如磁控管振荡器)时, 它的每一发射脉冲高频起始相位是随机的。因此，为了得到与发射脉冲起始相位保持严格关系的基准电压, 应该采用锁相的办法, 也就是使振荡电压的起始相位受外加电压相位的控制。原则上有两种锁相的办法: 一种是将发射机输出的高频电压加到相参振荡器去锁相; 另一种是将连续振荡的相参电压加到发射机振荡器去, 以控制发射脉冲的起始相位。后一种方法要求较大的控制功率, 因而在实际中用得较少。 四 并行计算机在现代雷达信号处理中的应用 1大规模并行处理机的并行性 大规模并行处理机的并行性 设计大规模并行处理机取决于应用问题的算法、 程序设计语言和处理机结构,而基础在于并行性。算 法的并行性是该算法中可并行执行的操作次数。并行 处理机在图像处理、信号处理和神经网络中有巨大的 应用潜力。一幅图像的所有像素均可对应分配到阵列 各处理单元中,每个处理机对应一个像素。如一帧图 像很大,可以被分块,每块图像大小等于处理单元阵列的大小。信号处理机用向量或矩阵运算是利用大量处 理单元对向量或矩阵包含的各元素同时进行计算。用 SIMD矢量指令取代单计算机程序的级内循环。数据 并行性就可使所有处理单元在阵列的各单元上并行执 行同样指令。在 ISAR 成像雷达中,数据并行性可按 纵向距离单元和横向距离单元进行运算。英国机载 MPRF 多普勒搜索雷达应用 DAP 时,搜索雷达的数据 并行性为 6 万点。瑞典机载多普勒( MPRF)雷达信号 处理应用的 SIMD 大规模并行处理机,其数据并行性 是1 万个元素,这就意味着每个相干处理间隔( CPI) 内处理 100 个脉冲,而每个脉冲有 100 个距离门,100 100 =1 万个采样。MP-2 的结构并行性为 128 128=16K 。每个处理机单元都执行相同的所有信号 处理运算。 SIMD(单指令多数据流)结构中 FFT 并行算法, 对于一个 N 点数组,如果采用基 r FFT 算法,用顺序 处理机则每级迭代要进行 N/r 次蝶形运算。如果我 们并行 N/r 个基r 蝶形运算器,则每一级迭代只需一 个蝶形运算时间完成,是顺序处理机的 N/r 倍。此 N 点可取 16K 、1024、等。N 数由雷达距离单元数 和多普勒带宽决定, N =PRF f D ,其中 PRF 为脉冲重复 频率, fD 为多普勒频率分辨率。现在流行的多处理 机结构实行的是 MIMD 方式,那就应用 MPMD(多程 序多数据)方式,多个进程可执行不同代码,功能并行, 用并行块构造。那就没有 SIMD方式那么多的结构并 行性,则可把 FFT 变换的大 N 点数分成N1 N2 二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. 4 23MB/s,其处理单元为专用芯片,处理单 元数为 1 024 16 384,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 4 096 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 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 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 1 200 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( heuristic)映射。处理机相互连接成网格,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 N 网格上实现 n 个 神经元和e 个突触连接(这里 N2 n +e 表示处理机 数多于数据项数)。处理机阵列为 N 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 2000 是共享存储多处理机,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-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雷达 CS( chirp scaling)线性调频 定标算法的并行处理,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 大国家航天署提供的 RAOARSAT 1 星载 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-机群上实 验了 SAR 实时数字成像处理(作地面系统的实时处 理)。结果证明,研究工作是有效的。曙光 3000-并 行机有 16 个结点( 64 个 CPU) ,AIX4. 3. 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 38416 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. 12s。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 6464( 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,我国与美国相比还相差较大 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。